1超细晶粒钢

1 超细晶粒钢

1.1 分类

传统钢中，晶粒尺寸在100 (im以下就称为细晶粒钢，即传统细晶粒钢。随着冶金技术和生产工艺的不断进步，细晶的尺寸不断缩小，甚至达到了微米、亚微米。本文提到的超细晶粒钢不包括传统细晶钢。

按超细晶粒钢发展进程和其尺寸大小，可分为以下几类。

(1) TMCP 钢

控轧后立即加速冷却所制造的钢，称为TMCP(Thermo-Mechanical Control Process) 钢。利用TMCPT艺在实验室中，晶粒尺寸可达到几个微米，但在实际工业生产中，所得钢的晶粒尺寸小于50卩m最小可达10卩m＞这种钢满足了石油和天然气工业的需求，这种钢的高强高韧和低的碳当量为其提供了优良的焊接适应性。

(2) 新一代钢铁材料

综合低合金高强钢不断进步的成功经验，充分利用合金化作用和生产工艺技术进步相结合的优势，发展新一代钢铁材料产品并进行其基础理论研究。目前正处于研制阶段的新一代钢铁材料的主要特征：在充分考虑经济性的条件下，钢材具有高洁净度、超细晶粒、高均匀度的特征，强度比常用钢材提高一倍，钢材使用寿命增加一倍。高洁净度，指S、P、O、N、

H元素的总含量小于80X 10-6，这样不但可提高钢材原有的性能，有时还可赋予钢新的性能；

超细组织，晶粒尺寸在0.1〜10 um之间，细化晶粒是唯一能提高强度而不降低韧性甚至提高韧性的方法；高均匀度指的是成分、组织和性能很均匀，波动范围很小。在钢的化学成分—工艺—组织—性能的关系中，强调了组织的主导地位，即其超细微观组织表现出优异的综合性能。

1.2 化学成分和冶金特点

细晶钢具有低碳和低碳当量以及低的杂质含量，不仅有益于其焊接性，同时也有利于改善钢的其他性能，如接头中HAZ和母材的韧性以及对氢致裂纹(HIC)、硫化物应力腐蚀裂纹(SSCC)抗力等。细晶钢中也含有少量的NbVTi等微合金元素，其主要目的是为了形成碳、氮化合物，从而有效防止晶粒长大。由于细晶钢低的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将使自由氮降低，减小了时效影响，有利于韧性的改善。

生产高洁净度、高均匀度的细晶钢的冶金特点主要是针对如何提高其洁净度，即减少S、

P、N O和H等元素的含量，其冶金和生产工艺技术已有很大的进步：由“分段精炼”这一思想而建立的铁水“三脱”（脱硅、脱硫和脱磷）工艺和转炉少渣冶炼工艺；为满足石油管线钢抗H2S腐蚀的要求，确立了铁水包Mg-Ca脱硫预处理工艺、真空喷粉脱硫工艺；炉外精炼；无缺陷连铸坯的生产工艺等。

1.3 工艺方法和强韧化特点

为获得超细晶粒钢，已开发出多种工艺方法：同一快速加热条件下的热处理反复多次作用、金属粉末机械研磨、控轧、控冷、TMCP复合TMCP法等。利用生产工艺技术是获得超

细晶粒的主要手段，是超细晶粒钢具有优良强韧综合性能的决定因素，因此超细晶粒钢与传统钢所不同的是其化学成分不能用于预测钢种的强度。

超细晶粒钢与同等强度的传统钢相比，其化学成分的主要特点是碳含量低，这有利于提高其焊接性，因此其强化手段不是通过增加碳含量和合金元素含量，而是通过晶粒细化、相

变强化、析出强化等相结合的方法来达到提高强韧化的目的。晶粒细化（包括变形细化和相

变细化）是唯一能够同时提高钢强度和韧性的方法，因而成为超细晶粒钢最佳的强化机制。利用第二相粒子析出的沉淀强化是超细晶粒钢采用的另一种强化机制，高温时在奥氏体内形

成的粒子虽然对控制晶粒长大有效，但不会造成强化，强化粒子是低温时在奥氏体或铁素体内形成的，位错与亚结构强化也是一种有效的强化方式。

2 超细晶粒钢的焊接性

超细晶粒钢的强韧化机制与传统钢不同，因而必须全面考虑其焊接问题，其中存在的两个主要问题：①由于其超细晶粒，在焊接热作用下，晶粒长大的驱动力很大，必然导致HAZ 晶粒严重粗化，这将影响整个接头性能与母材性能相匹配；②为获得与母材相等性能的焊接接头，进行焊接材料、焊接方法及焊接工艺的合理选择。

2.1 HAZ的性能

2.1.1 HAZ的晶粒长大倾向

在新一代微合金高强高韧钢中，研究400 MPa和800 MPa两种强度级别的超细晶粒钢，

400 MPa级细晶钢是指在普通Q235钢的基础上进行细化晶粒和纯净化处理，使其强度提高一倍，寿命增加一倍的新一代钢铁材料。400 MPa级细晶钢焊接时，薄弱环节出现在HAZ

因细晶粒本身已使得晶粒长大驱动力很大（驱动力与晶粒尺寸成反比），又因400 MPa的细晶

钢中没有或含有极少碳、氮化物形成元素，所以其焊接热影响区有严重的晶粒长大倾向，粗大的晶粒将损害HAZ的性能，晶粒较粗大时，强度和韧性会随之下降。因此，对于400 MPa 的细晶钢最主要的问题是探索400 MPa细晶钢的合适焊接方法、研究其晶粒长大规律、动力

学和可控因素，从而寻找防止晶粒长大的有效措施。

800 MPa级细晶钢是指在X65管线钢的基础上进行细化晶粒和纯净化处理，使其强度提

高一倍，寿命增加一倍的新一代钢铁材料。利用高洁净度X65钢和普通市售X65钢，采取一

定的工艺措施获得细晶粒钢，细晶组织如图1其平均粒径分别为1.393卩m(图1(a))、2.665

卩m(图1(b))，屈服强度达到了800 MPa再经峰值温度1 350 C, 18/5分别为3.5 s和8 s

的焊接热循环，模拟其粗晶区，所得金相组织如图2、3,其奥氏体的平均粒径分别为：21 卩m(图2(a))、28卩m(图2(b))、26卩m(图3(a))、52卩m(图3(b))。从以上例子可知：800 MPa级细晶钢焊接时，即使t8/5很小，HAZ也出现较严重的晶粒粗化现象，且随着18/5 的增加，晶粒粗化就更为严重。

图1 X65细晶钢显微组织

Fig.1 Mircrostructure of ultra-fi ne gra ined X65 steel

(a)高洁净度；(b)普通

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