國際上超低碳貝氏體鋼的發展

低碳貝氏體鋼（ucb）是20世紀80年代發展起來的一種高強度、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，它是一個與傳統鐵素體、絹云母體和馬氏體火山爐同時開采的高強度新鋼。1超低碳貝氏體鋼超低碳貝氏體鋼的產生主要有兩方面的因素。一方面,傳統的材料已不能滿足高性能、低成本的使用要求,迫切需要開發新鋼種。研究表明,鐵素體-珠光體鋼強度極限水平僅為500～550MPa,而馬氏體淬火回火鋼的強度雖然可達到很高(Rp≥600MPa),但其強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度與韌性和焊接性這一難以解決的矛盾。另一方面,現代冶金生產技術的發展與物理冶金研究成果的結合使得貝氏體鋼的應用成為現實。對貝氏體的物理冶金研究表明,當鋼中的C含量降到0.05%(w)以下時,貝氏體鐵素體板條間不再產生脆性的碳化物,但組織內仍存在高密度的位錯,其強度很高,韌性良好。隨著現代先進的冶金生產技術不斷涌現,使得同時大幅度降低C、S、P等雜質含量、高潔凈化鋼液以及超細化晶粒等得以實現,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規模上發展起來了。國際上超低碳貝氏體鋼真正大規模發展是20世紀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械、大型構件等領域,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。進入21世紀,日本和美國對ULCB的研究異常活躍,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Pcm=0.21%,50mm厚度鋼板的屈服強度為713MPa,抗拉強度為830MPa,延伸率為21%,Akv,-40℃為179J;據最新報道,日本最近開發出抗拉強度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應用于艦船領域,擬替代難焊接的傳統結構鋼HY80/100。在國內,寶鋼、武鋼與北京科技大學合作,于90年代初起步,陸續開發了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等大型工程機械。鞍鋼、上鋼三廠、舞鋼等相繼于90年代中后期開發了420～800MPa級ULCB,鋼板的最大厚度可達50mm。進入21世紀,我國超低碳貝氏體鋼的開發和應用進一步擴大。2材料、組織和焊接2.1微合金強化的發展超低碳貝氏體鋼的合金成分設計突破了傳統的高強度低合金鋼的成分設計思想,鋼的強度不再依靠C及合金元素的總量,而是靠貝氏體組織中的位錯強化、控軋和控冷細晶粒強化、V、Ti、Nb等微合金強化以及ε-Cu的沉淀強化。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等高熔點的碳化物,碳含量不應低于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,可使過冷奧氏體轉變曲線上存在明顯的河灣,并顯著推遲高溫轉變,使鋼的上、下C曲線分離,尤其是Mn與B相結合,使高溫轉變的孕育期明顯長于中溫轉變,這樣有利于在較寬的冷速范圍內,獲得完全的貝氏體組織。Mn還降低貝氏體轉變溫度,細化晶粒,增加貝氏體鐵素體內的位錯密度。2.1.3熱處理區的選擇從超低碳貝氏體鋼的化學成分發展來看(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晶行為,提高再結晶溫度,擴大非再結晶區,從而加大非再結晶區軋制時的變形積累,引入大量高密度畸變區,這些高密度畸變區在隨后的冷卻過程中成為相變核心,大幅度促進相變組織細化;同時軋制產生的大量位錯,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度。其次,由于Nb、B相互促進,使得復合加入比單獨加入Nb或B,更能發揮作用。第三,提高超低碳貝氏體鋼的回火穩定性,保持焊接接頭熱影響區良好性能。微量Nb的加入,在基體中產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和消失,保證基體的強度;在焊接時,這些碳氮化物阻礙熱影響區晶界的移動,避免晶粒長大。第四,Nb和B等復合加入,降低貝氏體的轉變溫度,進一步細化組織,提高基體中位錯密度。2.1.4ti、cu的作用Mo可以降低貝氏體轉變溫度,同時Mo與B聯合作用顯著推遲鐵素體轉變,而對貝氏體轉變影響不明顯。Ti的作用是固定鋼中的N,避免N與B結合,導致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的作用是產生時效析出強化。Ni主要是降低韌脆轉變溫度,進一步提高韌性,尤其在ε-Cu時效強化的ULCB中,加入Ni可防止銅的熱脆性。2.2貝氏體基本結構依據成分、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精細結構比較復雜:(1)貝氏體鐵素體的基本結構單元是一系列的板條,板條邊界由位錯墻組成,板條內存在大量高密度的位錯,回火前其位錯形態分兩類,一類是軋制過程中產生的相互纏結成團的高密度位錯,這些位錯上有許多細小的析出物;另一類是貝氏體相變時產生的位錯,基本平行排列,分布較均勻,它們并不相互纏結,其上也沒有析出物。(2)貝氏體晶粒是由具有細小亞結構的貝氏體鐵素體組成,亞結構比較復雜,受軋制工藝的影響較大。(3)根據成分系的不同,組織中的細小析出物主要是Nb、V、Ti等碳、氮化物和ε-Cu粒子。另外,借助控軋、控冷、熱機械軋制(TMCP)、弛豫-析出-控制相變(RPC)等現代先進的軋鋼技術,超低碳貝氏體鋼組織可達到超細化,晶粒度可達11～12級。表2為文獻研究的一種典型的Mn-Nb-B系超低碳貝氏體鋼不同狀態下的組織。2.3熱影響區的特點焊接性優良是超低碳貝氏體鋼的一大特點,對強度600MPa級以上、厚度小于50mm的鋼板,焊前無需預熱,焊后也無需后熱處理。分析ULCB的成分、組織及微結構,其優良的焊接性主要表現在以下幾方面。(1)ULCB碳含量很低(<0.05%),碳當量也較低(一般Ceq<0.4%),焊接冷裂紋敏感性指數也很低(一般Pcm<0.25%)。根據Graville圖依據焊接性對材料的劃分,超低碳貝氏體鋼已落入易焊接區。根據傳統的可焊性判據,當Ceq<0.45%時,焊接25mm的厚板可不預熱;當Ceq<0.45%,Pcm<0.27%時,小于37mm的厚板,可不進行預熱。一般超低碳貝氏體鋼熱影響區最高硬度低于HV280,遠低于為防止熱影響區產生焊接裂紋而規定的最高硬度上限值HV350。(2)熱影響區組織對線能量的適應性較強,線能量在很大范圍內變化,尤其是在大的線能量輸入條件下,熱影響區保持相對穩定的組織。周宣等人對DB590鋼的焊接性研究表明,焊接線能量為12～25kJ/cm,熱影響區組織基本沒有變化。譚細龍等人通過熱模擬研究了屈服強度500MPa級超低碳貝氏體鋼熱影響區的組織,發現T8/5從30～60s變化,熱影響區組織和性能均無明顯變化。(3)焊接過程中,熱影響區晶粒長大傾向小,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,在基體中產生大量彌散分布的高熔點的碳、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,貝氏體內大量的高密度位錯來不及擴散、恢復以及消失,而保留到高溫奧氏體區,這樣新形成的奧氏體晶粒邊界在向前推進中,要不斷吞食具有高密度位錯的貝氏體組織,這要比吞食內部結構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,具有復雜的亞結構,可以阻礙解理裂紋的傳播,在一定程度上起到細化晶粒的作用,從而保持了熱影響區高的低溫韌性。以上的分析表明,超低碳貝氏體鋼優良的焊接性主要表現在熱影響區具有良好的性能,但是焊縫金屬不能像鋼板那樣,通過熱、力學工藝等處理來獲得高的強韌性,使用現有的焊接材料,要使焊縫金屬獲得與母材相匹配的高強度,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節,為此研制開發新型的超低碳貝氏體鋼焊接材料是ULCB大面積推廣應用的迫切需求。3船舶用鋼的特點進入21世紀,超低碳貝氏體鋼在我國的開發和應用逐步走入成熟階段,目前屈服強度從400～800MPa的超低碳貝氏體鋼已形成系列,其中400～700MPa級鋼滿足批量生產供貨的要求,并已用于大型工程機械,800MPa級鋼處在研發和試生產階段。與傳統的鐵素體-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具的優點。(1)焊接性極佳,在常溫甚至寒冷地帶,無需預熱(或對厚板僅需低預熱)和后熱處理,降低施工人員的勞動強度,節約能源。(2)易與先進的冶金、軋鋼工藝相結合,無需再加熱淬火,節約能源,在生產高級別鋼種的同時降低鋼板的生產制造成本。(3)由于成分設計思想的創新,鋼的強度不再依賴于鋼中碳含量和合金元素的總量,強度的提高主要通過先進的工藝來獲得,因此在強度提高的同時,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,而是靠先進的軋鋼工藝來細化晶粒、改變組織而獲得,因此超低碳貝氏體鋼在提高韌性的同時,節約貴重金屬,降低鋼板的生產制造成本。(5)由于成分設計的特殊性,在較寬的冷卻速度范圍內,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不再依賴于板厚,使得厚板的生產易于控制。船體結構鋼主要指用于船體或艇體建造的鋼,根據船體建造工藝的特殊性和艦船使用環境的特殊性,對船體結構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所具有的優點正是船體結構鋼所要求的。目前我國船體結構鋼還是鐵素體-珠光體鋼和馬氏體淬火回火鋼等傳統用鋼,這兩類鋼生產工藝復雜,成本較高