超细晶粒钢简介
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摘要：介绍了国内外超细晶粒钢的发展情况；阐述了晶粒细化对钢铁材料综合性能的影响，从微合金化、形变诱导相变、热处理和新型机械控制轧制技术等方面介绍了获得细化晶粒钢的关键技术，最后从实际应用角度出发，提出了超细晶粒钢生产及应用中存在的问题。
关键词：超细晶粒钢；铁素体；微合金化；形变诱导相变
The brief introduction of Ultra-Fine grain steel
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Abstract: Firstly the development of ultrafine grain steel is described, secondly the influence of grain refining on comprehensive performance of steel material is expatiated, and the key technique of manufacturing ultrafine grain steel is introduced. It includes micro alloying , deformation- induced ferrite transformation, severe plastic deformation, TMCP technique, and so on, at last, the problem in the production and application of ultrafine grain steel is introduced.
Key words: ultra-fine grain steel; ferrite; Micro alloying ; deformation- induced ferrite transformation
1 国内外超细晶钢的发展
在日本科技厅的支持下，1997 年，日本开始了为期10 年的“新世纪结构材料( 或超级钢铁材料) ”的国家级研究计划，研发内容包括低合金钢、合金结构钢、耐候钢和耐热钢。目前，日本已经开发出晶粒尺寸为1 μm 的650 MPa 超高强度热轧钢板。1998 年，韩国也开始了历时10 年的“21 世纪结构钢的研究计划”，主要研发800 MPa级结构钢、600 MPa 级耐候钢和1 500 MPa 级螺栓钢。2001 年，欧盟启动了“超细晶钢开发”计划。2002 年，美国在钢铁研究指南中公布了2 个超细晶钢开发项目[1-4]。世界钢铁材料界在新一代钢铁材料开发领域理论研究层面提出了“形变诱导相变”、“形变强化相变”、“形变诱导动态相变”等观点; 在技术层面提出“洁净化、均质化、细晶化”的思路; 在工艺方面提出了“低温、控轧和快冷”的措施。
在日本、韩国启动超级钢项目的同时，中国就启动了“新一代微合金高强高韧钢的基础研究”的国家攀登项目( 1997－2000年) 。1998年，确立了由政府投资25亿的超级钢开发项目( 973)，计划将占我国钢产量60% 以上的碳素钢、低合金钢和合金结构钢的强度和寿命提高1倍。在国家“973”项目的支持下，宝钢、鞍钢、武钢、首钢、攀钢等多家钢铁企业开展了利用现有工艺流程制备超细晶钢的研究。2002 年6 月，攀钢用Q235 为试验钢，成功进行了第一轮工业试生产，利用形变诱导铁素体相变和铁素体动态再结晶原理，轧制出晶粒尺寸为5 ～ 6 μm、规格3.0 mm×1000 mm的细晶钢。武钢在超细晶钢的研究上也取得了重大进展，目前已冶炼、轧制出了超细耐候钢和800MPa 超细晶钢，并利用Q235 钢进行了一轮工业
性轧制试验，成功生产出抗拉强度为510～535MPa 和屈服强度为390～410 MPa 的超细晶钢。2002年，鞍钢在1780 mm轧机上已能稳定生产厚度小于10 mm 的400 MPa 级超细晶粒热轧钢板，并开展了更厚规格的卷板和中板的研究[5,6]。
2 超细晶是新一代钢铁结构材料的核心
钢铁结构材料约占钢铁材料的90%，强韧化是结构材料的基本发展方向。钢铁材料提高强度的途径主要有4 条：
1）通过合金元素和间隙元素原子溶解于基体组织产生固溶强化，它是点缺陷的强化作用；
2）通过加工变形增加位错密度造成钢材承载时位错运动困难( 位错强化)，它是线缺陷的强化作用；
3）通过晶粒细化使位错穿过晶界受阻产生细晶强化，它是面缺陷的强化作用；
4）通过第二相( 一般为Mx ( C. N)，析出相或弥散相) 使位错发生弓弯( 奥罗万机制) 和受阻产生析出强化，它是体缺陷的强化作用。
这4 种强化作用中，细晶强化在普通结构钢中强化效果最明显，也是唯一的强度与韧性同时增加的机制。其他3 种强化机制表现为强度增加，塑性( 有时韧性) 下降。发展超细晶钢，就是利用超细晶化发展细晶强化的强韧化作用，其增加屈服强度的效果见图1。
图1 各种强化机制的强化效果示意图
S.Takaki[7]及其合作者做了基础研究，见图2。若纯铁在铁素体晶粒尺寸为20 Lm时，普通钢材的屈服强度R eL是200 MPa级，若细化在5 μm以下，R eL就能翻番；具有低碳贝氏体或针状铁素体的钢材若显微组织细化至2 μm以下，强度就能翻番。因此超细晶钢是将目前细晶钢的基体组织细化至微米数量级，
新一代钢材目标强度与超细晶尺寸关系见表1[8]。
表1 不同钢类确保强度翻番的超细晶化尺寸范围[ 8]
细晶强化的作用：
A、材料的屈服强度和硬度与晶粒尺寸倒数的平方根成正比，即随着材料晶粒尺寸减小，材料的屈服强度及硬度不断提高[9,26,27]。
图2 晶粒尺寸与屈服强度和硬度的关系
细晶强化机理主要是: 晶粒越细，单位体积内的晶粒界面越多，由于晶界之间原子排列比晶粒内部的排列更加紊乱，因而位错密度较高，致使晶界对正常晶格的滑移位错产生缠结，不易穿过晶界继续滑移，变形抗力增大，表现为强度提高[8]。
B、晶粒的尺寸越小，材料的塑形和韧性就越好（图3）。
图3 晶粒尺寸与断面收缩率的关系
晶粒越细小，晶粒内部的空位数目和位错均减少，位错与空位以及位错间的弹性交互作用的几率下降，位错易于运动，表现出较好的塑性；位错数目减少，塞积位错数目下降，只能产生轻度的应力场，从而将推迟微孔和微裂纹的萌发，致使断裂应变增加。除此之外，细晶粒能使塑性变形更加均匀，呈现出较高的塑性变形[8]。
3 制备超细晶粒钢的关键技术
3.1 微合金化细化晶粒
一般的晶粒细化方法是在炼钢过程中向钢液添加微合金元素( Nb、V、Ti、B、N 等) 进行变质处理，以提供大量的弥散质点促进非均质形核，从而使钢液凝固后获得更多的细晶粒。这种微合金化( 合金的总质量分数小于0.1%) 是比较有效的细化钢铁材料晶粒的方法之一。图4为微合金元素( Nb、V、Ti) 对铁素体晶粒尺寸的影响。
图4 微合金元素对铁素体晶粒尺寸的影响
可见, 在一定范围内，随微合金元素含量的增加，铁素体晶粒越细小[ 10]。晶粒细化原因有两方面：一方面，某些固溶合金化元素(W, Mo, Mn 等) 的加入提高了钢的再结晶温度，同时也可降低在一定温度下晶粒长大的速度； 另一方面，某些强碳化物形成元素( 如Nb, V , Ti 等) 与钢中的碳或氮形成尺寸为纳米级( 20~ 100 nm)的化合物，钉扎晶界，对晶粒增长有强烈的阻碍作用, 并且当这种纳米级化合物所占体积分数为2%时，对组织的细化效果最好[ 11]。铌是钢中常加入的微合金元素，通常加入量小于0.05% ，在钢中形成NbC 、NbN 的化合物，在再结晶过程中，因NbC 、NbN 对位错的钉扎和阻止亚晶界迁移可大大延长再结晶时间，而且铌阻止奥氏体回复、再结晶的作用最强烈，当钢中ω( Nb) = 0.03% 时，即可将完全再结晶所需的最低温度提高到950 ℃左右[12]，钢中加入铌，并通过再结晶控轧技术可使铁素体晶粒尺寸细化到6 μm [ 11, 13]。钒与碳和氮有较强的亲和力，形成V( C, N) 的弥散小颗粒，对奥氏体晶界有钉扎作用，可阻碍奥氏体晶界迁移，即阻止奥氏体晶粒长大，并提高钢的粗化温度[ 14]；同时形成的V( C, N) 在奥氏体向铁素体转变期间在相界面析出，有效阻止了铁素体晶粒长大，起到细化铁素体晶粒的作用。通常，钢中钒加入量控制在0.04% ~ 0.12% 范围[ 14]。高温下，钢中钛以TiN 、TiC 弥散析出，可以成为钢液凝固时的固体晶核，有利于结晶，细化钢的组织。钛也是极活泼的金属元素，能与铁和碳生成难溶的碳化物质点，富集在晶界处，阻止晶粒粗化。通常钛的加入量应大于0.025%。合金元素一般是以复合形式加入钢中，而且复合合金化处理效果比单一合金化处理效果更好。微合金化元素对形变诱导相变也有影响，铌可提高形变诱导相变温度，扩大形变诱导变形区，更易获得超细晶铁素体。钢中碳含量降至超低碳范围时，也容易发生形变诱导相变，并获得超细晶粒[ 11, 15]。但单纯的微合金化细化技术对钢铁材料组织细化有较大的局限性，因此应结合一定的热处理工艺进行综合细化，才能获得较好的效果。
3.2形变诱导相变细化晶粒
形变诱导相变是将低碳钢( w ( C) ≤0.25%)加热到稍高于奥氏体相变温度( A c3 )，以较高的变形速率(ε。)、足够的变形量( ε) 对奥氏体进行连续快速变形，然后急冷，从而获得超细铁素体晶粒的工艺[ 16,28]。形变诱导相变工艺示意图见图5[ 17]。形变诱导相变细化的机理主要是在变形过程中，有5% ~ 10% 的形变能被储存( 主要是位错密度增加) ，系统自由能提高，增加了相变驱动力，使奥氏体向铁素体转变的相变点
t H) 完全奥氏体化温度; v ) 冷却速率
图5 形变诱导相变工艺示意图
温度( A r3 ) 升高，诱发铁素体相变，形成的铁素体首先在奥氏体晶界和晶内高畸变区域形核，随后在新生成的奥氏体/铁素体相界形核，且变形后进行快速冷却，以保持形变过程中形成的超细铁素体晶粒[3]。与传统控轧控冷工艺不同之处在于相变( 低碳钢中γ→a+ P) 主要发生在轧制过程中，而不在轧后的冷却过程中[8]。研究结果表明，在形变诱导相变细化技术中，变形温度( t ) 、变形量和变形速度等因素均对诱导相变有影响。随变形温度降低( 高于Ar3 ) 和变形量的增加以及变形速度的提高，形变诱导铁素体相变的转变量增加，将促使铁素体晶粒变得更细小。李维娟[19]对化学成分( 质量分数，% ) 为：0.15C-0.26Si-0.81Mn-0.013S-0.01P的低碳钢，采用Gleebe-1500 热模拟实验机，在ε= 1.2 和ε= 5s-1条件下，分别对t= 850、800、770℃等不同变形温度下的相变组织进行了研究。发现变形温度下降,形变诱导出的铁素体量明显增加且更细小，当变形温度接近Ar3 时，铁素体晶粒更细。同样，在t=800 ℃、ε= 5 s- 1 条件下，分别对t= 0.3、0.8、1.2、1.6 等不同变形量下的相变组织进行了研究。发现变形量增加，铁素体晶粒越细小。还发现，变形速率对晶粒尺寸也有一定的影响，ε= 0.5 s-1时，大部分奥氏体向铁素体转变，形变诱导所得铁素体基本为等轴晶[17]。文献[ 8, 18] 的研究也得到了类似的结果。研究发现, 通过形变诱导铁素体相变, 可在碳素结构钢中获得晶粒尺寸小于5 um 的超细晶粒, 对于微合金钢应用应变诱导相变技术可得到晶粒尺寸约1 um 的厚度为2 mm 的超细晶粒钢带[16]。所以, 形变诱导相变细化晶粒已成为晶粒细化的主要方法之一。但是形变诱导相变细化晶粒技术也有一定的局限性，主要适用于在相变过程中可发生奥氏体→铁素体相变的低碳低合金钢[ 13]。
3.3 大塑性变形细化晶粒
用大塑性变形技术也能成功制备超细晶材料。目前大塑性变形技术有：叠轧法、等通道挤压法及高压旋转法等[ 19-21]。用大塑性变形技术制备超细晶方法的最大优点是：①无污染；②制备的超细晶材料内部无残留孔；③超细晶材料内部组织均匀;④无机械损伤和裂纹[ 22]。叠轧法采用传统轧制工艺，对设备无特殊要求且适合于高效率工业生产。现已成功地对IF钢[ 19,20]、Q235[ 23]等低碳钢进行了实验，工业性试验已在进一步进行。叠轧工艺流程( 图6) 为：将2 块尺寸相同的钢板，经内表面打磨后用丙酮清洗去除氧化物和油脂，再将其堆叠在一起进行大压下量( E>50% ) 轧制，然后将轧材分割成2 块，经表面处理后再次重复上述过程，从而使材料组织得到细化。目前，IF 钢的叠轧已经进行到第7 道次，可使晶粒由27 Lm 细化到420 nm，强度由原来的30619 MPa 提高到870 MPa[ 19]。Q235 钢经7 道次轧制后，晶粒可细化到
700 nm，强度提高到800 MPa[ 23]，但其塑性下降。这主要是轧制后晶粒发生了畸变以及局部区域分层内表面的存在等原因所致。
图6 叠轧工艺流程示意图
3.4 热处理细化晶粒
热处理细化晶粒方法主要是对钢材进行快速加热和冷却，以达到抑制晶核长大的一种热处理工艺。主要方法包括循环加热淬火细化和形变热处理细化技术。
循环加热淬火细化技术是指选择快速加热能够形成奥氏体的最低温度和最短保温时间进行反复加热淬火来细化晶粒的方法。
形变热处理根据变形温度的不同可分为高温形变热处理和低温形变热处理。高温形变热处理是将钢加热到稍高于Ac3温度后保持一段时间达到完全奥氏体化，然后在该温度下以较大的变形量使奥氏体发生强烈变形，并保温一段时间使奥氏体进行起始再结晶，可通过控制高温形变参数以获得所需的形变后相变前的奥氏体组织，并在形变奥氏体晶粒尚未开始长大前淬火和回火，从而获得较细小的马氏体组织[ 16, 24,]。
低温形变热处理是将淬火后的钢加热到相变点以下温度时进行大压下量变形，然后加热到A c3 以上温度进行短时间保温，奥氏体化后迅速淬火和回火。研究结果表明，对低、中碳钢, 将回火马氏体经80%压缩变形后再奥氏体化，可得到尺寸为0.91 Lm 的奥氏体晶粒，淬火后可获得非常细小的马氏体组织[ 11,16,24] 。
3.5 新型机械控制轧制技术细化晶粒
新发展的机械控制轧制( TMCP) 技术，即弛豫-析出-控制相变技术( RPC)，是利用微合金元素在热机械处理( 控制轧制) 过程中各阶段的复合作用实现两阶段控轧，在终轧后经过一段控制温度和时间的弛豫过程，利用变形奥氏体中缺陷的回复及位错网上的应变诱导析出形成完整、强化的位错胞状结构或亚晶，这些类似小晶粒的位错胞状结构在中温转变时能促进晶内铁素体或不规则粒状贝氏体的形成以及贝氏体在原奥氏体晶内形核，并限制贝氏体板条的长大，起到细化相变产物的作用。TMCPRPC工艺流程见图7[ 3,8] 。尚成嘉等[ 25]通过该技术得到宽度小于0.5 Lm 的板条贝氏体，同方向的板条组成的板条束的平均尺寸为4~ 6 Lm，使钢材的屈服强度提高约30%。同时，还研究了微合金元素、弛豫时间及冷却速率等因素对最终组织和性能的影响。
图7 TMCP-RPC 工艺流程示意图
4 超细晶粒钢生产及应用中存在的问题
当前生产超细晶粒钢中还存在着一些有待解决的问题：①目前，上述部分技术仅限于实验阶段, 制备所得超细晶材料尺寸小、成本高，难以达到钢铁材料低成本、大规模生产的要求；②在工业生产中，单一的细化晶粒技术已很难满足实际需求，如何很好地将不同的制备超细晶粒钢的生产技术有机地结合起来，发挥不同制备技术的优势，实现生产工艺优化配置还有待于进一步研究；③困扰超细晶粒钢焊接技术的问题尚未得到彻底解决，严重制约了超细晶粒钢的应用范围。因此，研究新的制备超细晶钢的生产方法, 确定适宜工业生产的工艺路线，生产出具有高的综合力学性能和良好焊接性能的超细晶粒钢是目前研究的主要方向。同样，我国在超细晶粒钢的研究方面，应立足于我国钢铁企业实际情况，结合现有的条件和设备，
不断开发出适合我国工业生产所需的高效、高性能、节能降耗及环保的超细晶粒钢生产新工艺。
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1.试述低碳钢的焊接性。 由于低碳钢含碳量低，锰、硅含量也少，所以，通常情况下不会因焊接而产生严重硬化组织或淬火组织。低碳钢焊后的接头塑性和冲击韧度良好，焊接时，一般不需预热、控制层间温度和后热，焊后也不必采用热处理改善组织，整个焊接过程不必采取特殊的工艺措施，焊接性优良。焊接低碳钢时可采取哪些措施消除应力裂纹? （1）降低消应力退火温度。（2）控制母材中V、B的含量。
⑶坡口形式将焊件尽量开成U形坡口式进行焊接。如果是铸件缺陷，铲挖出的坡口外形应圆 滑，其目的是减少母材熔入焊缝金属中的比例，以降低焊缝中的含碳量，防止裂纹产生。 ⑷焊接工艺参数由于母材熔化到第一层焊缝金属中的比例最高达30%左右，所以第一层焊 缝焊接时，应尽量采用小电流、慢焊接速度，以减小母材的熔深。 ⑸焊后热处理焊后最好对焊件立即进行消除应力热处理，特别是对于大厚度焊件、高刚性结 构件以及严厉条件下（动载荷或冲击载荷）工作的焊件更应如此。消除应力的回火温度为600～650℃。 若焊后不能进行消除应力热处理，应立即进行后热处理。 4.试述高碳钢的焊接工艺要点。 ⑴焊接性当高碳钢的碳的质量分数大于0.60%时，焊后的硬化、裂纹敏感倾向更大，因此 焊接性极差，不能用于制造焊接结构。常用于制造需要更硬度或耐磨的部件和零件，其焊接工作主要是焊补修复。 ⑵焊条选用由于高碳钢的抗拉强度大都在675MPa以上，所以常用的焊条型号为E7015、 E6015，对构件结构要求不高时可选用E5016、E5015焊条。此外，亦可采用铬镍奥氏体钢焊条进行焊接。 ⑶焊接工艺1）由于高碳钢零件为了获得高硬度和耐磨性，材料本身都需经过热处理，所 以焊前应先进行退火，才能进行焊接。 2）焊件焊前应进行预热，预热温度一般为250～350℃以上，焊接过程中必需保持层间温度不低于预热温度。 3）焊后焊件必需保温缓冷，并立即送入炉中在650℃进行消除应力热处理。 5.试述低合金高强钢的焊接性。 强度级别较低的低合金高强钢，如300～400MPa级，由于钢中合金元素含量较少，其焊接性良好，接近于低碳钢。随着钢中合金元素的增加，强度级别提高，钢的焊接性也逐渐变差，出现的主要问题是： ⑴热影响区的淬硬倾向含碳时较少、强度级别较低的钢种，如09Mn2、09Mn2Si、09MnV 钢等，淬硬倾向很小。随着强度级别的提高，淬硬倾向也开始加大，如16Mn、15MnV钢焊接时，快速度冷却会导致在热影响区出现马氏体组织。 ⑵冷裂纹低合金高强钢焊接时，热影响区的冷裂纹倾向加大，并且这种冷裂纹往往具有延迟 的性质，危害性很大。例如，材料为18MnMoNb钢壁厚115mm的一大型容器，由于预热温度不够，焊后在热影响区形成大量冷裂纹。 低合金高强钢的定位焊缝很容易开裂，其原因是由于焊缝尺寸小、长度短、冷却速度快，这种开裂属于冷裂纹性质。 ⑶热裂纹一般情况下，强度等级为294～392MPa的热轧、正火钢，热裂倾向较小，但在厚 壁压力容器的高稀释率焊道（如根部焊道或靠近坡口边缘的多层埋弧焊焊道）中也会出现热裂纹。电渣焊时，若母材的含碳量偏高并含镍时，电渣焊缝中可能会出现呈八字形分布的热裂纹。 强度等级为800～1176MPa的中碳调质钢（如30CrMnSiA钢），焊接时热裂的敏感性较大。 ⑷粗晶区脆化热影响区中被加热至1100℃以上的粗晶区，当焊接线能量过大时，粗晶区的 晶粒将迅速长大或出现魏氏组织而使韧性下降，出现脆化段。 6.试述低合金高强钢焊接时的主要工艺措施。 ⑴预热预热是防止裂纹的有效措施，并且还有助于改善接头性能。但预热会恶化劳动条件， 使生产工艺复杂化，过高的预热温度还会降低接头韧性。因此，焊前是否需要预热以及预热温度的确定应根据钢材的成分（碳当量）、板厚、结构形状、刚度大小以及环境温度等决定。
两种规格超细晶粒钢的激光焊接 彭云!，王成!，陈武柱!，田志凌" （!#清华大学机械工程系，北京!$$$%&；"#北京钢铁研究总院，北京!$$$%!） 摘要：超细晶粒钢依靠生成微米级或亚微米级的铁素体，使钢的强度和韧性大大提 高。本文分析了超细晶粒钢的焊接性及激光焊接的特点，进行了超细晶粒钢的激光焊 接试验，并与等离子弧焊接、’()焊接进行了比较。超细晶粒钢激光焊接接头粗晶区有 较好的韧性。采用较小的激光功率并配合较慢的焊接速度，可减小粗晶区硬化倾向。 终轧温度较高的**&$$钢激光焊接接头强度高于母材。深度轧制钢激光焊接接头出现 再结晶软化区，当软化区宽度较窄时，不影响整体接头强度。**&$$钢和深度轧制钢激 光焊接接头均有好的弯曲塑性。 关键词：超细晶粒钢；焊接性；激光焊接；组织；力学性能 中图分类号：+)&,-文献标识码：(文章编号：$",./.0$1（"$$!）$!/.!/$, 彭云 $序言 钢铁材料由于综合性能好，资源丰富，价格便宜，而成为使用最为广泛的金属材料。提高钢材的强度和韧性，一直是人们努力追求的目标。添加合金元素和控制冶金组织，是实现这一目标的基本途径。其中依靠工艺措施获得强韧性好的组织，可使钢材在不增加合金含量的情况下，强度、韧性获得提高，从而提高性能2价格比。!3.,年再热淬火工艺在工业生产中开始应用，随后再热淬火及回火工艺被采用，获得了高强韧性的钢。!30"年，英国在连续热轧钢带生产线上成功地采用了激冷技术。-$年代开始控轧技术被用于生产管线钢，该技术在钢中添加微合金元素，如’4、56、7、+8，以扩大奥氏体无再结晶温度范围（! 9. 之上），在这一温度范围内进行集中轧制。!3%$年开始应用的+’:;（+<=9>4/’=?<@A8?@BBC:4AD94BB=E;94?=FF8AG）技术，实际上是控轧和激冷技术的结合，该技术依靠控轧和控制始冷温度、终冷温度、冷却速度，将组织组成比，如铁素体、珠光体、贝氏体、马氏体的比例，控制在一定水平，从而获得所需要的强度和韧性［!］。 超细晶粒钢是+’:;技术基础上发展起来的新一代钢种，其依靠形变诱导形核及控轧控冷，生成晶粒大小在微米级或亚微米级的铁素体，从而使钢的强度和韧性都大大提高。 收稿日期："$$$/$-/!. 基金项目：国家重点基础研究规划资助项目（3-.）；清华大学3%,基金资助项目（$!"/!$!$,$）!超细晶粒钢的焊接特点 超细晶粒钢焊接时，热影响区高温区转变为奥 氏体，在随后的冷却过程中随" %2, 冷却时间不同，转 变为不同的组织。当" %2, 较短，组织为下贝氏体时， 韧性好。当" %2, 较长，组织为上贝氏体和侧板条铁素体时，韧性恶化。 超细晶粒钢的化学成分为含碳量较低的:/’A为主要合金成分的钢种，多层焊时，前一焊道热 影响区经受后一焊道峰温在! ?! 和! ?. 之间热循环时，前一焊道热影响区粗晶区碳化物溶解产生的可扩散碳在奥氏体中聚集，部分高碳奥氏体可转变为韧性很差的’/(组元［"］。 超细晶粒钢焊接时，有时会发生热影响区软化现象，其原因为组织软化和再结晶软化。当软化区宽度较窄时，拘束强化效应可降低或避免软化区对接头力学性能的影响。采用高能量密度热源快速焊接，可减小软化区宽度，有利于防止软化引起接头力学性能降低［.］。 超细晶粒钢的低含碳量使其热影响区淬硬倾向较低，因此热影响区产生冷裂纹的倾向较小。由于焊缝金属为凝固态组织，未受到母材同等的工艺处理，为了使焊缝具有与母材同等的强度，需在焊缝金属中添加合金元素。焊接时热影响区金属可能先于焊缝金属发生奥氏体向铁素体的转变，导致扩散氢从热影响区向焊缝扩散，这种情形与普通低碳钢的焊接相反。因此，+’:;钢焊接时，更可能在焊缝金属中产生冷裂纹。考虑高强+’:;钢焊接时的预热温度时，应按照焊缝金属的成分进行计算［&］。 第!期李桓，等：:H " 气体保护焊短路过渡过程的闭环实时控制.! 万方数据
金属材料的焊接性能 （1）焊接性能良好的钢材主要有： 低碳钢（含碳量<0.25）；低合金钢（合金元素含量1～3、含碳量<0.20）；不锈钢（合金元素含量>3、含碳量<0.18）。 （2）焊接性能一般的钢材主要有： 中碳钢（合金元素含量<1、含碳量0.25～0.35）；低合金钢（合金元素含量<3、含碳量<0.30）；不锈钢（合金元素含量13～25、含碳量￡0.18） （3）焊接性能较差的钢材主要有： 中碳钢（合金元素含量<1、含碳量0.35～0.45）；低合金钢（合金元素含量1～3、含碳量0.30～0.40）；不锈钢（合金元素含量13、含碳量0.20）。 （4）焊接性能不好的钢材主要有： 中、高碳钢（合金元素含量<1、含碳量>0.45）；低合金钢（合金元素含量1～3、含碳量>0.40）；不锈钢（合金元素含量13、含碳量0.30～0.40）。 焊条和焊丝选择的基本要点如下： 同类钢材焊接时选择焊条主要考虑以下几类因素： 考虑工件的物理、机械性能和化学成分；考虑工件的工作条件和使用性能； 考虑工件几何形状的复杂程度、刚度大小、焊接坡口的制备情况和焊接部位所处的位置等；考虑焊接设备情况；考虑改善焊接工艺和环保；考虑成本。 异种钢材和复合钢板选择焊条主要考虑以下几类焊接情况： 一般碳钢和低合金钢间的焊接；低合金钢和奥氏体不锈钢之间的焊接；不锈钢复合钢板的焊接。 焊条和焊丝的选择参数查阅机械设计手册中焊条和焊丝等章节和焊条分类及型号（GB 980-76）、焊条的性能和用途（GB 980～984-76）等有关国家标准。 ###15CrMoR的换热器的热处理工艺 ***当板厚超过筒体内径的3％时，卷板后壳体须整体热处理。 *** 15CrMoR焊接性能良好。手工焊用E5515-B2（热307）焊条，焊前预热至200-250℃（小口径薄壁管可不预热），焊后650-700℃回火处理。自动焊丝用H13CrMoA和焊剂250等。 ###压力容器用钢的基本要求 压力容器用钢的基本要求：较高的强度,良好的塑性、韧性、制造性能和与相容性。 改善钢材性能的途径：化学成分的设计,组织结构的改变,零件表面改性。 本节对压力容器用钢的基本要求作进一步分析。 一、化学成分 钢材化学成分对其性能和热处理有较大的影响。 1、碳:碳含量增加时，钢的强度增大，可焊性下降，焊接时易在热影响区出现裂纹。 因此压力容器用钢的含碳量一般不应大于0.25%。 2、钒、钛、铌等：在钢中加入钒、钛、铌等元素，可提高钢的强度和韧性。
浅析耐候钢在光伏支架中的应用 发表时间：2018-04-11T16:14:36.537Z 来源：《电力设备》2017年第32期作者：王红梅匙梦雪吴青锋 [导读] 摘要：传统的光伏支架大多采用镀锌钢支架，镀锌钢的生产过程会造成严重的环境污染，随着环保政策的日趋严格，传统光伏支架面临镀锌成本高、生产周期长等问题。耐候钢是在普通钢中加入合金元素，在锈蚀初期，在锈层表面形成一层保护膜，阻止进一步腐蚀。 (中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司陕西西安 710065) 摘要：传统的光伏支架大多采用镀锌钢支架，镀锌钢的生产过程会造成严重的环境污染，随着环保政策的日趋严格，传统光伏支架面临镀锌成本高、生产周期长等问题。耐候钢是在普通钢中加入合金元素，在锈蚀初期，在锈层表面形成一层保护膜，阻止进一步腐蚀。耐候钢光伏支架利用耐候钢耐腐蚀性，在降低光伏支架成本的同时还能减少镀锌污染，缩短生产周期，使工程工期得到了有力的保障，解决了传统支架的短板。本文主要介绍了耐候钢的概念及特性，分析了耐候钢光伏支架的优、缺点，以及耐候钢光伏支架在工程实践中的应用和发展前景。 关键词：光伏支架；耐候钢；耐腐蚀性 1 耐候钢的概念及特性 1.1 耐候钢的概念 耐候钢即耐大气腐蚀钢，是通过在普通钢中添加一定量的合金元素制成的低合金钢，其主要合金成分为Cu、P、Cr、Ni等元素。耐候钢在冶炼时，废钢随炉料一起加入炉内，按常规工艺冶炼，出钢后加入脱氧剂及合金，钢水经吹氩处理后，随即进行浇铸，吹氩调温后的钢水经连铸机铸成板坯。由于钢中加入稀土元素，耐候钢得到净化，夹杂物含量大为减少。耐候钢的研究始于20世纪30年代的美国，随后日本、德国相继开发耐候钢的应用。我国对耐候钢的开发起步较晚，1961年，鞍钢结合我国资源特点研制了一批含有铜、磷、钛及稀土的耐候钢。1969年武钢等研制出09MnCuPTi耐候钢用于铁路货车。1978年后开始仿制国外的耐大气腐蚀钢，加入镍、铬等元素，开启了耐候钢发展之路。 1.2 耐候钢的耐腐蚀性 耐候钢在受到腐蚀初期腐蚀较为严重，但随着时间的变化，腐蚀速度逐渐减慢，甚至停止。在腐蚀初期，锈层主要为α-FeOOH，α-FeOOH是最稳定的羟基氧化铁，也是保护性锈层的主要构成。碳钢的锈层的主要成分Fe?O?，在普通钢中加入铜、磷、铬、镍等元素后，这些合金元素改变了锈层组织的成分和结构，促进了α-FeOOH的形成，从而抑制了Fe?O?的形成。Fe?O?锈层疏松且多孔，不具有保护性。α-FeOOH晶体呈致密团状，互相之间紧密堆积，锈层具有很好的保护性。α-FeOOH使钢材表面形成致密和附着性很强的保护膜，阻碍锈蚀往里扩散和发展，保护锈层下面的基体，以减缓其腐蚀速度。在锈层和基体之间形成的约50μm~100μm厚的保护层，阻止了大气中氧和水向钢铁基体渗入，减缓了锈蚀向钢铁材料纵深发展，大大提高了钢铁材料的耐大气腐蚀能力。耐候钢的锈层具有钝化作用，对基体有良好的保护性。所以，耐候钢的锈层首先出现在局部，形成深坑，腐蚀坑横向发展，连在一起形成一片。 1.3 耐候钢的耐磨性能 耐候钢的耐磨性能要高于普通碳素钢。相关实验结果表明，耐候钢的磨损量是普通碳素钢的40%～60%，在腐蚀环境下，耐候钢仍可以保持良好的耐磨性。 1.4 耐候钢的焊接性能 Cu和P的加入使得耐候钢具有较高的耐腐蚀性，但同时也促进了焊接裂纹的生成。当P含量大于1%时，P促进低熔点杂质的生成，此时极易产生高温裂纹，同时也会增加低温裂纹的敏感性，导致焊缝的延展性和韧性变差。C含量的多少也会影响P对刚的有害作用，当P和C的总含量不超过0.25%时，可以防止刚的冷脆倾向。因此，只要控制P和C的总含量就可以解决耐候钢的耐候性与焊接性之间的利害矛盾。 2 耐候钢光伏支架的优缺点 2.1 耐候钢的优点 在合理添加合金元素的情况下，耐候钢的冶炼方法与普通钢几乎没有区别，也不会改变钢材的机械性能，耐候钢的生产过程简便，应用方便；耐候钢的耐腐蚀性好，相比普通钢材，可以简化防腐措施，节约投资成本，节省维护费用；与普通热镀锌钢材相比，制造过程能减少环境污染，加快制造流程，减少转运次数，性价比较高。与不锈钢相比，耐候钢的造价较低，性价比较高；在大气污染较轻，不是特别潮湿或者非海洋大气条件下可以直接裸露使用，不需要需涂装，既经济又方便。 2.2 耐候钢光伏支架的优点 在我国，许多传统的光伏电站都建于戈壁滩、荒野等干燥且大气污染较轻的地区，这样的环境下使用无涂层的耐候钢光伏支架即可满足其防腐蚀要求。光伏电站地处野外，其本身维护成本较高，光伏支架采用无涂层的耐候钢，其耐腐蚀性可以大大减少光伏支架维护，甚至达到免维护的目标。处在戈壁的光伏电站风沙大，若采用普通涂层方法防腐蚀，图层极易因磨损而导致失效，耐候钢的耐磨性好，不容易磨损失效。此外，光伏电站一般采用小规格、薄壁型钢支架，如果采用普通热镀锌钢，镀锌表面积大，成本高且污染严重，使用耐候钢可降低15%的支架成本，还能减少污染。在光伏电站抢工期，赶发电的工期紧张情况下，采用耐候钢支架可以缩短支架的生产周期，从而达到赶工期的目标，满足并网发电要求。 2.3 耐候钢光伏支架的缺点 和所有材料一样，耐候钢有着比普通钢优越的方面，但同时也存在一定的缺点。在海洋大气气候条件下或是大气污染较严重的地区，耐候钢支架也需要加涂层使用，增加了一定的成本。耐候钢在使用初期腐蚀较为严重，外观锈蚀不太均匀，有色差，影响光伏支架的美观。 3 耐候钢光伏支架应用 3.1 耐候钢光伏支架的现状 早在20世纪60年代，我国就将耐候钢应用于铁路货运车，随后，耐候钢以其良好耐腐蚀性，被广泛的应用于铁道、车辆、桥梁等长期暴露在大气中使用的钢结构中。现如今，耐候钢被逐渐应用于光伏领域。耐候钢在光伏电站中，以其良好的耐腐蚀性能及环保性能，有效
低合金高强钢的焊接性 钢铁研究总院田志凌 1 前言 低合金高强（HSLA）钢的焊接性主要包括两个方面，其一是裂纹敏感性，其二是焊接热影响区的力学性能。过去40年，在钢材焊接性的研究方面，我国几代科技工作者进行了卓有成效的工作[1-5]。 在过去的40年，HSLA钢取得了显著进展，精炼技术、微合金钢技术、控轧控冷技术、形变热处理（TMCP）等一些先进技术的应用，使得现代HSLA钢的焊接性大大改善，尤其是HAZ冷列裂纹敏感性大大降低，粗晶区韧性大幅度提高，高效率、大线能量焊接工艺得以应用。然而，新的问题也伴随着出现，如母材的低碳当量高强度化使得冷裂纹从HAZ转移到焊缝金属中，多层焊接头中的局部脆性区问题等。本文将论述HSLA钢制造技术的进步给焊接性带来的变化，以及技术发展趋势。 2 HSLA钢的技术进步及其对焊接性的改善 过去40年，低成本、高性能是钢铁行业技术进步的主要发展方向，从焊接性的角度来看，影响最大的是精炼技术和轧制技术。 2.1 精炼技术的影响 焊接热裂纹、液化裂纹曾经是低碳钢、低合金钢焊接的一个重要问题，随着铁水预处理、碱氧炉炼钢、钢包精炼、真空精炼等精炼技术的采用，钢中S、P等杂质元素的含量越来越低，热裂纹、液化裂纹发生的频率已降得非常低。 以管线钢为例，目前的超纯净冶炼技术能够达到如下水平： P≤20ppm, S≤5ppm, N≤20ppm, O≤10ppm, H≤1.0ppm 此外，上世纪80年代以来，模铸已逐渐被连铸所代替，2001年我国的连铸比已超过90%，高均匀性连铸技术的应用，大大降低了铸坯中间偏析。 一方面，S、P等杂质元素的含量越来越低，另一方面，杂质元素的偏析程度越来越小，因此，HSLA钢焊接性评定中已不再进行热裂纹、液化裂纹敏感性评定。 2.2 轧钢技术和微合金化的影响 在上世纪五、六十年代，最广泛应用的结构钢就是C-Mn钢，钢材的强度主要靠提高C 的含量和合金元素的含量来实现，强度越高，冷裂纹敏感性就越大。 控制轧制的应用始于六、七十年代，控制轧制与正火处理相结合，能够降低钢的碳当量，提高钢材的抗裂性能，同时HAZ的韧性也得到了一定程度的提高。然而，生产力的发展要求采用大线能量焊接，如造船业，焊接效率是加快制造进度、降低成本的关键因素，而对于轧制原有状态和正火状态钢而言，大线能量焊接使得HAZ晶粒变得粗大，同时在粗晶区形成韧性很差的上贝氏体组织，针对这一技术问题，确立了Ti处理技术（1975年之前）：根据钢中存在的氮（N）量，适当加入Ti，使TiN成细粒状均匀分布，TiN能够抑制奥氏体晶粒长大，促进晶内铁素体的形核。基于同一机理，微合金化技术得以发展，利用Nb, V, Ti 等微量元素形成细小的碳氮化物生产的细晶粒钢，能够适应较大线能量焊接，图1为Nb, V, Ti三种微合金元素形成的第二相粒子的溶解曲线，由此可见TiN对晶粒长大的阻力最大，Nb(CN)次之，VC最小。
碳钢的焊接性
碳素钢的焊接性随含碳量增加而恶化，因为含碳量较高的钢从焊接温度快速冷却下容易被淬硬。被淬硬的焊缝和热影响区因其塑性下降，在焊接应力容易产生裂纹。碳素钢被淬硬主要是在马氏体组织形成而引起，马氏体的数量受冷却速度影响，非常快的冷却速度可以产生100%的马氏体，从而可达到最高硬度。因此，焊接含砚较高的碳素钢时，就应当注意减缓冷却速度，使马氏体的数量减至最少。 焊接的冷却速度受焊接热输入、母材板厚和环境温度的影响。厚板或在低温条件下焊接，其冷却速度加快；预热或加大焊接线能量，可以降低冷却速度，减少裂纹产生。 碳素钢的碳含量增加到约0.15%以上时，对氢致裂纹尤其敏感。因此，焊接碳含量高于0.15%的碳素钢时，须注意减少氢的来源。例如大气中的水分，焊前对待焊部位及附近须清除油污、铁锈等。手弧焊时宜选用低氢焊条，在其它焊接方法中应制造低氢环境，以减少焊缝周围环境中的氢含量。 焊接碳素钢时产生裂纹的力学原因是结构的拘束力和不均衡的热应力。即使是不易淬硬的低碳钢，在受拘束力条件下采用了不正确的焊接程序，也会因这些应力过大而产生裂纹。 总之，对碳素钢的焊接，应针对其碳含量不同而采取相应的工艺措施。当含碳较低时，如低碳钢，应着重注意防止结构拘束应力和不均衡的热应力所引起的裂纹；当含碳量较高时，如高碳钢，除了防止因这些因为应力所引起的裂纹外，还要特别注意防止因淬硬而引起的裂纹。 焊接特点 低碳钢的含碳量低（≤0.25%），其它合金元素含量较少，故是焊接性最好的钢种。采用通常的焊接方法后，接头中不会产生淬硬组织或冷裂纹。只要焊接材料选择适当，便能得到满意的焊接接头。 用电弧焊焊接低碳钢时，为了提高焊缝金属的塑性、韧性、和抗裂性能，通常都是使焊缝金属的碳含量低于母材，依靠提高焊缝中的硅、锰含量和电弧所具有较高的冷却来达到与母材等强度。因此，焊缝金属会随着冷却速度的增加，其强度会提高，而塑性和韧性会下降。当厚板单层角焊缝时，焊角尺寸不宜过小；多层焊时，应尽量连续施焊；焊补表面缺陷时，焊缝应具有一定的尺寸，焊缝长度不得过短，必要时应采用100-150℃的局部预热。
1 超细晶粒钢 1.1 分类 传统钢中，晶粒尺寸在100 (im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TMCPT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卩m最小可达10卩m＞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80X 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 um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NbVTi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。
碳的质量分数不超过0.21％，加入适量的合金元素Si、Mn、Cr、Ni、Mo、Cu ,经过奥氏体化—淬火—回火热处理的钢称为低碳调质钢，常用牌号有WCF60、62、HQ70A、HQ70B、15MnMoVN、15MnMoVNRE 和14MnMoNbB等。 低碳调质钢具有高的屈服点(490-980MPa)、良好的塑性、韧性、耐磨、及耐腐蚀性。 低碳调质钢由于含碳量不高，虽含有一定量的合金元素，但焊接性较好，主要特点是：在焊接热影响区、特别是焊接热影响区的粗晶区有一定的冷裂倾向并有韧性下降的现象；在焊接热影响区受热时未完全奥氏体化的区域，以及受热时其最高温度低于Ac1、高于钢调质处理的回火温度的那个区域有软化或脆化的倾向。 常用的各种熔焊方法,都可以适用焊接低碳调质钢。 (1)焊前预热—当板厚较小或接头拘束度也较小时,焊前可不进行预热。15MnMoVN、14MnMoNbB钢。当板厚小于13mm时，通常采用不预热施焊。随着板厚的增加，为了防止产生冷裂纹，必须进行预热，但是必须严格控制预热温度，因为过高的预热温度会使热影响区的冷却速度过于缓慢,使热影响区强度下降，韧性变坏。 低碳调质钢的最低预热温度 焊件厚度15MnMoVN 14MnMoNbB <13 不预热不预热 13-16 50-100 100-150 16-19 100-150 150-200 19-22 100-150 150-200 22-25 150-200 200-250 25-35 150-200 200-250 允许的最高预热温度与表中最低值相比,不得大于65C。若有可能，可采用低温预热加后热或不预热，只采用后热的方法来防止低碳调质钢产生冷裂纹，可以减轻或消除过高的预热温度对热影响区韧性的损害。 (2)焊接材料—为防止产生冷裂纹,因此必须严格控制焊接材料的含氢量,要求所使用的焊条必须是低氢型或超低氢型的,焊前应严格按规定进行烘干、贮存。用于CO2气体保护焊的CO2气体应符合GB6052-85中规定的I级气体或II级1类气体的要求。 焊接低碳调质钢推荐用的焊接材料 钢号手弧焊焊条(熔化极气体保护焊)焊丝保护气体％ HQ70A CO2 HQ70B 或 E7015 H08Mn2NiMo Ar+CO220 15MnMoVN 或 15MnMoVNRE Ar+O21-2 15MnMoVNRE(QJ-70) E7515/E8515 H08Mn2NiMo Ar+CO220 14MnMoNbB E7515/E8515 H08Mn2NiMo Ar+O21-2 (3)焊接技术—为避免过度损伤热影响区的韧性,应避免使用过大的线能量,因此,不推荐使用大直径的焊条或焊丝。只要可能，应采用多层小焊道焊缝,最好采用窄焊道，而不采用横向摆动的运条技术。 (4)焊后热处理—大多数低碳调质钢的焊接构件都是在焊态下使用，只有在下述条件下才进行焊后热处理： 1)焊后或冷加工后的韧性过低。 2)焊后需进行高精度加工，要求保证结构尺寸的稳定性。 3)焊接结构承受应力腐蚀。 焊后热处理的温度必须低于母材调质处理的回火温度。
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
锈钢板，是指生了锈的钢板。根据生锈的阶段不同，呈现不同的颜色和表面状态。生锈的初期会呈黄色，然后随着生锈进程的推移，逐渐显现金黄色，橙黄色，橙色，橙红，红褐色最后在红褐，或者褐色稳定下来。耐候锈钢板在腐蚀初期，表面生成的锈层较碳钢致密，裂纹和孔洞相对较少;二十五天后碳钢和耐候钢局部都出现了分层现象，腐蚀产物没有区别，差别主要是锈层中合金元素的作用。耐候钢锈层中有Cu、Cr合金元素的析出，聚集在裂纹处可抵御大气中水气及其有害离子的侵入，防止基体金属进一步腐蚀。 （详情点击进入官网咨询） 耐候钢运用编辑 工程实例 一、高性能耐候钢和耐火钢可减小钢结构的维护费用，为解决外露无防护钢结构的防火防腐问题提供了新的解决方案, 如高压电塔 二、耐火耐候钢的制作安装工艺与常规钢材基本相同，设计方法亦与普通钢结构相同，
但需要更多试验验证 三、高强度耐候钢已在桥梁工程中推广应用，需要研究设计理论和方法 四、耐火耐候钢也可运用于楼承板 耐候钢制造工艺 耐候钢一般采用精料入炉-冶炼(转炉、电炉-微合金化处理-吹氩-LF精炼-低过热度连铸(喂入稀土丝)-控轧控冷等工艺路线。在冶炼时，废钢随炉料一起加入炉内，按常规工艺冶炼，出钢后加入脱氧剂及合金，钢水经吹氩处理后，随即进行浇铸，吹氩调温后的钢水经连铸机铸成板坯。由于钢中加入稀土元素，耐候钢得到净化，夹杂物含量大为减少。 耐候钢（即耐大气腐蚀钢）在融入现代冶金新机制、新技术和新工艺后得以可持续发展和创新。耐候钢由普碳钢添加少量铜、镍等耐腐蚀元素而成，具有优质钢的强韧、塑延、成型、焊割、磨蚀、高温、疲劳等特性；耐候性为普碳钢的2~8倍，涂装性为普碳钢的1.5~10倍，能减薄使用、裸露使用或简化涂装使用。该钢种具有耐锈，使构件抗腐蚀延寿、减薄降耗，省工节能的特性，使构件制造者、使用者受益。耐候钢产品供制造集装箱、铁道车辆、石油井架、海港建筑、采油平台及化工石油设备中含硫化氢腐蚀介质的容器等结构件。
超细晶粒钢中焊接HAZ晶粒长大规律分析 林震欧① (温州市苍南县立瓯石化设备有限公司 浙江温州325000) 摘要 根据传统金属学和焊接冶金学理论,对800M Pa和400MPa两个强度级别新一代钢铁材料进行焊 接热模拟试验,分析了焊接热影响区HAZ晶粒长大规律。结果表明,随着T P 和t 8/5 的逐渐增大,新一代钢铁 材料焊接HAZ的奥氏体晶粒都存在严重的长大倾向,且400MPa级比800MPa级的HAZ奥氏体晶粒长大更为严重。对冶金设备制造具有重要意义。 关键词 新一代钢铁材料 焊接 晶粒长大 热影响区 Ana lysis of the Rule of W eld i n g HAZ Gra i n Growth i n the Ultra2f i n e Gra i n Steel L in Zhenou (W enzhou Cangnan County L i ou Petr oche m icals Equi pment L i m ited Company) ABSTRACT Based on physical metallurgy and welding metallurgy,The ne w generati on steel materials with 400M Pa and800MPa yield strength was measured by welding ther mal si m ulati on and the rule of welding HAZ grain gr owth was studied.It’s show that the welding HAZ austenitic grain of new generati on steel materials has a seri ous gr owth,and the HAZ grain gr owth of400MPa strength has more seri ous than800MPa. KE YWO R D S Ne w generati on steel materials W elding Grain gr owth HAE(Heat acti onfarea) 1 引言 目前,国内已经对新一代钢铁材料进行了探索,新一代钢材只有在实现了超洁净度、超细晶化、超均匀化(即“三超”)才能在成分基本不变的情况下实现高强、高韧性(“两高”)。对于新一代钢铁材料来说,在焊接热作用下,其晶粒长大是必然存在的。而且晶粒越小,晶粒长大速度和长大驱动力就越大,因此新一代钢铁材料经过焊接后,焊接接头,尤其是焊接的HAZ性能能否保持具有“三超”特征母材的性能水平将成为重点关注的问题[2]。但由于超细晶粒具有“三超”、“两高”特点,其长大规律不一定完全符合根据传统钢材建立起来的HAZ 晶粒长大规律,因此有必要研究新一代钢铁材料HAZ晶粒长大规律,这对推广和应用新一代钢铁材料均具有重要意义。 2 实验材料与方法 采用上海宝山钢铁总公司生产的400MPa级(ss400钢,板厚为3mm)和由钢铁研究总院提供的800MPa级(x52钢,板厚为1.8mm)新一代钢铁材料,成分列于表1。 表1 400M Pa级和800M Pa级新一代钢铁材料的化学成分(wt%) 试验材料C Si M n P S A l Nd Ti 400M Pa级0.170.090.360.0130.0130.025// 800M Pa级0.090.181.370.0110.0070.0010.0510.017 首先分别将400MPa级和800MPa级新一代钢铁材料制作成3.0×10.5×80mm和1.8×10.5×80mm的板状热模拟试样,其板面的粗糙度为R a =1.60,然后在Gleel2 ble21500热模拟试验机上进行两系列的焊接热模拟,如图 Extra Editi on2007 冶 金 设 备 MET ALLURGI CAL E QU I P M E NT 2007年特刊 ①作者简介:林震欧,男,主要从事特种设备的检验工作
超细晶粒钢制备技术 1、名词解释： 超细晶粒钢(Ultrafine —Grained Steel，简称UFG钢，目标粒径约1um)乍为21 世纪的代表性先进高性能金属结构材料，其强化思路具有鲜明的特点，即通过晶粒的超细化同时实现强韧化，完全不同于传统的以合金元素添加及热处理为主要手法的强化思路。其优点在于：能同时实现强韧化；可尽量少用合金元素降低碳当量、改善焊接性，并利于循环利用以降低对环境的损害。 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。 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、分类： 传统钢中，晶粒尺寸在100卩m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)TMC库冈 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 fl m最小可达10卩m。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，充分利用合金化乍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、ON H元素的总含量小于80X10-6，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?10i m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。
2.1 材料选用 2.1.1 母材材料选用 2.1.1.1 钢结构对材料的要求[5] 钢结构所用的钢必须符合下列要求： 1）较高的抗拉强度f u和屈服点f y f y是衡量结构承载能力的指标，f y高则可减轻结构自重、节约钢材和降低造 价。f u是衡量钢材经过较大变形后的抗拉能力，它直接反映钢材内部组织的优劣，同时f u高可以增加结构的安全保障。 2）较高的塑性和韧性 塑性和韧性好，结构在静载和动载作用下有足够的应变能力，既可减轻结构脆性破坏的倾向，又能通过较大的塑性变形调整局部应力，同时又具有较好的抵抗交变荷载作用的能力。 3）良好的工艺性能 良好的工艺性能不但能保证通过冷加工、热加工和焊接加工成各种形式结构，而且不致因加工而对结构的强度、塑性、韧性等造成较大的不良影响。 此外，根据结构的具体工作条件，有时还要求钢材具有适应低温、高温和腐蚀性环境能力。 按以上要求，钢结构设计规范具体规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证；焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证；对某些承受动力荷载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构尚应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。 2.1.1.2 钢结构用钢的分类[5] 在钢结构中采用的钢材主要有两种：碳素结构钢（或称普通碳素钢）和低合金结构钢。 1）碳素结构钢 根据国家标准《碳素结构钢》（GB700-88）的规定，将碳素结构钢分为Q19 5、Q215、Q235、Q255和Q275等五种牌号，钢的牌号有屈服强度字母（Q）、屈 服强度值、质量等级符号（A、B、C和D）、脱氧方法符号等四部分顺序组成。 常见用钢具体参数见表2-1-1。 2）低合金钢
!焊接技术"##$年"月第%#卷第$期 目前世界各国的研究者已着手进行"$世纪钢铁材料的研究。我国国家重点基础攻关项目（&’%）也对新一代的钢铁材料进行了研究开发，其中超细晶粒钢是一种能提高强度而不降低韧性，甚至提高韧性的钢材。但该钢在进行焊接时，由于热作用使热影响区晶粒长大，将影响焊接热影响区（()*）的性能。本文以++,##钢为例，探讨了焊接接头()*的断裂性能。 在“合于使用”的基础上，采用全面屈服准则进行相关的评定。图$示出了两种断裂情况。图$-为韧带屈服断裂情况。裂纹失稳前，塑性变形限于裂纹前的韧带区，而无裂纹区仍处于弹性状态。由该图可见，其断裂应力低于整体屈服应力，因此属低应力破坏范畴，显然这种断裂依据“合于使用”原则由于强度原因是不能接受的。图$.为全面屈服断裂情况，此时，在裂纹失稳前不仅裂纹的韧带部位产生塑性变形，而且无裂纹区也产生塑性变形。这证明结构的整体性能得到发挥。断裂时不仅具有良好的塑性，而且构件能承受至少等于材料屈服限的断裂应力。显然这种断裂依据“合于使用”原则是可以接受的。 对于一种材料，在韧带屈服断裂与全面屈服断裂之间，存在一极限裂纹尺寸!/0。当构件中的裂纹尺寸!1!/0值时，发生全面屈服断裂；当!"!/0值时，则发生韧带屈服断裂。本文根据试验得到母材的!/0值及焊接接头的!/0值，通过它们的对比来评定超细晶粒钢的()*的断裂行为。! 试件的制备及试验程序 试验材料为++,##超细晶粒钢。其化学成分及力学性能见表$，++,##钢熔敷金属（2+,#34)）的化 表! ""#$$钢的化学成分及力学性能 表% ""#$$钢熔敷金属（&"#$’()）化学成分及力学性能 化学成分567 力学性能3+89+):;#?""@567冲击韧性!A =2=/B " #C D "#C D "#C D !#C #?$’ #?#& #?#$% #?#$% #?#"@ #?%! ,E# %!@ $@% %" &"&%E&EE 3#?#, +8#?%@ ;<$?"$ 91#?#$ +1#?#$ F8 #?!@ 34#?%% 30#?##" ;G #?#$ !$=;9-@"#!#=;9-!$# #567 ’E %A>=2$"# "@（6）"! 收稿日期："###H#&H"&；修订日期："###H$$H""基金项目：天津市自然科学基金资助项目5##%!#%&$$7 作者简介：朱政强5$&’!—7，男，湖北英山人，天津大学材料科学与工程学院&&级硕士研究生，从事焊接结构强度及断裂方面的研究? 学成分及力学性能见表"。 母材试件尺寸为%BB I "##BB I "$#BB ；焊接试件由两块%BB I "##BB I $#@BB 的板焊制而成。++,##钢的组织为均匀分布的铁素体J 珠光体， 铁素体相的平均晶粒尺寸为’!B ；其热影响区的组织为珠光体J 铁素体，其中铁素体部分呈针状分布，构成魏氏组织。其热影响区的显微组织见图"。 本试验中的裂纹是借助线切割机在母材试件中心 化学成分567 力学性能 图! 两种断裂形式 超细晶粒钢焊接接头热影响区的断裂评定研究 文章编号：$##"H#"@K 5"##$7#$H###!H#" 朱政强，荆洪阳，霍立兴，张玉凤 （天津大学材料科学与工程学院，天津%###’"） 摘要：对超细晶粒钢进行宽板抗拉试验，直接评定和研究了超细晶粒钢焊接接头的断裂行为。采用全面屈服准则确定了母材及热影响区的临界裂纹尺寸。试验结果表明虽然焊接热作用使试件热影响区的晶粒长大，但其抗断性能并没有恶化。关键词：超细晶粒钢；焊接接头；全面屈服；韧带屈服；断裂评定中图分类号：LM,#’ 文献标识码：N ?试验与研究? 万方数据