超細(xì)晶粒鋼及其焊接性

　超細(xì)晶粒鋼
1.1　分類
　　傳統(tǒng)鋼中，晶粒尺寸在100 μm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-Mechanical Control Process)鋼。利用TMCP工藝在實(shí)驗(yàn)室中，晶粒尺寸可達(dá)到幾個(gè)微米，但在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，所得鋼的晶粒尺寸小于50 μm，最小可達(dá)10 μm。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(shì)，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(shí)還可賦予鋼新的性能；超細(xì)組織，晶粒尺寸在0.1～10 μm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(dòng)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。
1.2　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(shí)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(duì)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(zhǎng)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(shí)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(duì)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(wú)缺陷連鑄坯的生產(chǎn)工藝等。
1.3　工藝方法和強(qiáng)韌化特點(diǎn)
　　為獲得超細(xì)晶粒鋼，已開(kāi)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(cè)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(guò)增加碳含量和合金元素含量，而是通過(guò)晶粒細(xì)化、相變強(qiáng)化、析出強(qiáng)化等相結(jié)合的方法來(lái)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(shí)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(shí)在奧氏體內(nèi)形成的粒子雖然對(duì)控制晶粒長(zhǎng)大有效，但不會(huì)造成強(qiáng)化，強(qiáng)化粒子是低溫時(shí)在奧氏體或鐵素體內(nèi)形成的，位錯(cuò)與亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化也是一種有效的強(qiáng)化方式。

2　超細(xì)晶粒鋼的焊接性
　　超細(xì)晶粒鋼的強(qiáng)韌化機(jī)制與傳統(tǒng)鋼不同，因而必須全面考慮其焊接問(wèn)題，其中存在的兩個(gè)主要問(wèn)題：①由于其超細(xì)晶粒，在焊接熱作用下，晶粒長(zhǎng)大的驅(qū)動(dòng)力很大，必然導(dǎo)致HAZ晶粒嚴(yán)重粗化，這將影響整個(gè)接頭性能與母材性能相匹配；②為獲得與母材相等性能的焊接接頭，進(jìn)行焊接材料、焊接方法及焊接工藝的合理選擇。
2.1　HAZ的性能
2.1.1　HAZ的晶粒長(zhǎng)大傾向
　　在新一代微合金高強(qiáng)高韌鋼中，研究400 MPa和800 MPa兩種強(qiáng)度級(jí)別的超細(xì)晶粒鋼，400 MPa級(jí)細(xì)晶鋼是指在普通Q235鋼的基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)化晶粒和純凈化處理，使其強(qiáng)度提高一倍，壽命增加一倍的新一代鋼鐵材料。400 MPa級(jí)細(xì)晶鋼焊接時(shí)，薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)在HAZ，因細(xì)晶粒本身已使得晶粒長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力很大(驅(qū)動(dòng)力與晶粒尺寸成反比)，又因400 MPa的細(xì)晶鋼中沒(méi)有或含有極少碳、氮化物形成元素，所以其焊接熱影響區(qū)有嚴(yán)重的晶粒長(zhǎng)大傾向，粗大的晶粒將損害HAZ的性能，晶粒較粗大時(shí)，強(qiáng)度和韌性會(huì)隨之下降。因此，對(duì)于400 MPa的細(xì)晶鋼最主要的問(wèn)題是探索400 MPa細(xì)晶鋼的合適焊接方法、研究其晶粒長(zhǎng)大規(guī)律、動(dòng)力學(xué)和可控因素，從而尋找防止晶粒長(zhǎng)大的有效措施。
　　800 MPa級(jí)細(xì)晶鋼是指在X65管線鋼的基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)化晶粒和純凈化處理，使其強(qiáng)度提高一倍，壽命增加一倍的新一代鋼鐵材料。利用高潔凈度X65鋼和普通市售X65鋼，采取一定的工藝措施獲得細(xì)晶粒鋼，細(xì)晶組織如圖1，其平均粒徑分別為1.393 μm(圖1(a))、2.665 μm(圖1(b))，屈服強(qiáng)度達(dá)到了800 MPa。再經(jīng)峰值溫度1　350 ℃，t_8/5分別為3.5 s和8 s的焊接熱循環(huán)，模擬其粗晶區(qū)，所得金相組織如圖2、3，其奧氏體的平均粒徑分別為：21 μm(圖2(a))、28 μm(圖2(b))、26 μm(圖3(a))、52 μm(圖3(b))。從以上例子可知：800 MPa級(jí)細(xì)晶鋼焊接時(shí)，即使t_8/5很小，HAZ也出現(xiàn)較嚴(yán)重的晶粒粗化現(xiàn)象，且隨著t_8/5的增加，晶粒粗化就更為嚴(yán)重。

圖 1　X65細(xì)晶鋼顯微組織
Fig.1　Mircrostructure of ultra-fine grained X65 steel
(a) 高潔凈度；(b)普通

圖 2　高潔凈度X65細(xì)晶鋼顯微組織(峰值溫度1350 ℃)
Fig.2　Mircrostructure of high-purity,ultra-fine grained
X65 steel(peak temperature:1350 ℃)
(a) t_8/5＝3.5 s；(b) t_8/5＝8 s

圖 3　X65細(xì)晶鋼顯微組織(峰值1350 ℃)
Fig.3　Mircrostructure of ultra-fine grained X65
steel(peak temperature:1350 ℃)
(a) t_8/5＝3.5 s；(b) t_8/5＝8 s

2.1.2　HAZ淬硬性
　　在靠近熔合線的HAZ，奧氏體晶粒易粗化和硬化。為了減少冷裂和接頭韌性的損失，通常限制HAZ的最大硬度。如造船用結(jié)構(gòu)鋼和破冰船，其硬度限制在HV 300～350之間。為避免應(yīng)力腐蝕，硬度值也被限制，如在濕的H₂S環(huán)境下，管線鋼的硬度限制在HV 248。HAZ的最大硬度隨著冷卻時(shí)間t_8/5的增加而減小。
2.1.3　HAZ的韌性和微觀組織
　　下貝氏體和低碳馬氏體均有較好的韌性，且下貝氏體的韌性優(yōu)于低碳馬氏體，隨著冷卻時(shí)間的增加，上貝氏體的含量越來(lái)越多，韌性逐漸降低。上貝氏體和側(cè)板條鐵素體均有很低的韌性。晶界鐵素體是冷卻時(shí)在原奧氏體晶粒邊界上析出的，且上貝氏體和側(cè)板條件鐵素體從晶界鐵素體向晶內(nèi)生長(zhǎng)。一般把粗晶熱影響區(qū)(CGHAZ)和臨界粗晶熱影響區(qū)(IRCGHAZ)稱作“局部脆性區(qū)”(LBZ)，鐵素體中固溶的碳小于奧氏體中固溶的碳，奧氏體分解過(guò)程中碳從相變鐵素體析出且在沒(méi)有相變的奧氏體中偏聚，這將推遲奧氏體相變且導(dǎo)致殘余奧氏體+高碳馬氏體(碳含量大于1 %)的混合組織(即M-A組元)形成，當(dāng)鋼在臨界點(diǎn)之間的溫度區(qū)域加熱時(shí)，奧氏體和鐵素體共存，將造成奧氏體中碳的偏析且導(dǎo)致硬化能力增加，在冷卻時(shí)轉(zhuǎn)化為M-A組元，它對(duì)HAZ的韌性極為不利，當(dāng)晶粒粗大時(shí)，更為不利，HAZ的韌性強(qiáng)烈依賴M-A組元的體積分?jǐn)?shù)。文獻(xiàn)［1］報(bào)道局部脆性區(qū)(LBZ)的影響在夏氏V型沖擊試驗(yàn)中不明顯，但在熱模擬HAZ試樣的CTOD試驗(yàn)中卻很明顯。此外，當(dāng)焊縫采用高匹配時(shí)，也將使HAZ的韌性損失，但與組織所引起的韌性損失相比，是很小的。

HAZ的低韌性不僅是由于M-A組元所占的體積分?jǐn)?shù)所決定，也由其大的斷裂晶面尺寸所決定，因此可通過(guò)以下措施改善韌性：①可探索采用合適的焊接工藝，以減小LBZ區(qū)的整體面積；②減小形成M-A組元的合金元素，如B、N、C元素含量；③減小Si、Al、P元素含量，可促進(jìn)M-A組元的分解；④當(dāng)鋼中細(xì)小彌散的析出物在接近熔點(diǎn)時(shí)仍很穩(wěn)定，則能有效細(xì)化HAZ中的粗大奧氏體，導(dǎo)致上貝氏體和側(cè)板條鐵素體的細(xì)化；⑤由于針狀鐵素體的斷裂晶面尺寸小，韌性好，所以若添加一些細(xì)小穩(wěn)定的氧化物，不僅可降低HAZ粗晶區(qū)的晶粒尺寸，而且還可作為晶內(nèi)針狀鐵素體的形核場(chǎng)地。 2.1.4　HAZ的軟化 　　超細(xì)晶粒鋼主要是在形變條件下獲取細(xì)晶的，不能通過(guò)熱處理手段來(lái)恢復(fù)，所以焊后HAZ會(huì)出現(xiàn)軟化，尤其當(dāng)高熱輸入時(shí)，就更加明顯。不過(guò)這種局部軟化對(duì)接頭整體強(qiáng)度的影響是受其他因素控制的，如局部軟化區(qū)的寬度、板厚和焊縫強(qiáng)度匹配等因素。對(duì)于低強(qiáng)度級(jí)別的400 MPa鋼而言，在高強(qiáng)匹配下，更高強(qiáng)度的焊縫和沒(méi)有受熱影響的母材對(duì)軟化區(qū)有強(qiáng)的拘束作用，所以采用高匹配是防止或減小HAZ軟化的有效措施之一。 2.2　焊縫金屬的性能 　　通常焊縫金屬的強(qiáng)度應(yīng)與母材等強(qiáng)匹配或稍高于母材。大多數(shù)焊接結(jié)構(gòu)是在焊后狀態(tài)下使用的，焊縫金屬的強(qiáng)化依然要靠合金元素來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此，焊縫金屬的碳當(dāng)量將全面高于母材，且當(dāng)熔敷金屬的強(qiáng)度提高時(shí)，其強(qiáng)度和韌性將對(duì)熱輸入很敏感，此時(shí)應(yīng)考慮合適的焊接工藝。所以當(dāng)母材強(qiáng)度提高時(shí)，獲得合適的焊縫強(qiáng)度就變得較困難。 　　400 MPa細(xì)晶鋼的焊縫金屬性能與HAZ性能相比，不是主要矛盾。對(duì)于400 MPa級(jí)細(xì)晶鋼而言，焊縫金屬要獲得優(yōu)良的強(qiáng)度和韌性，焊縫金屬的理想組織應(yīng)為針狀鐵素體，這就要嚴(yán)格控制焊接材料的化學(xué)成分，如Ti-B系列的焊條、焊劑和Ni-Cr-Mo-V系列的焊絲。 　　當(dāng)焊接大于800 MPa或更高強(qiáng)度級(jí)別的細(xì)晶鋼時(shí)，需全面考慮接頭性能。焊縫和HAZ都有可能出現(xiàn)問(wèn)題，HAZ的粗化問(wèn)題可借鑒400 MPa級(jí)細(xì)晶鋼的有效防止措施，如合適的焊接方法、焊接工藝及其他焊接條件，但隨鋼強(qiáng)度級(jí)別的提高，800 MPa細(xì)晶鋼焊縫中易出現(xiàn)冷裂傾向，因此，對(duì)于800 MPa級(jí)的細(xì)晶鋼而言，主要問(wèn)題便是解決焊縫金屬的性能，即必須研制、開(kāi)發(fā)與母材性能相匹配的焊接材料，焊縫金屬要獲得優(yōu)良的強(qiáng)度和韌性，其焊縫金屬的理想組織應(yīng)為超低碳貝氏體，這方面的工作目前還沒(méi)有較成熟經(jīng)驗(yàn)，因而需全面開(kāi)發(fā)以這種微觀組織為主的焊接材料。 2.3　焊縫和HAZ的裂紋傾向 2.3.1　熱裂紋 　　熔敷金屬的化學(xué)成分主要是針對(duì)避免熱裂紋而設(shè)計(jì)的，因此凝固裂紋主要是由母材稀釋而引起的，即主要出現(xiàn)在具有最大熔合比的焊道上(如根部焊縫)，或出現(xiàn)在凝固方式不恰當(dāng)時(shí)(如過(guò)大的熔合比和焊速過(guò)高所引起的過(guò)于拉長(zhǎng)的焊接熔池)，此時(shí)熱裂紋可通過(guò)改變焊接工藝參數(shù)避免。熱裂紋的產(chǎn)生也強(qiáng)烈依賴夾雜物的數(shù)量和種類，細(xì)晶鋼的合金含量很低、夾雜物(如S、P)含量低以及偏析少，所以熱裂紋不易發(fā)生。 2.3.2　冷裂紋 　　因不同鋼種對(duì)冷裂敏感的微觀組織不盡相同，建議嚴(yán)格控制HAZ硬度。細(xì)晶鋼低的碳當(dāng)量減小了冷裂傾向，明顯改善了其冷裂敏感性。因母材細(xì)晶鋼的碳當(dāng)量低，而熔敷金屬碳當(dāng)量高，于是氫就被固在熔化的金屬中，在焊縫中出現(xiàn)冷裂，可減少擴(kuò)散氫含量來(lái)降低焊縫的冷裂傾向。 2.3.3　層狀撕裂 　　為減少層狀撕裂，有兩種有效方法，第一種方法是減小硫含量到很低的水平(小于0.008 %)，第二種是為獲得理想硫化物形態(tài)添加合金元素，如Ca化處理。由于細(xì)晶鋼本身高的潔凈度，因而發(fā)生層狀撕裂的可能性不大。 2.4　焊后熱處理 　　焊后熱處理有可能惡化焊縫性能，對(duì)超細(xì)晶粒鋼，其唯一目的是松弛殘余應(yīng)力，而不象傳統(tǒng)C-Mn鋼是為了改善性能。當(dāng)碳含量低(小于0.15 %)且碳當(dāng)量很低時(shí)(小于0.4 %)，鋼幾乎沒(méi)有硬而脆的HAZ，并且?guī)缀鯖](méi)有應(yīng)變時(shí)效傾向。因此很少要求焊后熱處理。必要時(shí)，消除應(yīng)力的熱處理溫度必須小于600 ℃或考慮機(jī)械消除應(yīng)力的措施。 3　結(jié)論 　　(1) 超細(xì)晶粒鋼通過(guò)形變細(xì)化、相變細(xì)化和第二相析出提高鋼的強(qiáng)度，由此降低結(jié)構(gòu)自重，從而減少其結(jié)構(gòu)用量和運(yùn)輸費(fèi)用，同時(shí)它還具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性，合金含量低、雜質(zhì)含量低、便于回收、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，因而可有效地用于生產(chǎn)中，符合社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。 　　(2) 焊接熱循環(huán)明顯影響400 MPa和800 MPa超細(xì)晶粒鋼焊接熱影響區(qū)的晶粒長(zhǎng)大，應(yīng)研究其HAZ晶粒長(zhǎng)大規(guī)律和動(dòng)力學(xué)，尋找HAZ晶粒長(zhǎng)大的可控因素，探索超細(xì)晶粒鋼合適的焊接方法、焊接工藝參數(shù)及其他焊接條件。 　　(3) 對(duì)于800 MPa級(jí)超細(xì)晶粒鋼，除研究熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大規(guī)律外，還應(yīng)研制焊縫金屬微觀組織以超低碳貝氏體為主的焊接材料。