超細(xì)晶粒鋼剖析

1、超細(xì)晶粒鋼制備技術(shù)1、名詞解釋：超細(xì)晶粒鋼(UltrafineGrainedSteel,簡(jiǎn)稱UFGffl,目標(biāo)粒徑約1um)(乍為21世紀(jì)的代表性先進(jìn)高性能金屬結(jié)構(gòu)材料，其強(qiáng)化思路具有鮮明的特點(diǎn)，即通過(guò)晶粒的超細(xì)化同時(shí)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌化，完全不同于傳統(tǒng)的以合金元素添加及熱處理為主要手法的強(qiáng)化思路。其優(yōu)點(diǎn)在于：能同時(shí)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)韌化；可盡量少用合金元素降低碳當(dāng)量、改善焊接性，并利于循環(huán)利用以降低對(duì)環(huán)境的損害。超細(xì)晶粒鋼與同等強(qiáng)度的傳統(tǒng)鋼相比，其化學(xué)成分的主要特點(diǎn)是碳含量低，這有利于提高其焊接性，因此其強(qiáng)化手段不是通過(guò)增加碳含量和合金元素含量，而是通過(guò)晶粒細(xì)化、相變強(qiáng)化、析出強(qiáng)化等相結(jié)合的方法來(lái)達(dá)到提高強(qiáng)韌化的

2、目的。晶粒細(xì)化(包括變形細(xì)化和相變細(xì)化)是唯一能夠同時(shí)提高鋼強(qiáng)度和韌性的方法。超細(xì)晶粒鋼與同等強(qiáng)度的傳統(tǒng)鋼相比，其化學(xué)成分的主要特點(diǎn)是碳含量低，這有利于提高其焊接性，因此其強(qiáng)化手段不是通過(guò)增加碳含量和合金元素含量，而是通過(guò)晶粒細(xì)化、相變強(qiáng)化、析出強(qiáng)化等相結(jié)合的方法來(lái)達(dá)到提高強(qiáng)韌化的目的。晶粒細(xì)化(包括變形細(xì)化和相變細(xì)化)是唯一能夠同時(shí)提高鋼強(qiáng)度和韌性的方法，因而成為超細(xì)晶粒鋼最佳的強(qiáng)化機(jī)制。利用第二相粒子析出的沉淀強(qiáng)化是超細(xì)晶粒鋼采用的另一種強(qiáng)化機(jī)制，高溫時(shí)在奧氏體內(nèi)形成的粒子雖然對(duì)控制晶粒長(zhǎng)大有效，但不會(huì)造成強(qiáng)化，強(qiáng)化粒子是低溫時(shí)在奧氏體或鐵素體內(nèi)形成的，位錯(cuò)與亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化也是一種有效的強(qiáng)化方

3、式。2、 分類：傳統(tǒng)鋼中，晶粒尺寸在100仙m以下就稱為細(xì)晶粒鋼，即傳統(tǒng)細(xì)晶粒鋼。隨著冶金技術(shù)和生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步，細(xì)晶的尺寸不斷縮小，甚至達(dá)到了微米、亞微米。本文提到的超細(xì)晶粒鋼不包括傳統(tǒng)細(xì)晶鋼。按超細(xì)晶粒鋼發(fā)展進(jìn)程和其尺寸大小，可分為以下幾類：(1) TMCPffl控軋后立即加速冷卻所制造的鋼，稱為T(mén)MCP(Thermo-MechanicalControlProcess)鋼。利用TMCP：藝在實(shí)驗(yàn)室中，晶粒尺寸可達(dá)到幾個(gè)微米，但在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，所得鋼的晶粒尺寸小于50(im,最小可達(dá)10(ini這種鋼滿足了石油和天然氣工業(yè)的需求，這種鋼的高強(qiáng)高韌和低的碳當(dāng)量為其提供了優(yōu)良的焊接適應(yīng)性。(

4、2) 新一代鋼鐵材料綜合低合金高強(qiáng)鋼不斷進(jìn)步的成功經(jīng)驗(yàn)，充分利用合金化作用和生產(chǎn)工藝技術(shù)進(jìn)步相結(jié)合的優(yōu)勢(shì)，發(fā)展新一代鋼鐵材料產(chǎn)品并進(jìn)行其基礎(chǔ)理論研究。目前正處于研制階段的新一代鋼鐵材料的主要特征：在充分考慮經(jīng)濟(jì)性的條件下，鋼材具有高潔凈度、超細(xì)晶粒、高均勻度的特征，強(qiáng)度比常用鋼材提高一倍，鋼材使用壽命增加一倍。高潔凈度，指SP、QNH元素的總含量小于80X10-6,這樣不但可提高鋼材原有的性能，有時(shí)還可賦予鋼新的性能；超細(xì)組織，晶粒尺寸在0.110m之間，細(xì)化晶粒是唯一能提高強(qiáng)度而不降低韌性甚至提高韌性的方法；高均勻度指的是成分、組織和性能很均勻，波動(dòng)范圍很小。在鋼的化學(xué)成分工藝組織性能的關(guān)系

5、中，強(qiáng)調(diào)了組織的主導(dǎo)地位，即其超細(xì)微觀組織表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。3、超細(xì)鋼制備的工藝特征及冶金機(jī)制：(1)超細(xì)晶粒鋼制備工藝的特征：超細(xì)晶粒鋼制備工藝研發(fā)的報(bào)道很多.如拉拔加工、HPT(HighPressureTorsion)、ECAP(EqualChannelAngularPressing)、ARB(AccumulativeRollBonding)、MM(MechanicalMilling)等，其中低溫大變形量軋制是易于工業(yè)化的新型加工熱處理工藝，故在此主要將其與TMCPT藝進(jìn)行對(duì)比。欲突破5um的界限獲得以1um為目標(biāo)的超細(xì)鋼，須挖掘TMCP勺極限潛力。為此，新日鐵鋼鐵研究所的簌原行人等指

6、出下述2點(diǎn)是需要的：有效提高相變與再結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力，使形核密度飛躍性地增加；徹底抑制成核后晶粒的長(zhǎng)大。筱原行人、粟飯?jiān)冗M(jìn)一步將新型TMCPS加工溫度細(xì)分為3種類型：I、H、田型，如表1所示。表1用大變形量加工熱處理實(shí)現(xiàn)超細(xì)化方法的分類加工溫度加工溫度區(qū)問(wèn)細(xì)化對(duì)象組織鐵素體奧氏體丫區(qū)間相變?cè)俳Y(jié)晶TMCP再結(jié)晶動(dòng)態(tài)再結(jié)晶I型a+丫區(qū)間II型逆相變PII型a區(qū)間超強(qiáng)加工；MMARBEAC其中I型為在準(zhǔn)穩(wěn)定區(qū)域(略高于Ar3)的大變形量加工(通常TMCP勺加工溫度在8OOC以上)；II型為在復(fù)相組織區(qū)的大變形量加工；田型為大變形量加工后的逆相變(將原始組織為馬氏體的材料在緊靠相變點(diǎn)以下的溫度進(jìn)行大變形

7、量加工，利用加工發(fā)熱誘發(fā)的自發(fā)性逆相變M-A獲得超細(xì)奧氏體，并最終獲得超細(xì)馬氏體)。I型與II型的加工溫度雖有時(shí)相同，但熱循環(huán)不同。I型是加熱至奧氏體區(qū)再快冷至加工溫度，在加熱及冷卻過(guò)程中均發(fā)生了相變；而n型最高加熱溫度并未到奧氏體區(qū)，依賴a動(dòng)態(tài)再結(jié)晶細(xì)化，需較大加工變形量，應(yīng)用報(bào)道較少。此外，簌原行人等還具體給出了I型即準(zhǔn)穩(wěn)定大變形加工熱處理的加工條件，見(jiàn)表2。表2準(zhǔn)穩(wěn)定T大變形加工熱處理(I型)加工前冷速r加工溫度TypeIa10c/s700cTypeIb5C/s530cTMCPrc/s8O8以上京都大學(xué)的牧正志對(duì)比了傳統(tǒng)TMCP：藝與新加工熱處理工藝的區(qū)別，其觀點(diǎn)如下。傳統(tǒng)TMCP勺關(guān)鍵

8、點(diǎn)在于：由加工硬化奧氏體進(jìn)行鐵素體相變，導(dǎo)入相變形核點(diǎn)（在900950c間壓延）；加速冷卻，增大過(guò)冷度（增大相變驅(qū)動(dòng)力），結(jié)果可獲得最細(xì)約為5um的a組織。新型TMCP勺關(guān)鍵技術(shù)在于低溫大變形量加工：以前未曾有過(guò)的大變形量加工：=12（每道次5O以上的大壓下量）；以前未曾有過(guò)的低溫加工：500700c.結(jié)果可獲得最細(xì)1um以下的超細(xì)a組織。另外，筱原行人和足立吉隆均還指出了壓力加工前的快速冷卻對(duì)降低加工溫度、提高過(guò)冷度及超細(xì)晶鐵素體體積分?jǐn)?shù)（I型）的影響。足立吉隆以0.2C-0.83Mnffl為對(duì)象，指出了獲得主相為超細(xì)鐵素體的3個(gè)必要條件：加工前的急速冷卻（5OKs）；低溫化的軋制（5307

9、00c）;大的軋制變形量（40%以上），否則會(huì)導(dǎo)致獲得的主相為貝氏體。筱原行人等指出，當(dāng)加工前的冷速為10C/s,在710c進(jìn)行大變形量加工時(shí)，出現(xiàn)a相變溫度在加工溫度之上的動(dòng)態(tài)相變，通過(guò)加工中被誘發(fā)的a相變可獲得細(xì)品粒；城田良康詳細(xì)指出這種情況下粒徑只能細(xì)化至2um而當(dāng)加工前的冷速進(jìn)一步增至50s時(shí)，在通常出現(xiàn)貝氏體或馬氏體無(wú)擴(kuò)散相變的530區(qū)域也能得到過(guò)冷奧氏體，于是在“應(yīng)變誘發(fā)的極低溫度下的擴(kuò)散相變”機(jī)制的作用下，通過(guò)大變形量加工誘發(fā)a相變可將晶粒細(xì)化至1um以下。王國(guó)棟等強(qiáng)調(diào)了軋后冷卻的重要性。城田良康等進(jìn)一步指出軋前急冷的必要性，否則，僅單降低軋制溫度則成了在a相變后的軋制，不能生成

10、等軸a晶粒（加工變形組織），且細(xì)化有限，為此，需提高軋前冷速（1050Kzs）,則可在500c附近獲得丫相的前提下再進(jìn)行強(qiáng)加工。綜上所述，從基本思路方面講，“軋前急冷”、“低溫加工”與“大的變形率（強(qiáng)加工）”是超細(xì)鋼制備工藝的3個(gè)最大特征或3個(gè)必要條件。相對(duì)于傳統(tǒng)的TMCP，其軋制溫度更低，軋制壓下量更大。實(shí)際工藝中的每一個(gè)參數(shù)如臨界冷速、奧氏體化溫度、軋制上限溫度、最小應(yīng)變量、應(yīng)變速率等的具體數(shù)值除與鋼種有關(guān)外，還受其他參數(shù)的強(qiáng)烈影響。無(wú)疑，如此工藝條件對(duì)軋機(jī)的軋制能力及冷卻裝谿提出了更高的要求。止匕外，黃成江等在其綜述文獻(xiàn)中還強(qiáng)調(diào)了軋制中產(chǎn)生附屬剪切應(yīng)變的重要性。4、 超細(xì)晶粒鋼制備工藝的

11、冶金機(jī)制傳統(tǒng)理論認(rèn)為，大變形量加工對(duì)形成超細(xì)晶粒的作用大致有兩方面：一是在相變、再結(jié)晶之前的母相中導(dǎo)入盡可能多的晶格缺陷以增加形核點(diǎn)，同時(shí)增大驅(qū)動(dòng)力進(jìn)而增大形核速度；其次是以物理形式分?jǐn)?、?xì)化相變后的組織。目前關(guān)于這種采用低溫大變形方法（I型）獲得超細(xì)晶粒機(jī)制的研究認(rèn)為，超細(xì)鐵素體的獲得主要是形變誘導(dǎo)鐵素體相變（DIF：DeformationInducedFerriteTransformation）和鐵素體動(dòng)態(tài)再結(jié)晶2種機(jī)制共同作用的結(jié)果，特別是形變誘導(dǎo)相變現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)及概念的提出具有重要的理論與工程意義。形變誘導(dǎo)鐵素體相變最早由Yada等于20世紀(jì)80年代末發(fā)現(xiàn)并提出，并獲得美國(guó)專利?？v觀現(xiàn)已

12、報(bào)道的文獻(xiàn)，形變誘導(dǎo)鐵素體相變體現(xiàn)于2種情況，作者分別稱其為“高溫形變誘導(dǎo)鐵素體相變”與“低溫形變誘導(dǎo)鐵素體相變”，現(xiàn)分述如下。（1） 當(dāng)獲得大變形量的加工溫度在A3以上時(shí)，如楊平等所指出的：在A3以上奧氏體是穩(wěn)定的沒(méi)有形變時(shí)鐵素體是不可能出現(xiàn)的，在A3以上形變誘導(dǎo)鐵素體析出，可稱之為高溫形變誘導(dǎo)相變，但這時(shí)的鐵素體是不穩(wěn)定的，隨保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，鐵素體會(huì)逆相變?yōu)閵W氏體。形變誘導(dǎo)相變機(jī)制突出強(qiáng)調(diào)了大變形量的作用，即奧氏體形變產(chǎn)生的缺陷、形變儲(chǔ)能使奧氏體的自由能增加，大大降低了奧氏體的穩(wěn)定性，導(dǎo)致奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變溫度升高。此情況可看作在鐵素體與奧氏體的競(jìng)爭(zhēng)中，大的形變有利于鐵素體的形成。其理論意

13、義在于：在大變形的前提下，丫-a相變發(fā)生溫度可以高于平衡態(tài)的A3,由此可以推知，在經(jīng)軋前急冷至較低軋制溫度（如約500）時(shí)。2種因素的疊加作用將使相變過(guò)冷度比傳統(tǒng)TMCPC藝大得多。（2） 當(dāng)加工溫度在A3以下時(shí)。如城田良康所指出的：由于在低溫區(qū)域（500附近）擴(kuò)散變慢，通常只能出現(xiàn)如貝氏體、馬氏體類無(wú)擴(kuò)散型相變，但通過(guò)大變形量加工使a相變能在如此低的溫度區(qū)間被誘發(fā)。正是利用了這種大形變誘導(dǎo)的低溫下的擴(kuò)散型相變使低碳鋼的a粒徑小至1um以下成為可能，或者說(shuō)，快速冷卻中的大應(yīng)變擴(kuò)展了丫-a相變的溫度范圍。足立吉隆等對(duì)變形情況下和未變形情況下的CCTffl研究表明，對(duì)急速冷卻的奧氏體壓延加工時(shí)，鐵

14、索體與低溫相（貝氏體）會(huì)競(jìng)爭(zhēng)形成從而使鐵素體的比率發(fā)生變化，提高加工率則鐵素體的比率增加。在生成貝氏體的低溫區(qū)提高加工率，使主相變成了鐵素體其原因解釋為位錯(cuò)胞對(duì)貝氏體的形成有阻礙作用，但對(duì)鐵素體相變的阻礙作用同對(duì)珠光體相變的阻礙作用一樣小。同時(shí)，由于形變使奧氏體內(nèi)的缺陷密度增加，有利于碳原子在低溫下的近程擴(kuò)散，因而產(chǎn)生形變誘導(dǎo)鐵素體相變。綜上所述，形變誘導(dǎo)相變機(jī)制強(qiáng)調(diào)了強(qiáng)加工獲得卻形變的綜合作用具體可概括為3點(diǎn)：增卻相變過(guò)冷度（熱力學(xué)方面）、提高形核率（動(dòng)力學(xué)方面）、誘發(fā)低溫下的擴(kuò)散。欲獲得“超細(xì)晶鐵素體”，一要解決如何“超細(xì)化”的問(wèn)題，二要解決如何獲得“鐵素體”的問(wèn)題。卻形變綜合作用的前兩者

15、回答了如何能夠“超細(xì)化”的問(wèn)題（須同時(shí)配合軋制溫度較低這一條件）；后者回答了如何獲得“鐵素體”的問(wèn)題。關(guān)于鐵素體動(dòng)態(tài)再結(jié)晶是否也是晶粒超細(xì)化機(jī)制之一尚有分歧。但歸納更多的文獻(xiàn)可總結(jié)出，鐵素體動(dòng)態(tài)再結(jié)晶受壓下量及軋制溫度的影響，當(dāng)壓下量不足（臨界值40%或軋制溫度過(guò)低（如530c或600c以下）時(shí)不會(huì)出現(xiàn)鐵素體動(dòng)態(tài)再結(jié)晶。5、兩種工藝冶金機(jī)制的差別至此，可歸納總結(jié)出新型TMCP（DIF和傳統(tǒng)TMCFffi化晶粒機(jī)制的細(xì)微差別：在實(shí)際相變溫度與軋制溫度各自相對(duì)的高低方面，兩者較傳統(tǒng)TMCP勻有低溫化特征。在實(shí)際相變溫度與軋制溫度之間的相對(duì)高低方面，傳統(tǒng)TMCP勺軋制溫度（通常在800以上）高于實(shí)際

16、相變溫度，軋后所得仍為奧氏體，相變?yōu)樵谲堉菩巫冎蟮撵o態(tài)相變。當(dāng)形變誘導(dǎo)相變?cè)赼相變的上臨域（650750C）或較高軋制溫度，如800附近施加卻變形則相變溫度高于軋制溫度，為軋制過(guò)程中的動(dòng)態(tài)相變。軋后所得組織為動(dòng)態(tài)相變所得鐵素體與再結(jié)晶鐵素體的混合組織。當(dāng)軋制溫度低至再結(jié)晶難以進(jìn)行的溫度，如600以下所得組織為等軸且位錯(cuò)密度小的超細(xì)鐵素體，表明相變?yōu)榧庸ず蟮撵o態(tài)相變也可能有加工過(guò)程中的動(dòng)態(tài)相變?？乩涞臅r(shí)刻及目的有所不同。傳統(tǒng)TMCP勺軋后快冷，目的在于增大過(guò)冷度，提高相變驅(qū)動(dòng)力以進(jìn)一步提高有效形核率；新型TMCP勺軋前快冷，目的在于獲得深冷奧氏體，防止傳統(tǒng)擴(kuò)散型相變（先共析轉(zhuǎn)變與共析轉(zhuǎn)變）發(fā)生

17、，同時(shí)實(shí)現(xiàn)軋制溫度與相變溫度的低溫化，以增加相變形核點(diǎn)并抑制鐵素體的長(zhǎng)大。在大變形壓力加工的主要作用效果方面，傳統(tǒng)TMC曲要針對(duì)奧氏體加工，特別是在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)域的加工獲得加工硬化奧氏體，可大幅增加相變形核點(diǎn)，對(duì)相變細(xì)化晶粒的貢獻(xiàn)最大。而形變誘導(dǎo)相變同時(shí)對(duì)過(guò)冷奧氏體及鐵素體加工。主要是在溫度較低的區(qū)間。降低低溫區(qū)擴(kuò)散相變（鐵素體轉(zhuǎn)變）的激活能以形成超細(xì)、等軸、低位錯(cuò)密度鐵素體。抑制貝氏體、馬氏體等低溫相的形成，降低低溫相的體積率；即極大的形變既利于激活碳的近程擴(kuò)散又可增加相變形核點(diǎn)。在再結(jié)晶方面。形變誘導(dǎo)相變因軋制變形量大出現(xiàn)鐵素體動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，且較低的軋制溫度有利于抑制再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大，而

18、傳統(tǒng)TMC應(yīng)有較高溫度下的奧氏體再結(jié)晶。在相變驅(qū)動(dòng)力、相變產(chǎn)物、相變速度方面，傳統(tǒng)TMCPE要靠冷卻出現(xiàn)過(guò)冷度而自行相變，而形變誘導(dǎo)相變除過(guò)冷度提供相變驅(qū)動(dòng)力之外，高密度位錯(cuò)的儲(chǔ)能還能降低相變激活能而誘導(dǎo)鐵素體擴(kuò)散相變，否則與未加工材料相同將出現(xiàn)貝氏體。而且應(yīng)變作用下的丫-a轉(zhuǎn)變與無(wú)應(yīng)變及傳統(tǒng)控軋控冷工藝相比，轉(zhuǎn)變速度更快。DIF也稱之為應(yīng)變誘導(dǎo)動(dòng)態(tài)相變（SIDTR）。此外，超細(xì)鋼還存在組織穩(wěn)定性（焊接加熱時(shí)晶粒易長(zhǎng)大）及均勻延伸率低的問(wèn)題。對(duì)后一問(wèn)題可通過(guò)炭化物等第二相的活用、復(fù)相組織得到緩解，改善強(qiáng)度一延性間的平衡。另外硬質(zhì)第二相（如馬氏體）的分散化已證明能改善超細(xì)鋼延性低的問(wèn)題，但第二相

19、的硬質(zhì)化、形態(tài)控制、體積分?jǐn)?shù)、粒徑大小等的優(yōu)化仍是今后研究的重大課題。6、超細(xì)晶粒鋼的焊接特性：超細(xì)晶粒鋼的強(qiáng)韌化機(jī)制與傳統(tǒng)鋼不同，因而必須全面考慮其焊接問(wèn)題，其中存在的兩個(gè)主要問(wèn)題：由于其超細(xì)晶粒，在焊接熱作用下，晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力很大，必然導(dǎo)致HAZ晶粒嚴(yán)重粗化，這將影響整個(gè)接頭性能與母材性能相匹配；為獲得與母材相等性能的焊接接頭，進(jìn)行焊接材料、焊接方法及焊接工藝的合理選擇。2.1 HAZ的性能（1） HAZ勺晶粒長(zhǎng)大傾向在新一代微合金高強(qiáng)高韌鋼中，研究400MP麗800MPOW種強(qiáng)度級(jí)別的超細(xì)晶粒鋼，400MPa級(jí)細(xì)晶鋼是指在普通Q235鋼的基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)化晶粒和純凈化處理，使其強(qiáng)度提高一倍

20、，壽命增加一倍的新一代鋼鐵材料。400MPaa細(xì)品鋼焊接時(shí)，薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)在HAZ因細(xì)晶粒本身已使得晶粒長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力很大（驅(qū)動(dòng)力與晶粒尺寸成反比），又因400MPa的細(xì)晶鋼中沒(méi)有或含有極少碳、氮化物形成元素，所以其焊接熱影響區(qū)有嚴(yán)重的晶粒長(zhǎng)大傾向，粗大的晶粒將損害HAZ的性能，晶粒較粗大時(shí)，強(qiáng)度和韌性會(huì)隨之下降。因此，對(duì)于400MPa0勺細(xì)晶鋼最主要的問(wèn)題是探索400MPaffl晶鋼的合適焊接方法、研究其晶粒長(zhǎng)大規(guī)律、動(dòng)力學(xué)和可控因素，從而尋找防止晶粒長(zhǎng)大的有效措施。800MPa級(jí)細(xì)晶鋼是指在X65管線鋼的基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)化晶粒和純凈化處理，使其強(qiáng)度提高一倍，壽命增加一倍的新一代鋼鐵材料。利用高潔凈度

21、X65鋼和普通市售X65鋼，采取一定的工藝措施獲得細(xì)晶粒鋼，細(xì)晶組織如圖1,其平均粒徑分別為1.393pm(圖1(a)、2.665仙m(圖1(b),屈服強(qiáng)度達(dá)到了800MPa再經(jīng)峰值溫度1350C,t瞞分別為3.5s和8s的焊接熱循環(huán)，模擬其粗晶區(qū)，所得金相組織如圖2、3,其奧氏體的平土粒徑分別為：21pm(圖2(a)、28pm(圖2(b)、26仙m(圖3(a)、52仙m(圖3(b)。從以上例子可知：800MPa級(jí)細(xì)晶鋼焊接時(shí)，即使t8/5很小，HAZ也出現(xiàn)較嚴(yán)重的晶粒粗化現(xiàn)象，且隨著t8/5的增加，晶粒粗化就更為嚴(yán)重。Fig.1Mircrostructureofultra-finegrain

22、edX65steel(a)高潔凈度；(b)普通圖2高潔凈度X65細(xì)晶鋼顯微組織(峰值溫度1350C)Fig.2Mircrostructureofhigh-puhty,ultra-finegrainedX65steel(peaktemperature:1350C)(a)t8/5=3.5s;(b)t8/5=8s圖3X65細(xì)晶鋼顯微組織(峰值1350C)Fig.3Mircrostructureofultra-finegrainedX65steel(peaktemperature:1350C)(a)t8/5=3.5s;(b)t8/5=8s(2) HAZff硬性在靠近熔合線的HAZ奧氏體晶粒易粗化和硬化

23、。為了減少冷裂和接頭韌性的損失，通常限制HAZ的最大硬度。如造船用結(jié)構(gòu)鋼和破冰船，具硬度限制在HV300350之間。為避免應(yīng)力腐蝕，硬度值也被限制，如在濕的H2s環(huán)境下,管線鋼的硬度限制在HV248。HAZ的最大硬度隨著冷卻時(shí)間18/5的增加而減小。(3) HAZ勺韌性和微觀組織下貝氏體和低碳馬氏體均有較好的韌性，且下貝氏體的韌性優(yōu)于低碳馬氏體，隨著冷卻時(shí)間的增加，上貝氏體的含量越來(lái)越多，韌性逐漸降低。上貝氏體和側(cè)板條鐵素體均有很低的韌性。晶界鐵素體是冷卻時(shí)在原奧氏體晶粒邊界上析出的，且上貝氏體和側(cè)板條件鐵素體從晶界鐵素體向晶內(nèi)生長(zhǎng)。一般把粗晶熱影響區(qū)（CGHAZ和臨界粗晶熱影響區(qū)（IRCGH

24、AZ擲作“局部脆性區(qū)”（LBZ）,鐵素體中固溶的碳小于奧氏體中固溶的碳，奧氏體分解過(guò)程中碳從相變鐵素體析出且在沒(méi)有相變的奧氏體中偏聚，這將推遲奧氏體相變且導(dǎo)致殘余奧氏體+高碳馬氏體（碳含量大于1%）的混合組織（即M-A組元）形成，當(dāng)鋼在臨界點(diǎn)之間的溫度區(qū)域加熱時(shí)，奧氏體和鐵素體共存，將造成奧氏體中碳的偏析且導(dǎo)致硬化能力增加，在冷卻時(shí)轉(zhuǎn)化為M-A組元，它對(duì)HAZ勺韌性極為不利，當(dāng)晶粒粗大時(shí)，更為不利，HAZ的韌性強(qiáng)烈依賴M-A組元的體積分?jǐn)?shù)。文獻(xiàn)1報(bào)道局部脆性區(qū)（LBZ）的影響在夏氏V型沖擊試驗(yàn)中不明顯，但在熱模擬HAZ試樣的CTODC驗(yàn)中卻很明顯。此外，當(dāng)焊縫采用高匹配時(shí)，也將使HAZ的韌性損

25、失，但與組織所引起的韌性損失相比，是很小的。HAZ的低韌性不僅是由于M-A組元所占的體積分?jǐn)?shù)所決定，也由其大的斷裂晶面尺寸所決定，因此可通過(guò)以下措施改善韌性：可探索采用合適的焊接工藝，以減小LBZ區(qū)的整體面積；減小形成M-A組元的合金元素，如B、N、C元素含量；減小Si、Al、P元素含量，可促進(jìn)M-A組元的分解；當(dāng)鋼中細(xì)小彌散的析出物在接近熔點(diǎn)時(shí)仍很穩(wěn)定，則能有效細(xì)化HAZ中的粗大奧氏體，導(dǎo)致上貝氏體和側(cè)板條鐵素體的細(xì)化；由于針狀鐵素體的斷裂晶面尺寸小，韌性好，所以若添加一些細(xì)小穩(wěn)定的氧化物，不僅可降低HAZffi晶區(qū)的晶粒尺寸，而且還可作為晶內(nèi)針狀鐵素體的形核場(chǎng)地。(4) HAZ勺軟化超細(xì)晶

26、粒鋼主要是在形變條件下獲取細(xì)晶的，不能通過(guò)熱處理手段來(lái)恢復(fù)，所以次!后HAZ會(huì)出現(xiàn)軟化，尤其當(dāng)高熱輸入時(shí)，就更加明顯。不過(guò)這種局部軟化對(duì)接頭整體強(qiáng)度的影響是受其他因素控制的，如局部軟化區(qū)的寬度、板厚和焊縫強(qiáng)度匹配等因素。對(duì)于低強(qiáng)度級(jí)別的400MPaffl而言，在高強(qiáng)匹配下，更高強(qiáng)度的焊縫和沒(méi)有受熱影響的母材對(duì)軟化區(qū)有強(qiáng)的拘束作用，所以采用高匹配是防止或減小HA浜化的有效措施之一。1.2 焊縫金屬的性能通常焊縫金屬的強(qiáng)度應(yīng)與母材等強(qiáng)匹配或稍高于母材。大多數(shù)焊接結(jié)構(gòu)是在焊后狀態(tài)下使用的，焊縫金屬的強(qiáng)化依然要靠合金元素來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，焊縫金屬的碳當(dāng)量將全面高于母材，且當(dāng)熔敷金屬的強(qiáng)度提高時(shí)，其強(qiáng)度和韌

27、性將對(duì)熱輸入很敏感，此時(shí)應(yīng)考慮合適的焊接工藝。所以當(dāng)母材強(qiáng)度提高時(shí)，獲得合適的焊縫強(qiáng)度就變得較困難。400MPeffl晶鋼的焊縫金屬性能與HAZ生能相比，不是主要矛盾。對(duì)于400MPa級(jí)細(xì)晶鋼而言，焊縫金屬要獲得優(yōu)良的強(qiáng)度和韌性，焊縫金屬的理想組織應(yīng)為針狀鐵素體，這就要嚴(yán)格控制焊接材料的化學(xué)成分，如Ti-B系列的焊條、焊劑和Ni-Cr-Mo-V系列的焊絲。當(dāng)焊接大于800MP或更高強(qiáng)度級(jí)別的細(xì)晶鋼時(shí)，需全面考慮接頭性能。焊縫和HAZ都有可能出現(xiàn)問(wèn)題，HAZ的粗化問(wèn)題可借鑒400MPsa細(xì)晶鋼的有效防止措施，如合適的焊接方法、焊接工藝及其他焊接條件，但隨鋼強(qiáng)度級(jí)別的提高，800MPa細(xì)晶鋼焊縫中易出現(xiàn)冷裂傾向，因此，對(duì)于800MPa級(jí)的細(xì)晶鋼而言，主要問(wèn)題便是解決焊縫金屬的性能，即必須研制、開(kāi)發(fā)與母材性能相匹配的焊接材料，焊縫金屬要獲得優(yōu)良的強(qiáng)度和韌性，其焊縫金屬的理想組織應(yīng)為超低碳貝氏體，這方面的工作目前還沒(méi)有較成熟經(jīng)驗(yàn)，因