超細(xì)晶粒鋼

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超細(xì)晶粒鋼

“超細(xì)晶粒鋼與同等強(qiáng)度的傳統(tǒng)鋼相比，其化學(xué)成分的主要特點(diǎn)是碳含量低，這有利于提高其焊接性，因此其強(qiáng)化手段不是通過增加碳含量和合金元素含量，而是通過晶粒細(xì)化、相變強(qiáng)化、析出強(qiáng)化等相結(jié)合的方法來達(dá)到提高強(qiáng)韌化的目的。晶粒細(xì)化(包括變形細(xì)化和相變細(xì)化)是唯一能夠同時提高鋼強(qiáng)度和韌性的方法，因而成為超細(xì)晶粒鋼最佳的強(qiáng)化機(jī)制。利用第二相粒子析出的沉淀強(qiáng)化是超細(xì)晶粒鋼采用的另一種強(qiáng)化機(jī)制，高溫時在奧氏體內(nèi)形成的粒子雖然對控制晶粒長大有效，但不會造成強(qiáng)化，強(qiáng)化粒子是低溫時在奧氏體或鐵素體內(nèi)形成的，位錯與亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化也是一種有效的強(qiáng)化方式。”

1分類

傳統(tǒng)鋼中，晶粒尺寸在100μm以下就稱為細(xì)晶粒鋼，即傳統(tǒng)細(xì)晶粒鋼。隨著冶金技術(shù)和生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步，細(xì)晶的尺寸不斷縮小，甚至達(dá)到了微米、亞微米。本文提到的超細(xì)晶粒鋼不包括傳統(tǒng)細(xì)晶鋼。

按超細(xì)晶粒鋼發(fā)展進(jìn)程和其尺寸大小，可分為以下幾類。

(1)TMCP鋼

控軋后立即加速冷卻所制造的鋼，稱為TMCP(Thermo-MechanicalControlProcess)鋼。利用TMCP工藝在實(shí)驗(yàn)室中，晶粒尺寸可達(dá)到幾個微米，但在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，所得鋼的晶粒尺寸小于50μm，最小可達(dá)10μm。這種鋼滿足了石油和天然氣工業(yè)的需求，這種鋼的高強(qiáng)高韌和低的碳當(dāng)量為其提供了優(yōu)良的焊接適應(yīng)性。

(2)新一代鋼鐵材料

綜合低合金高強(qiáng)鋼不斷進(jìn)步的成功經(jīng)驗(yàn)，充分利用合金化作用和生產(chǎn)工藝技術(shù)進(jìn)步相結(jié)合的優(yōu)勢，發(fā)展新一代鋼鐵材料產(chǎn)品并進(jìn)行其基礎(chǔ)理論研究。目前正處于研制階段的新一代鋼鐵材料的主要特征：在充分考慮經(jīng)濟(jì)性的條件下，鋼材具有高潔凈度、超細(xì)晶粒、高均勻度的特征，強(qiáng)度比常用鋼材提高一倍，鋼材使用壽命增加一倍。高潔凈度，指S、P、O、N、H元素的總含量小于80×10-6，這樣不但可提高鋼材原有的性能，有時還可賦予鋼新的性能；超細(xì)組織，晶粒尺寸在0.1～10μm之間，細(xì)化晶粒是唯一能提高強(qiáng)度而不降低韌性甚至提高韌性的方法；高均勻度指的是成分、組織和性能很均勻，波動范圍很小。在鋼的化學(xué)成分—工藝—組織—性能的關(guān)系中，強(qiáng)調(diào)了組織的主導(dǎo)地位，即其超細(xì)微觀組織表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。

2化學(xué)成分和冶金特點(diǎn)

細(xì)晶鋼具有低碳和低碳當(dāng)量以及低的雜質(zhì)含量，不僅有益于其焊接性，同時也有利于改善鋼的其他性能，如接頭中HAZ和母材的韌性以及對氫致裂紋(HIC)、硫化物應(yīng)力腐蝕裂紋(SSCC)抗力等。細(xì)晶鋼中也含有少量的Nb、V、Ti等微合金元素，其主要目的是為了形成碳、氮化合物，從而有效防止晶粒長大。由于細(xì)晶鋼低的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將使自由氮降低，減小了時效影響，有利于韌性的改善。

生產(chǎn)高潔凈度、高均勻度的細(xì)晶鋼的冶金特點(diǎn)主要是針對如何提高其潔凈度，即減少S、P、N、O和H等元素的含量，其冶金和生產(chǎn)工藝技術(shù)已有很大的進(jìn)步：由“分段精煉”這一思想而建立的鐵水“三脫”(脫硅、脫硫和脫磷)工藝和轉(zhuǎn)爐少渣冶煉工藝；為滿足石油管線鋼抗H2S腐蝕的要求，確立了鐵水包Mg-Ca脫硫預(yù)處理工藝、真空噴粉脫硫工藝；爐外精煉；無缺陷連鑄坯的生產(chǎn)工藝等。

3工藝方法和強(qiáng)韌化特點(diǎn)

為獲得超細(xì)晶粒鋼，已開發(fā)出多種工藝方法：同一快速加熱條件下的熱處理反復(fù)多次作用、金屬粉末機(jī)械研磨、控軋、控冷、TMCP、復(fù)合TMCP法等。利用生產(chǎn)工藝技術(shù)是獲得超細(xì)晶粒的主要手段，是超細(xì)晶粒鋼具有優(yōu)良強(qiáng)韌綜合性能的決定因素，因此超細(xì)晶粒鋼與傳統(tǒng)鋼所不同的是其化學(xué)成分不能用于預(yù)測鋼種的強(qiáng)度。

超細(xì)晶粒鋼與同等強(qiáng)度的傳統(tǒng)鋼相比，其化學(xué)成分的主要特點(diǎn)是碳含量低，這有利于提高其焊接性，因此其強(qiáng)化手段不是通過增加碳含量和合金元素含量，而是通過晶粒細(xì)化、相變強(qiáng)化、析出強(qiáng)化等相結(jié)合的方法來達(dá)到提高強(qiáng)韌化的目的。晶粒細(xì)化(包括變形細(xì)化和相變細(xì)化)是唯一能夠同時提高鋼強(qiáng)度和韌性的方法，因而成為超細(xì)晶粒鋼最佳的強(qiáng)化機(jī)制。利用第二相粒子析出的沉淀強(qiáng)化是超細(xì)晶粒鋼采用的另一種強(qiáng)化機(jī)制，高溫時在奧氏體內(nèi)形成的粒子雖然對控制晶粒長大有效，但不會造成強(qiáng)化，強(qiáng)化粒子是低溫時在奧氏體或鐵素體內(nèi)形成的，位錯與亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化也是一種有效的強(qiáng)化方式。