超細晶粒鋼及其焊接性

　超細晶粒鋼
1.1　分類
　　傳統鋼中，晶粒尺寸在100 μm以下就稱為細晶粒鋼，即傳統細晶粒鋼。隨著冶金技術和生產工藝的不斷進步，細晶的尺寸不斷縮小，甚至達到了微米、亞微米。本文提到的超細晶粒鋼不包括傳統細晶鋼。
　　按超細晶粒鋼發展進程和其尺寸大小，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工藝在實驗室中，晶粒尺寸可達到幾個微米，但在實際工業生產中，所得鋼的晶粒尺寸小于50 μm，最小可達10 μm。這種鋼滿足了石油和天然氣工業的需求，這種鋼的高強高韌和低的碳當量為其提供了優良的焊接適應性。
　　(2) 新一代鋼鐵材料
　　綜合低合金高強鋼不斷進步的成功經驗，充分利用合金化作用和生產工藝技術進步相結合的優勢，發展新一代鋼鐵材料產品并進行其基礎理論研究。目前正處于研制階段的新一代鋼鐵材料的主要特征：在充分考慮經濟性的條件下，鋼材具有高潔凈度、超細晶粒、高均勻度的特征，強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；超細組織，晶粒尺寸在0.1～10 μm之間，細化晶粒是唯一能提高強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。在鋼的化學成分—工藝—組織—性能的關系中，強調了組織的主導地位，即其超細微觀組織表現出優異的綜合性能。
1.2　化學成分和冶金特點
　　細晶鋼具有低碳和低碳當量以及低的雜質含量，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)、硫化物應力腐蝕裂紋(SSCC)抗力等。細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。
　　生產高潔凈度、高均勻度的細晶鋼的冶金特點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，其冶金和生產工藝技術已有很大的進步：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工藝等。
1.3　工藝方法和強韌化特點
　　為獲得超細晶粒鋼，已開發出多種工藝方法：同一快速加熱條件下的熱處理反復多次作用、金屬粉末機械研磨、控軋、控冷、TMCP、復合TMCP法等。利用生產工藝技術是獲得超細晶粒的主要手段，是超細晶粒鋼具有優良強韌綜合性能的決定因素，因此超細晶粒鋼與傳統鋼所不同的是其化學成分不能用于預測鋼種的強度。
　　超細晶粒鋼與同等強度的傳統鋼相比，其化學成分的主要特點是碳含量低，這有利于提高其焊接性，因此其強化手段不是通過增加碳含量和合金元素含量，而是通過晶粒細化、相變強化、析出強化等相結合的方法來達到提高強韌化的目的。晶粒細化(包括變形細化和相變細化)是唯一能夠同時提高鋼強度和韌性的方法，因而成為超細晶粒鋼最佳的強化機制。利用第二相粒子析出的沉淀強化是超細晶粒鋼采用的另一種強化機制，高溫時在奧氏體內形成的粒子雖然對控制晶粒長大有效，但不會造成強化，強化粒子是低溫時在奧氏體或鐵素體內形成的，位錯與亞結構強化也是一種有效的強化方式。

2　超細晶粒鋼的焊接性
　　超細晶粒鋼的強韌化機制與傳統鋼不同，因而必須全面考慮其焊接問題，其中存在的兩個主要問題：①由于其超細晶粒，在焊接熱作用下，晶粒長大的驅動力很大，必然導致HAZ晶粒嚴重粗化，這將影響整個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的晶粒長大傾向
　　在新一代微合金高強高韌鋼中，研究400 MPa和800 MPa兩種強度級別的超細晶粒鋼，400 MPa級細晶鋼是指在普通Q235鋼的基礎上進行細化晶粒和純凈化處理，使其強度提高一倍，壽命增加一倍的新一代鋼鐵材料。400 MPa級細晶鋼焊接時，薄弱環節出現在HAZ，因細晶粒本身已使得晶粒長大驅動力很大(驅動力與晶粒尺寸成反比)，又因400 MPa的細晶鋼中沒有或含有極少碳、氮化物形成元素，所以其焊接熱影響區有嚴重的晶粒長大傾向，粗大的晶粒將損害HAZ的性能，晶粒較粗大時，強度和韌性會隨之下降。因此，對于400 MPa的細晶鋼最主要的問題是探索400 MPa細晶鋼的合適焊接方法、研究其晶粒長大規律、動力學和可控因素，從而尋找防止晶粒長大的有效措施。
　　800 MPa級細晶鋼是指在X65管線鋼的基礎上進行細化晶粒和純凈化處理，使其強度提高一倍，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晶粒鋼，細晶組織如圖1，其平均粒徑分別為1.393 μm(圖1(a))、2.665 μm(圖1(b))，屈服強度達到了800 MPa。再經峰值溫度1　350 ℃，t_8/5分別為3.5 s和8 s的焊接熱循環，模擬其粗晶區，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級細晶鋼焊接時，即使t_8/5很小，HAZ也出現較嚴重的晶粒粗化現象，且隨著t_8/5的增加，晶粒粗化就更為嚴重。

圖 1　X65細晶鋼顯微組織
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。如造船用結構鋼和破冰船，其硬度限制在HV 300～350之間。為避免應力腐蝕，硬度值也被限制，如在濕的H₂S環境下，管線鋼的硬度限制在HV 248。HAZ的最大硬度隨著冷卻時間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于低碳馬氏體，隨著冷卻時間的增加，上貝氏體的含量越來越多，韌性逐漸降低。上貝氏體和側板條鐵素體均有很低的韌性。晶界鐵素體是冷卻時在原奧氏體晶粒邊界上析出的，且上貝氏體和側板條件鐵素體從晶界鐵素體向晶內生長。一般把粗晶熱影響區(CGHAZ)和臨界粗晶熱影響區(IRCGHAZ)稱作“局部脆性區”(LBZ)，鐵素體中固溶的碳小于奧氏體中固溶的碳，奧氏體分解過程中碳從相變鐵素體析出且在沒有相變的奧氏體中偏聚，這將推遲奧氏體相變且導致殘余奧氏體+高碳馬氏體(碳含量大于1 %)的混合組織(即M-A組元)形成，當鋼在臨界點之間的溫度區域加熱時，奧氏體和鐵素體共存，將造成奧氏體中碳的偏析且導致硬化能力增加，在冷卻時轉化為M-A組元，它對HAZ的韌性極為不利，當晶粒粗大時，更為不利，HAZ的韌性強烈依賴M-A組元的體積分數。文獻［1］報道局部脆性區(LBZ)的影響在夏氏V型沖擊試驗中不明顯，但在熱模擬HAZ試樣的CTOD試驗中卻很明顯。此外，當焊縫采用高匹配時，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組元所占的體積分數所決定，也由其大的斷裂晶面尺寸所決定，因此可通過以下措施改善韌性：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M-A組元的分解；④當鋼中細小彌散的析出物在接近熔點時仍很穩定，則能有效細化HAZ中的粗大奧氏體，導致上貝氏體和側板條鐵素體的細化；⑤由于針狀鐵素體的斷裂晶面尺寸小，韌性好，所以若添加一些細小穩定的氧化物，不僅可降低HAZ粗晶區的晶粒尺寸，而且還可作為晶內針狀鐵素體的形核場地。 2.1.4　HAZ的軟化 　　超細晶粒鋼主要是在形變條件下獲取細晶的，不能通過熱處理手段來恢復，所以焊后HAZ會出現軟化，尤其當高熱輸入時，就更加明顯。不過這種局部軟化對接頭整體強度的影響是受其他因素控制的，如局部軟化區的寬度、板厚和焊縫強度匹配等因素。對于低強度級別的400 MPa鋼而言，在高強匹配下，更高強度的焊縫和沒有受熱影響的母材對軟化區有強的拘束作用，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 　　通常焊縫金屬的強度應與母材等強匹配或稍高于母材。大多數焊接結構是在焊后狀態下使用的，焊縫金屬的強化依然要靠合金元素來實現，因此，焊縫金屬的碳當量將全面高于母材，且當熔敷金屬的強度提高時，其強度和韌性將對熱輸入很敏感，此時應考慮合適的焊接工藝。所以當母材強度提高時，獲得合適的焊縫強度就變得較困難。 　　400 MPa細晶鋼的焊縫金屬性能與HAZ性能相比，不是主要矛盾。對于400 MPa級細晶鋼而言，焊縫金屬要獲得優良的強度和韌性，焊縫金屬的理想組織應為針狀鐵素體，這就要嚴格控制焊接材料的化學成分，如Ti-B系列的焊條、焊劑和Ni-Cr-Mo-V系列的焊絲。 　　當焊接大于800 MPa或更高強度級別的細晶鋼時，需全面考慮接頭性能。焊縫和HAZ都有可能出現問題，HAZ的粗化問題可借鑒400 MPa級細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，但隨鋼強度級別的提高，800 MPa細晶鋼焊縫中易出現冷裂傾向，因此，對于800 MPa級的細晶鋼而言，主要問題便是解決焊縫金屬的性能，即必須研制、開發與母材性能相匹配的焊接材料，焊縫金屬要獲得優良的強度和韌性，其焊縫金屬的理想組織應為超低碳貝氏體，這方面的工作目前還沒有較成熟經驗，因而需全面開發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 　　熔敷金屬的化學成分主要是針對避免熱裂紋而設計的，因此凝固裂紋主要是由母材稀釋而引起的，即主要出現在具有最大熔合比的焊道上(如根部焊縫)，或出現在凝固方式不恰當時(如過大的熔合比和焊速過高所引起的過于拉長的焊接熔池)，此時熱裂紋可通過改變焊接工藝參數避免。熱裂紋的產生也強烈依賴夾雜物的數量和種類，細晶鋼的合金含量很低、夾雜物(如S、P)含量低以及偏析少，所以熱裂紋不易發生。 2.3.2　冷裂紋 　　因不同鋼種對冷裂敏感的微觀組織不盡相同，建議嚴格控制HAZ硬度。細晶鋼低的碳當量減小了冷裂傾向，明顯改善了其冷裂敏感性。因母材細晶鋼的碳當量低，而熔敷金屬碳當量高，于是氫就被固在熔化的金屬中，在焊縫中出現冷裂，可減少擴散氫含量來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添加合金元素，如Ca化處理。由于細晶鋼本身高的潔凈度，因而發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，對超細晶粒鋼，其唯一目的是松弛殘余應力，而不象傳統C-Mn鋼是為了改善性能。當碳含量低(小于0.15 %)且碳當量很低時(小于0.4 %)，鋼幾乎沒有硬而脆的HAZ，并且幾乎沒有應變時效傾向。因此很少要求焊后熱處理。必要時，消除應力的熱處理溫度必須小于600 ℃或考慮機械消除應力的措施。 3　結論 　　(1) 超細晶粒鋼通過形變細化、相變細化和第二相析出提高鋼的強度，由此降低結構自重，從而減少其結構用量和運輸費用，同時它還具有優良的強韌性，合金含量低、雜質含量低、便于回收、可重復使用等優點，因而可有效地用于生產中，符合社會可持續發展戰略。 　　(2) 焊接熱循環明顯影響400 MPa和800 MPa超細晶粒鋼焊接熱影響區的晶粒長大，應研究其HAZ晶粒長大規律和動力學，尋找HAZ晶粒長大的可控因素，探索超細晶粒鋼合適的焊接方法、焊接工藝參數及其他焊接條件。 　　(3) 對于800 MPa級超細晶粒鋼，除研究熱影響區晶粒長大規律外，還應研制焊縫金屬微觀組織以超低碳貝氏體為主的焊接材料。