结构用钢组织控制强化技术的进展.doc

结构用钢组织控制强化技术的进展谢建新摘要概述了近10余年来先进工业国家在结构用钢组织控制强化技术方面的研究与应用状况，讨论了未来超高强度结构用钢组织结构设计思路、控制模式与方法。关键词结构用钢组织控制强化技术微合金钢管线钢Advance on Microstructure Control Strengthening Technology for Structure SteelsXie Jianxin(University of Science and Technology, Beijing 100083)AbstractThe research and application progress on microstructure control strengthening technology for structural steels in advanced industrial countries in the last ten years were summarized, and future microstructure design idea and control mode for super high strength structural steels are also introduced in this paper.Material IndexStructural Steel, Microstructure Control, Strengthening Technology, Microalloy Steel, Line Pipe Steel80年代后期以来，从以日本为代表的发达国家所开发的钢铁材料的强度水平、微观组织和得以改善的性能(表1)1可见，由于不懈的研究开发，许多高强度钢铁材料获得了实际应用。表1各种高强度钢的强度水平、微观组织和改善性能Table 1Strength class, microstructure and property improving of various high strength steels开发材料种类用途强化工艺微观组织强度水平/MPa改善性能厚板极厚高强度钢高压水管、桥梁、海洋构件、超高层建筑、大型球形储存罐架淬火-回火马氏体+贝氏体780980低温韧性焊接性低屈强比高强度钢建筑物构件、桥梁、起重架由二相区控冷直淬-二相区加热-淬火-回火细铁素体+贝氏体590780低屈强比焊接性机械结构用钢非调质钢汽车部件(曲轴、连杆等)、建设机械用轴热锻热锻+回火铁素体+珠光体贝氏体7809807801 200韧性切削性疲劳强度高强螺栓土木建筑机械、汽车淬火-回火马氏体9801 500抗延迟断裂、韧性线材极细线钢帘线、钢丝、钢琴线铅浴淬火+冷拉珠光体2 4504 900延性捻回值薄板冷轧薄板汽车连续退火(急冷+低温回火)马氏体，贝氏体9801 860抗延迟断裂、冷弯钢管电焊管汽车门加强件连续退火(+制管)、淬火-回火马氏体6901 470冲击吸收无缝管耐蚀油井管淬火-回火马氏体700840耐蚀性焊接管输送管(管线)控轧、控轧控冷铁素体+贝氏体650800耐蚀性低温韧性焊接性不锈钢奥氏体系螺栓、非磁性钢(超导设备等)冷加工奥氏体8801 960延性、低透磁率马氏体系结构、汽车淬火-回火马氏体8801 700延性沉淀硬化型火箭仓、歧管飞机机架时效、二级时效马氏体 1 3501 750韧性、焊接性马氏体时效钢火箭仓、模具时效、无再结晶固溶处理马氏体2 0602 650韧性、氢脆 1结构用钢组织控制强化技术的发展现状1.1厚板厚板高强度化的典型代表有高压输水管用高强超厚板和为了进一步提高构件的安全性而开发的低屈强比高强度厚板。一般高强度厚板的抗拉强度为490780 MPa，高强超厚板 的抗拉强度可达980 MPa。为了获得高强度，并同时改善焊接性、厚度方向韧性均匀性、塑性加工性，其强化手段主要有合金元素强化与加工工艺强化两大类(表2) 。表2厚板的主要强化手段Table 2Main strengthening measure for heavy plate合金元素强化加工工艺强化固溶强化：Cu,Ni,Cr,Mo,C析出强化：V,Nb,Mo,Cu,C相变强化：C,Si,Mn,Ni,Cr,Mo,B 晶粒细化强化晶粒细化：N,Al,Ti晶内形核：Ti,B,稀土类等淬火-回火控轧常化加热后控冷多次淬火-回火形变热处理(TMCP)二相区热处理扬水发电站高压输水管、海洋环境用构件、超高层建筑骨架、起重机架用超厚板对韧性、焊接性要求极高。对于980 MPa级50 mm厚板，为了确保表层与中心层具有均匀的高强高韧性，直接淬火是一种有效的手段，因淬火时表层温度低、中层温度高有利于提高中心淬透性。对于980 MPa级100 mm以上的超厚板，可添加3%左右的Ni和微量的Nb，以达到这一均匀性。超高层建筑的高度已超过300 m，安全性问题越来越突出，必须采用低屈强比的高强度超厚板。获得低屈强比的有效途径是采用形变热处理方法，使厚板具有由硬质相(如贝氏体、马氏体)和软质相(如铁素体)组成的双相或多相结构组织。表3所示为有关文献报导的形变热处理方法、微观组织与屈强比的关系。 表3低屈强比处理工艺与组织、性能的关系Table 3Effect of low yield - tensile ratio treated process on structure and property of structure steel工艺形变热处理类型微观组织屈强比/%强度级别板厚/mm二相区再加热-淬火细F+B80HT59080F+B80HT78020F+M+B758080HT590HT590HT780158080F+M858080HT690HT590HT7803067022控轧-控冷带状F+B70HT59020细F+B80HT59040细F+B+M75HT59030F+B+M70HT78030F+B75HT59080注：F铁素体；B贝氏体；M马氏体。1.2机械结构用钢1.2.1非调质钢由于省能耗、省工序、高强度、低成本化的需要，机械结构用钢中对提高性能研究得最活跃的是占汽车用钢10%以上的锻件用非调质钢。但是，非调质高强度化的结果一般带来韧性、屈服点、切削性能下降等不良影响。表4所示为有关铁素体-珠光体钢高强高韧化的研究情况。表4铁素体-珠光体钢的强韧化Table 4Strengthening and toughness of ferrite-pearlite steel强韧化方法效果与组织变化合金元素强韧化C：强度上升大，但韧性劣化显著Mn,Cr:韧性劣化相对较小V：强度上升大、韧性劣化小细小铁素体弥散强化MnS,VN,AlN促进相变、粒内析出颗粒细化再结晶与非再结晶混合组织氧化物冶金抑制晶粒粗大化珠光体微细化片状间隔减小、渗碳体厚度增加一般认为贝氏体钢较铁素体-珠光体钢容易实现高强化，且韧性良好，但自然冷却后0.2%屈服应力较低。研究表明，添加Cr、V的贝氏体钢经500600 退火后0.2%屈服应力上升，且屈强比也得到改善。1.2.2高强度螺栓钢由于轻量化、施工简单化、高紧固力、高疲劳强度的要求，对螺栓用钢的高强度化要求越来越高。目前，日本建设机械、产业机械、汽车用螺栓钢的最高强度水平为1 3001 400 MPa，土木建筑用螺栓钢的最高强度水平为1 100 MPa。而下一步的开发目标是将建设机械用螺栓钢的强度提高到1 600 MPa，汽车用螺栓钢的强度提高到1 500 MPa，产业机械、土木建筑用螺栓钢的强度提高到1 400 MPa。螺栓钢高强度化的同时需要注意的另一个重要问题是抗延迟断裂性能。改善抗延迟断裂性能的主要途径有先进材料与制备工艺的开发、防护(与环境隔离)、优化螺栓形状(改善应力集中)、预加压应力等。1.2.3高强度钢板与钢管对于机械结构用薄板与钢管，在进行高强度化同时，必须重视改善其焊接性、成形性、抗延迟破坏特性，因而组织控制非常重要。表5为有关高强度钢板与钢管的研究状况。 表5高强度钢板与钢管的研究状况Table 5Research condition of high strength plate and tube类别工艺研究内容组织强度水平/MPa钢板冷轧连续退火(675 开始急冷)通过组织均匀化、低硬度变化改善弯曲性能B+M7601 370冷轧-连续退火后急冷加Nb细化组织、提高强度、保证延性M9801 200热轧-低温卷取通过低N、低温相变组织实现高强高韧B+F490760冷轧-油回火高C、高B、组织均匀化改善抗延迟破坏性能B()1 6001 900连续退火-850 开始水冷-回火低C,Mn、低温回火改善弯曲、抗延迟破坏性能M1 470连续退火增Mn提高强度、减S改善局部延性B1 180电焊管焊管用薄带200 以下卷取通过急冷使铁素体细化、改善韧性F+M(A)690焊管后退火加Ti退火析出强化F+(B)760焊管用薄带进行水冷型连续退火0.22C-1.4Mn 可使焊接部软化而弯曲性无影响M1 470 1.3线材实用线材中强度最高的是以钢琴线为代表的高碳钢线。近来，3 0004 000 MPa级钢帘线用材料的开发非常活跃，具有新型母体组织的5 000 MPa级的超高强度极细线正在开发之中。钢帘线是轮胎强化纤维用材，对轮胎的轻量化具有极为重要的影响，是各先进国家争相开发的材料之一。 钢帘线的制造工艺过程为：线坯(5.5 mm)粗拉铅浴(3.0 mm)伸线铅浴(0.81.6 mm)镀黄铜湿法伸线细线(0.25 mm)。以钢帘线为代表的高碳钢线的高强度化开发情况如表6所示。伴随高强度化而产生的材料上的问题主要有保证伸线所需的延性、提高线坯强度、提高加工硬化的能力等。为此，一般采用过共析化、加铬等措施防止晶界生成伪珠光体，在伸线时提高加工硬化程度。表6钢帘线的强化方法与效果Table 6Strengthening method and effect of steel wire类别组织变化、强化效果强度水平/MPa合金元素强化V-Ti复合添加：珠光体片细化、析出强化，用直接淬火可得与铅浴淬火相当的强度1 0001 300(线坯)加铬(0.5%)：抑制粒界伪珠光体的析出、改善层间分离性提高C含量(过共析化)：加工硬化、渗 碳体厚度增加，防止粒界伪珠光体析出、抑制层间分离3 5003 900减Si、加Cr提高强度工艺强化喷雾淬火：增加冷却速度，减少薄片厚度，可提高线坯强度约100 MPa1 400(线坯)控冷-保温方式淬火：可得与盐浴相同的伸线性(高断面减缩率)3 000流动层淬火3 650模具冷却：抑制伸线过程中的时效作用4 000断线对策：利用硅脱氧使氧化铝等高熔点夹杂转化为低熔点夹杂，在伸线中使其破碎分散奥氏体化：加Cr钢如不增加奥氏体化时间，则碳化物不能完全溶解，使强度下降 高碳超细线的强度受到等温相变珠光体层间尺寸的限制，要使强度获得突破性提高，需要改变细线的基体组织。据报导，通过使马氏体弥散在 铁素体母体中，并施以强加工(大塑性变形)，可以获得由20100 nm超细纤维组织组成的30 m直径的超细线。图1所示为超细线的抗拉强度与累积真应变的关系，当真应变9.4时，可以获得5 000 MPa以上的超高强度，且其延性良好。图1超细线真应变与抗拉强度的关系Fig.1Relation between true strain and tensile strength of ultra fine wire1.4油井管与管线用钢由于可靠性的要求，油井管一般采用无缝管，随着产量、井深的增加，既要求高强度化，又要求不断改善抗氢致裂纹(HIC)、二氧化碳与应力腐蚀裂纹(SCC)、硫化物应力腐蚀裂纹(SSC)等性能。C90级(90ksi,620MPa)油井管自80年代初开发以来广泛得以应用。大约10年前先进国家即开始致力于开发C100C110级用材料，但尚没有达到大规模应用于实际生产的水平。由于寒冷地带使用、长大化、大输送量等方面的要求，近年来对管线用钢的开发方向主要是高强韧化以及焊接性能的改善。图2所示为对高级管线钢的性能要求及相应的技术措施。管线用钢总的发展趋势是，成分低C化，微观组织由铁素体+珠光化向针状铁素体、进而向超低碳贝氏体变化。Fig.2Property requirement and corresponding technical measure for high quality pipe line steel迄今为止，管线钢的高韧化技术主要是通过控制轧制来实现的。即采用低温加热，在奥氏体晶粒尽可能地小的状态下，先在可再结晶温度域进行轧制，然后在无再结晶的低温域进行轧制，获得细长晶粒以确保低温韧性。但由于寒冷地域既要求低温韧性，又要求焊接性，故近年来采用形变热处理的方法来降低焊接裂纹敏感性。此外，最近通过将形变热处理的开始冷却温度控制在+二相区内，并控制铁素体与贝氏体的比例，开发出了强度、韧性综合性能优良的X100管线钢。管线用钢的氢致裂纹(HIC)倾向随高强度化的进行越为严重。因此，要有效地提高强度，需要采用新型组织控制方法。1.5不锈钢高强度不锈钢主要有奥氏体系和马氏体系(包括析出强化型不锈钢)，表7为近10余年来关于不锈钢高强度化的研究开发概况。表7近10年来不锈钢高强度化的研究开发概况Table 7General outline of stainless steel high strengthening research in last ten years种类强度水平强化工艺强化要点、用途奥氏体()系980 MPa加工硬化、高N固溶强化.加Nb细化晶粒、改善延性.时效处理改善0.2%屈服强度980 MPa加工硬化(温锻).线性电动机类用高强度螺栓(非磁性).高耐蚀性(12Ni-18Cr-0.1V-0.2N)max.1 500 MPa加工硬化、高N固溶强化.SUS304最大N固溶量为0.5%(1 450 K).只要存在固溶，延性下降小1 353 MPa加工硬化(冷锻).高Mn系.0.7N1 7601 960 MPa加工硬化(冷拉丝).高Mn系.非磁性.冷加工率上限66%1 7601 960 MPa加工硬化(冷轧).C,Si,Cr,Mo有益于强化.V形成氮化物，引起强度下降.70%冷变形后600 时效+M系880980 MPa冷加工+逆相变.逆相变奥氏体+马氏体组织综合提高强度、延性.高Si含量进一步改善延性马氏体系1 000 MPa热轧+600 退火.超高速叶轮船支撑钢板.0.02C-5Ni-13Cr-1Mo-0.06NbHv500淬火回火处理.汽车、建筑用.高耐蚀性(优于SUS304).0.15C-2.4Ni-13Cr-2Mo-0.1N析出强化型1 400 MPa固溶处理+双级时效.SUS630.450 1h+420 20h1 650 MPa固溶处理+时效.7.5Ni-4Co系.火箭仓、歧管1 470 MPa分级淬火.925 +830 淬火.10%Co可获最高的综合强度-韧性1 750 MPa1040 淬火+深冷处理.AFC260基体.增加C、减低Cr,Mo、加15%Co.0.2C-12.5Cr-2Mo-14Co-1Ni2 060 MPa60%冷轧+时效.Si含量1%以下强度提高、韧性无劣化.Mo改善强度、韧性马氏体时效钢2 0602 350 MPa无再结晶固溶处理.无再结晶固溶处理提高强度.加B(408010-6)提高再结晶温度2结构用钢组织控制强化的发展趋势钢铁材料在21世纪仍是其它材料无法替代的、占主导地位的结构材料。未来高层建筑、大跨度重载桥梁、轻量节能汽车、深井采油管及大口径输油(气)管、大型工程机械、大型高性能舰船等将要求钢材的强度和安全使用寿命成倍提高。为此，日本启动了以超级钢研究开发为主要内容的“新世纪结构材料开发计划”(即所谓STX-21)2。在不增加乃至尽量减少合金元素使用量的要求下，要使结构用钢的强度和寿命成倍提高，只有通过采用高新技术与工艺，如高洁净化(气体和杂质元素含量低)、超细化(晶粒和组织细化)、超均质化(元素分布均匀，晶粒和组织大小均匀)，精确控制钢的组织或微结构，才有可能实现。传统金属的组织结构特点为，晶粒大小、结晶方位杂乱无章，晶界不规则，偏析明显。与此相反，未来结构用钢材料应致力于获得晶粒细小均匀、结晶方位取向高、晶界规则、无偏析或偏析小的组织。在晶粒细化方面，迄今为止的经验积累表明，除喷射沉积、粉末冶金等特殊方法外，采用适合于大工业规模生产的方法、工艺与技术，要获得平均晶粒度达到10 m以下的组织尚很困难，而对于单一组织要使其晶粒度达到1 m以下其困难更大，而且单纯晶粒细化所能带来的可加工性、韧性的提高存在一定的限度。因此，微细复相组织(即所谓自复合化组织)的导入十分必要。图3所示为基于上述观点的未来高强度结构用钢的可能的微结构设计与控制模式3。图3超级钢结构材料的微结构设计与控制模式Fig.3Microstructure design and control mode for super steel structure material有利于获得细小、