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材料人报告|十年来金属材料研究成果、热点分析

发布时间:2019/10/05 08:43

  金属材料与人类文明的发展和社会的进步有着十分密切的关系,有着广泛的工业和生活应用,发展历程也较为久远。一般分为黑色金属、有色金属和特种金属三大类。

  本文基于Web of Science检索平台,通过论文文献计量分析方法对2008年以来金属材料领域(黑色金属、有色金属)的研究成果进行了整理和分析,希望有助于更好地了解国内外研究现状和未来的发展趋势。

  黑色金属

  我国的黑色、有色金属矿产资源丰富,在规模、技术、人才、资金等方面均处于世界前列。随着“一带一路”战略的推进,为我国黑色金属、有色金属的产能合作提供了巨大的国际市场,也为全球共同发展的实现提供了划时代的意义。作为供给侧结构性改革的先行者,中国钢铁行业积极化解过剩产能,中国钢铁消费由持续增长向“峰值平台区”转变,单位 GDP 粗钢消费强度回落,单位投资粗钢消费强度下降。截止2017年,我国查明保有铁矿资源储量为8.489×1010t,铁矿区为4790个,对外依赖度从2005年的39%增长到当前的90%左右,严重影响着钢铁产业经济安全[1,2]。

  钢铁是黑色金属领域中的基本结构材料,有“工业的骨骼”之称。首先,在Web of Science平台以“Steel”为关键词检索了2008-2018年以来的论文数量统计情况,结果如图1所示。我们发现,自2008年以来钢铁领域的研究论文数量呈现出稳步上升的态势,特别是在2012年进入快速发展阶段,接着在2013-2017年期间数量变化较为平稳,年论文量维持在80000左右,约为2008年的4倍,最后在2018年以后又出现了快速增长。

  图1 以“Steel”检索得到的2008-2018年期间的论文数据

  图2为该检索结果中主要的贡献国家及其对应的分布比例。可以看出,主要国家有:中国、美国、日本、德国、法国、印度、英国、南韩等,其中,我国在数量上占据绝对优势,所占比例超过一半。研究类型主要包括专利、论文、会议等,研究方向覆盖工程技术、材料科学、冶金工程、化学、仪器仪表、物理、力学等众多领域。

  对论文的研究方向统计发现,1990-2009年期间,不锈钢的研究主要围绕着:沉淀阶段的新发现(析出相、取向关系、相图);预防、缓解不同问题的新建议及其新的测量、检测方法;表面、体积改性技术(激光喷丸、晶界工程、晶粒细化)。随后,研究热点集中到:相预测、堆垛层错能、超塑性、再结晶动力学、力学性能计算等方向。2016年以后,不锈钢领域出现一些新型的应用,例如,使用奥氏体不锈钢的磁记录特性进行签名认证、σ相的低温磁性转变进行热点检测、磁性药物靶标等[3]。

图2 主要研究国家比例

  接着,分别以carbon Steel、alloy steel、cast iron为关键词进行了检索,结果如图3所示。观察发现:(a)三个领域在2008-2018年期间整体表现出逐年增长的趋势,其中以合金钢和碳素钢的增长最为明显;(b)在2014年-2016年期间,三个领域均处于平缓发展阶段,接着到2018年又出现了较大的增长。

图3 黑色金属研究成果统计

  铸铁作为曲轴、刹车片以及制动杆壳体等零部件的重要结构材料,现有的研究方法主要是通过控制和优化生产工艺,控制铁素体数量、球化处理和孕育处理等手段,以满足高/低温、强腐蚀等恶劣和苛刻服役环境。

  碳素钢方面,有大量的研究集中在晶粒细化工艺和机制上面,比如在低碳钢中通过形变诱导铁素体相变(DIFT),即Ar3以上温度变形过程中发生的相变,可使晶粒尺寸达到3μm,从而得到超细晶粒组织。

  微合金钢是在普碳软钢和普通低合金高强度钢的基础上迅速发展起来的工程结构用钢,关于微合金化方面的研究,自2006年以来国内外已有大量的研究,目前已经基本上形成了完整的体系和元素作用机制阐述。采用钛、钒、铌、硼、铝、锆、钽等进行微合金化处理,晶粒尺寸可细化至1μm左右。

  中国工业化和城镇化的前、中期,建筑业是中国经济发展的命脉。其以碳素钢所占比例超过50%,其次为低合金钢和微合金钢,主要应用于汽车制造业和造船工业。目前,品种结构调整、满足国内外装备制造业提升的需求是中国钢铁工业适应未来社会发展的重要任务。