低合金高強度鋼 Low-alloy-high-strength-steel
碳含量低于0.25％、合金元素總含量低于5％、強度高于普通碳素鋼的一類低合金鋼。它是在低碳鋼的基礎上加入一種或多種少量的合金元素，在熱軋狀態(tài)下就能得到高強度。低合金高強度鋼的屈服強度一般都高于275MPa，同時還具有良好的塑性、韌性、焊接性、冷熱加工性和成形性。
簡史低合金高強度鋼的出現(xiàn)始于19世紀末，當時的設計依據(jù)就是抗拉強度，較少考慮鋼的焊接性和韌性，連接鋼構(gòu)件的普遍方法是鉚接，因此鋼的碳含量較高，約為0.3％。1934年英國BS標準中低合金高強度鋼的碳含量仍要求達到0.27％，而允許錳含量提高到1.5％。隨著焊接技術(shù)的進步，采用焊接代替鉚接后，低合金高強度鋼中的碳含量逐漸降低。在第二次世界大戰(zhàn)期間，美國建造的大量商船和軍艦發(fā)生了脆性斷裂事故，造成了災難性的后果。根據(jù)大量脆性破壞結(jié)果的系統(tǒng)分析，其主要原因是鋼的韌性不足所致，使人們認識到低合金高強度鋼只有通過降低碳含量，提高Mn/C比才能改善鋼的韌性和焊接性。20世紀50年代霍爾(Hall)和佩奇(Petch)對鋼力學性能和晶粒尺寸之間的關(guān)系進行了大量研究，提出了著名的Hall-Petch關(guān)系式。采用細化晶粒方法可同時提高鋼的強度和韌性。60年代初，世界各國對低合金高強度鋼中添加少量釩、鈦、鈮等微合金化元素，在鋼中形成微細的碳氮化物的作用機制進行了深入研究，把晶粒細化和析出強化結(jié)合起來，進一步推動了低合金高強度鋼的發(fā)展。70年代初，隨著鐵水預處理、轉(zhuǎn)爐、連鑄、控軋控冷等技術(shù)的發(fā)展，低合金高強度鋼的發(fā)展進入了一個嶄新的階段。
中國自1957年開始研制低合金高強度鋼。先后開發(fā)了16Mn、15MnTi、14MnVTi、18MnM0Nb等一批牌號，用于制造船舶、橋梁和壓力容器，經(jīng)過多年的努力，已逐漸形成了一個完整的系列。
分類低合金高強度鋼分類方法很多。按強度等級分類，如按屈服強度最低值，分成340、390、440、490、540、590、690MPa等不同等級的鋼種；按鋼的特殊性能分類，可分為低合金耐候鋼、低合金耐蝕鋼、抗層狀撕裂鋼、低合金耐磨鋼等；按用途可分成，管線鋼、造船鋼、橋梁鋼、汽車鋼等；按合金元素成分分類則有錳、錳-釩、錳-鈦、錳-鈮、錳-鉬-釩、錳-鉬-鈮等。
還有一種是按顯微組織分類，通過對組織特征的區(qū)分，可與宏觀力學性能、化學成分和生產(chǎn)工藝聯(lián)系起來。這種按顯微組織的分類方法往往為學術(shù)界所重視，據(jù)此主要可分為：
(1)鐵素體一珠光體鋼。一般低碳低合金鋼在熱軋或正火狀態(tài)下可得到鐵素體和珠光體組織。中國用量最大的低合金高強度鋼16Mn在熱軋狀態(tài)下、15MnV和15MnTi在正火狀態(tài)下均為鐵素體加珠光體組織。16Mn鋼的屈服強度%26ge;345MPa，15MnV和15MnTi鋼的屈服強度均%26ge;390MPa。在控軋控冷條件下，16MnNb鋼的鐵素體晶粒可細化至10～12級，屈服強度可達390MPa以上。在控軋控冷條件下，鐵素體加珠光體組織屈服強度的極限值可達440MPa以上，最大的生產(chǎn)厚度可達30mm以上。
(2)少珠光體鋼。這類鋼是從鐵素體一珠光體鋼發(fā)展而來的。通過降低碳含量(%26le;0.10％)和復合微合金化以及控軋控冷可得到超微細的鐵素體組織，其中珠光體的體積百分數(shù)很小，甚至珠光體基本消失。這類鋼的屈服強度可達440MPa以上。由于碳含量的降低，這類鋼的焊接性和低溫韌性得到大幅度的改善。
(3)針狀鐵素體鋼(低碳貝氏體鋼)。這類鋼的顯微組織不是多邊形鐵素體而是細小的針狀鐵素體(又稱低碳貝氏體)組織。這種鋼由于含有錳、鉬、硼等提高淬透性的元素，即使碳含量很低(%26lt;0.08％)，也可以得到具有高位錯密度的針狀鐵素體。當碳含量為0.02％～0.04％時，通常將這類鋼的組織稱為超低碳貝氏體。這類鋼的屈服強度為415～690MPa，同時具有優(yōu)異的焊接性、抗裂紋擴展性和良好的低溫韌性，廣泛用于寒冷地帶的輸送管線。
(4)低碳回火馬氏體鋼。這類鋼的碳含量一般都%26le;0.16％，同時添加錳、鉻、鎳、鉬、硼等合金元素提高鋼的淬透性，添加鉬、釩等合金元素提高回火穩(wěn)定性。鋼的顯微組織為低碳回火馬氏體或低碳馬氏體加下貝氏體。屈服強度為440～780MPa，這類鋼的零塑性轉(zhuǎn)折溫度(NDTT)很低，可達-60℃以下。12MnCrNiCuMoVB和12CrNi3MoV鋼就是這類鋼的典型代表。
(5)雙相鋼。低合金高強度鋼常用的合金元素主要有碳、錳、硅、鎳、鉻、鉬、銅、磷、鈮、釩、鈦、稀土和硼等。
碳是最強的強化元素之一，可增加珠光體量，顯著提高鋼的強度，但碳對塑性、韌性和焊接性有不利影響。在低合金高強度鋼中，碳含量有越來越低的趨向。由于碳是最經(jīng)濟的強化元素，在某些用途的低合金鋼中仍保持較高的含量是合理的。
錳是主要的鐵素體固溶強化元素之一，可改變珠光體和鐵素體的比例。在冷卻時錳可降低相變溫度，可細化鐵素體晶粒，同時使含錳的微合金鋼再結(jié)晶停止溫度和相變開始溫度的區(qū)間加大，有利于控軋工藝的實施。
硅是較強的固溶強化元素，能顯著提高鋼的強度，但較高的硅對韌性不利，導致脆性轉(zhuǎn)折溫度升高。在雙相鋼中，較高的硅含量有利于鐵素體和馬氏體的分離，擴大卷取%26ldquo;窗口%26rdquo;。硅是強脫氧元素，在鎮(zhèn)靜鋼中一般的硅含量需達到0.1％以上。
銅是一種重要的合金元素，有固溶強化作用和沉淀強化作用。銅含量在0.20％以上時，特別是同時添加0.15％以上的磷時有顯著的抗大氣腐蝕能力。超過0.6％銅的鋼正火后，在500～600℃時效時可產(chǎn)生e-Cu沉淀強化。在管線鋼中加入0.25％～0.35％cu可提高抗氫致裂紋的能力。當鋼中的銅含量超過0.5％時，易產(chǎn)生熱脆性。若加入與銅含量相等或至少二分之一量的鎳，有利于消除鋼的熱脆性。現(xiàn)在，低合金高強度鋼中加入的銅含量最高已達1.2％～1.4％。
鈮、釩、鈦是常用的3種微合金化元素，屬強碳氮化物的形成元素。幾種常見的碳氮化物在奧氏體中的低d溶解度積與溫度的關(guān)系如圖所示。在熱加工過程中，隨著溫度的變化各種微合金元素的碳氮化物的溶解度積發(fā)生變化，因而產(chǎn)生溶解和析出。碳氮化物的應變誘導析出有阻礙再結(jié)晶的作用。鈮、釩、鈦在這方面的作用各有特點：鈮提高奧氏體再結(jié)晶溫度的作用最大，通過控軋得到未再結(jié)晶的伸長的奧氏體晶粒轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體的細化晶粒作用最為顯著。通常的鈮含量為0.02％～0.04％；由圖可以看出，釩在奧氏體中溶解度較大，因而在鐵素體中的沉淀強化作用較強，鋼中釩的含量一般為0.05％～0.10％；由圖還可看出，鈦和氮的結(jié)合力最強，在鋼水凝固過程中即形成了穩(wěn)定的TiN顆粒，對再加熱時奧氏體晶粒的粗化有顯著的阻礙作用。用于固定氮的鈦含量約為0.02％。鈦含量較高時則形成Ti。C：S。，有球化硫化物夾雜的作用。復合微合金化往往能產(chǎn)生綜合效果，獲得優(yōu)異的性能。如少珠光體鋼采用鈮一釩復合，再結(jié)晶控軋鋼采用鈮一鈦復合，采油平臺用鋼采用鈮一鈦復合，超低碳貝氏體鋼采用鈮-硼-鈦復合等。
鉬主要用于提高鋼的淬硬性，促進貝氏體的形成。鉬能提高淬火鋼的回火穩(wěn)定性。此外，鉬還能增加鈮在奧氏體中的溶解度，有利于增強鐵素體的沉淀強化作用。
在低碳鋼中極微量的硼(約0.00l％)有顯著提高淬透性的作用。當奧氏體冷卻時，偏聚在晶界上的硼能阻止鐵素體析出，促進貝氏體的形成。
鎳在鐵素體中有固溶強化作用，同時能提高基體的低溫韌性。鎳與銅、磷復合添加有提高耐大氣腐蝕的作用，鎳與銅復合添加有提高耐海水腐蝕的作用。
鉻提高淬透性的作用顯著，還有提高耐大氣腐蝕能力的作用。
鈰、鑭等稀土元素和氧、硫有很強的親和力，所形成的稀土硫化物或硫氧化物在高溫時不易變形，有控制硫化物夾雜形態(tài)的作用。但鋼中過量加入稀土元素易導致帶狀氧化物夾雜。
磷，磷是強固溶強化元素。磷在鋼中易偏析，引起低溫脆性，還有回火脆性傾向。一般情況下鋼中磷含量要盡量限制。但磷有利于提高鋼的耐大氣腐蝕的能力。在深沖冷軋高強度薄板鋼中，磷作為固溶強化元素(含量%26lt;0.1％)有利予保持高的r值。
應用中國自1957年開始研制低合金高強度鋼16Mn以來，逐漸獲得了廣泛的應用，品種和數(shù)量都有很大發(fā)展。中國低合金高強度鋼的鋼材產(chǎn)量已占鋼材總產(chǎn)量的10％以上，納入國家標準的基本牌號已有30多個。還有許多專業(yè)用牌號分別納入不同的專業(yè)用鋼標準(見表)。
納入中國國家標準的低合金高強度鋼主要牌號
低合金高強度鋼的應用范圍很廣，涉及機器制造、交通運輸、通訊、能源、高層建筑等行業(yè)。它主要用于建造船舶、橋梁、輸油氣管線、海洋平臺、壓力容器、鍋爐、汽車、農(nóng)業(yè)機械、鐵道車輛、建筑鋼筋、水電站壓水管和叉管、工程機械、起重機械、鋼結(jié)構(gòu)高層建筑、電視廣播塔、輸電塔、石油化工的備種貯罐、礦山設備中的翻斗支架等等。采用低合金高強度鋼代替普通碳素鋼可減薄截面、減輕重量、節(jié)約能源、節(jié)省工時、降低成本和提高服役壽命等。同時往往還具有制造工藝簡單、提高工程質(zhì)量和提高產(chǎn)品性能等優(yōu)點。今后，低合金高強度鋼的擴大應用仍有巨大市場潛力。
展望隨著化學冶金、物理冶金、力學冶金和計算機冶金技術(shù)的發(fā)展，近年來低合金高強度鋼獲得了迅速的發(fā)展，其主要發(fā)展方向是：
(1)低碳超低碳。較低的碳含量能顯著提高鋼的韌性，改善鋼的焊接性。現(xiàn)代的低合金高強度鋼普遍采用轉(zhuǎn)爐頂?shù)讖秃洗禑挘蠓冉档弯撝械奶己?%26lt;0.06％)，有的甚至可達0.02％，顯著降低了鋼的焊接碳當量，降低了焊接預熱溫度，改善了焊接性和韌性。低碳和超低碳是今后低合金高強度鋼的重要發(fā)展方向。
(2)高純度。隨著冶金技術(shù)的進步，現(xiàn)代的低合金高強度鋼普遍采用鐵水預處理、轉(zhuǎn)爐吹煉和RH真空脫氣，使鋼中有害雜質(zhì)元素之和([s+P+0+N+H])小于100%26times;10-6，顯著凈化了鋼質(zhì)，改善了鋼的韌性和綜合力學性能，低合金高強度鋼正在逐步向高純凈化方向發(fā)展。
(3)微合金化。低合金高強度鋼在高純凈度和低碳的基礎上，為提高鋼的強度和綜合性能普遍采用微合金化技術(shù)。目前，低合金高強度鋼的微合金化，已從單一(如單獨添加鈮、釩、鈦等)轉(zhuǎn)變到復合微合金化(如復合添加鈮-釩、鈮-鈦、釩-鈦、鈮-硼-鈦等)，進一步提高了鋼的綜合性能。
(4)控制軋制和控制冷卻。在低合金高強度鋼中，控軋控冷技術(shù)逐步獲得了廣泛的應用。控制軋制已發(fā)展到奧氏體再結(jié)晶區(qū)控軋、奧氏體未再結(jié)晶區(qū)控軋和兩相區(qū)控軋。軋后控制冷卻技術(shù)也發(fā)展很快，有層流冷卻、水幕冷卻、霧化冷卻和穿水冷卻等。可控軋控冷的中板厚度已達50mm。因此采用先進的在線控軋控冷技術(shù)生產(chǎn)高質(zhì)量的低合金高強度鋼也是今后的重要發(fā)展方向。
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