低碳贝氏体钢的研究现状与发展前景

1、低碳贝氏体钢地研究现状与发展前景(1西北工业大学凝固技术国家重点实验室，西安710072;2邯郸钢铁集团公司技术中心，邯郸056000摘要：综述了低碳贝氏体钢地国内外研究现状，指出低碳贝氏体钢性能优良且成本低廉.并结合低碳贝氏体钢地市场需求和邯钢品种钢地研发方向，展望了低碳贝氏体钢地发展前景，提出低碳贝氏体钢产品品种地开发及其控轧控冷工艺地研制是其研究方向关键词：低碳贝氏体钢贝氏体组织控轧控冷项目机械制造、架设桥梁、造船、车辆制造、航空等领域广泛地使用着各种规格地钢板.因为服役条件及焊接工艺地限制，这类用途地钢板不仅要求材料具有足够地强度和塑性而且还要求具备一定地低温韧性和优良地焊接性能，以适

2、应野外作业和制造工艺地要求.坚持科学地发展观，从资源和成本核算考虑，用户普遍要求使用高性能、低成本地金属材料.低碳贝氏体钢正是为满足这一需求而研发地，已广泛应用于桥梁、建筑、车辆、水轮机壳体、舰船、飞机构件及其它紧固件、轴类件等方面，超高强度地低碳贝氏体钢还将满足这些构件地减重要求.20世纪20年代末，Robertson首次在钢中发现后来被命名为贝氏体地中温转变产物.后来研究人员又进一步发现了上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体、无碳化物贝氏体、柱状贝氏体、反常贝氏体、块状贝氏体、低碳低合金贝氏体、准贝氏体等组织形态，形成了比较完整地贝氏体相变理论.近几十年来，贝氏体理论地应用研究取得了重大进展，贝

3、氏体钢地研究开发已经引起学术界和项目界地高度重视，在工业生产中也得到了广泛应用.1低碳贝氏体钢低碳贝氏体钢是以铝钢或铝硼钢为基础，同时加入镒、铭、馍以及其他微合金化元素(铝、钛、锐,从而开发出一系列低碳贝氏体钢种.这类钢地含碳量多数控制在0.16%以下,最多不应超过0.120%3.因为低碳贝氏体组织钢比相同含碳量地铁素体-珠光体钢具有更高地强度，因此，低碳贝氏体钢种地研发将成为发展屈服强度为450800MPa级别钢种地主要途径.低碳贝氏体钢中主要添加地合金元素及其作用如下：(1碳元素是强间隙固溶强化元素，可提高强度，但不能依靠其提高强度.尽量降低含碳量，即保持一定地韧性，也为了获得良女?地焊接

4、性.(2铝元素能够使钢在空冷条件下获得贝氏体组织.铝元素使钢地奥氏体等温转变曲线中地铁素体析出出现明显右移，但并不明显推移贝氏体转变，所以过冷奥氏体得以直接向贝氏体转变，而在此前没有或者只有部分先共析铁素体析出，这样也就不再发生珠光体转变，如图1所示.(3利用微量硼元素，使钢地淬透性明显增加.铝硼复合作用使过冷奥氏体向铁素体地等温转变曲线进一步右移，使贝氏体转变开始线明显突出.为了在空冷条件下得到全部低碳贝氏体组织，铝硼复合作用十分有效，如图1所示.(4硅元素是固溶强化元素，使贝氏体转变发生在更低地温度，并使贝氏体转变C曲线右移.(5加入其它能够增大钢过冷能力地元素，如镒、铭、馍等，以进一步增

5、大钢地淬透性,促使贝氏体转变发生在更低地温度，目地是获得下贝氏体组织，增加其强度.(6加入强碳化物形成元素，即微合金化，以保证进一步细化晶粒.同时，微合金化也可以产生沉淀强化效果.奥氏体化地钢过冷到Bs(g550C至Ms温度范围等温，将产生贝氏体转变，也称中温转变.它是介于扩散性珠光体转变和非扩散性马氏体转变之间地一种中间转变.在贝氏体转变区域没有铁原子地扩散，而是依靠切变进行奥氏体向铁素体地点阵重构，并通过碳原子地扩散进行碳化物地沉淀析出.一般贝氏体转变会形成3种贝氏体组织：上贝氏体、下贝氏体、粒状贝氏体.上贝氏体地形成温度较高，呈羽毛状，性能较差。下贝氏体地形成温度低，其中铁素体片较细，且

6、是位错亚结构，碳化物地弥散度也大，呈针状，性能优良。粒状贝氏体地形成温度最高，是由块状铁素体和岛状地富碳奥氏体所组成，性能优良.由不同冷却速率下地低碳贝氏体钢地过冷奥氏体等温转变动力学曲线示意图可知，对于铝钢，V1将发生铁素体转变，V2发生上贝氏体转变丫3发生下贝氏体转变.而对于铝硼钢，其过冷奥氏体等温转变动力学曲线明显右移，表明在较低地冷却速率下可发生贝氏体转变.所以，低碳贝氏体钢必须控制轧制与控制冷却工艺，特别是严格地控制冷却工艺，才能得到细小地贝氏体组织，以保证获得优良性能.(1西北工业大学凝固技术国家重点实验室，西安710072;2邯郸钢铁集团公司技术中心，邯郸0560002低碳贝氏体

7、钢国际研究现状国外学者根据贝氏体相变理论对贝氏体钢进行了大量地研究，设计了不同成分地钢种和生产工艺，形成了不同系列地贝氏体钢，大大推动了贝氏体钢地发展及其应用.20世纪50年代,英国人P.B.Pickering等发明了Mo2B系空冷贝氏体钢.Mo与B地结合可以使钢在相当宽地连续冷却速度范围内获得贝氏体组织.因为生产成本较高，因此该钢种地发展受到一定限制.日本东京钢公司研制了低碳含V贝氏体非调质钢，该钢锻后空冷得到以贝氏体为主及少量铁素体和珠光体地显微组织，其抗拉强度达到8001000MPa,室温冲击韧性为50J/cm2,而-40C冲击韧性仍高达40J/cm2.日本新日铁公司在贝氏体非调质钢地研

8、究开发中多添加微合金化元素，这类钢在很宽地冷却速度范围内都可获得贝氏体组织，并可获得更好地低温性能适合于强度高、韧性好地汽车行走系部件.F.G.Caballelo等在设计高强度贝氏体钢地研究中，设计了Fe20.2C22Si23Mn和Fe20.4C22Si24Ni两种钢成分.研究发现，Fe20.2C22Si23Mn贝氏体钢表现出良好地断裂韧性，强度可以达到13751440MPa。而增加碳含量，即Fe20.4C22Si24Ni成分地贝氏体钢强度可达15001840MPa,其断裂韧性稍低，但仍然要高于高强度马氏体钢.这两种钢均需回火处理.美国联邦铁路管理局与Tuskegee大学联合开发地低碳贝氏体钢

9、轨钢，其极限强度、屈服强度、延伸率分别为1500MPa、1100MPa和13%,比相同条件下地珠光体钢性能要高，且具有良好地断裂韧性（KIc=150MPa?m1/2,其值是相同条件下珠光体钢断裂韧性地115倍.低碳微合金化控轧控冷贝氏体钢研制成功后，受到项目界地注意，逐步得以推广应用在此基础上发展了超低碳地控轧控冷贝氏体钢（ULCB钢,含碳量小于0.05%.McEvily于1967年研制出采用Mn、Mo、Ni、Nb合金化地ULCB钢,经热机械控制（TMCP处理后，屈服强度达到700MPa,且具有良好地低温韧性和焊接性能.日本钢铁公司研制了X70和X80超低碳控轧贝氏体钢，其屈服强度高于500M

10、Pa,脆性转变温度（FATT小于-80C,它既可以作为低温管线钢，也可作为舰艇系列用钢.DeArDo等开发出ULCB2100型超低碳贝氏体中厚钢板（含碳量低于0.03%,通过控轧控冷处理和高度合金化实现细晶强化、弥散强化与位错强化地综合作用.该钢种以80%累积变形量进行精轧并随后空冷淇屈服强度可高达700MPa,且FATT可提高到-50C.巴西学者通过模拟高强低合金贝氏体钢地控轧控冷工艺过程，研究了控轧控冷工艺参数对其微观组织和力学性能地影响，发现轧制后冷却速率与终轧温度是主要地控制工艺参数.波兰学者研究了在热轧、淬火及回火加工条件下超低碳贝氏体钢地微观组织与力学性能，研究表明，可以获得屈服强

11、度大于650MPa、低温冲击性能为200J（213K地应用于造船、海上石油钻采平台、压力容器及高性能结构部件地超低碳贝氏体钢板近代工业发展对热轧非调质钢板地性能要求越来越高，除了具有高强度外，还要具有良好地韧性、焊接性能及低地冷脆性.目前世界上许多国家都利用（超低碳地控轧控冷贝氏体钢生产高寒地区使用地输油、输气管道用钢板、低碳含铝地低合金高强度钢板、高韧性钢板，以及造船板、桥梁钢板、压力容器用钢板等.3国内研究现状国内高强度钢地发展大约比国外落后数十年，目前我国鞍钢、武钢、舞钢、济钢和宝钢等企业均生产过低碳贝氏体钢板.总体上讲，国内钢铁企业基本上是跟踪国外地技术，采用与国外类似地合金化体系，技

12、术上主要采用微合金化和控轧控冷技术.清华大学方鸿生等在C曲线分研究中发现,Mn在一定含量时，可使过冷奥氏体等温转变曲线上存在明显地上、下离,发明了Mn2B系空冷贝氏体钢.他突破了空冷贝氏体钢必须加入Mo、W地传统设计思想，研制出中高碳、中碳、中低碳、低碳Mn2B系列贝氏体钢.西北工业大学康沫狂等通过多年地研究提出了由贝氏体铁素体（即低碳马氏体和残余奥氏体组成地准（非典型或无碳化物贝氏体，并成功研制了系列准贝氏体钢.与一般结构钢相比，新型准贝氏体钢具有更好地强韧性配合，其力学性能超过了典型贝氏体钢、调质钢和超高强度钢.山东工业大学李风照等根据贝氏体相变原理，通过合理控制成分和优化冷却制度，并运用

13、细晶强化、弥散强化等主要强韧化机制及其迭加效应，采用微合金变质处理，开发了隐晶或细针状贝氏体地高品质贝氏体或高级贝氏体钢我国低碳贝氏体钢地控轧控冷研究和应用相对较晚，在20世纪80年代初才开始这方面地工作.武钢于1999年开始试制板厚1230mm、抗拉强度达到590MPa、685MPa级别地低（超低碳贝氏体结构板，产品采用铁水预脱硫、RH真空处理工艺降低C含量，增添Mo2B2V2Nb等合金元素，且需热处理.济钢研制开发了一种新型地贝氏体高强钢（C2Si2Mn2Cr系,其特点是钢中不加入昂贵地Ni、Mo、B等元素，而用少量普通元素V、Mn、Cr合金化，以低廉地合金成本代价就能使钢板TMCP处理后

14、空冷自硬，从而节约大量热处理费用，降低了生产成本和生产难度.攀枝花钢铁公司与清华大学、二汽合作开发地贝氏体微合金非调质钢12Mn2VB代替45调质钢制造汽车前轴，效果良好.宝钢研究了Mn2Mo2Nb2B系超低碳贝氏体钢地钢坯加热、控制轧制、控制冷却、时效处理诸因素与钢力学性能地关系，生产了620MPa、690MPa、780MPa等3个级别地钢板.鞍钢采用控轧控冷工艺试制了HQ590DB超低碳贝氏体钢板.其终轧温度为800850C,控制终冷温度为590630C,获得铁素体和板条状贝氏体组织，钢板抗拉强度达650690MPa,屈服强度达490590MPa,延伸率为20%,并具有良好地成形性能.采用

15、奥氏体再结晶、未再结晶、奥氏体与铁素体两相区三段控轧工艺并配合相应地压下率，舞钢试制成功了低碳贝氏体钢WDB620、DB690及WH70.实践证明，采用合金化与控轧控冷工艺技术是生产强度高、韧性好、可焊性优良且成本低地贝氏体钢板地最好办法.国内对低碳贝氏体钢地研发大部分停留在实验研究阶段，只有个别厂家成功生产出性能优良、成本低廉地低碳贝氏体钢板.（1西北工业大学凝固技术国家重点实验室，西安710072;2邯郸钢铁集团公司技术中心，邯郸0560004低碳贝氏体钢地发展前景4.1 市场需求前景高强度低碳贝氏体钢被国际上公认为21世纪钢种，国外在20世纪80年代才开始进行研制.与普通低合金钢相比，该

16、钢种因为碳含量下降，在保证高强度地条件下，仍能保持很高地韧性，并在恶劣环境下能满足焊接性能，其应用范围广泛，可用于石油管线、舰船、大型结构件及海洋设施等方面.近些年，在机械、汽车等行业，非调质钢替代传统地调质钢已经获得了广泛地应用制造大型贮罐及运输船都采用非调质处理钢和微合金化中厚板钢.汽车工业发达地日本，其非调质钢发展最为活跃，川崎制铁开发出具有耐大气腐蚀性地非调质低碳贝氏体型中厚钢板.空冷贝氏体钢属于非调质钢中地一类.在生产中可将热加工成型工序与热淬火工序合并，空冷自硬，省去了淬火工序，不仅节约了能源，简化了工艺，提高了生产效率，而且可以避免因为淬火引起地变形、开裂及氧化、脱碳等热处理缺陷

17、.空冷贝氏体钢具有良好地综合力学性能，不仅提高了产品地质量，而且延长了产品地使用寿命，应用前景非常广阔.空冷贝氏体钢应用于制造汽车前轴，因为其热加工性能良好，同时因为具有优良地强韧度配合，故可提高前轴地质量及寿命.因此,对汽车前轴这类关键地保安件来说，采用空冷贝氏体钢制造，不仅经济效益显著，而且对保证汽车质量具有重要意义.1998年重汽集团公司与唐山贝氏体钢总厂联合开发了斯太尔汽车前轴用贝氏体钢24,其性能优良，力学性能可达到：屈服强度R500MPa,抗拉强度R900MPa,延伸率R17%,断面收缩率R61%.耐磨钢球是广泛用于矿山、冶金、电力、建材和化工等行业地重要易耗件，国内年耗量高达10

18、0万吨，国际市场容量在500万吨.目前使用地各种材料不仅成本高，而且因为硬度高、韧性差而使破碎率高.低碳贝氏体耐磨钢球从表面到心部都具有高硬度、高韧性、低破碎率,且工艺简单，低成本，生产效率高.低碳贝氏体钢还可应用于制作塑料模具、模块、贝氏体钢弹簧、建筑用高强度钢筋、铁路道岔、油田用抽油杆和作为项目结构及标准件用钢等.总之，低碳贝氏体钢种地研制与开发越来越引起材料界和工业行业地极大兴趣.目前国内各特殊钢厂都相继研制开发出一系列低碳贝氏体钢.低碳贝氏体钢地应用也正在不断深入国内各工业行业，所产生地经济效益也日益得到人们地认可.4.2 邯钢品种结构发展方向随着国际、国内经济地飞速发展和我国产业结构

19、地调整，国内外钢材市场消费发生了较大地变化，其中低合金高强度钢地市场需求增加幅度越来越大目前，邯钢中板生产线已能大量生产普碳钢、Q345，也能生产少量地船板、容器板、锅炉板等系列产品，并取得了良好地技术经济指标，但生产低合金高强度钢板地品种较为单一.邯钢“十一五”钢材品种生产及科技发展规划指出邯钢中长期钢材品种地发展方向和目标：到2007年板带比由50%提升至80%,板带材以建筑、造船、项目机械用热轧中厚钢板和板卷，汽车、家电、集装箱用薄板系列为主体地品种结构。到20.0年实现板带比达85%,最终形成以自主知识产权为主导地板带品种研发基地.邯钢新近引进了大板坯连铸机与新中板轧机等新设备，以调整产品结构，提高工艺设备水平，为提高邯钢产品地市场竞争力提供了设备保证.很明显，低碳贝氏体钢地研发符合邯钢