点击上方「材料科学与工程」快速关注
材料类综合、全面、专业的微信平台
为落实《新材料产业发展指南》，财政部和保监会打算建立重点新材料首批次应用保险补偿机制并开展试点工作。基于此，原材料工业司进行了《重点新材料首批次应用示范指导目录（2017 年版）》的组织编制工作，此目录下文简称“目录”，并且在 2017 年 6 月 16 日进行了公示。
本次公布的目录主要涵盖了三大类。一类是先进基础材料，其中包含先进钢铁材料、先进有色金属材料、先进化工材料、先进无机非金属材料以及其他材料；另一类是关键战略材料，包括高性能纤维及复合材料、稀土功能材料、先进半导体材料和新型显示材料。
为让读者更好地了解相关重点新材料，对目录中涉及的各类新材料进行了简略解读，并且以系列图文的形式进行推送。本文重点介绍的是先进基础材料里的先进钢铁材料。
先进钢铁材料
新型高性能崛进机刀具用钢
性能要求
A 类夹杂物的级别小于等于 0.5 级，C 类夹杂物的级别小于等于 0.5 级；B 类夹杂物的级别小于等于 1.5 级，D 类夹杂物的级别小于等于 1.5 级；抗拉强度大于规定值，热处理后的硬度大于 56HRC，冲击韧性 Aku 大于 20J。
应用领域
机械
应用实例
新型高性能崛进机刀具用钢是盾构掘进机刀具的主要材料。这种钢常用于刮削刀具的制造，也常用于滚动刀具的制造。滚刀分为整体耐磨钢材料和镶有硬质合金球齿的刀具材料。整体耐磨钢材料主要以合金工具钢为主，也有合金结构钢，硬度在 HRC52 - 59 之间。球齿刀具是在钢基体上镶嵌硬质合金刀头，硬度为 HRA85 - 88。
这种新型高性能崛进机刀具用钢制造的盾构掘进机刀具，在我国的地铁工程中常被使用，在引水工程中也常被使用，在铁路隧道工程中常被使用，在过江隧道工程中也常被使用，其刀具应用已经相当广泛。
对地层的适应性
新型耐磨材料研发与应用
发展钢结构合金破岩刀具材料：钢结构合金的冲击强度和抗弯强度超过了 Wc-Co 类合金。这种钢结构合金作为破岩工具的材料是比较好的。
改进 Wc-Co 硬质合金，主要有以下途径：一是向低钴颗粒 WC 方向发展；二是改善 WC-Co 合金的组织；三是在 WC-Co 合金中添加少量的 TaC。
3）新型热处理工艺及表面处理技术
4）凿岩刀具形状的设计改进
高档轴承钢
性能要求
o 小于等于 7ppm，Ti 小于等于 15ppm，夹杂物 A、B、C、D 的级别小于等于 2 级，最大颗粒夹杂物 DS 的级别小于等于 0.5 级，在 4.5GPa 赫兹应力下的接触疲劳寿命 L10 大于等于 5 乘以 10 的 7 次方次。轴承钢冷热加工性能强。
应用领域
汽车、家电
轴承钢质量影响因素
1）氧
相关研究试验结果显示，精炼钢中氧含量降至 20x10 -6 时，其疲劳寿命是电弧炉大气下熔炼钢（氧含量为 30x10 -6）的 1.5 倍；氧含量降至 15x10 -6 时，疲劳寿命是电弧炉大气下熔炼钢的 2.0 倍；氧含量降至 8x10 -6 时，疲劳寿命是电弧炉大气下熔炼钢的 3.0 倍，且接近电渣重熔钢的水平。氧含量与疲劳寿命的关系并非绝对，而是具有辩证性。因为钢中氧含量的高低，仅仅能反映出钢中氧化物夹杂数量的多少，而不能反映硫化物和氮化物量的高低。所以，只能将氧含量视为特定工艺范围内疲劳极限的一个相关参数。
2）硫
硫化物包裹覆盖氧化物并非仅通过控制氧硫比就能达成。因为硫化物和氧化物的变形抗力存在差异，在热加工时“膜”有可能被挤掉。从高硫轴承钢寿命测定值分散度大这一情况来看，这些因素是有影响的。用硫化物包裹覆盖氧化物能提高滚珠轴承寿命这一点并非绝对，只能说硫化物的危害相较于氧化物相对要少一些。
3）钙
钙在轴承钢中主要以铝酸钙、硅铝酸钙、硫化钙等形式存在。这种夹杂物在热加工时既不会变形，也不会破碎。在球状夹杂的两侧可以看到一些“孔穴”，这些地方容易引发应力裂纹。在氧含量很低的轴承钢中，钙能够替代硫化锰中的锰。富钙硫化物的韧性很差，和氧化物类似薄钢材原材料，会产生一定的裂纹。
4）其它残余元素
钛和氮是滚珠轴承中的有害元素，除了氧、硫、钙之外。因为存在 TiN 杂质，所以它们的危害比等粒度的刚玉还大。
滚珠轴承钢有白点敏感性，氢增加会使疲劳寿命下降；加热时磷会促使晶粒变大，让钢脆性增强且强度降低，淬火时易开裂；镍会让滚珠轴承淬火层的硬度降低；铜会引发失效。
轨道交通用钢
性能要求
光滑试样的 107 周次旋转弯曲疲劳强度极限≥某个值，缺口试样的 107 周次旋转弯曲疲劳强度极限≥另一个值。全尺寸疲劳性能有要求：轴身外表面在受力≥某个条件下，完成 107 周次循环后不能产生裂纹。
应用领域
铁路
产品分类
三是电气化铁路用钢。
轨道交通主要用钢品种分类：
特点分析
轨道交通用钢需具备高强度、高硬度、高韧性以及良好的焊接性能。钢材按抗拉强度可分为普通级钢轨、耐磨级钢轨和特级钢轨。钢轨质量越大，其所能承受的负荷就越大。我国主要线路通常铺设 60kg/m 和 75kg/m 的重型钢轨。高速铁路使用的钢轨材质有 U75VG 等。时速 200km/h 以上的高速客货铁路会选用特定材质的钢轨，时速 200～250km/h 的高速客货铁路则选用 U75VG 钢轨。目前国产的过共析钢轨为 U95Cr，经过热处理后，其轨面硬度能够达到 420HB，不过它的碳含量大于 0.9%。
高性能油套管
性能要求
屈服强度在 758 及以上，在-10℃时全尺寸冲击功不低于 60J；在 180℃、3.5MPa 的 CO2 环境中，流速为 1m/s 的腐蚀条件下，腐蚀速率小于等于 0.25mm/a。油套管是无缝钢管，通过高频电阻焊接（ERW）制成。ERW 焊接所使用的钢板（卷板）是由低碳微合金化钢经 TMCP 轧制而成的，这种钢板具备良好的强韧性和抗压性。
应用领域
油气开采
产品分类
根据使用的环境和用途的不同可将油套管分为以下类型：
常用套管性能数据：
常用油管性能数据（N80 EUE）：
大口径快速上卸扣套管
性能要求
屈服强度 Rt 0.5 的范围是 379 到；上扣效率比 API 螺纹的上扣效率高 20%。
应用领域
油气开采
特点分析
大口径快速上卸扣套管是油套管的一种。它具备一般油套管耐磨、抗压、韧性强等特点。其螺纹连接强度高，容易对扣，上扣速度快，效率高。在力学性能等方面与套管母材等同。作业时，不会因上扣速度快而影响使用性能。
粘扣因素分析
上卸套管卸扣操作如果不当，这是油套管失效事故中最为常见的一种失效方式。粘扣会对油套管的使用寿命产生影响，甚至会引发管柱掉井事故。具体操作涵盖油套管下井对扣的方式、上扣大钳的选择、上扣的速度、上扣的扭矩、螺纹脂的质量以及运输存放等方面。油套管粘扣的原因极为复杂，主要因素在于：螺纹参数不匹配，会使外螺纹在扣过程中局部区域接触压力过高，从而引发粘扣；表面处理质量低劣，会损坏螺纹，增加粘扣的可能性；上扣扭矩会对接头的连接强度、密封性能以及接头粘扣程度产生影响。
优质焊材
性能要求
镍基 690 有焊材；其抗拉强度在 550 左右；还有镍基 625 焊材、镍基 276 焊材以及镍基 620 焊材；这些焊材的抗拉强度大于等于某个值；一次探伤的合格率超过 99%。
应用领域
核电、火电、燃气轮机
焊材分类
焊材主要有焊条、焊丝、焊剂、保护气体、钎料、钎剂等种类。在不同的焊接条件下，需要使用不同的焊材。
特点分析
焊材壁厚较厚时，具有经济性和实用性。焊材壁厚较薄时，加工成本会大幅上升。一般情况下，焊材存在精度低、壁厚不均匀、管内外表光亮度低以及定尺成本高的问题，并且其内外表还有麻点、黑点，不易去除。不锈钢焊材的检测及整形需离线处理，具备抗高压和高强度的特性。
特殊密封用丝带材
性能要求
符合蜂窝密封的用材标准，也符合刷丝密封的用材标准，还符合 W 型密封的用材标准以及 C 型密封的用材标准；丝材的直径在 0.07 到 0.2 毫米之间，箔材的厚度在 0.05 到 0.15 毫米之间。
应用领域
核电、燃气轮机、发动机
分类
密封丝带主要有以下种类：膨体玻纤带；自粘性膨体玻纤带；覆铝箔玻纤带；涂硅胶玻纤带；玻纤梯形带；玻纤蝌蚪带；抗氧化绑扎带；绝缘绑扎带绕包带；石墨处理玻纤蝌蚪带；玻纤网格带等。
特点
它的拉力特别强，不容易折断；没有烟也没有毒，能够耐硫化，对环境的影响较小；绝缘性能良好，适合用于各种电缆的绕包；几乎不会受到温差和湿度的影响，是在阻燃耐火线缆生产中最为理想的绕包护层材料，主要起到隔热防护、保温、绝缘以及防腐的作用。
主要应用
石棉带可用于缠绕高温管件，而电热丝和发热元件、电缆线等是其理想替代材料。它可单面粘背胶，还能通过染色或添加金属丝来增强其性能要求，可应用于耐高温劳保产品、防火服、高温过滤、吸音以及其他代替石棉的应用领域。
高氮不锈钢
性能要求
不锈钢粉末的氮含量达到或超过 0.6％；通过热等静压工艺进行制备：其孔隙度小于或等于 0.3％，抗拉强度达到一定数值且大于等于某个值，屈服强度达到一定数值且大于等于某个值，延伸率大于等于 40％，PRE 大于等于 40。
应用领域
海洋工程、核电
分类
高氮钢的氮含量超出了常规条件下钢所能达到的极限氮含量。依据所含氮量的情况，大致可分为含氮大于 1%的超高氮钢，以及含氮在 0.3%至 0.5%之间的高氮钢。
高氮的作用
不锈钢材料的耐点腐蚀当量由不锈钢中的氮元素含量所决定。不锈钢中的氮元素增加后，提高了不锈钢的硬度、屈服强度、拉伸强度以及抗疲劳性。氮元素的作用主要有以下几点：能提升不锈钢的强度；能有效地稳定奥氏体相；能极大地提高材料的耐点腐蚀性。并且，氮元素可以取代镍元素，这样就降低了镍元素带来的不良影响，比如在力学性能方面的不良影响，以及避免了引起生物体过敏甚至潜在致癌的可能。
氮元素的含量也对于不锈钢耐腐蚀性能提升有积极的作用。在点腐蚀的初期，氮元素能形成保护层，能在初期有效保护材料并延缓腐蚀；在点腐蚀增长过程中，氮元素的存在可与质子起作用，转化为铵根离子形成的产物可作为缓冲物质来控制该区域的 PH 值，这能有效终止腐蚀的继续发展，能显著提升材料的抗腐蚀能力和机械强度。
熔炼技术
高氮钢的制作需让不锈钢的氮含量在大气压下超过溶解度，在加压氮气的条件下进行熔炼和浇铸的过程不可或缺。目前已有的加压熔炼技术包含加压感应熔炼法（PIM）、加压等离子熔炼法（PARP）、加压电渣重熔法（PESR）、加压电弧渣重熔法（ASRP）、大熔池法（BSB）、热等静压熔炼法（HIP）等。
高端模具钢
性能要求
磷含量不超过 0.010%，硫含量不超过 0.003%；A 类夹杂物和 C 类夹杂物都不超过 0.5 级；B 类夹杂物的细系不超过 1.5 级，粗系不超过 1.0 级；钢材的无缺口横向冲击功不低于 270J，横向和纵向的比例不低于 9；组织的均匀性符合北美压铸协会的标准，球化组织为 AS1 至 AS4 级，带状组织的级别为 SB 级。
应用领域
汽车
分类
- 还有一些是进口模具钢。
特点分析
硬度方面：模具在高应力发挥作用时，若要保持其形状尺寸不发生改变，就必须具备足够高的硬度。
热作模具在高温状态下工作，需要保持其组织和性能的稳定，以此来保持足够高的硬度，正因如此，模具钢具备一定的红硬性。
模具在使用时会频繁遭遇强度较大的压力以及弯曲的情况。所以，模具材料需要具备较为强大的抗压强度以及抗弯强度。
在工作过程中，模具会承受冲击载荷。为了避免在使用过程中出现折断、崩刃等损坏情况，就需要模具钢具备一定的韧性。
模具在工作过程中要承受相当大的压应力以及摩擦力，这就要求模具具备在强烈摩擦的情况下依然能够保持自身尺寸精度的能力，也就是说模具需要具有耐磨性。
热作模具钢在服役时，不仅要承受载荷的周期性变化，还会受到高温以及周期性的急冷急热的影响。因此，需要重视材料的热机械疲劳断裂性能。
7）咬合抗力：是发生“冷焊”时的抵抗力。
特种无缝钢管材
性能要求
超超临界火电机组建设需用到高压锅炉管，包括耐热不锈钢、S740、HR3C 等。核电建设则需要蒸发器管，为耐蚀钢 690U 型管。这些管材需满足耐高压≥25MPa 以及耐高温≥600℃的要求，并且铅、锡、砷、锑、铋单个元素的含量要＜30ppm，总含量也要＜一定值。其耐腐蚀、长寿命等性能已达到国际领先水平。
应用领域
火电、核电
分类
一般用途的无缝钢管，其原料是碳素结构钢、低合金结构钢或者合金结构钢，这种钢管可以用作输送流体的管道，也可以作为结构零件；专门用途的无缝管包含多种，比如有锅炉用的无缝管、化工电力用的无缝管、地质用的无缝管以及石油用的无缝管等。
特点与应用
无缝钢管在抗弯抗扭强度相同的情况下，其重量比较轻。它是一种经济截面钢材，被广泛应用于制造石油钻杆、汽车传动轴、自行车架以及建筑施工中使用的钢脚手架等结构件和机械零件。使用无缝钢管能够提高材料的利用率，还可以简化制造工序，进而节约材料和加工时间。
缺陷及产生原因
无缝钢管的缺陷分为两类，一类是危险性缺陷，包括裂纹、内折、外折、轧破、离层、结疤、拉凹、凸包等；另一类是一般性缺陷，有麻坑、青线、划伤、碰伤、轻微的内直道、外直道、辊印等。这些缺陷产生的原因是管坯的表面或内部本身存在缺陷。
生产过程中会出现一些问题。比如轧制工艺参数设计不正确，模具表面不够光滑，润滑条件不佳薄钢材原材料，孔型设计及调整不合理。在管坯（钢管）的加热轧制、热处理以及矫直过程中，由于加热温度控制不当，会导致变形不均匀，加热冷却速度不合理或者矫直变形量太大，从而产生过大的残余应力，这些情况都会致使钢管产生表面裂纹。
质量要求
高精度高温合金管材
性能要求
氧含量在 15ppm 及以下，硫含量在 50ppm 及以下，磷含量在 50ppm 及以下；材料的疏松和偏析等级小于 0.5 级；屈服强度达到或超过规定值，抗拉强度达到或超过规定值；外径的公差为±0.1mm，壁厚的公差为（+10%，-5%）。
应用领域
航空
分类与应用
现在的高温合金还用于制造煤的转化等能源转换装置的相关部件。
特点分析
高精度高温合金需具备蠕变强度高这一特点，同时也要具备持久强度高的特性。它还需有抗热疲劳性能良好以及机械疲劳性能良好的特质。并且要有抗氧化性能较好以及抗燃气腐蚀性能较好的表现。另外，组织稳定也是其应有的特点，在这些特点当中，蠕变强度和持久强度是最为重要的。
提高合金强度的方法：
特殊钢材
性能要求
镍含量在 8.5%到 10%之间，磷含量不超过 0.005%，硫含量不超过 0.002%；屈服强度达到一定数值且抗拉强度在 680 左右，延伸率大于等于 18%；在-196℃的低温环境下，冲击功的均值大于等于 100J。相较于普通钢，特殊钢材具备更高的强度，同时也具有更高的韧性，在物理性能、化学性能、生物相容性以及工艺性能等方面也更为优异。
应用领域
海洋工程、能源装备
分类
我国将特殊钢划分成三大类，分别是优质碳素钢、合金钢以及高合金钢（合金元素大于 10%）。在特殊钢产量中，合金钢和高合金钢所占比例为 70%。碳素钢指的是含碳量 wc 小于 2%的铁碳合金，并且碳钢除了含碳之外，一般还含有少量的硅、锰、硫、磷。合金钢则是指含有硅、锰、钼、镍、铬、钒、钛、铌、硼、铅、稀土等其中一种或几种合金元素的钢。
船用耐蚀钢
性能要求
下底板的年腐蚀速率小于 1mm。上顶板 25 年的腐蚀速率小于 2mm。这些包括厚度为 8 至 40mm 的钢板、配套的焊材以及型材。耐蚀钢属于不锈钢的一种，它能够在某些强腐蚀介质中抵抗侵蚀，并且其耐腐蚀的程度比不锈钢还要好一些。
应用领域
船舶
分类
按耐蚀性特点来分，有耐大气腐蚀的低合金钢；按使用领域来分，有耐海水腐蚀的低合金钢、耐盐卤腐蚀的低合金钢、耐硫化物应力腐蚀的低合金钢、抗氢腐蚀的低合金钢和抗硫酸露点腐蚀的低合金钢。
特点
耐蚀钢的主要特点在于，在各种不同的腐蚀环境里，其耐蚀性能要比碳素钢以及其他普通的低合金钢好上许多。不过，为了提升钢的耐蚀性能而添加的合金元素，在使钢的强度得以提高的同时，也会让钢的韧性和焊接性变差。
— END —
