國際上超低碳貝氏體鋼的發(fā)展

國際上超低碳貝氏體鋼的發(fā)展

低碳貝氏體鋼（ucb）是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的一種高強(qiáng)度、高耐候性和良好耐焊接性的新鋼。由于其良好的焊接性，它可以很好地解決性能、成本、利潤和能源之間的矛盾。今天，它是一個與傳統(tǒng)鐵素體、絹云母體和馬氏體火山爐同時開采的高強(qiáng)度新鋼。1超低碳貝氏體鋼超低碳貝氏體鋼的產(chǎn)生主要有兩方面的因素。一方面,傳統(tǒng)的材料已不能滿足高性能、低成本的使用要求,迫切需要開發(fā)新鋼種。研究表明,鐵素體-珠光體鋼強(qiáng)度極限水平僅為500～550MPa,而馬氏體淬火回火鋼的強(qiáng)度雖然可達(dá)到很高(Rp≥600MPa),但其強(qiáng)度的提高是以犧牲韌性和焊接性為代價的,馬氏體淬火回火鋼存在著強(qiáng)度與韌性和焊接性這一難以解決的矛盾。另一方面,現(xiàn)代冶金生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展與物理冶金研究成果的結(jié)合使得貝氏體鋼的應(yīng)用成為現(xiàn)實。對貝氏體的物理冶金研究表明,當(dāng)鋼中的C含量降到0.05%(w)以下時,貝氏體鐵素體板條間不再產(chǎn)生脆性的碳化物,但組織內(nèi)仍存在高密度的位錯,其強(qiáng)度很高,韌性良好。隨著現(xiàn)代先進(jìn)的冶金生產(chǎn)技術(shù)不斷涌現(xiàn),使得同時大幅度降低C、S、P等雜質(zhì)含量、高潔凈化鋼液以及超細(xì)化晶粒等得以實現(xiàn),大幅度提高了貝氏體鋼的綜合性能,從而超低碳貝氏體鋼就在大生產(chǎn)規(guī)模上發(fā)展起來了。國際上超低碳貝氏體鋼真正大規(guī)模發(fā)展是20世紀(jì)80年代以后,以日本、美國、英國和德國為代表。超低碳貝氏體鋼最初用于嚴(yán)酷條件下(如寒冷地帶)的大口徑高壓管線,隨后廣泛用于工程機(jī)械、大型構(gòu)件等領(lǐng)域,近幾年美、英、澳大利亞等國已將超低碳貝氏體鋼用于海洋設(shè)施、造船及海軍艦艇上。目前,國際上ULCB主要分為兩大類:一類是以美國和加拿大為代表的Fe-Cu-Nb-B系列,另一類是以日本為代表的Fe-Mn-Nb-B系列。進(jìn)入21世紀(jì),日本和美國對ULCB的研究異?；钴S,日本川崎制鐵公司在2003年采用軋后直接淬火并回火工藝生產(chǎn)了HT780ULCB,其成分為0.02C-0.23Si-2.00Mn-0.035Al-0.013Ti,另有一定量Cu、Ni、Cr、Mo,冷裂紋敏感性指數(shù)Pcm=0.21%,50mm厚度鋼板的屈服強(qiáng)度為713MPa,抗拉強(qiáng)度為830MPa,延伸率為21%,Akv,-40℃為179J;據(jù)最新報道,日本最近開發(fā)出抗拉強(qiáng)度590MPa的橋梁和建筑用75mm特厚超低碳貝氏體鋼。美國目前已將ULCB應(yīng)用于艦船領(lǐng)域,擬替代難焊接的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)鋼HY80/100。在國內(nèi),寶鋼、武鋼與北京科技大學(xué)合作,于90年代初起步,陸續(xù)開發(fā)了500～700MPa級Cu-Nb-B系和Mn-Nb-B系ULCB,并已用于高壓石油管線和推土機(jī)等大型工程機(jī)械。鞍鋼、上鋼三廠、舞鋼等相繼于90年代中后期開發(fā)了420～800MPa級ULCB,鋼板的最大厚度可達(dá)50mm。進(jìn)入21世紀(jì),我國超低碳貝氏體鋼的開發(fā)和應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)大。2材料、組織和焊接2.1微合金強(qiáng)化的發(fā)展超低碳貝氏體鋼的合金成分設(shè)計突破了傳統(tǒng)的高強(qiáng)度低合金鋼的成分設(shè)計思想,鋼的強(qiáng)度不再依靠C及合金元素的總量,而是靠貝氏體組織中的位錯強(qiáng)化、控軋和控冷細(xì)晶粒強(qiáng)化、V、Ti、Nb等微合金強(qiáng)化以及ε-Cu的沉淀強(qiáng)化。因此鋼中的C含量大幅度降低,合金元素的總量也較低,表1為超低碳貝氏體鋼的化學(xué)成分。2.1.1全貝氏體的c含量C不再對超低碳貝氏體鋼的強(qiáng)度起決定性作用,因此為保證形成韌性良好的全貝氏體組織,C含量可以低于0.05%;但為形成足夠的NbC、TiC等高熔點(diǎn)的碳化物,碳含量不應(yīng)低于0.01%。2.1.2冷速及孕育期的作用Mn是貝氏體鋼中的基本元素,加入量一般為1.5%～2.0%。鋼中含一定量的Mn時,可使過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線上存在明顯的河灣,并顯著推遲高溫轉(zhuǎn)變,使鋼的上、下C曲線分離,尤其是Mn與B相結(jié)合,使高溫轉(zhuǎn)變的孕育期明顯長于中溫轉(zhuǎn)變,這樣有利于在較寬的冷速范圍內(nèi),獲得完全的貝氏體組織。Mn還降低貝氏體轉(zhuǎn)變溫度,細(xì)化晶粒,增加貝氏體鐵素體內(nèi)的位錯密度。2.1.3熱處理區(qū)的選擇從超低碳貝氏體鋼的化學(xué)成分發(fā)展來看(見表1),Nb和B是超低碳貝氏體鋼的基本合金元素。B的作用主要是提高淬透性,而Nb起著多方面的作用。首先微量Nb可以抑制高溫奧氏體的變形再結(jié)晶行為,提高再結(jié)晶溫度,擴(kuò)大非再結(jié)晶區(qū),從而加大非再結(jié)晶區(qū)軋制時的變形積累,引入大量高密度畸變區(qū),這些高密度畸變區(qū)在隨后的冷卻過程中成為相變核心,大幅度促進(jìn)相變組織細(xì)化;同時軋制產(chǎn)生的大量位錯,在貝氏體相變過程中,一部分保留下來,大幅度提高了貝氏體基體強(qiáng)度。其次,由于Nb、B相互促進(jìn),使得復(fù)合加入比單獨(dú)加入Nb或B,更能發(fā)揮作用。第三,提高超低碳貝氏體鋼的回火穩(wěn)定性,保持焊接接頭熱影響區(qū)良好性能。微量Nb的加入,在基體中產(chǎn)生大量彌散分布的難熔的碳氮化物Nb(CN),在回火過程中釘扎位錯,使得位錯不容易恢復(fù)和消失,保證基體的強(qiáng)度;在焊接時,這些碳氮化物阻礙熱影響區(qū)晶界的移動,避免晶粒長大。第四,Nb和B等復(fù)合加入,降低貝氏體的轉(zhuǎn)變溫度,進(jìn)一步細(xì)化組織,提高基體中位錯密度。2.1.4ti、cu的作用Mo可以降低貝氏體轉(zhuǎn)變溫度,同時Mo與B聯(lián)合作用顯著推遲鐵素體轉(zhuǎn)變,而對貝氏體轉(zhuǎn)變影響不明顯。Ti的作用是固定鋼中的N,避免N與B結(jié)合,導(dǎo)致B的失效。同時形成的TiN可以起到Nb的碳、氮化物所起的作用。Cu的作用是產(chǎn)生時效析出強(qiáng)化。Ni主要是降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度,進(jìn)一步提高韌性,尤其在ε-Cu時效強(qiáng)化的ULCB中,加入Ni可防止銅的熱脆性。2.2貝氏體基本結(jié)構(gòu)依據(jù)成分、軋制工藝及軋后處理工藝的不同,超低碳貝氏體鋼的組織也各不相同,但通常在連續(xù)冷卻條件下,其金相組織主要為無碳貝氏體和少量的殘余奧氏體、高熔點(diǎn)碳、氮化物、鐵素體、馬氏體等。在透射電鏡下觀察,超低碳貝氏體鋼組織內(nèi)精細(xì)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜:(1)貝氏體鐵素體的基本結(jié)構(gòu)單元是一系列的板條,板條邊界由位錯墻組成,板條內(nèi)存在大量高密度的位錯,回火前其位錯形態(tài)分兩類,一類是軋制過程中產(chǎn)生的相互纏結(jié)成團(tuán)的高密度位錯,這些位錯上有許多細(xì)小的析出物;另一類是貝氏體相變時產(chǎn)生的位錯,基本平行排列,分布較均勻,它們并不相互纏結(jié),其上也沒有析出物。(2)貝氏體晶粒是由具有細(xì)小亞結(jié)構(gòu)的貝氏體鐵素體組成,亞結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,受軋制工藝的影響較大。(3)根據(jù)成分系的不同,組織中的細(xì)小析出物主要是Nb、V、Ti等碳、氮化物和ε-Cu粒子。另外,借助控軋、控冷、熱機(jī)械軋制(TMCP)、弛豫-析出-控制相變(RPC)等現(xiàn)代先進(jìn)的軋鋼技術(shù),超低碳貝氏體鋼組織可達(dá)到超細(xì)化,晶粒度可達(dá)11～12級。表2為文獻(xiàn)研究的一種典型的Mn-Nb-B系超低碳貝氏體鋼不同狀態(tài)下的組織。2.3熱影響區(qū)的特點(diǎn)焊接性優(yōu)良是超低碳貝氏體鋼的一大特點(diǎn),對強(qiáng)度600MPa級以上、厚度小于50mm的鋼板,焊前無需預(yù)熱,焊后也無需后熱處理。分析ULCB的成分、組織及微結(jié)構(gòu),其優(yōu)良的焊接性主要表現(xiàn)在以下幾方面。(1)ULCB碳含量很低(<0.05%),碳當(dāng)量也較低(一般Ceq<0.4%),焊接冷裂紋敏感性指數(shù)也很低(一般Pcm<0.25%)。根據(jù)Graville圖依據(jù)焊接性對材料的劃分,超低碳貝氏體鋼已落入易焊接區(qū)。根據(jù)傳統(tǒng)的可焊性判據(jù),當(dāng)Ceq<0.45%時,焊接25mm的厚板可不預(yù)熱;當(dāng)Ceq<0.45%,Pcm<0.27%時,小于37mm的厚板,可不進(jìn)行預(yù)熱。一般超低碳貝氏體鋼熱影響區(qū)最高硬度低于HV280,遠(yuǎn)低于為防止熱影響區(qū)產(chǎn)生焊接裂紋而規(guī)定的最高硬度上限值HV350。(2)熱影響區(qū)組織對線能量的適應(yīng)性較強(qiáng),線能量在很大范圍內(nèi)變化,尤其是在大的線能量輸入條件下,熱影響區(qū)保持相對穩(wěn)定的組織。周宣等人對DB590鋼的焊接性研究表明,焊接線能量為12～25kJ/cm,熱影響區(qū)組織基本沒有變化。譚細(xì)龍等人通過熱模擬研究了屈服強(qiáng)度500MPa級超低碳貝氏體鋼熱影響區(qū)的組織,發(fā)現(xiàn)T8/5從30～60s變化,熱影響區(qū)組織和性能均無明顯變化。(3)焊接過程中,熱影響區(qū)晶粒長大傾向小,主要有兩方面的原因,一方面,超低碳貝氏體鋼通過Nb、V、Ti等微合金化及Cu的時效,在基體中產(chǎn)生大量彌散分布的高熔點(diǎn)的碳、氮化物或ε-Cu粒子等析出物,這有效地阻礙了奧氏體晶界的移動;另一方面,由于焊接過程加熱速度較快,貝氏體內(nèi)大量的高密度位錯來不及擴(kuò)散、恢復(fù)以及消失,而保留到高溫奧氏體區(qū),這樣新形成的奧氏體晶粒邊界在向前推進(jìn)中,要不斷吞食具有高密度位錯的貝氏體組織,這要比吞食內(nèi)部結(jié)構(gòu)單一的鐵素體組織更難。另外,在奧氏體晶粒長大過程中,貝氏體內(nèi)的高密度位錯要在晶界消失,而位錯的消失又需要一定的時間。(4)超低碳貝氏體鋼貝氏體板條內(nèi),具有復(fù)雜的亞結(jié)構(gòu),可以阻礙解理裂紋的傳播,在一定程度上起到細(xì)化晶粒的作用,從而保持了熱影響區(qū)高的低溫韌性。以上的分析表明,超低碳貝氏體鋼優(yōu)良的焊接性主要表現(xiàn)在熱影響區(qū)具有良好的性能,但是焊縫金屬不能像鋼板那樣,通過熱、力學(xué)工藝等處理來獲得高的強(qiáng)韌性,使用現(xiàn)有的焊接材料,要使焊縫金屬獲得與母材相匹配的高強(qiáng)度,則焊縫金屬的碳含量和合金化程度勢必很高,致使焊縫金屬的淬硬性明顯大于母材,產(chǎn)生冷裂紋傾向大。因此超低碳貝氏體鋼焊接時,焊縫金屬則成為整個焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié),為此研制開發(fā)新型的超低碳貝氏體鋼焊接材料是ULCB大面積推廣應(yīng)用的迫切需求。3船舶用鋼的特點(diǎn)進(jìn)入21世紀(jì),超低碳貝氏體鋼在我國的開發(fā)和應(yīng)用逐步走入成熟階段,目前屈服強(qiáng)度從400～800MPa的超低碳貝氏體鋼已形成系列,其中400～700MPa級鋼滿足批量生產(chǎn)供貨的要求,并已用于大型工程機(jī)械,800MPa級鋼處在研發(fā)和試生產(chǎn)階段。與傳統(tǒng)的鐵素體-珠光體鋼和馬氏體淬火回火鋼相比,超低碳貝氏體鋼有其獨(dú)具的優(yōu)點(diǎn)。(1)焊接性極佳,在常溫甚至寒冷地帶,無需預(yù)熱(或?qū)癜鍍H需低預(yù)熱)和后熱處理,降低施工人員的勞動強(qiáng)度,節(jié)約能源。(2)易與先進(jìn)的冶金、軋鋼工藝相結(jié)合,無需再加熱淬火,節(jié)約能源,在生產(chǎn)高級別鋼種的同時降低鋼板的生產(chǎn)制造成本。(3)由于成分設(shè)計思想的創(chuàng)新,鋼的強(qiáng)度不再依賴于鋼中碳含量和合金元素的總量,強(qiáng)度的提高主要通過先進(jìn)的工藝來獲得,因此在強(qiáng)度提高的同時,材料的韌性和焊接性不損失或損失很小。(4)韌性的提高不再主要靠添加合金元素Ni,而是靠先進(jìn)的軋鋼工藝來細(xì)化晶粒、改變組織而獲得,因此超低碳貝氏體鋼在提高韌性的同時,節(jié)約貴重金屬,降低鋼板的生產(chǎn)制造成本。(5)由于成分設(shè)計的特殊性,在較寬的冷卻速度范圍內(nèi),能夠獲得基本完整的貝氏體組織,也就是說,超低碳貝氏體鋼的組織和性能已經(jīng)不再依賴于板厚,使得厚板的生產(chǎn)易于控制。船體結(jié)構(gòu)鋼主要指用于船體或艇體建造的鋼,根據(jù)船體建造工藝的特殊性和艦船使用環(huán)境的特殊性,對船體結(jié)構(gòu)鋼要求良好的焊接性、冷熱加工工藝性及良好的低溫韌性,可以說ULCB所具有的優(yōu)點(diǎn)正是船體結(jié)構(gòu)鋼所要求的。目前我國船體結(jié)構(gòu)鋼還是鐵素體-珠光體鋼和馬氏體淬火回火鋼等傳統(tǒng)用鋼,這兩類鋼生產(chǎn)工藝復(fù)雜,成本較高