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铌在低碳贝氏体高强度低合金钢的作用克劳斯Hulka德国杜塞尔多夫铌产品公司GmbH摘要钢具有高强度，就可以减少重量。除此之外对所需的吨位，成形性和可焊性的结构成本也有重要影响。而且,足够的韧性是保证结构完整性的一个关键。低碳贝氏体组织提供了一个这些属性的很好组合，其钢的屈服强度在500 MPa以上。热机械轧制加速冷却法是生产具有较高强度和良好韧性钢铁的标准生产工艺路线。该工艺路线依赖于铌微合金化, 通过促进调节奥氏体得到更细的晶粒度。随着碳减少到低于0.05，就可以有效地使用较高量的铌（通常最高为0.10），接着这种合金的再结晶停止温度转移到更高的水平。除此之外,该转换变得迟钝,因此提高了贝氏体的形成,最重要的是还通过碳化铌铁素体增加了钢的强度。 固溶铌的平衡以及沉淀的凝结在轧制的过程中，也作为是最终显微组织的加工条件。低碳贝氏体板，带材和管材的性能，特别是优化各种焊接条件的焊接热影响区的韧性正在试验验之中。实际的应用中尽管大口径管道是主要的，但这种合金在许多其他建筑的设计也是具有很大的潜力。关键词低碳贝氏体钢，低合金高强度钢，热机械轧制，铌微合金化，热影响区的韧性针状铁素体，简介高强度低合金（HSLA）钢已被作为一种材料，在这种材料的性质（强度，断裂韧性，成形性和可焊性）的平衡上，可靠性和整体成本得到优化1。因此，他们被认为是高强度材料，相比低碳钢他们的屈服强度在350700兆帕范围。图1以管线钢的发展为例,展示高强度低合金钢的发展状况。大直径管的应用是高强度低合金钢发展的领先者和驱动力，在1960年由于经济原因，管道运营商要求管道具有更高的运输能力。因为具有更高的操作压力，同时又要避免图1:管道钢的发展材料的脆性和长期运行产生的韧性断裂，这样就要求改善材料的韧性和较高冲击能量,然而增加强度必须借助于更好的材料韧性数据,只有通过精炼微观结构和减少第二阶段的数量来实现,譬如包裹体和珠光体。因此，高光洁度的先决条件，表现如低硫含量，低碳含量的高强度低合金钢。此外，钢铁的生产通过控制轧制工艺来取代热处理（正火，淬火加回火）的经济效益也提高了，以保证在轧制条件下的材料性能。几个特定的轧制和冷却制度已经发展到实现这一目标了。实际上，高强度低合金钢在现实中广为运用，除了大口径管道外，许多其他钢铁结构和汽车也应用了这种材料，其作为最相关的金属材料来保证钢的性质。冶金机制是低合金钢晶粒细化的最大发展，因为这是唯一能同时提高钢的强度和韧性的手段。除此之外,用碳的其他强化机制,来获得进一步提高钢的韧性、成型性和可焊性。实际上高强度低合金钢的大部分工艺是由热机械轧制的，其生产的工艺，特点是在较低的奥氏体区域的最终变形没有再结晶。通过这种方式增强成核的数目，为到变换等提供了一个细晶粒度的显微组织保证，最终实现施工的强度和安全性要求。材料高于500MPa的屈服强度水平，人们通常依赖于铁素体加珠光体的组织，然而高强度钢需要有贝氏体成分和约700MPa的屈服强度，高强度钢通常是100贝氏体。图2表示在热机械轧制和变换后所得到的显微组织：奥氏体的微观结构的发展依赖于合金的含量和施加的冷却速率，微观结构成分（铁素体，珠光体，贝氏体，马氏体）的体积分数是不同的，并且存在一个条件，其中100的细晶粒下部贝氏体正在形成。在低碳钢的情况下，将有很少或者甚至没有渗碳体析出的贝氏体和无碳化合物的贝氏体的结构通常被称为针状铁素体。图2：表示在热机械轧制下的冷却示意图图3 2 主要强调了使用贝氏体组织后获得的极大好处，其表现出更有效的晶粒尺寸和更高的位错密度。通过研究热机轧制和加速冷却板得到了铁素体和贝氏体的特征。具有较高的贝氏体实现了晶粒的进一步细化和高位错密度，并且不降低韧性，晶粒细化的高位错强化补偿了韧性退化。1、显微结构-性能关系为了比较不同组织钢的力学性能进行了研究，改变冷却速率或者钢的化学成分来产生不同的微观结构。研究的最终目标是开发出一个图表，图表可以表示在这样的方式下贝氏体组织的特点，光学金相，相关力学性能的关系。这种方法被总结在 3 处。图3：铁素体和针状贝氏体的热机械轧制和加速冷却板图4中给出了一个例子：众所周知，当显微组织由铁素体+珠光体向贝氏体和马氏体转变时，具有较高的冷却速率会使强度（硬度）增加。虽然上部能量较高的硬度变低，但是没有转变温度这样一个简单的相关性影响：1观察最差和最好的过渡温度内的贝氏体组织，以及在这两个极端条件下颗粒状和细针状的贝氏体。作为较低的转变温度的结果，这是一个粒状贝氏体经由粗粒状到细粒状贝氏体的持续转变，这些差异可以通过光学显微镜区分。本文提出的分类是上、下部贝氏体之间的不同，它则需要一个电子显微镜高倍放大。 图4：冷却速率的结果从930C（0.18%碳，0.7%硅，0.9%锰，0.9%铬，0.45%锰）的显微组织和力学性能另一个图表示韧性和显微组织的关系，如图5所示，其中冷却速率的转变温度在一定的范围随锰含量的增加而降低。它强调“有效晶粒尺寸” 韧性的确定：在铁素体+珠光体组织有效晶粒尺寸的铁素体晶粒和针状组织（贝氏体和马氏体）是针的宽度。无论怎样在粒状贝氏体中,没有明确的有效晶粒尺寸大小可以区分, 奥氏体晶粒有有效晶粒尺寸区分,这自然证明奥氏体晶粒是大于一个铁图5：组织对韧性的影响素体晶粒。因此，得到韧性最差的粒状贝氏体和韧性最好的细针状贝氏体。尽管，马氏体表现出更好更细的细针宽度，然而，马氏体中的硬质颗粒会对材料的韧性产生很严重的影响。2、铌对微观结构的影响当溶质铌量的增加，奥氏体再结晶延迟（奥氏体化）是在更高的温度下观察到，图6 4 ，从而使轧制要达到的好处已经在更高的温度。用钛来固定低的碳含量和氮，氮是比铌具有更高亲和力的元素，从而防止铌碳氮化物的形成，可以允许更高的铌含量很容易地溶解在加热的轧件中，图75,6。在轧制过程中奥氏体中的一部分铌将应变诱导沉淀物，特别是对位错。化学萃取技术使在终轧温度调查铌的状态成为可能。除了平衡条件, 常规管钢的结果为0.10% 碳和0.03%碳 - 0.10% 铌的钢。如图87:传统的钢管，在一个典型的终轧温度低于800C板场加工，只有一小部分的铌被允许保留在固溶体中，其含量和“可溶性”铌的含量是接近平衡条件。近0.02%高含量可溶性的铌在热轧带钢中被观察到，那里的最终变形传递是连续的,这就要求更高的轧制速度和较短的通过次数, 终轧温度约为100C高于典型的板轧制。相反，传统的管钢含0.03碳 - 0.10铌，典型的终轧温度在板轧机中，钛处理显示钢可溶性的铌含量高达0.04，用于热轧带钢的处理具有更高的值。图6：微合金再结晶：图7碳化铌和铌的碳氮化物的溶解性图8：铌固体溶液在不同终轧温度的两管钢，通过化学萃取法测定固溶铌也有降低向转变的温度效果：图9 8 证实，溶质铌是常用微合金化元素中降低转变温度作用最强的，而当具有较高的冷却速度时，这种影响会更明显。相变温度的降低，对组织的热机械轧制加速冷却板的精制多边形铁素体晶粒尺寸和增加贝氏体体积分数有明显的影响。因为所有的扩散控制过程，包括向转变延缓，比任何其他元素在固溶体基本元素原子的大小差异更大更有效，它成为最令人感兴趣的元素是有根据的。铌原子是15.6%大于铁，而其他两个元素钛或钒的区别是较低的，分别14.8%和6.2%。由于不同的原子尺寸钼对铁，+ 9.4%，也低于铌，铌溶质相比钼增加淬透性变得明显更有效。可碳化铌铁素体在终轧温度固溶铌中析出的形成，具有额外增加强度，通过沉淀硬化合适的尺寸。这种强度的增加量约100兆帕，在终轧温度固溶铌0.03%，当铁素体析出相的颗粒尺寸为1.52 nm的 9 。这些小颗粒是很难确定的，粒子只有4 nm大小，更可以通过透射电子显微镜发现。图10显示了一图9:微合金化钢的高温Ar3与同样的奥氏体晶粒尺寸图10：碳化铌铁素体析出，明场TEM（一）和Nb元素分布图（b），Fe（C），和C（D）例 10 和在这项工作中已被证实，这些颗粒是立方NBC不含有任何其他元素，碳比铌的晶格常数为0.446纳米。3、低碳贝氏体钢的力学性能与世界各地的钢铁企业参与两大示范试验，已经使用洁净钢0.03% 碳 0.10%铌和不同水平的锰等合金元素铜进行，Cr和Ni。 11，12 。由于这种合金的允许理论轧制温度比常规高，它也被称为HTP钢（HTP =高温处理）。在这些试验中的轧制规程和冷却条件下，这些试验中一个大的各种轧制的时间表和冷却条件已被应用于包括精轧中的两相区域和不同的冷却制度。所有钢板或热带钢有共同处，优良韧性、类似的各种强度等级和相同的加工工艺路线，从韧性到脆性断裂的转变温度很低，可由巴特尔落锤撕裂试验（BDWT）和高冲击的V型缺口的能量确定。图11显示了一个例子，这些杰出图11：CVN冲击试验和bdwtt与18毫米的测试温度HTP钢板结果（FRT = 820C）的结果，表明在试验温度高于-40 - 50C和在夏比V型缺口的能量大于300 J测试温度高于- 80 - 90C无脆性断裂发生.当然，终轧温度对韧性不存在影响是有限的：在BDWT测试脆性断裂转变温度中最近已被定义 13 的球正在恶化，当终轧温度高于920C，即使在夏氏V缺口试验中也被观察到没有恶化。这样的终轧温度是约高于传统轧制150到200C。较高的冷却速率和更高的合金含量已被证实，特别是较高的锰含量，其促进更细粒度的贝氏体形成和使强度大大的增加 12 。良好强度和韧性配合的HTP钢也可用于厚壁板的生产，如：当锰含量为1.75%时，50毫米板轧制后加速冷却（冷却速度8CS）屈服强度为520 MPa。图12：冷却制度对HTP板/管坯机械性能的影响这种低碳钢具有较高的相变开始温度，这种进一步增加是由于实际的转换是从变形奥氏体开始。因此，传统的终轧温度对比低合金高强度钢（例如720到750C）的实际结果，终轧温度已在两个相区+且没有任何更多的亚稳奥氏体。屈服强度和抗拉强度显著增加是由于已经形成的铁素体冷变形导致的，如图13所示。由上述报道的数据观察，不同于低合金高强度钢的高碳含量，这种冷变形对韧性没有负面影响也不损害夏比V。4、工艺性能图14显示的是HTP钢在加热到1350 C峰值温度后的时间-温度-相变图，模拟晶粒粗大化的热影响区（HAZ）和帮助这种钢焊接性的分类。图的特点是冷却范围很广的条件下产生贝氏体组织，从小于3C/S到大于100C/S，覆盖在冷却条件下的各种焊接过程主要从高热量输入焊接,通过埋弧焊来手动现场焊接。即使高冷却速率发生超过100C / s,典型的电子束和激光焊接,低碳马氏体的硬度仍在一个水平低于300HV。因此在热影响区的韧性非常适合许多焊接流程,如图15所示,由韧性数据观察到远优于传统的低合金高强度钢热影响区。图14：模拟HTP钢0.03% 碳 、0.10%铌和1.75%锰的HAZ相变行为（峰值温度1350C）图15：以1350C峰值温度，模拟焊接两管钢缺口冲击能量的夏比V -晶粒粗化的热影响区新的石油和天然气输送管道在更深的井运输，这就要求材料能抗氢导致的裂纹（HIC）。这种裂纹起源于H2的细长夹杂物和它的传播，例如显微组织中的硬质相（如珠光体）氢原子的重组。钢的纯度是一个先决条件，低碳有助于避免带状组织出现，因为减少了任何的合金元素在凝固过程中在枝晶间的富集。在图16的铁 - 碳相图中示意性地解释了减少低碳钢的偏析：1）液相线、固相线小间距的温度降低已经在凝固过程隔离所有2）在凝固过程中-铁素体允许的晶体偏析，在冷却后显著下降低合金高强度钢约含0.03% 碳可容纳1.70%的锰保持为抗拉HIC，如图17所示。采用轧后加速冷却，这种合金钢的拉伸性能甚至可以保证管壁厚为70的设计。图16：Fe-C偏析程度分类图的一部分图17：碳和锰对抗HIC的影响由于这样的贝氏体钢的应力 - 应变曲线没有显示出任何吕德斯稳定，任何的冷变形将致使屈服强度的增加。这一点在管道钢的生产中尤其重要，由于包辛格效应，其中铁素体 - 珠光体管钢形成后通常表现出屈服强度下降。良好的冷成形性也应用于许多汽车零部件要求。然而弯曲操作主要要求有优异的伸长率，处理扩孔则主要要求显微组织的同质性，低碳贝氏体组织的微观结构提供了各种可能的最佳的孔膨胀比，孔的膨胀比约15014。5、结论细针状贝氏体组织的强度和韧性的完美结合。这样的组织结合，可以通过热机械轧制加速冷却过程来达到调整化学成分。可以非常好的实现低碳（0.03%）含量和较高铌（0.10%）含量。这样的低碳含量，最终的显微组织变得均匀，有利于提高抗HIC和孔扩张比。此外，这一变化在基体金属的冲击韧性和焊接过程的热影响区变得更突出。有效减少碳水平的同时增加铌含量，使奥氏体的加工已出现在更高的温度和协助促进贝氏体组织与微小的NbC析出物增加额外强度。参考文献：1. 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