鈮在高強度可焊接工字鋼和其它結構鋼中的應用

　　高強鋼對于近10年冶金工業(yè)發(fā)展意義重大，目前能夠滿足強度、塑性、韌性、成形性和焊接性的要求，使低成本鋼材年產(chǎn)量占世界結構鋼的10%左右。

　　回顧高強度結構鋼的發(fā)展歷程。20世紀初期，結構工程師們使用的單一品種鋼，這種鋼被稱為“低碳鋼”，意思是“低碳、柔軟、易加工”，低碳鋼沒有特意使用除碳以外的合金元素進行強化，鋼中的Mn用于脫氧，還含有穩(wěn)定的硫化物，一般認為低碳鋼化學成分范圍：0.1%～0.25%C，0.4%～0.7%Mn，0.1%～0.5%Si，其余為S、P和其它元素。低碳鋼的屈服強度約為250MPa.在1940年以前，對結構鋼的主要要求是增加抗拉強度。為獲得較高強度，C含量增加到0.3%，Mn含量達到1.5%左右，這種鋼的應用范圍不廣，適應不了現(xiàn)代高強度結構鋼的要求。它具有如下缺點：

　　(a)厚度達到30mm的鋼材，屈服強度太低，只能達到360MPa;

　　(b)厚度增加時屈服強度下降的幅度很大;

　　(c)高的C、Mn含量使鋼的焊接性能變差;

　　(d)斷裂韌性比低強度鋼低。

　　與其它材料，尤其是鋼筋混凝土的競爭，促進了結構鋼的發(fā)展。為保證市場份額，開發(fā)了很多簡便的生產(chǎn)和精煉技術，這使得對鋼的焊接性和缺口沖擊韌性越來越高。對1942～1949年期間發(fā)生在橋梁和船舶，尤其是著名“自由輪”的金屬斷裂行為進行的調查和研究，奠定了金屬斷裂力學的基礎。

　　主要通過以下工藝提高鋼的性能：限制C含量;提高潔凈度，包括降低S、P含量;Al脫氧，微合金化，?；堉坪秃髞淼目刂栖堉啤Ｉ鲜龉に嚰毣虽摰慕M織，提高了鋼的強度和韌性。

　　1960年以后，修訂的標準中介紹了一些新的鋼號：法國的DIN17102標準、英國的BS4360標準、法國的NFA35-504標準。這些國家標準成為后來歐洲統(tǒng)一標準―――細晶粒鋼EN10113的基礎。已有研究工作制訂了鋼抗脆性斷裂的判定原則。這些工作將通常的缺口沖擊試驗結果和KIc值用于斷裂機制。

　　在下列條件下，需要材料具有更高的韌性：疲勞載荷下的工程結構;低的服役溫度;高屈服強度;厚斷面鋼材。新的歐洲建筑設計規(guī)范包括了最小沖擊功為27J時的溫度，并依此選擇相應鋼號等內容。

　　北極地區(qū)的海洋工業(yè)發(fā)展極大地促進了結構鋼的發(fā)展，該地區(qū)需要在嚴酷的低溫條件下裝配工程結構。由于海洋結構承載能力有限，且隨著深海石油和油氣田的開發(fā)，對海洋結構而言，減輕重量成為當務之急，高強鋼成為焦點。對這些苛刻環(huán)境下使用的鋼材，制訂了專用標準，如EN10225或API2MT2.表1概括了現(xiàn)代結構鋼鋼種的特點。

　　1.生產(chǎn)工藝

　　長條材既可用氧氣轉爐冶煉，也可用電弧爐冶煉，并更多地采用連鑄工藝生產(chǎn)。連鑄成小方坯、大鋼坯和扁錠，作為半成品，最近也連鑄成工字鋼形狀。根據(jù)1964年的試驗，1968年開始了工字鋼的近終形鑄造。該技術后來被日本的川崎、日本鋼鐵和日本鋼管、美國的紐科Yam?ato、Chaparrol和西北鋼鐵公司、歐洲的ProfilARBED等公司采用。

　　歐洲PrefilARBED集團公司熱軋產(chǎn)品的不同類型的半成品。工字梁的最大寬度達1118mm，或者最大厚度達到125mm.熱軋工字鋼占結構鋼的比例很大。因此下面的討論雖集中于工字鋼，但其主要原理同樣適用于等效厚度的其它鋼材。

　　ProfilARBED公司生產(chǎn)大工字鋼的鋼水由電弧爐冶煉，連鑄成工字鋼。連鑄后，初軋前，工字鋼在步進爐中重新加熱，由兩臺可逆萬能軋機軋制并由萬能軋機終軋。軋機孔型不同，軋制產(chǎn)品的斷面不同。

　　1.1大工字鋼的傳統(tǒng)軋制工藝

　　半成品被加熱到1250℃左右，經(jīng)15～20道次軋制。而對鑄錠，需加熱到1300℃，可能需經(jīng)40道次軋制，工字鋼的道次壓下率為4%～20%，終軋溫度高于1000℃，工字梁上的溫度分布不均勻：根部和腰部連接處溫度最高，腰部的中間溫度最低，溫度的差異與工字鋼的尺寸有關，最大溫差可達100℃。按該工藝軋制，按ASTM標準進行評級，厚度為40mm的工字鋼晶粒度為7級。

　　為細化鋼的組織，可采用Ti-Nb微合金化，使再加熱時奧氏體晶粒相當細小(達50μm，而不是200～300μm)，再結晶組織也相當細小。實驗室模擬結果顯示，每道次壓下率達15%即可獲得所需要的組織，力學性能達到50Ksi(抗拉強度≥50Ksi，相當于S355)。表2是50Ksi工字鋼的化學成分。

　　該成分設計已成功用于工業(yè)生產(chǎn)。熱軋過程中溫度高，意味著鋼中的Nb仍保持固溶狀態(tài)，即使在終軋溫度時，也沒有Nb的碳化物析出。Nb在鋼中以固溶狀態(tài)存在時，通過延遲相變，細化鐵素體晶粒，獲得一定數(shù)量的貝氏體，從而提高鋼的強度。該鋼的典型組織是約80%的鐵素體，其余為貝氏體和珠光體。在相同軋制工藝條件下，按ASTM標準判斷，C-Mn鋼的晶粒度為7級，而含Nb鋼的晶粒度為9級。相變過程中或相變之后，若在鐵素體中形成NbC析出物，則鋼的強度可進一步提高。通過傳統(tǒng)軋制工藝只能有限地細化晶粒，對于強度高于50Ksi或厚度大于20mm的鋼，為滿足韌性要求，必須采用控制軋制工藝。

　　1.2正火熱處理

　　正火是在Ac3相變點以上(通常Ac3+50℃)。S355鋼熱軋態(tài)的組織為鐵素體-珠光體，進行正火處理的目的是細化組織，使組織均勻，提高鋼的韌性。

　　組織細化的程度與原始組織有關。對于不能進行控制軋制的鋼，尤其是厚截面鋼材，通過正火可達到很好的細化晶粒效果。對于薄截面鋼材，正火可能達不到細化的目的，這種情況下，該軋制過程可認為是控制軋制工藝，通常稱之為“?；堉啤?，熱軋態(tài)的組織和性能與正火后的組織和性能相似。

　　通常用Nb提高正火鋼的抗拉強度，Nb能夠阻止奧氏體晶粒長大，擴大γ相區(qū)。在含Si鋼中，這種效果尤為明顯。正火溫度在900℃和1050℃之間，Nb含量為0.02%～0.04%，就足以使晶粒度達到10級。與此相反，含Si鋼中不含Nb時，正火溫度為1000℃時，晶粒度為7級。

　　Nb的碳氮化合物和Al的氮化物一樣，在1050℃仍能夠阻止奧氏體晶粒長大，這種作用尤為重要，即使在爐溫不均勻的熱處理爐中，也能獲得細小的鐵素體-珠光體組織。

　　厚度不同，熱軋態(tài)工字鋼的晶粒度為7～9級。正火后910℃×30′的晶粒度達到了11級。vT27>40℃。正火后vT27<-45℃，正火后，強度均略有下降。

　　根據(jù)以上試驗結果，制訂了S355鋼的合金設計原理。

　　為滿足焊接性能的要求，必須具有較低的碳當量。與控軋鋼相比，S460鋼具有較高的碳當量，從而限制了其產(chǎn)量。還必須指出，尤其對薄截面鋼材，熱處理易導致變形。變形后必須用矯直機矯直。

　　1.3控軋工藝

　　控制軋制在奧氏體的低溫區(qū)進行控制軋制時，含Nb鋼可以滿足強度韌性的要求。軋制過程中，奧氏體首先在1050℃以上進行變形，使奧氏體晶粒細化。如果給定總壓下率為70%，則每道次軋制后，通過靜態(tài)再結晶可得到細小的奧氏體晶粒。然后待溫至900℃以下進行終軋。含Nb鋼中的再結晶非常緩慢，奧氏體晶粒變成餅狀，從而有效地細化了晶粒。

　　電弧爐冶煉的含Si鋼，高的自由氮含量對性能的提高非常顯著。上述鋼中，全氮含量在100ppm以上。含Si的空冷鋼中，自由氮含量與全氮含量關系是N自由=0.43N全。含Si鋼的韌性與自由氮含量有關。自由氮含量在32～33ppm以下時，vT40J約為-10℃。自由氮含量一旦超過35ppm，vT40J迅速達到>+30℃。

　　提高韌性方法有兩個：一是將終軋溫度從960℃降低到870℃，使鐵素體晶粒度從7級提高到9級，該工藝顯著提高了鋼的韌性;二是采用控制軋制，形成氮化物，降低鋼中自由氮。二者綜合作用，鋼的韌性最好。

　　常用Al來降低鋼中自由氮含量，也可采用Ti、Nb、V等元素。相比于Al和Ti，V和Nb具有優(yōu)點，它們不會導致連鑄過程中出現(xiàn)水口堵塞或產(chǎn)生缺陷等連鑄問題。對自由氮含量的測定可用于確定氮化物形成元素固定氮的效果。由此確定了Al當量的計算公式Aleq=Al+2Ti+Nb+V(%)。根據(jù)工字鋼的力學性能要求來選擇合金元素，vT40與屈服強度的函數(shù)關系。采用Al、Ti、Al+Ti、Ti+V進行微合金化，屈服強度約為320MPa時，vT40在-60～-70℃之間，強度與用于比較的C-Mn鋼相似，C-Mn鋼中沒有沉淀硬化。Nb微合金鋼的屈服強度為375MPa時，vT40=-55℃，Nb產(chǎn)生了顯著的沉淀硬化效應，并細化了組織。Ti+Nb復合加入時，由于TiN與Nb的相互作用，使沉淀硬化效應有所減輕。

　　同樣地，含V鋼中加Ti也降低V的硬化效應，因為Ti固定了氮，降低了V的氮化物的硬化效應。

　　雖然控制軋制能達到強度和韌性的要求，但也存在一些缺點。降低終軋溫度增加了軋機的負載，很多軋機在設計時并沒有考慮這部分增加的載荷。與C-Mn鋼相比，由于Nb的存在阻止了再結晶，在此溫度區(qū)間使軋機增加了負載。由于控軋過程中有個待溫過程，因而增加了軋制時間，降低了生產(chǎn)效率。

　　要達到一定厚度的S355工字鋼所對應的強度時所需的化學成分、碳當量和Nb含量。為達到所需強度，可采用不同的化學成分。圖4給出了生產(chǎn)S355鋼可采用的另外一種合金設計原理。

　　與圖3所示的合金設計原理相比，C含量提高了0.06%，Nb(V)含量降低。這兩種成分的強度相同，然而對韌性的影響很大。C含量低，采用Nb微合金化時，長度方向的韌性提高了，但隨著厚度增加，滿足韌性要求更為困難。

　　關于海洋焊接結構鋼的EN10225標準中提出了更為嚴格的韌性要求，該標準涉及到橫向或厚度方向的韌性要求，對于較低碳含量的鋼，橫向沖擊功要求有所提高，對厚度方向韌性而言，可通過降低S含量來達到。

　　控軋工藝也用于生產(chǎn)S460鋼，當然，控軋工藝不能生產(chǎn)最大的厚度范圍。

　　對于較厚的鋼材，軋制溫度提高，軋后冷卻速度降低，從而導致組織粗化。為達到強度要求，必須增加合金含量。由于焊接性能的要求和碳當量的限制，尚不能生產(chǎn)50mm厚度以上的S460鋼材。

　　1.4控軋工藝

　　加速冷卻為克服控制軋制的局限性，ProfilARBED公司聯(lián)合冶金研究中心和英國鋼鐵公司開發(fā)了軋后加速冷卻的工藝。

　　在淬火+自回火工藝中，最后一道次軋制之后，整個工字鋼表面噴水激冷。在心部被淬火之前，停止噴水，工字鋼的外表層被從心部向表層傳遞的熱量進行自回火。圖5是該熱處理過程的示意圖。從終軋輥出來直接進入冷卻架，此時溫度約為850℃，整個工件的表面冷卻后，開始自回火的溫度≥600℃。通常，淬火+回火工藝的先決條件是整個工字鋼的斷面上溫度要均勻，這樣，在軋制過程中，需對工字鋼上溫度最高的部位，即腿部和腰部的連接處進行選擇性冷卻。圖6是該工藝的示意圖。采用該技術可消除工字鋼斷面上的溫度差異。

　　日本鋼管公司的福山工廠開發(fā)出了與在線加速冷卻OLAC(OnlineAcceleratedcooling)相似的工藝。OLAC于1980年起在鋼板生產(chǎn)中就已開始了應用。對厚截面鋼材，由于橫斷面形狀復雜，該技術在這種材料的應用方面遇到技術困難。由于熱變形難以克服而采用無變形的冷卻，由于產(chǎn)品的尺寸和鋼號非常分散，產(chǎn)品質量難以控制。而日本鋼公司開發(fā)了大工字鋼的加速冷卻裝置。

　　采用不同軋制工藝所得到的熱軋態(tài)組織如前所述，傳統(tǒng)軋制所得到的晶粒度為7級，控制軋制時晶粒度約為9級，采用加速冷卻時晶粒度可達11級。如此細小的組織在很低的溫度下也具有良好的韌性，按照EN10113專用標準，厚度達125mm時41J的轉變溫度在-50℃以下。

　　通過激冷細化組織時，Nb細化組織的作用未能發(fā)揮，在熱軋鋼材中，添加Nb未能提高韌性。然而，在高強鋼中，通過添加Nb降低碳當量從而提高了焊接性，這對厚鋼材尤為重要

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