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什麼是低合金高强度鋼

碳含量低於0.25%、合金元素總含量低於5%、强度高於普通碳素鋼的一類低合金鋼。它是在低碳鋼的基礎上加入一種或多種少量的合金元素,在熱軋狀態下就能得到高强度。低合金高强度鋼的屈服强度一般都高於275MPa,同時還具有良好的塑性、韌性、焊接性、冷熱加工性和成形性。

簡史

低合金高强度鋼的出現始於19世紀末,當時的設計依據就是抗拉强度,較少考慮鋼的焊接性和韌性,連接鋼構件的普遍方法是鉚接,囙此鋼的碳含量較高,約為0.3%。1934年英國BS標準中低合金高强度鋼的碳含量仍要求達到0.27%,而允許錳含量提高到1.5%。隨著焊接技術的進步,採用焊接代替鉚接後,低合金高强度鋼中的碳含量逐漸降低。在第二次世界大戰期間,美國建造的大量商船和軍艦發生了脆性斷裂事故,造成了災難性的後果。根據大量脆性破壞結果的系統分析,其主要原因是鋼的韌性不足所致,使人們認識到低合金高强度鋼只有通過降低碳含量,提高Mn/C比才能改善鋼的韌性和焊接性。20世紀50年代霍爾(Hall)和佩奇(Petch)對鋼力學性能和晶粒尺寸之間的關係進行了大量研究,提出了著名的Hall-Petch關係式。採用細化晶粒方法可同時提高鋼的强度和韌性。60年代初,世界各國對低合金高强度鋼中添加少量釩、鈦、鈮等微合金化元素,在鋼中形成微細的碳氮化物的作用機制進行了深入研究,把晶粒細化和析出强化結合起來,進一步推動了低合金高强度鋼的發展。70年代初,隨著鐵水預處理、轉爐、連鑄、控軋控冷等科技的發展,低合金高强度鋼的發展進入了一個嶄新的階段。

中國自1957年開始研製低合金高强度鋼。先後開發了16Mn、15MnTi、14MnVTi、18MnM0Nb等一批牌號,用於製造船舶、橋樑和壓力容器,經過多年的努力,已逐漸形成了一個完整的系列。

分類

低合金高强度鋼分類方法很多。按强度等級分類,如按屈服强度最低值,分成340、390、440、490、540、590、690MPa等不同等級的鋼種;按鋼的特殊效能分類,可分為低合金耐候鋼、低合金耐蝕鋼、抗層狀撕裂鋼、低合金耐磨鋼等;按用途可分成,管線鋼、造船鋼、橋樑鋼、汽車鋼等;按合金元素成分分類則有錳、錳-釩、錳-鈦、錳-鈮、錳-鉬-釩、錳-鉬-鈮等。

還有一種是按顯微組織分類,通過對組織特徵的區分,可與宏觀力學性能、化學成分和生產工藝聯系起來。這種按顯微組織的分類方法往往為學術界所重視,據此主要可分為:

  • (1)鐵素體一珠光體鋼。一般低碳低合金鋼在熱軋或正火狀態下可得到鐵素體和珠光體組織。中國用量最大的低合金高强度鋼16Mn在熱軋狀態下、15MnV和15MnTi在正火狀態下均為鐵素體加珠光體組織。16Mn鋼的屈服强度%26ge;345MPa,15MnV和15MnTi鋼的屈服强度均%26ge;390MPa。在控軋控冷條件下,16MnNb鋼的鐵素體晶粒可細化至10~12級,屈服强度可達390MPa以上。在控軋控冷條件下,鐵素體加珠光體組織屈服强度的極限值可達440MPa以上,最大的生產厚度可達30mm以上。
  • (2)少珠光體鋼。這類鋼是從鐵素體一珠光體鋼發展而來的。通過降低碳含量(%26le;0.10%)和複合微合金化以及控軋控冷可得到超微細的鐵素體組織,其中珠光體的體積百分數很小,甚至珠光體基本消失。這類鋼的屈服强度可達440MPa以上。由於碳含量的降低,這類鋼的焊接性和低溫韌性得到大幅度的改善。
  • (3)針狀鐵素體鋼(低碳貝氏體鋼)。這類鋼的顯微組織不是多邊形鐵素體而是細小的針狀鐵素體(又稱低碳貝氏體)組織。這種鋼由於含有錳、鉬、硼等提高淬透性的元素,即使碳含量很低(%26lt;0.08%),也可以得到具有高位錯密度的針狀鐵素體。當碳含量為0.02%~0.04%時,通常將這類鋼的組織稱為超低碳貝氏體。這類鋼的屈服强度為415~690MPa,同時具有優异的焊接性、抗裂紋擴展性和良好的低溫韌性,廣泛用於寒冷地帶的輸送管線。
  • (4)低碳回火馬氏體鋼。這類鋼的碳含量一般都%26le;0.16%,同時添加錳、鉻、鎳、鉬、硼等合金元素提高鋼的淬透性,添加鉬、釩等合金元素提高回火穩定性。鋼的顯微組織為低碳回火馬氏體或低碳馬氏體加下貝氏體。屈服强度為440~780MPa,這類鋼的零塑性轉折溫度(NDTT)很低,可達-60℃以下。12MnCrNiCuMoVB和12CrNi3MoV鋼就是這類鋼的典型代表。
  • (5)雙相鋼。低合金高强度鋼常用的合金元素主要有碳、錳、矽、鎳、鉻、鉬、銅、磷、鈮、釩、鈦、稀土和硼等。

碳是最强的强化元素之一,可新增珠光體量,顯著提高鋼的强度,但碳對塑性、韌性和焊接性有不利影響。在低合金高强度鋼中,碳含量有越來越低的趨向。由於碳是最經濟的强化元素,在某些用途的低合金鋼中仍保持較高的含量是合理的。
錳是主要的鐵素體固溶强化元素之一,可改變珠光體和鐵素體的比例。在冷卻時錳可降低相變溫度,可細化鐵素體晶粒,同時使含錳的微合金鋼再結晶停止溫度和相變開始溫度的區間加大,有利於控軋工藝的實施。
矽是較强的固溶强化元素,能顯著提高鋼的强度,但較高的矽對韌性不利,導致脆性轉折溫度升高。矽是强脫氧元素,在鎮靜鋼中一般的矽含量需達到0.1%以上。
銅是一種重要的合金元素,有固溶强化作用和沉澱强化作用。銅含量在0.20%以上時,特別是同時添加0.15%以上的磷時有顯著的抗大氣腐蝕能力。超過0.6%銅的鋼正火後,在500~600℃時效時可產生e-Cu沉澱强化。在管線鋼中加入0.25%~0.35%cu可提高抗氫致裂紋的能力。當鋼中的銅含量超過0.5%時,易產生熱脆性。若加入與銅含量相等或至少二分之一量的鎳,有利於消除鋼的熱脆性。現在,低合金高强度鋼中加入的銅含量最高已達1.2%~1.4%。
鈮、釩、鈦是常用的3種微合金化元素,屬强碳氮化物的形成元素。幾種常見的碳氮化物在奧氏體中的低d溶解度積與溫度的關係如圖所示。在熱加工過程中,隨著溫度的變化各種微合金元素的碳氮化物的溶解度積發生變化,因而產生溶解和析出。碳氮化物的應變誘導析出有阻礙再結晶的作用。鈮、釩、鈦在這方面的作用各有特點:鈮提高奧氏體再結晶溫度的作用最大,通過控軋得到未再結晶的伸長的奧氏體晶粒轉變為鐵素體的細化晶粒作用最為顯著。通常的鈮含量為0.02%~0.04%;由圖可以看出,釩在奧氏體中溶解度較大,因而在鐵素體中的沉澱强化作用較强,鋼中釩的含量一般為0.05%~0.10%;由圖還可看出,鈦和氮的結合力最强,在鋼水凝固過程中即形成了穩定的TiN顆粒,對再加熱時奧氏體晶粒的粗化有顯著的阻礙作用。用於固定氮的鈦含量約為0.02%。鈦含量較高時則形成Ti。C:S。,有球化硫化物夾雜的作用。複合微合金化往往能產生綜合效果,獲得優异的效能。如少珠光體鋼採用鈮一釩複合,再結晶控軋鋼採用鈮一鈦複合,採油平臺用鋼採用鈮一鈦複合,超低碳貝氏體鋼採用鈮-硼-鈦複合等。
鉬主要用於提高鋼的淬硬性,促進貝氏體的形成。鉬能提高淬火鋼的回火穩定性。此外,鉬還能新增鈮在奧氏體中的溶解度,有利於增强鐵素體的沉澱强化作用。
在低碳鋼中極微量的硼(約0.00l%)有顯著提高淬透性的作用。當奧氏體冷卻時,偏聚在晶界上的硼能封锁鐵素體析出,促進貝氏體的形成。
鎳在鐵素體中有固溶强化作用,同時能提高基體的低溫韌性。鎳與銅、磷複合添加有提高耐大氣腐蝕的作用,鎳與銅複合添加有提高耐海水腐蝕的作用。
鉻提高淬透性的作用顯著,還有提高耐大氣腐蝕能力的作用。
鈰、鑭等稀土元素和氧、硫有很强的親和力,所形成的稀土硫化物或硫氧化物在高溫時不易變形,有控制硫化物夾雜形態的作用。但鋼中過量加入稀土元素易導致帶狀氧化物夾雜。
磷,磷是强固溶强化元素。磷在鋼中易偏析,引起低溫脆性,還有回火脆性傾向。一般情况下鋼中磷含量要儘量限制。但磷有利於提高鋼的耐大氣腐蝕的能力。在深沖冷軋高强度薄板鋼中,磷作為固溶强化元素(含量%26lt;0.1%)有利予保持高的r值。

應用

中國自1957年開始研製低合金高强度鋼16Mn以來,逐漸獲得了廣泛的應用,品種和數量都有很大發展。中國低合金高强度鋼的鋼材產量已占鋼材總產量的10%以上,納入國家標準的基本牌號已有30多個。

低合金高强度鋼的應用範圍很廣,涉及機器製造、交通運輸、通訊、能源、高層建築等行業。它主要用於建造船舶、橋樑、輸油氣管線、海洋平臺、壓力容器、鍋爐、汽車、農業機械、鐵道車輛、建築鋼筋、水電站壓水管和叉管、工程機械、起重機械、鋼結構高層建築、電視廣播塔、輸電塔、石油化工的備種貯罐、礦山設備中的翻鬥支架等等。採用低合金高强度鋼代替普通碳素鋼可减薄截面、減輕重量、節約能源、節省工時、降低成本和提高服役壽命等。同時往往還具有制造技術簡單、提高工程質量和提高產品效能等優點。今後,低合金高强度鋼的擴大應用仍有巨大市場潜力。
展望隨著化學冶金、物理冶金、力學冶金和電腦冶金科技的發展,近年來低合金高强度鋼獲得了迅速的發展,其主要發展方向是:

  • (1)低碳超低碳。較低的碳含量能顯著提高鋼的韌性,改善鋼的焊接性。現代的低合金高强度鋼普遍採用轉爐頂底複合吹煉,大幅度降低鋼中的碳含量(%26lt;0.06%),有的甚至可達0.02%,顯著降低了鋼的焊接碳當量,降低了焊接預熱溫度,改善了焊接性和韌性。低碳和超低碳是今後低合金高强度鋼的重要發展方向。
  • (2)高純度。隨著冶金科技的進步,現代的低合金高强度鋼普遍採用鐵水預處理、轉爐吹煉和RH真空脫氣,使鋼中有害雜質元素之和([s+P+0+N+H])小於100%26times;10-6,顯著淨化了鋼質,改善了鋼的韌性和綜合力學性能,低合金高强度鋼正在逐步向高純淨化方向發展。
  • (3)微合金化。低合金高强度鋼在高純淨度和低碳的基礎上,為提高鋼的强度和綜合效能普遍採用微合金化科技。現時,低合金高强度鋼的微合金化,已從單一(如單獨添加鈮、釩、鈦等)轉變到複合微合金化(如複合添加鈮-釩、鈮-鈦、釩-鈦、鈮-硼-鈦等),進一步提高了鋼的綜合效能。
  • (4)控制軋製和控制冷卻。在低合金高强度鋼中,控軋控冷科技逐步獲得了廣泛的應用。控制軋製已發展到奧氏體再結晶區控軋、奧氏體未再結晶區控軋和兩相區控軋。軋後控制冷卻科技也發展很快,有層流冷卻、水幕冷卻、霧化冷卻和穿水冷卻等。可控軋控冷的中板厚度已達50mm。囙此採用先進的線上控軋控冷科技生產高品質的低合金高强度鋼也是今後的重要發展方向。

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