国际上超低碳贝氏体钢的发展

国际上超低碳贝氏体钢的发展

低碳贝氏体钢（ucb）是20世纪80年代发展起来的一种高强度、高耐候性和良好耐焊接性的新钢。由于其良好的焊接性，它可以很好地解决性能、成本、利润和能源之间的矛盾。今天，它是一个与传统铁素体、绢云母体和马氏体火山炉同时开采的高强度新钢。1超低碳贝氏体钢超低碳贝氏体钢的产生主要有两方面的因素。一方面,传统的材料已不能满足高性能、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(Rp≥600MPa),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。另一方面,现代冶金生产技术的发展与物理冶金研究成果的结合使得贝氏体钢的应用成为现实。对贝氏体的物理冶金研究表明,当钢中的C含量降到0.05%(w)以下时,贝氏体铁素体板条间不再产生脆性的碳化物,但组织内仍存在高密度的位错,其强度很高,韧性良好。随着现代先进的冶金生产技术不断涌现,使得同时大幅度降低C、S、P等杂质含量、高洁净化钢液以及超细化晶粒等得以实现,大幅度提高了贝氏体钢的综合性能,从而超低碳贝氏体钢就在大生产规模上发展起来了。国际上超低碳贝氏体钢真正大规模发展是20世纪80年代以后,以日本、美国、英国和德国为代表。超低碳贝氏体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、澳大利亚等国已将超低碳贝氏体钢用于海洋设施、造船及海军舰艇上。目前,国际上ULCB主要分为两大类:一类是以美国和加拿大为代表的Fe-Cu-Nb-B系列,另一类是以日本为代表的Fe-Mn-Nb-B系列。进入21世纪,日本和美国对ULCB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,日本最近开发出抗拉强度590MPa的桥梁和建筑用75mm特厚超低碳贝氏体钢。美国目前已将ULCB应用于舰船领域,拟替代难焊接的传统结构钢HY80/100。在国内,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,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、舞钢等相继于90年代中后期开发了420～800MPa级ULCB,钢板的最大厚度可达50mm。进入21世纪,我国超低碳贝氏体钢的开发和应用进一步扩大。2材料、组织和焊接2.1微合金强化的发展超低碳贝氏体钢的合金成分设计突破了传统的高强度低合金钢的成分设计思想,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。因此钢中的C含量大幅度降低,合金元素的总量也较低,表1为超低碳贝氏体钢的化学成分。2.1.1全贝氏体的c含量C不再对超低碳贝氏体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含量可以低于0.05%;但为形成足够的NbC、TiC等高熔点的碳化物,碳含量不应低于0.01%。2.1.2冷速及孕育期的作用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热处理区的选择从超低碳贝氏体钢的化学成分发展来看(见表1),Nb和B是超低碳贝氏体钢的基本合金元素。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。第三,提高超低碳贝氏体钢的回火稳定性,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。第四,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。2.1.4ti、cu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,导致B的失效。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中,加入Ni可防止铜的热脆性。2.2贝氏体基本结构依据成分、轧制工艺及轧后处理工艺的不同,超低碳贝氏体钢的组织也各不相同,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,超低碳贝氏体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,超低碳贝氏体钢组织可达到超细化,晶粒度可达11～12级。表2为文献研究的一种典型的Mn-Nb-B系超低碳贝氏体钢不同状态下的组织。2.3热影响区的特点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碳含量很低(<0.05%),碳当量也较低(一般Ceq<0.4%),焊接冷裂纹敏感性指数也很低(一般Pcm<0.25%)。根据Graville图依据焊接性对材料的划分,超低碳贝氏体钢已落入易焊接区。根据传统的可焊性判据,当Ceq<0.45%时,焊接25mm的厚板可不预热;当Ceq<0.45%,Pcm<0.27%时,小于37mm的厚板,可不进行预热。一般超低碳贝氏体钢热影响区最高硬度低于HV280,远低于为防止热影响区产生焊接裂纹而规定的最高硬度上限值HV350。(2)热影响区组织对线能量的适应性较强,线能量在很大范围内变化,尤其是在大的线能量输入条件下,热影响区保持相对稳定的组织。周宣等人对DB590钢的焊接性研究表明,焊接线能量为12～25kJ/cm,热影响区组织基本没有变化。谭细龙等人通过热模拟研究了屈服强度500MPa级超低碳贝氏体钢热影响区的组织,发现T8/5从30～60s变化,热影响区组织和性能均无明显变化。(3)焊接过程中,热影响区晶粒长大倾向小,主要有两方面的原因,一方面,超低碳贝氏体钢通过Nb、V、Ti等微合金化及Cu的时效,在基体中产生大量弥散分布的高熔点的碳、氮化物或ε-Cu粒子等析出物,这有效地阻碍了奥氏体晶界的移动;另一方面,由于焊接过程加热速度较快,贝氏体内大量的高密度位错来不及扩散、恢复以及消失,而保留到高温奥氏体区,这样新形成的奥氏体晶粒边界在向前推进中,要不断吞食具有高密度位错的贝氏体组织,这要比吞食内部结构单一的铁素体组织更难。另外,在奥氏体晶粒长大过程中,贝氏体内的高密度位错要在晶界消失,而位错的消失又需要一定的时间。(4)超低碳贝氏体钢贝氏体板条内,具有复杂的亚结构,可以阻碍解理裂纹的传播,在一定程度上起到细化晶粒的作用,从而保持了热影响区高的低温韧性。以上的分析表明,超低碳贝氏体钢优良的焊接性主要表现在热影响区具有良好的性能,但是焊缝金属不能像钢板那样,通过热、力学工艺等处理来获得高的强韧性,使用现有的焊接材料,要使焊缝金属获得与母材相匹配的高强度,则焊缝金属的碳含量和合金化程度势必很高,致使焊缝金属的淬硬性明显大于母材,产生冷裂纹倾向大。因此超低碳贝氏体钢焊接时,焊缝金属则成为整个焊接接头的薄弱环节,为此研制开发新型的超低碳贝氏体钢焊接材料是ULCB大面积推广应用的迫切需求。3船舶用钢的特点进入21世纪,超低碳贝氏体钢在我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,超低碳贝氏体钢有其独具的优点。(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,因此超低碳贝氏体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,也就是说,超低碳贝氏体钢的组织和性能已经不再依赖于板厚,使得厚板的生产易于控制。船体结构钢主要指用于船体或艇体建造的钢,根据船体建造工艺的特殊性和舰船使用环境的特殊性,对船体结构钢要求良好的焊接性、冷热加工工艺性及良好的低温韧性,可以说ULCB所具有的优点正是船体结构钢所要求的。目前我国船体结构钢还是铁素体-珠光体钢和马氏体淬火回火钢等传统用钢,这两类钢生产工艺复杂,成本较高