【新刊速览】刘成松等：海洋工程用钢中夹杂物特性调控的研究进展
2025-11-015
刘成松1,2 , 李富康1,2, 王勇1,2, 张 华1,2, 倪红卫 1,2(1.武汉科技大学钢铁冶金及资源利用省部共建教育部重点实验室,湖北 武汉 430081;2.武汉科技大学钢铁冶金新工艺湖北省重点实验室,湖北 武汉 430081)
随着海洋资源开发逐渐向深海及极寒区域延伸，海洋工程用钢需在极端环境中兼具高强度、高韧性和优异耐腐蚀性能。非金属夹杂物作为钢中固有缺陷，其成分、尺寸、形态及分布等特性对海洋工程用钢的抗氢致开裂性能、抗点蚀性能及力学性能具有决定性影响。通过钙处理、镁处理、稀土改性及氧化物冶金等技术，可优化夹杂物形态、尺寸及分布，平衡其“缺陷”与“功能”。为此，系统综述了夹杂物特性对海洋工程用钢不同性能的影响规律和机制，并分别对改善抗氢致开裂性能、抗点蚀性能以及力学性能的夹杂物调控关键策略进行了全面总结和归纳，进而提出了海洋工程用钢中夹杂物调控技术的未来发展趋势。旨在为开发兼具“高强、高韧、耐蚀”特性的新一代海洋工程用钢提供理论依据与技术路径。
海洋工程用钢/夹杂物特性调控/钙镁处理/稀土改性/氧化物冶金/氢致开裂/抗点蚀性能/力学性能
随着全球海洋资源开发战略的持续推进，深海油气勘探、极地航道开发及海洋能源利用等工程对高性能海洋工程用钢的需求日益迫切。根据《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》海洋经济被列为国家战略性新兴产业，而优化海洋工程材料的性能，优化是支撑这一战略的核心驱动力之一。深海与极地环境的极端特性，包括高压、低温、高盐腐蚀以及动态载荷对材料的力学性能、耐腐蚀性及长期耐久性提出了苛刻的要求。海洋工程用钢作为关键结构材料，其性能直接决定了海洋装备的服役寿命与安全性，而钢中非金属夹杂物的精准调控则是破解这一难题的核心突破口。
非金属夹杂物作为炼钢过程中不可避免的微观缺陷，长期以来被视为材料失效的源头。夹杂物主要由脱氧产物、硫化物及外来夹杂物组成，其成分、尺寸、形态及分布等特征都会影响钢材的力学性能。研究表明，长条状MnS夹杂因其与基体的线膨胀系数失配，在加工过程中易形成微裂纹并成为氢原子富集的优先位点，显著加剧氢致开裂敏感性；簇状Al2O3等硬性氧化物则因界面残余应力集中，易成为疲劳裂纹与点蚀的形核源。因此，提升钢水洁净度，精准控制夹杂物的尺寸和形态是提升海洋工程用钢性能的主要途径之一。此外，随着冶金技术的进步，学者们逐渐认识到夹杂物的“双刃剑”特性，通过精准调控，有害夹杂物可能转化为功能性单元。例如，纳米氧化物、碳化物可作为位错钉扎点提升材料强度，“核-壳”结构复合夹杂物通过界面协同效应可抑制氢渗透，而稀土改性夹杂物则能诱导针状铁素体形核以优化韧性和耐蚀性。这种从“被动规避缺陷"到“主动赋予功能”的理念转变，为高性能海洋工程用钢的开发提供了全新思路。因此，如何通过多尺度协同设计平衡夹杂物的“缺陷”与“功能”，成为当前研究的焦点。针对上述挑战，国内外学者从成分设计、工艺优化及跨学科方法融合等角度展开了积极探索，通过微合金化(如 Ti、Mg、RE)引入功能性夹杂物相，利用其与钢基体的界面特性调控氢扩散路径与电化学腐蚀行为，同时利用复合脱氧以及冶金工艺优化，显著提升钢水洁净度，并改善夹杂物分布均匀性与尺寸的可控性。本文系统综述了近年来海洋工程用钢中夹杂物特性调控的研究进展，重点围绕夹杂物与抗氢致开裂、抗点蚀性能及力学性能的耦合关系，分析了钙处理、镁处理、稀土(RE)改性及氧化物冶金等技术的优势与局限性，旨在为开发兼具“高强、高韧、耐蚀”特性的新一代海洋工程用钢提供理论依据与技术路径。
海洋工程用钢在深海及极地极端环境下面临氢致开裂、点蚀及力学失效的多重挑战，非金属夹杂物的精准调控是提升其综合性能的核心。已有众多研究探究了非金属夹杂物特性对海洋工程用钢单一性能的影响规律和机制，但对于其综合性能协同调控和改善的探究较少，这也是目前的研究重点和难点之一。因此，亟须从多因素协同作用的角度系统研究不同调控手段对非金属夹杂物综合性能的协同优化机制。1)抗氢致开裂性能:长条状 MnS及硬质氧化物因界面残余应力高、氢捕获能力强，显著加剧氢致开裂敏感性。钙处理技术通过球化夹杂物形成CaO-Al2O3-CaS复合相，镁处理技术促进生成“核-壳”结构的高氢容量夹杂物，稀土处理技术生成的RE-O-S夹杂物能够有效诱导针状铁素体形成并降低可逆氢陷阱密度，协同提升抗氢致开裂性能。2)抗点蚀性能:硫化物通过化学溶解与电偶腐蚀以及贫铬区机制诱发点蚀，而化学稳定性较好的氧化物因微间隙机制导致点蚀萌生，稀土处理通过细化夹杂物及生成缓蚀产物[Ce(OH)3]，来抑制点蚀扩展，而铌微合金化形成的耐蚀包裹相则可隔绝腐蚀介质。3)力学性能:大尺寸氧化物、氮化物会引发应力集中，而纳米弥散氧化物(TiO2、Y2O3)通过钉扎位错提升强度。电磁搅拌、电渣重熔(ESR)及稀土处理可细化夹杂物并实现弥散分布，镁、钛处理则能够有效提升船舶钢的焊接性能。基于以上分析，海洋工程用钢中夹杂物的调控本质是“缺陷”与“功能”的博弈。展望未来，海洋工程用钢中夹杂物调控的研究将呈现以下趋势。1)目前研究海工钢中夹杂物的调控目标往往局限于单一性能，单一性能的提升可能伴随其他性能的削减，需要针对海洋环境下综合性能的优化提出更加全面的夹杂物调控策略。2)针对海洋环境的复杂性与极端性，需要重点突破高压、低温、腐蚀、冲击等多场耦合的海洋环境下夹杂物动态行为的原位表征与模拟技术，完善夹杂物导致的海工钢性能失效机制。3)融合机器学习与智能化生产，实现钢液洁净度与夹杂物演变的实时监测，动态调控精炼参数(如钙、镁、稀土添加量等)，减少因合金化程度失衡导致的海工钢性能不达标。[1]刘成松,李富康,王勇,等. 海洋工程用钢中夹杂物特性调控的研究进展[J]. 钢铁, 2025, 60(10): 1-16.
[1]LIU Chengsong,LI Fukang,WANG Yong, et al. Research progress on control of inclusions characteristics inmarine engineering steel[J]. Iron and Steel, 2025, 60(10): 1-16.
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