超细晶粒钢及其焊接性
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超级钢焊接接头及热影响区晶粒尺寸的预测
超级钢焊接接头及热影响区晶粒尺寸的预测摘要: 应用有限元方法建立了超级钢焊接温度场的数学模型,对超级钢温度场和热循环进行了模拟和分析。
利用模拟得到的热影响区热循环曲线,根据晶粒长大动力学原理对热影响区晶粒尺寸进行预测,预测结果与实验结果基本吻合。
关键词: 超级钢热循环曲线焊接热影响区晶粒尺寸The grain size prediction in the HAZ of the ultra fine grain steelJIANG Qiuyue2(School of Mechanic and Electric Engineering, Changchun Institute of Engineering, Changchun 130012)Abstract: The paper simulates the welding temperature fields of the ultra fine grain steel by the computer simulation, and obtains the thermal cycle curve. Meanwhile, the paper has predicted the grain size of HAZ in the base of the thermal cycle curve. The outcome of the prediction accords with the outcome of the experiment .Keywords:ultra fine grain steel ; thermal cycle curve ;HAZ ;grain size;序言本文利用数字模拟技术在焊接中的应用,模拟超级钢的焊接温度场,提取热循环曲线,利用晶粒长大动力学原理预测热影响区晶粒的尺寸,晶粒尺寸直接影响到焊缝及热影响区的综合机械性能,对实际生产有着重要的现实意义。
燃煤发电机组—金属监督、焊接与热处理方案
燃煤发电机组—金属监督、焊接与热处理方案1概述本期工程建设2×1000MW超超临界燃煤发电机组。
本工程本标段焊接工程量大，新钢种应用多，中高合金钢焊口占有相当大的比例，这些对金属监督、焊接、热处理等工作提出了很高的要求。
我公司对超（超）临界燃煤发电机组中所采用的新钢种（T/P92钢和Super 304H、HR3C等超级不锈钢等）有深入的研究和成熟的施工经验，对这些钢种的焊接和热过程有了充分的理解和经验。
早在2000年初，公司就开始对国际上流行的高强度、耐高温、抗高温氧化的超细晶粒的中高合金钢进行了广泛的关注和收资。
公司焊接中心组织焊接专业人员在总结外高桥二期工程T/P91钢焊接成功经验的基础上，与苏州热工研究院合作进行新钢种焊接研究，取得了《T/P92新型钢焊接工艺试验及应用技术开发研究》和《HR3C新型钢焊接工艺试验及应用技术开发研究》两项研究成果，于2006年12月21日通过了省级科技成果鉴定，同时获得了安徽省电力公司科技进步一等奖（见附件1和2）。
公司近几年施工的超超临界机组有：皖能铜陵电厂2×1000MW 5#机组、中电投芜湖发电厂五期1×660MW 2#机组、华润贺州电厂2×1000MW 2#机工程等。
本部分包括了金属技术监督、焊接施工方案、热处理施工方案三方面内容，阐明了我公司在金属检验、焊接施工、热处理施工等方面的能力，确保完全能够满足本工程本标段的金属检验、焊接施工、热处理施工方面的各项要求。
2金属技术监督2.1公司金属技术监督网及分网金属技术监督是火力发电厂工程建设和生产全过程技术监督的一项重要内容。
在本公司承建的各个电厂工程中，公司金属技术监督网一直发挥着重要的作用, 经常得到建设单位的好评和上级领导的赞扬。
作为电力施工企业，“点多面广，分散施工”是我们的施工特点，它给金属监督管理工作带来一定的难度，尤其是偏远地区的工程，依照日常的管理办法是难以顾及的。
晶粒粗大的概念,危害以及控制
晶粒粗大(coarse grain)概念和危害以及控制钢材内部缺陷之一，表现为金属晶粒比正常生产条件下获得的标准规定的晶粒尺寸粗大。
钢材由于生产不当，奥氏体或室温组织均能出现粗大晶粒，这种组织使强度、塑性和韧性降低。
粗大的晶粒通过热处理可以细化。
表示晶粒大小的方法是晶粒的平均体积、平均直径或单位体积内含有的晶粒数，但测定繁琐。
为简化评定方法，采用晶粒大小标准图相比较的方法，确定晶粒大小的级别。
钢的标准晶粒级别由大到小划分为-3到+12共16级，晶粒平均直径由-3级的1.000mm到12级的0.0055mm。
1～4级为粗晶粒；5～8级为细晶粒，粗于1级的为晶粒粗大；细于8级的为超细晶粒。
晶粒粗大的原因有：(1)金属凝固或加热到相变温度以上、或在奥氏体再结晶区变形时，再结晶后停留时间长、冷却速度慢使晶粒集聚长大；(2)粗大奥氏体晶粒固态相变后铁素体晶粒粗大。
防止晶粒粗大的方法有：采用铝脱氧的本质细晶粒钢，控制加热温度和保温时间，加大道次变形量，降低终轧温度和控制冷却速度。
[1]焊接时，大的线能量，就可能会使焊缝的晶粒粗大。
降低零件塑性，使零件变脆，冲击值达不到要求，使用中会在毫无征兆的情况下突然断裂。
另外，晶粒粗大会给零件探伤造成困难，掩盖一些缺陷或使零件不可探。
熔合线附近的母材多因焊接热作用,形成晶粒粗大,性能恶化的组织叫热影响区，即HAZ，就是焊缝金属和母材之间的过渡区，由于焊接时加热到接近熔点后快速冷却，导致晶粒粗大，如果母材含碳量较高，易产生裂纹。
熔合区的机械性能要达到木材的水平，就要求在焊接时控制线能量输入--------尽可能用小电流、快速度、不摆动来解决“晶粒粗大”的问题，因为保持较细的晶粒结构，才可以保证里面的组织不发生变化。
奥氏体晶粒度等级
奥氏体晶粒度等级奥氏体晶粒度等级是用来描述钢铁材料组织中奥氏体晶粒尺寸大小的一个标准。
在钢铁冶金学中，奥氏体是一种具有良好塑性和韧性的组织形态，其晶粒度对于钢铁材料的性能具有重要影响。
根据晶粒度的大小，可以将奥氏体晶粒度分为不同的等级，通常包括以下几个级别：1. 细晶粒：指奥氏体晶粒非常小的情况。
细晶粒的钢材具有良好的塑性和韧性，能够在受力的情况下承受更大的应变而不发生破裂。
细晶粒的钢材还具有较高的强度和硬度，适用于一些需要高强度和抗疲劳性能的领域，如航空航天和汽车制造等。
2. 中晶粒：指奥氏体晶粒的尺寸在中等范围内。
中晶粒的钢材具有一定的塑性和韧性，相对于细晶粒来说，强度和硬度会略有降低，但仍然可以满足一般的使用要求。
中晶粒的钢材广泛应用于建筑、机械制造和结构工程等领域。
3. 粗晶粒：指奥氏体晶粒尺寸较大的情况。
粗晶粒的钢材塑性和韧性较低，起始塑性应变和断裂应变较小，因此更容易发生塑性变形和破裂。
粗晶粒的钢材在力学性能方面相对较差，但有时也因为其结构疏松、破裂数较高而具有一定特殊的应用价值。
在实际生产中，通过合理的热处理工艺可以控制钢材的奥氏体晶粒度，从而达到不同等级的要求。
常用的控制手段包括正火、淬火、回火和热变形等方法。
此外，合金元素的含量和添加也对奥氏体晶粒度有一定影响，例如含有钛、铌等元素的钢材往往具有较细的奥氏体晶粒。
综上所述，奥氏体晶粒度等级对于钢铁材料的性能和适用范围具有重要意义。
根据晶粒尺寸的不同，钢材可以分为细晶粒、中晶粒和粗晶粒等等级，各等级钢材在力学性能和工程应用上均有所差异。
通过控制热处理工艺和合金添加等方式，可以有效地调整钢材的晶粒度，满足不同工程领域对力学性能和使用要求的需求。
2_焊接热影响区特性
TMax
T
TH
tH, tH
tH,,
t
• TMax↑→ 粗化； • TMax超过AC3不多时，则因 而使晶 粒细化（相当于正火）； • Tmax低于AC1时，对HAZ晶粒长大无影响； • E↓ → tH ↓ ，所以要严格控制E； • E=const. wH ↑ → AC3↑, 晶粒长大程度↓。
• 淬硬性（含碳量） • 淬透性（合金元素含量） • 碳当量
对于HSLA钢，因合金元素种类多，为研究合金 元素对 HAZ 硬化倾向的影响，引进了碳当量的 概念 Ceq ，将一定量各种合金元素的硬化作用转 化为相当于若干碳的作用。
Ceq计算公式
Mn Cr Mn V Ni Cu IIW : Ceq C 6 5 15 Mn Si Ni Cr Mo V WES: Ceq C 6 24 40 5 4 14 Mn Ni Cr Cu V Mo AWS: Ceq C 4 20 10 40 10 50
• 半熔化区处于固、 液两相，晶界局 部熔化妨碍了晶 粒的长大。 • 过热区温度高达 1000 ~Tm ， 晶 粒 粗大 • 正火区，所经历 的热循环相当于 正火热处理，晶 粒细小。
TP 、d
TP
d
AC3 HAZ AC1
1.2 沉淀相对晶粒长大的影响
在HSLA 钢中，有许多沉淀硬化相，主要是碳 化物、氮化物或碳氮化物。这些细小的沉淀相 会阻碍晶界的迁移，从而阻止晶粒长大。
3.3 焊接工艺的影响
• 小电流，大焊速， wC↑，过冷A的稳定性 ↑ ，易产生 M 相变， HAZ硬度↑ • T8/5↑ ，则 wC↓，过冷 A 的稳定性↓ ，所以降 低T8/5可使HAZ硬度下 降 但是， T8/5↑会增加tH， 而使晶粒粗化。
T
TH
tH, tH
tH,,
t
• TMax↑→ 粗化； • TMax超过AC3不多时，则因 而使晶 粒细化（相当于正火）； • Tmax低于AC1时，对HAZ晶粒长大无影响； • E↓ → tH ↓ ，所以要严格控制E； • E=const. wH ↑ → AC3↑, 晶粒长大程度↓。
• 淬硬性（含碳量） • 淬透性（合金元素含量） • 碳当量
对于HSLA钢，因合金元素种类多，为研究合金 元素对 HAZ 硬化倾向的影响，引进了碳当量的 概念 Ceq ，将一定量各种合金元素的硬化作用转 化为相当于若干碳的作用。
Ceq计算公式
Mn Cr Mn V Ni Cu IIW : Ceq C 6 5 15 Mn Si Ni Cr Mo V WES: Ceq C 6 24 40 5 4 14 Mn Ni Cr Cu V Mo AWS: Ceq C 4 20 10 40 10 50
• 半熔化区处于固、 液两相，晶界局 部熔化妨碍了晶 粒的长大。 • 过热区温度高达 1000 ~Tm ， 晶 粒 粗大 • 正火区，所经历 的热循环相当于 正火热处理，晶 粒细小。
TP 、d
TP
d
AC3 HAZ AC1
1.2 沉淀相对晶粒长大的影响
在HSLA 钢中，有许多沉淀硬化相，主要是碳 化物、氮化物或碳氮化物。这些细小的沉淀相 会阻碍晶界的迁移，从而阻止晶粒长大。
3.3 焊接工艺的影响
• 小电流，大焊速， wC↑，过冷A的稳定性 ↑ ，易产生 M 相变， HAZ硬度↑ • T8/5↑ ，则 wC↓，过冷 A 的稳定性↓ ，所以降 低T8/5可使HAZ硬度下 降 但是， T8/5↑会增加tH， 而使晶粒粗化。
钢的晶粒细化工艺
钢的晶粒细化工艺钢的晶粒细化工艺是通过控制钢的冷却速度和加热温度来实现的。
晶粒细化可以提高钢材的力学性能、耐蚀性和耐磨性等方面的性能。
下面将详细介绍一种常用的钢的晶粒细化工艺。
一、冷却速度控制1. 快速冷却：通过快速冷却可以有效地减小钢材中的晶粒尺寸。
快速冷却可以采用水淬或油淬等方法，将加热至适宜温度的钢材迅速浸入冷却介质中，使其迅速降温。
这种方法适用于碳含量较低的低合金钢。
2. 慢速冷却：对于高碳合金钢或需要保持一定韧性的材料，可采用慢速冷却的方法。
慢速冷却可以通过将加热至适宜温度的钢材放置在空气中自然冷却或用炉内保温等方式实现。
二、加热温度控制1. 高温处理：在高温范围内进行处理可以促进晶粒的长大，适用于需要较大晶粒尺寸的钢材。
通常在1100℃以上进行高温处理，使晶粒迅速长大。
2. 低温处理：在低温范围内进行处理可以抑制晶粒的长大，适用于需要较小晶粒尺寸的钢材。
通常在800℃以下进行低温处理，使晶粒细化。
三、表面处理1. 酸洗：将钢材浸入酸性溶液中进行酸洗可以去除表面氧化层和锈蚀物，提高表面光洁度。
酸洗还能够改善钢材的耐蚀性能。
2. 抛光：通过机械或化学方法将钢材表面进行抛光可以提高表面平整度和光洁度。
四、热处理1. 固溶处理：将加热至固溶温度的钢材保温一段时间后迅速冷却可以实现固溶处理。
固溶处理可以改善钢材的强度和塑性。
2. 淬火处理：将加热至淬火温度的钢材迅速冷却可以实现淬火处理。
淬火处理可以增加钢材的硬度和耐磨性。
3. 回火处理：将淬火后的钢材加热至回火温度并保温一段时间后冷却，可以实现回火处理。
回火处理可以调节钢材的硬度和韧性。
五、细化剂添加1. 稀土元素：稀土元素在钢中具有良好的晶粒细化效果，可以通过添加稀土元素来实现晶粒细化。
稀土元素主要包括镧、铈、钕等。
2. 微合金化：通过添加微量的合金元素如铌、钛、锰等来实现晶粒细化。
这些合金元素能够形成碳化物或氮化物，抑制晶粒长大。
六、机械加工通过机械加工如冷轧、拉拔等可以进一步细化钢材中的晶粒尺寸。
SUPER304H焊接工艺与热影响区晶粒度的关系
表2, 表2 中日本材料的焊接道次与其他两个不同, 主
要是因为日本的管子太薄, 不能进行更多道次的焊接。
进行多道次焊接时, 每道次焊时都采用相同的线输入
能量, 每道焊完后试样略微冷却2 m in～ 3 m in后, 接着
下一道焊接。
表 2 焊接试验工艺
国别 试样号
道次
线输入能量 (kJ cm )
1
1
(1. N o rth U n iversity of Ch ina, T aiyuan 030003, Ch ina; 2. T echno logy Cen ter of T aiyuan Iron and Steel Com p any, T aiyuan 030003, Ch ina) Abstract: T he gra in size in hea t affected zone (HA Z) is the sign ifican t facto r affecting the w elding p rop erties. T he w elding tests of SU PER 304H steels p roduced by differen t facto ries w ere conducted, and the gra in size of the w elding HA Z w a s detected by op tica l m icro scop e. T he resu lts show tha t the m a in facto r of affecting gra in grow th in HA Z is the w elding line energy, and the w elding line energy shou ld be con tro lled dow n to 12 kJ cm. Key words: SU PER 304H steel; w elding hea t affected zone; gra in size; w elding p rocess
关于汽车冲压件的材料性能要求
关于汽车冲压件材料性能要求汽车冲压件的使用性能对冲压材料性能的要求所谓使用性能，是指机械零件在服役条件下所表现出来的力学性能、物理和化学性能。
使用性能是选材时要考虑的最主要因素。
不同的零件所要求的使用性能也不一样，在选材时，首要的任务就是准确地判定零件所要求的主要使用性能。
汽车冲压件主要以车身覆盖件、车架纵梁和横梁、车厢、车轮及发动机用的覆盖件为主，还有一些支撑件与连接件。
每个具体的汽车零部件的使用和工作条件不同，承受的负荷不同，因此对用材的要求也有很大的差异。
2．1汽车驾驶室零部件对材料性能的要求汽车驾驶室零部件大都是覆盖件，外形复杂，成形复杂，但受力不大，采用模具成形工艺，材料的成形性能就成了主要矛盾，因此要求材料具有成形性、张紧刚性、延伸性、抗凹性、耐腐性和焊接性等。
产品设计时，通常根据板制零件受力情况和形状复杂程度来选择钢板品种。
一般选用拉延性能优良的低碳冷轧钢板、超低碳冷轧钢板。
近几年，成形性优异、强度更高的含磷冷轧钢板、高弓童度冷轧钢板、冷轧双相钢板、烘烤硬化冷轧钢板、超低碳钢高强度冷轧钢板以及其他种类钢板如涂镀层钢板、拼焊钢板和TRIP钢板等，也被大量应用到车门外板、车门内板、车门加强板、车顶盖、行李箱盖板和保险杠等汽车车身零件上。
东风重型汽车车身目前常用的材料牌号及拉延级别如表1。
2.2汽车车厢零件对材料性能的要求汽车车厢零件形状不太复杂，大都采用辊压成形工艺，对材料的成形性、刚性、耐腐蚀性和焊接性都有一定的要求。
一般选用成形性能和焊接性较好的高强度钢板。
通常，采用强度级别为300-600 MPa高强度钢板和超细晶粒钢。
东风重型汽车车厢常用的材料牌号及强度要求如表22.2.3汽车车架零件对材料性能的要求车架、车厢中板及一些用于支撑和连接的零部件，都是重要的承载件，大都采用模具成形工艺，要求材料有较高的强度和较好的塑性，以及疲劳耐久性、碰撞能量吸收能力和焊接性等。
一般选用成形性能较好的高强度钢板、超细晶粒钢板（强度级别在300-610 MPa）和超高强度板（强度级别在610-1000 MPa）。
astm 316h不锈钢晶粒度
astm 316h不锈钢晶粒度ASTM 316H不锈钢晶粒度引言：ASTM 316H不锈钢是一种高温耐腐蚀钢材，具有优异的耐高温性能和抗腐蚀性能。
晶粒度是评估金属材料组织细化程度的重要指标，对材料的性能和耐久性具有重要影响。
本文将探讨ASTM 316H不锈钢的晶粒度及其对材料性能的影响。
一、晶粒度的定义和评价方法晶粒度是指金属材料中晶粒的大小和形状。
晶粒度的大小反映了材料的组织细度，晶粒越细，材料的强度和韧性通常越高。
目前常用的评价晶粒度的方法有ASTM E112标准中的线性拦截法和反射光学法。
二、ASTM 316H不锈钢的晶粒度特点ASTM 316H不锈钢是一种奥氏体不锈钢，具有高温强度和抗腐蚀性能。
在高温下，晶粒的细化对于提高材料的耐久性和抗氧化性能至关重要。
ASTM 316H不锈钢的晶粒度通常在5至9级之间，晶粒较细致均匀，有利于提高材料的强度和塑性，同时也有助于降低材料的应力腐蚀开裂倾向。
三、晶粒度对ASTM 316H不锈钢性能的影响1. 强度和韧性：晶粒细小的材料通常具有更高的强度和韧性。
ASTM316H不锈钢的细小晶粒能够提供更多的晶界强化效应，增加了材料的强度和塑性，提高了材料的抗拉强度和屈服强度。
2. 耐腐蚀性：细小的晶粒可以提供更多的晶界面积，从而增加了材料与环境之间的相互作用面积，加速了耐腐蚀性能的提升。
ASTM 316H不锈钢的细小晶粒能够提高材料的耐腐蚀性能，降低了晶界腐蚀的风险。
3. 加工性能：细小的晶粒使ASTM 316H不锈钢具有更好的加工性能。
细小的晶粒能够减小材料的内应力，提高材料的塑性和可加工性，有利于加工成型和焊接等工艺操作。
四、晶粒度控制的方法1. 热处理：通过合理的热处理工艺可以控制ASTM 316H不锈钢的晶粒度。
常用的热处理方法包括固溶处理和快速冷却等，可以有效控制晶粒的尺寸和均匀性。
2. 添加合金元素：适量的合金元素添加可以调整ASTM 316H不锈钢的晶粒度。
热影响区 粗晶区 细晶区
热影响区粗晶区细晶区热影响区、粗晶区和细晶区是钢材热加工过程中的三个重要区域。
它们对钢材的结构和力学性能产生重要的影响，因此了解这些区域的特点以及其对钢材的影响具有重要的意义。
一、热影响区热影响区（Heat Affected Zone，HAZ）是指在钢材热加工过程中，由于焊接、熔断、热处理等原因，受到了高温的加热、保温、冷却等过程中所形成的变化区域。
该区域的微观组织、显微硬度和抗拉强度等性能相应发生变化，因此与其它区域的性能有所不同。
同时热影响区的尺寸、形状、脆性以及冷裂纹的产生等特点，对焊接质量和使用性能也有很大影响。
热影响区的大小和形状与焊接方式以及焊接厚度有关，一般来说，焊接时加热区域的温度越高，热影响区就越大。
而在焊接厚度相同的情况下，热影响区形状会随着焊接速度变化而变化。
例如，当焊接速度较快时，热影响区呈矩形，而当焊接速度较慢时，热影响区则呈椭圆形。
二、粗晶区粗晶区（Coarse Grain Region，CGR）是指钢材在高温下冷却的过程中，由于冷却速率不同，使得晶体尺寸变大的区域。
在钢材热加工过程中，粗晶区一般是由于加热速率较快而冷却速率较慢而产生的。
粗晶区的存在对钢材的力学性能、抗腐蚀性能和疲劳性能等有很大的影响。
因为在粗晶区内，钢材的晶体尺寸变大，晶界面积相对较少，晶界的强度也会较弱，从而导致力学性能的下降。
而在粗晶区表面容易形成氧化物、硫化物等环境腐蚀物，从而导致抗腐蚀性能下降。
此外，粗晶区还容易形成微裂纹和晶间腐蚀等缺陷，导致疲劳性能下降。
三、细晶区细晶区（Fine Grain Region，FGR）是指钢材在高温下冷却的过程中，由于冷却速率较快而形成的晶体尺寸相对较小的区域。
细晶区一般是由于加热速率较慢而冷却速率较快而产生的。
细晶区的存在对钢材的性能有很大的影响。
由于细晶区内，钢材的晶体尺寸相对较小，晶界面积相对较大，晶界强度较高，从而使得力学性能得到了提升。
同时，细晶区的形成也能够提高钢材的抗腐蚀性能、防止脆性断裂和疲劳性能，因为细晶区内的晶体数量更多，从而能够更好地吸收裂纹和疲劳裂纹的能量，使其不易扩展。
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超细晶粒钢及其焊接性介绍了超细晶粒钢的特点，针对这些特点，讨论了超细晶粒钢的焊接性，其中包括HAZ性能、焊缝性能、HAZ和焊缝的裂纹倾向等。
1 超细晶粒钢1.1 分类传统钢中，晶粒尺寸在100 μm以下就称为细晶粒钢，即传统细晶粒钢。
随着冶金技术和生产工艺的不断进步，细晶的尺寸不断缩小，甚至达到了微米、亚微米。
本文提到的超细晶粒钢不包括传统细晶钢。
按超细晶粒钢发展进程和其尺寸大小，可分为以下几类。
(1) TMCP钢控轧后立即加速冷却所制造的钢，称为TMCP(Thermo-Mechanical Control Process)钢。
利用TMCP工艺在实验室中，晶粒尺寸可达到几个微米，但在实际工业生产中，所得钢的晶粒尺寸小于50 μm，最小可达10 μm。
这种钢满足了石油和天然气工业的需求，这种钢的高强高韧和低的碳当量为其提供了优良的焊接适应性。
(2) 新一代钢铁材料综合低合金高强钢不断进步的成功经验，充分利用合金化作用和生产工艺技术进步相结合的优势，发展新一代钢铁材料产品并进行其基础理论研究。
目前正处于研制阶段的新一代钢铁材料的主要特征：在充分考虑经济性的条件下，钢材具有高洁净度、超细晶粒、高均匀度的特征，强度比常用钢材提高一倍，钢材使用寿命增加一倍。
高洁净度，指S、P、O、N、H元素的总含量小于80×10-6，这样不但可提高钢材原有的性能，有时还可赋予钢新的性能；超细组织，晶粒尺寸在0.1～10 μm之间，细化晶粒是唯一能提高强度而不降低韧性甚至提高韧性的方法；高均匀度指的是成分、组织和性能很均匀，波动范围很小。
在钢的化学成分—工艺—组织—性能的关系中，强调了组织的主导地位，即其超细微观组织表现出优异的综合性能。
1.2 化学成分和冶金特点细晶钢具有低碳和低碳当量以及低的杂质含量，不仅有益于其焊接性，同时也有利于改善钢的其他性能，如接头中HAZ和母材的韧性以及对氢致裂纹(HIC)、硫化物应力腐蚀裂纹(SSCC)抗力等。
细晶钢中也含有少量的Nb、V、Ti等微合金元素，其主要目的是为了形成碳、氮化合物，从而有效防止晶粒长大。
由于细晶钢低的S、P、N元素含量和控制加入的微合金元素，其氮化物形成元素的存在将使自由氮降低，减小了时效影响，有利于韧性的改善。
生产高洁净度、高均匀度的细晶钢的冶金特点主要是针对如何提高其洁净度，即减少S、P、N、O和H等元素的含量，其冶金和生产工艺技术已有很大的进步：由“分段精炼”这一思想而建立的铁水“三脱”(脱硅、脱硫和脱磷)工艺和转炉少渣冶炼工艺；为满足石油管线钢抗H2S腐蚀的要求，确立了铁水包Mg-Ca脱硫预处理工艺、真空喷粉脱硫工艺；炉外精炼；无缺陷连铸坯的生产工艺等。
1.3 工艺方法和强韧化特点为获得超细晶粒钢，已开发出多种工艺方法：同一快速加热条件下的热处理反复多次作用、金属粉末机械研磨、控轧、控冷、TMCP、复合TMCP法等。
利用生产工艺技术是获得超细晶粒的主要手段，是超细晶粒钢具有优良强韧综合性能的决定因素，因此超细晶粒钢与传统钢所不同的是其化学成分不能用于预测钢种的强度。
超细晶粒钢与同等强度的传统钢相比，其化学成分的主要特点是碳含量低，这有利于提高其焊接性，因此其强化手段不是通过增加碳含量和合金元素含量，而是通过晶粒细化、相变强化、析出强化等相结合的方法来达到提高强韧化的目的。
晶粒细化(包括变形细化和相变细化)是唯一能够同时提高钢强度和韧性的方法，因而成为超细晶粒钢最佳的强化机制。
利用第二相粒子析出的沉淀强化是超细晶粒钢采用的另一种强化机制，高温时在奥氏体内形成的粒子虽然对控制晶粒长大有效，但不会造成强化，强化粒子是低温时在奥氏体或铁素体内形成的，位错与亚结构强化也是一种有效的强化方式。
2 超细晶粒钢的焊接性超细晶粒钢的强韧化机制与传统钢不同，因而必须全面考虑其焊接问题，其中存在的两个主要问题：①由于其超细晶粒，在焊接热作用下，晶粒长大的驱动力很大，必然导致HAZ晶粒严重粗化，这将影响整个接头性能与母材性能相匹配；②为获得与母材相等性能的焊接接头，进行焊接材料、焊接方法及焊接工艺的合理选择。
2.1 HAZ的性能2.1.1 HAZ的晶粒长大倾向在新一代微合金高强高韧钢中，研究400 MPa和800 MPa两种强度级别的超细晶粒钢，400 MPa级细晶钢是指在普通Q235钢的基础上进行细化晶粒和纯净化处理，使其强度提高一倍，寿命增加一倍的新一代钢铁材料。
400 MPa级细晶钢焊接时，薄弱环节出现在HAZ，因细晶粒本身已使得晶粒长大驱动力很大(驱动力与晶粒尺寸成反比)，又因400 MPa的细晶钢中没有或含有极少碳、氮化物形成元素，所以其焊接热影响区有严重的晶粒长大倾向，粗大的晶粒将损害HAZ 的性能，晶粒较粗大时，强度和韧性会随之下降。
因此，对于400 MPa的细晶钢最主要的问题是探索400 MPa细晶钢的合适焊接方法、研究其晶粒长大规律、动力学和可控因素，从而寻找防止晶粒长大的有效措施。
800 MPa级细晶钢是指在X65管线钢的基础上进行细化晶粒和纯净化处理，使其强度提高一倍，寿命增加一倍的新一代钢铁材料。
利用高洁净度X65钢和普通市售X65钢，采取一定的工艺措施获得细晶粒钢，细晶组织如图1，其平均粒径分别为1.393 μm(图1(a))、2.665 μm(图1(b))，屈服强度达到了800 MPa。
再经峰值温度1 350 ℃，t8/5分别为3.5 s和8 s的焊接热循环，模拟其粗晶区，所得金相组织如图2、3，其奥氏体的平均粒径分别为：21 μm(图2(a))、28 μm(图2(b))、26 μm(图3(a))、52 μm(图3(b))。
从以上例子可知：800 MPa 级细晶钢焊接时，即使t8/5很小，HAZ也出现较严重的晶粒粗化现象，且随着t8/5的增加，晶粒粗化就更为严重。
图 1 X65细晶钢显微组织Fig.1 Mircrostructure of ultra-fine grained X65 steel(a) 高洁净度；(b)普通图 2 高洁净度X65细晶钢显微组织(峰值温度1350 ℃) Fig.2 Mircrostructure of high-purity,ultra-fine grainedX65 steel(peak temperature:1350 ℃)(a) t8/5＝3.5 s；(b) t8/5＝8 s图 3 X65细晶钢显微组织(峰值1350 ℃)Fig.3 Mircrostructure of ultra-fine grained X65steel(peak temperatur e:1350 ℃)(a) t8/5＝3.5 s；(b) t8/5＝8 s2.1.2 HAZ淬硬性在靠近熔合线的HAZ，奥氏体晶粒易粗化和硬化。
为了减少冷裂和接头韧性的损失，通常限制HAZ的最大硬度。
如造船用结构钢和破冰船，其硬度限制在HV 300～350之间。
为避免应力腐蚀，硬度值也被限制，如在湿的H2S环境下，管线钢的硬度限制在HV 248。
HAZ的最大硬度随着冷却时间t8/5的增加而减小。
2.1.3 HAZ的韧性和微观组织下贝氏体和低碳马氏体均有较好的韧性，且下贝氏体的韧性优于低碳马氏体，随着冷却时间的增加，上贝氏体的含量越来越多，韧性逐渐降低。
上贝氏体和侧板条铁素体均有很低的韧性。
晶界铁素体是冷却时在原奥氏体晶粒边界上析出的，且上贝氏体和侧板条件铁素体从晶界铁素体向晶内生长。
一般把粗晶热影响区(CGHAZ)和临界粗晶热影响区(IRCGHAZ)称作“局部脆性区”(LBZ)，铁素体中固溶的碳小于奥氏体中固溶的碳，奥氏体分解过程中碳从相变铁素体析出且在没有相变的奥氏体中偏聚，这将推迟奥氏体相变且导致残余奥氏体+高碳马氏体(碳含量大于1 %)的混合组织(即M-A组元)形成，当钢在临界点之间的温度区域加热时，奥氏体和铁素体共存，将造成奥氏体中碳的偏析且导致硬化能力增加，在冷却时转化为M-A组元，它对HAZ的韧性极为不利，当晶粒粗大时，更为不利，HAZ的韧性强烈依赖M-A组元的体积分数。
文献［1］报道局部脆性区(LBZ)的影响在夏氏V型冲击试验中不明显，但在热模拟HAZ试样的CTOD试验中却很明显。
此外，当焊缝采用高匹配时，也将使HAZ的韧性损失，但与组织所引起的韧性损失相比，是很小的。
HAZ的低韧性不仅是由于M-A组元所占的体积分数所决定，也由其大的断裂晶面尺寸所决定，因此可通过以下措施改善韧性：①可探索采用合适的焊接工艺，以减小LBZ区的整体面积；②减小形成M-A组元的合金元素，如B、N、C元素含量；③减小Si、Al、P元素含量，可促进M-A组元的分解；④当钢中细小弥散的析出物在接近熔点时仍很稳定，则能有效细化HAZ中的粗大奥氏体，导致上贝氏体和侧板条铁素体的细化；⑤由于针状铁素体的断裂晶面尺寸小，韧性好，所以若添加一些细小稳定的氧化物，不仅可降低HAZ粗晶区的晶粒尺寸，而且还可作为晶内针状铁素体的形核场地。
2.1.4 HAZ的软化超细晶粒钢主要是在形变条件下获取细晶的，不能通过热处理手段来恢复，所以焊后HAZ会出现软化，尤其当高热输入时，就更加明显。
不过这种局部软化对接头整体强度的影响是受其他因素控制的，如局部软化区的宽度、板厚和焊缝强度匹配等因素。
对于低强度级别的400 MPa钢而言，在高强匹配下，更高强度的焊缝和没有受热影响的母材对软化区有强的拘束作用，所以采用高匹配是防止或减小HAZ软化的有效措施之一。
2.2 焊缝金属的性能通常焊缝金属的强度应与母材等强匹配或稍高于母材。
大多数焊接结构是在焊后状态下使用的，焊缝金属的强化依然要靠合金元素来实现，因此，焊缝金属的碳当量将全面高于母材，且当熔敷金属的强度提高时，其强度和韧性将对热输入很敏感，此时应考虑合适的焊接工艺。
所以当母材强度提高时，获得合适的焊缝强度就变得较困难。
400 MPa细晶钢的焊缝金属性能与HAZ性能相比，不是主要矛盾。
对于400 MPa 级细晶钢而言，焊缝金属要获得优良的强度和韧性，焊缝金属的理想组织应为针状铁素体，这就要严格控制焊接材料的化学成分，如Ti-B系列的焊条、焊剂和Ni-Cr-Mo-V系列的焊丝。
当焊接大于800 MPa或更高强度级别的细晶钢时，需全面考虑接头性能。
焊缝和HAZ都有可能出现问题，HAZ的粗化问题可借鉴400 MPa级细晶钢的有效防止措施，如合适的焊接方法、焊接工艺及其他焊接条件，但随钢强度级别的提高，800 MPa细晶钢焊缝中易出现冷裂倾向，因此，对于800 MPa级的细晶钢而言，主要问题便是解决焊缝金属的性能，即必须研制、开发与母材性能相匹配的焊接材料，焊缝金属要获得优良的强度和韧性，其焊缝金属的理想组织应为超低碳贝氏体，这方面的工作目前还没有较成熟经验，因而需全面开发以这种微观组织为主的焊接材料。