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低合金高强度钢(high strength low alloy steel)

低合金高强度钢 Low-alloy-high-strength-steel

碳含量低于0.25%、合金元素总含量低于5%、强度高于普通碳素钢的一类低合金钢。它是在低碳钢的基础上加入一种或多种少量的合金元素,在热轧状态下就能得到高强度。低合金高强度钢的屈服强度一般都高于275MPa,同时还具有良好的塑性、韧性、焊接性、冷热加工性和成形性。

简史低合金高强度钢的出现始于19世纪末,当时的设计依据就是抗拉强度,较少考虑钢的焊接性和韧性,连接钢构件的普遍方法是铆接,因此钢的碳含量较高,约为0.3%。1934年英国BS标准中低合金高强度钢的碳含量仍要求达到0.27%,而允许锰含量提高到1.5%。随着焊接技术的进步,采用焊接代替铆接后,低合金高强度钢中的碳含量逐渐降低。在第二次世界大战期间,美国建造的大量商船和军舰发生了脆性断裂事故,造成了灾难性的后果。根据大量脆性破坏结果的系统分析,其主要原因是钢的韧性不足所致,使人们认识到低合金高强度钢只有通过降低碳含量,提高Mn/C比才能改善钢的韧性和焊接性。20世纪50年代霍尔(Hall)和佩奇(Petch)对钢力学性能和晶粒尺寸之间的关系进行了大量研究,提出了著名的Hall-Petch关系式。采用细化晶粒方法可同时提高钢的强度和韧性。60年代初,世界各国对低合金高强度钢中添加少量钒、钛、铌等微合金化元素,在钢中形成微细的碳氮化物的作用机制进行了深入研究,把晶粒细化和析出强化结合起来,进一步推动了低合金高强度钢的发展。70年代初,随着铁水预处理、转炉、连铸、控轧控冷等技术的发展,低合金高强度钢的发展进入了一个崭新的阶段。

中国自1957年开始研制低合金高强度钢。先后开发了16Mn、15MnTi、14MnVTi、18MnM0Nb等一批牌号,用于制造船舶、桥梁和压力容器,经过多年的努力,已逐渐形成了一个完整的系列。

分类低合金高强度钢分类方法很多。按强度等级分类,如按屈服强度最低值,分成340、390、440、490、540、590、690MPa等不同等级的钢种;按钢的特殊性能分类,可分为低合金耐候钢、低合金耐蚀钢、抗层状撕裂钢、低合金耐磨钢等;按用途可分成,管线钢、造船钢、桥梁钢、汽车钢等;按合金元素成分分类则有锰、锰-钒、锰-钛、锰-铌、锰-钼-钒、锰-钼-铌等。

还有一种是按显微组织分类,通过对组织特征的区分,可与宏观力学性能、化学成分和生产工艺联系起来。这种按显微组织的分类方法往往为学术界所重视,据此主要可分为:

(1)铁素体一珠光体钢。一般低碳低合金钢在热轧或正火状态下可得到铁素体和珠光体组织。中国用量最大的低合金高强度钢16Mn在热轧状态下、15MnV和15MnTi在正火状态下均为铁素体加珠光体组织。16Mn钢的屈服强度%26ge;345MPa,15MnV和15MnTi钢的屈服强度均%26ge;390MPa。在控轧控冷条件下,16MnNb钢的铁素体晶粒可细化至10~12级,屈服强度可达390MPa以上。在控轧控冷条件下,铁素体加珠光体组织屈服强度的极限值可达440MPa以上,最大的生产厚度可达30mm以上。

(2)少珠光体钢。这类钢是从铁素体一珠光体钢发展而来的。通过降低碳含量(%26le;0.10%)和复合微合金化以及控轧控冷可得到超微细的铁素体组织,其中珠光体的体积百分数很小,甚至珠光体基本消失。这类钢的屈服强度可达440MPa以上。由于碳含量的降低,这类钢的焊接性和低温韧性得到大幅度的改善。

(3)针状铁素体钢(低碳贝氏体钢)。这类钢的显微组织不是多边形铁素体而是细小的针状铁素体(又称低碳贝氏体)组织。这种钢由于含有锰、钼、硼等提高淬透性的元素,即使碳含量很低(%26lt;0.08%),也可以得到具有高位错密度的针状铁素体。当碳含量为0.02%~0.04%时,通常将这类钢的组织称为超低碳贝氏体。这类钢的屈服强度为415~690MPa,同时具有优异的焊接性、抗裂纹扩展性和良好的低温韧性,广泛用于寒冷地带的输送管线。

(4)低碳回火马氏体钢。这类钢的碳含量一般都%26le;0.16%,同时添加锰、铬、镍、钼、硼等合金元素提高钢的淬透性,添加钼、钒等合金元素提高回火稳定性。钢的显微组织为低碳回火马氏体或低碳马氏体加下贝氏体。屈服强度为440~780MPa,这类钢的零塑性转折温度(NDTT)很低,可达-60℃以下。12MnCrNiCuMoVB和12CrNi3MoV钢就是这类钢的典型代表。

(5)双相钢。低合金高强度钢常用的合金元素主要有碳、锰、硅、镍、铬、钼、铜、磷、铌、钒、钛、稀土和硼等。

碳是最强的强化元素之一,可增加珠光体量,显著提高钢的强度,但碳对塑性、韧性和焊接性有不利影响。在低合金高强度钢中,碳含量有越来越低的趋向。由于碳是最经济的强化元素,在某些用途的低合金钢中仍保持较高的含量是合理的。

锰是主要的铁素体固溶强化元素之一,可改变珠光体和铁素体的比例。在冷却时锰可降低相变温度,可细化铁素体晶粒,同时使含锰的微合金钢再结晶停止温度和相变开始温度的区间加大,有利于控轧工艺的实施。

硅是较强的固溶强化元素,能显著提高钢的强度,但较高的硅对韧性不利,导致脆性转折温度升高。在双相钢中,较高的硅含量有利于铁素体和马氏体的分离,扩大卷取%26ldquo;窗口%26rdquo;。硅是强脱氧元素,在镇静钢中一般的硅含量需达到0.1%以上。

铜是一种重要的合金元素,有固溶强化作用和沉淀强化作用。铜含量在0.20%以上时,特别是同时添加0.15%以上的磷时有显著的抗大气腐蚀能力。超过0.6%铜的钢正火后,在500~600℃时效时可产生e-Cu沉淀强化。在管线钢中加入0.25%~0.35%cu可提高抗氢致裂纹的能力。当钢中的铜含量超过0.5%时,易产生热脆性。若加入与铜含量相等或至少二分之一量的镍,有利于消除钢的热脆性。现在,低合金高强度钢中加入的铜含量最高已达1.2%~1.4%。

铌、钒、钛是常用的3种微合金化元素,属强碳氮化物的形成元素。几种常见的碳氮化物在奥氏体中的低d溶解度积与温度的关系如图所示。在热加工过程中,随着温度的变化各种微合金元素的碳氮化物的溶解度积发生变化,因而产生溶解和析出。碳氮化物的应变诱导析出有阻碍再结晶的作用。铌、钒、钛在这方面的作用各有特点:铌提高奥氏体再结晶温度的作用最大,通过控轧得到未再结晶的伸长的奥氏体晶粒转变为铁素体的细化晶粒作用最为显著。通常的铌含量为0.02%~0.04%;由图可以看出,钒在奥氏体中溶解度较大,因而在铁素体中的沉淀强化作用较强,钢中钒的含量一般为0.05%~0.10%;由图还可看出,钛和氮的结合力最强,在钢水凝固过程中即形成了稳定的TiN颗粒,对再加热时奥氏体晶粒的粗化有显著的阻碍作用。用于固定氮的钛含量约为0.02%。钛含量较高时则形成Ti。C:S。,有球化硫化物夹杂的作用。复合微合金化往往能产生综合效果,获得优异的性能。如少珠光体钢采用铌一钒复合,再结晶控轧钢采用铌一钛复合,采油平台用钢采用铌一钛复合,超低碳贝氏体钢采用铌-硼-钛复合等。

钼主要用于提高钢的淬硬性,促进贝氏体的形成。钼能提高淬火钢的回火稳定性。此外,钼还能增加铌在奥氏体中的溶解度,有利于增强铁素体的沉淀强化作用。

在低碳钢中极微量的硼(约0.00l%)有显著提高淬透性的作用。当奥氏体冷却时,偏聚在晶界上的硼能阻止铁素体析出,促进贝氏体的形成。

镍在铁素体中有固溶强化作用,同时能提高基体的低温韧性。镍与铜、磷复合添加有提高耐大气腐蚀的作用,镍与铜复合添加有提高耐海水腐蚀的作用。

铬提高淬透性的作用显著,还有提高耐大气腐蚀能力的作用。

铈、镧等稀土元素和氧、硫有很强的亲和力,所形成的稀土硫化物或硫氧化物在高温时不易变形,有控制硫化物夹杂形态的作用。但钢中过量加入稀土元素易导致带状氧化物夹杂。

磷,磷是强固溶强化元素。磷在钢中易偏析,引起低温脆性,还有回火脆性倾向。一般情况下钢中磷含量要尽量限制。但磷有利于提高钢的耐大气腐蚀的能力。在深冲冷轧高强度薄板钢中,磷作为固溶强化元素(含量%26lt;0.1%)有利予保持高的r值。

应用中国自1957年开始研制低合金高强度钢16Mn以来,逐渐获得了广泛的应用,品种和数量都有很大发展。中国低合金高强度钢的钢材产量已占钢材总产量的10%以上,纳入国家标准的基本牌号已有30多个。还有许多专业用牌号分别纳入不同的专业用钢标准(见表)。

纳入中国国家标准的低合金高强度钢主要牌号

纳入中国国家标准的低合金高强度钢主要牌号

低合金高强度钢的应用范围很广,涉及机器制造、交通运输、通讯、能源、高层建筑等行业。它主要用于建造船舶、桥梁、输油气管线、海洋平台、压力容器、锅炉、汽车、农业机械、铁道车辆、建筑钢筋、水电站压水管和叉管、工程机械、起重机械、钢结构高层建筑、电视广播塔、输电塔、石油化工的备种贮罐、矿山设备中的翻斗支架等等。采用低合金高强度钢代替普通碳素钢可减薄截面、减轻重量、节约能源、节省工时、降低成本和提高服役寿命等。同时往往还具有制造工艺简单、提高工程质量和提高产品性能等优点。今后,低合金高强度钢的扩大应用仍有巨大市场潜力。

展望随着化学冶金、物理冶金、力学冶金和计算机冶金技术的发展,近年来低合金高强度钢获得了迅速的发展,其主要发展方向是:

(1)低碳超低碳。较低的碳含量能显著提高钢的韧性,改善钢的焊接性。现代的低合金高强度钢普遍采用转炉顶底复合吹炼,大幅度降低钢中的碳含量(%26lt;0.06%),有的甚至可达0.02%,显著降低了钢的焊接碳当量,降低了焊接预热温度,改善了焊接性和韧性。低碳和超低碳是今后低合金高强度钢的重要发展方向。

(2)高纯度。随着冶金技术的进步,现代的低合金高强度钢普遍采用铁水预处理、转炉吹炼和RH真空脱气,使钢中有害杂质元素之和([s+P+0+N+H])小于100%26times;10-6,显著净化了钢质,改善了钢的韧性和综合力学性能,低合金高强度钢正在逐步向高纯净化方向发展。

(3)微合金化。低合金高强度钢在高纯净度和低碳的基础上,为提高钢的强度和综合性能普遍采用微合金化技术。目前,低合金高强度钢的微合金化,已从单一(如单独添加铌、钒、钛等)转变到复合微合金化(如复合添加铌-钒、铌-钛、钒-钛、铌-硼-钛等),进一步提高了钢的综合性能。

(4)控制轧制和控制冷却。在低合金高强度钢中,控轧控冷技术逐步获得了广泛的应用。控制轧制已发展到奥氏体再结晶区控轧、奥氏体未再结晶区控轧和两相区控轧。轧后控制冷却技术也发展很快,有层流冷却、水幕冷却、雾化冷却和穿水冷却等。可控轧控冷的中板厚度已达50mm。因此采用先进的在线控轧控冷技术生产高质量的低合金高强度钢也是今后的重要发展方向。

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