21世纪超低碳贝氏体钢种的研究进展

21世纪超低碳贝氏体钢种的研究进展

低碳贝氏体（ucb）钢被认为是世界上最具前景的钢种之一。与普通低合金钢相比，钢的碳质量比通常低（通常小于0.05%）。在强度低的情况下，它仍然可以保证较高的强度，并满足不利条件下的焊接性能要求。广泛应用于石油管道、船舶、大型构件和海上设施的领域。目前，它是一种与传统铁素体和马氏体火焰回收钢同时组成的强大强度钢。21世纪被称为绿色环保钢。1其他市场研究随着时代的发展,传统的材料越来越不能满足高性能、低成本的使用要求,迫切需要开发新钢种.研究表明,铁素体-珠光体钢强度极限水平仅为500~550MPa,而马氏体淬火回火钢的强度虽然可达到很高,但其强度的提高是以牺牲韧性和焊接性为代价的,马氏体淬火回火钢存在着强度与韧性和焊接性这一难以解决的矛盾.早在20世纪60年代,Irwin和Pickering发现当钢中碳的质量分数接近零时,钢的连续冷却转变曲线中的贝氏体鼻子就会左移以至在很宽范围的冷却速率下形成贝氏体组织,而且在该条件下马氏体和贝氏体组织两者之间的强度差异达到可以忽略的程度.Coldren等人给出贝氏体开始转变温度与强度的线性关系.由于缺少碳的强化作用,可以通过固溶强化获得超过690MPa的高屈服强度.另外,McEvily等人强调钢的洁净度同超低碳一样能改善轧制钢板的韧性.实际上,Leslie等人报道去掉间隙元素能消除材料CVN(夏比V形槽试样)冲击转变温度对晶粒尺寸的依赖性.20世纪80年代以后,ULCB钢有了更大发展.ULCB钢最初用于严酷条件下(如寒冷地带)的大口径高压管线,随后广泛用于工程机械、大型构件等领域,近几年美、英、澳大利亚等国已将ULCB钢用于海洋设施、造船及海军舰艇上.目前在国际上以美国的Cu-Nb-B系列和日本Mn-Nb-B系列为代表钢种.进入21世纪,日本和美国对ULCB钢的研究异常活跃,日本川崎制铁公司在2003年采用轧后直接淬火并回火工艺生产了HT780ULCB,其成分为0.02C-0.23Si-2.00Mn-0.035Al-0.013Ti,另有一定量Cu、Ni、Cr、Mo,冷裂纹敏感性指数Pcm=0.21%,50mm厚度钢板的屈服强度为713MPa,抗拉强度为830MPa,延伸率为21%,Akv,-40℃为179J;据最新报道,日本最近开发出了抗拉强度590MPa的桥梁和建筑用75mm特厚超低碳贝氏体钢.国内,为了获得具有高强度与优良韧性相结合的新一代舰舶用钢,含1%以上铜的ULCB钢的研究正在进行,600~700MPa级含铜工程结构用钢正在开发.宝钢、武钢与北京科技大学合作,于90年代初起步,陆续开发了500~700MPa级Cu-Nb-B系和Mn-Nb-B系ULCB钢,并已用于高压石油管线和推土机等大型工程机械.鞍钢、上钢三厂、武钢等相继于90年代中后期开发了420~800MPa级ULCB钢,钢板的最大厚度可达50mm.进入21世纪,中国ULCB钢的开发和应用进一步得到扩大.2材料、组织和焊接2.1cct曲线的贝氏体强化成分上采用低碳,复合加入V、Mo、B、Mn、Cr等合金元素.Mo使铁素体析出线明显右移,和B的复合作用,使过冷奥氏体向铁素体的等温转变曲线进一步推移,贝氏体开始转变明显突出.Cr、Mo和Mn元素扩大了CCT曲线的贝氏体相变区,提高了过冷奥氏体的稳定性.Mn、Mo元素提高了淬透性,延迟γ/α相变,促进了针状铁素体抑制了多边形铁素体形成.于是得到良好的贝氏体组织.钢的强度不再依靠C及合金元素的总量,而是靠贝氏体组织中的位错强化、控轧和控冷细晶粒强化、V、Ti、Nb等微合金强化以及ε-Cu的沉淀强化.因此钢中C的质量分数大幅度降低,合金元素的总量也较低.2.1.1低碳贝氏体钢的特性C不再对ULCB钢的强度起决定性作用,因此为保证形成韧性良好的全贝氏体组织,C质量分数可以低于0.05%;但为形成足够的NbC、TiC等高熔点的碳化物,碳质量分数不应低于0.01%.低碳贝氏体钢在成分上采用低碳,复合加入V、Mo、B、Mn、Cr等合金元素.Mo使铁素体析出线明显右移,和B复合作用,使过冷奥氏体向铁素体的等温转变曲线进一步推移,贝氏体开始转变明显突出.Cr、Mo和Mn元素扩大了CCT曲线的贝氏体相变区,提高了过冷奥氏体的稳定性.Mn、Mo元素提高了淬透性,延迟γ/α相变,促进了针状铁素体抑制了多边形铁素体形成.于是得到良好的贝氏体组织,该钢种具有良好的强韧性和焊接性.2.1.2小热值钢合成剂的作用Mn是贝氏体钢中的基本元素,加入量一般为1.5%~2.0%.钢中含一定量的Mn时,可使过冷奥氏体转变曲线上存在明显的河湾,并显著推迟高温转变,使钢的上、下C曲线分离,尤其是Mn与B相结合,使高温转变的孕育期明显长于中温转变,这样有利于在较宽的冷速范围内,获得完全的贝氏体组织.Mn还降低贝氏体转变温度,细化晶粒,增加贝氏体铁素体内的位错密度.2.1.3高密度畸变区从ULCB钢的化学成分发展来看,Nb和B是ULCB钢的基本合金元素.B的作用主要是提高淬透性,而Nb起着多方面的作用:首先,微量Nb可以抑制高温奥氏体的变形再结晶行为,提高再结晶温度,扩大非再结晶区,从而加大非再结晶区轧制时的变形积累,引入大量高密度畸变区,这些高密度畸变区在随后的冷却过程中成为相变核心,大幅度促进相变组织细化;同时轧制产生的大量位错,在贝氏体相变过程中,一部分保留下来,大幅度提高了贝氏体基体强度.其次,由于Nb、B相互促进,使得复合加入比单独加入Nb或B,更能发挥作用.再次,提高ULCB钢的回火稳定性,保持焊接接头热影响区良好性能.微量Nb的加入,在基体中产生大量弥散分布的难熔的碳氮化物Nb(CN),在回火过程中钉扎位错,使得位错不容易恢复和消失,保证基体的强度;在焊接时,这些碳氮化物阻碍热影响区晶界的移动,避免晶粒长大.最后,Nb和B等复合加入,降低贝氏体的转变温度,进一步细化组织,提高基体中位错密度.2.1.4tin、cu、ni的作用Mo可以降低贝氏体转变温度,同时Mo与B联合作用显著推迟铁素体转变,而对贝氏体转变影响不明显.Ti的作用是固定钢中的N,避免N与B结合.同时形成的TiN可以起到Nb的碳、氮化物所起的作用.Cu的作用是产生时效析出强化.Ni主要是降低韧脆转变温度,进一步提高韧性,尤其在ε-Cu时效强化的ULCB钢中,加入Ni可防止铜的热脆性.2.2显微组织及晶体结构在低碳贝氏体钢工业化生产过程中,微合金成分控制和控轧、控冷工艺等对低碳贝氏体钢的组织类型和性能都有重要影响,但通常在连续冷却条件下,其金相组织主要为无碳贝氏体和少量的残余奥氏体、高熔点碳、氮化物、铁素体、马氏体等.在透射电镜下观察,ULCB钢组织内精细结构比较复杂:1)贝氏体铁素体的基本结构单元是一系列的板条,板条边界由位错墙组成,板条内存在大量高密度的位错,回火前其位错形态分两类,一类是轧制过程中产生的相互缠结成团的高密度位错,这些位错上有许多细小的析出物;另一类是贝氏体相变时产生的位错,基本平行排列,分布较均匀,它们并不相互缠结,其上也没有析出物.2)贝氏体晶粒是由具有细小亚结构的贝氏体铁素体组成,亚结构比较复杂,受轧制工艺的影响较大.3)根据成分系的不同,组织中的细小析出物主要是Nb、V、Ti等碳、氮化物和ε-Cu粒子.另外,借助控轧、控冷、热机械轧制(TMCP)、弛豫-析出-控制相变(RPC)等现代先进的轧钢技术,ULCB钢组织可达到超细化,晶粒度可达11~12级.Mn-Mo-Nb-B系低碳贝氏体钢在连续冷却时,在冷却速度大于1℃·s-1冷却时,不发生先共析铁素体转变.不同冷却条件下会得到粒状贝氏体和板条贝氏体为主的不同类型组织.冷却速度为1℃·s-1时,变形奥氏体内首先生成针状铁素体,随着进一步冷却,针状铁素体组织数量增加,并且逐渐连成一片,在其内部残留一些M/A小岛,在粒状贝氏体团或准多边形铁素体之间边角处会存留较大块的残余奥氏体,它们冷却到室温转变成马氏体.ULCB钢的组织结构特征由金相、电镜观察可见试验钢轧态的组织为以贝氏体铁素体为基体,其上分布有M/A岛、细小的碳氮化合物及ε-Cu粒子,只有少量的多边形铁素体;经650℃时效处理后,M/A岛发生回火转变分解成回火索氏体,并有较多的ε-Cu粒子析出,在650℃时碳氮化合物及ε-Cu粒子已明显粗化.ULCB钢由于碳含量低,其基体组织形态属于无碳贝氏体,贝氏体板条之间无碳化物,板条内亦无碳化物析出,板条内存在大量的位错,而板条的边界由位错墙构成,板条之间存在一些尺寸细小的M/A岛.2.3热-液界面及微织构的作用焊接性优良是超低碳贝氏体钢的一大特点,对强度600MPa级以上、厚度小于50mm的钢板,焊前无需预热,焊后也无需后热处理.分析ULCB钢的成分、组织及微结构,其优良的焊接性主要表现在以下几方面.1)ULCB钢焊态显微组织主要是贝氏体类组织,由于极低的碳含量加之合理的合金元素配比,使得HAZ组织中几乎不出现板条间有碳化物析出的上贝氏体,而主要是以下贝氏体及其他类型贝氏体为主,因此ULCB钢HAZ表现出较佳的低温韧性.在焊接热影响区的粗晶区,-40℃的CVN冲击值可以保持在80~100J以上.其次,ULCB钢的合金设计特点就是保证在较宽的冷却速度范围内都能够获得均匀的贝氏体组织.因而,在较宽的能量范围内,ULCB钢的HAZ组织,较HY280或HY2100等钢种更能够保持相对的稳定性,从而HAZ韧性变化不大.微合金元素Nb、V、Ti等元素的加入,能够使得HAZ区奥氏体晶粒的长大被有效抑制,即使是在130kJ·cm-1的大线能量条件下,Ti-B系列ULCB钢的HAZ区,由于TiN的析出,在晶内充当形核质点,使得HAZ组织大大细化,从而HAZ的韧性改善.由于M-A组元小岛随碳含量而变化,所以碳含量很低的ULCB钢HAZ紧邻熔合线的粗晶热影响区(CGHAZ)在高线能量焊接时,生成M-A小岛的可能性很小,从而ULCB钢的HAZ区具有较高的低温韧性.2)从HAZ抗冷裂纹、延迟裂纹及焊道下裂纹的能力来说,由于碳含量的显著降低,ULCB钢的碳当量明显减小(可以降至0.3%或更小),HAZ淬硬成马氏体的可能性极小,裂纹敏感指数也明显减小,从而在Graville图上,ULCB钢落入易焊区,这样就有效地避免冷裂纹的产生,保证钢种焊接性优良.3)由于独特的合金设计,ULCB钢即使是在很高线能量的条件下,HAZ仍然具有理想的综合性能,尤其是低温韧性极佳.4)ULCB钢优良的焊接性主要表现在热影响区具有良好的性能.通过采用超低碳及合金化,以在焊缝中形成超低碳贝氏体组织的途径,来获得与ULCB钢母材性能相匹配的焊接材料是ULCB钢焊接中的关键环节.3优势进入21世纪,超低碳贝氏体钢在中国的开发和应用逐步走入成熟阶段,目前屈服强度从400~800MPa的超低碳贝氏体钢已形成系列,其中400~700MPa级钢满足批量生产供货的要求,并已用于大型工程机械,800MPa级钢处在研发和试生产阶段.与传统的铁素体-珠光体钢和马氏体淬火回火钢相比,ULCB钢有其独具的优点.1)焊接性极佳,在常温甚至寒冷地带,无需预热(或对厚板仅需低预热)和后热处理,降低施工人员的劳动强度,节约能源.2)易与先进的冶金、轧钢工艺相结合,无需再加热淬火,节约能源,在生产高级别钢种的同时降低钢板的生产制造成本.3)由于成分设计思想的创新,钢的强度不再依赖于钢中碳含量和合金元素的总量,强度的提高主要通过先进的工艺来获得,因此在强度提高的同时,材料的韧性和焊接性不损失或损失很小.4)韧性的提高不再主要靠添加合金元素Ni,而是靠先进的轧钢工艺来细化晶粒、改变组织而获得,因此ULCB钢在提高韧性的同时,节约贵重金属,降低钢板的生产制造成本.5)由于成分设计的特殊性,在较宽的冷却速度范围内,能够获得基本完整的贝氏体组织,也就是