【文章內(nèi)容簡介】 合金元素對(duì)其熱處理和焊接性能的影響以及鋼材的焊接適應(yīng)性，為合理地開發(fā)和使用低合金高強(qiáng)鋼提供技術(shù)依據(jù)。 本課題預(yù)期達(dá)到的目的 1. 了解低合金高強(qiáng)鋼的國內(nèi)外發(fā)展和使用情況。 2. 了解 WELDOX960 高強(qiáng) 鋼的強(qiáng)化途徑和工藝措施。 3. 掌握 WELDOX960 高強(qiáng)鋼的綜合機(jī)械性能和焊接性能。 4. 保證采用 WELDOX960 高強(qiáng)鋼開發(fā)的產(chǎn)品的質(zhì)量和使用性能。 清華大學(xué) 本科材料科學(xué)與工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 5. 加快國產(chǎn)新一代鋼種及匹配焊接材料的進(jìn)一步開發(fā)。 清華大學(xué) 本科材料科學(xué)與工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 20 第二章 WELDOX960 高強(qiáng)鋼的生產(chǎn)工藝及性能 科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展對(duì)工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械零件所使用的鋼材的性能提出了越來越高的要求，不僅要具有高的強(qiáng)度，而且要兼有良好的塑性、韌性和優(yōu)異的焊接工藝性能。 WELDOX960高強(qiáng)鋼屬于 OXELOSUND公司生產(chǎn)的 WELDOX系列調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)用鋼，屈服強(qiáng)度大于 960MPa，具有優(yōu)異的綜合機(jī)械性能，可望在我國的焊接結(jié)構(gòu)生產(chǎn)中得到廣泛使用。 WELDOX960 高強(qiáng)鋼的生產(chǎn)工藝 占有瑞典鋼鐵產(chǎn)量一半的 SSAB 公司是一家比較典型的長流程工藝生產(chǎn)企業(yè)，主要研制、加工和銷售中厚鋼板。該公司擁有全世界最先進(jìn)的 連續(xù)軋制淬火 四輥軋機(jī)，生產(chǎn) 出的 鋼板尺寸精度高， 綜合性能好，具有高硬度、高強(qiáng)度、高韌性，以及表面高平整度和優(yōu)良的加工性能，在世界各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 本課題采用的鋼板 WELDOX960 高強(qiáng)鋼是由瑞典 SSAB 公司的子公司 OXELOSUND 公司研制生產(chǎn)的結(jié)構(gòu)鋼板，主要 特點(diǎn)是含碳量低，合金元素含量低，強(qiáng)度高。鋼板經(jīng)過調(diào)質(zhì) (淬火清華大學(xué) 本科材料科學(xué)與工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 ＋回火 )處理后組織為低碳回火馬氏體，晶粒細(xì)小，平均晶粒尺寸為 5μ m，綜合性能優(yōu)異，在高強(qiáng)度的焊接結(jié)構(gòu)中如車輛、鐵路、橋梁、起重裝置和伐木工具等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。 WELDOX960 高強(qiáng)鋼 主要是通過精煉降低雜質(zhì)元素 S、 P 含量，精確控制合金元素含量，加上形變熱處理后調(diào)質(zhì)處理 (QT)等手段生產(chǎn)出來的。形變熱處理后調(diào)質(zhì)處理是提高材料強(qiáng)度的最有效方法。 WELDOX960 高強(qiáng)鋼的軋制工藝 SSAB 在 WELDOX960 板坯 的冶煉和鑄造中采用傳統(tǒng)的 冶金工藝和現(xiàn)代連鑄技術(shù)相結(jié)合，經(jīng)過 冶煉 － 爐外精煉 －連鑄－控軋、控冷的生產(chǎn)工藝 ，生產(chǎn)出的鋼板成分精確，殘留元素含量非常低， 鐵水 經(jīng)過 預(yù)處理 后 硫 的 含量可 以 降至 %左右，爐外精煉進(jìn)一步使硫 含量 降至 %。 另外鋼坯在進(jìn)入連軋機(jī)組的粗軋機(jī)之前，都要經(jīng)過高壓水除鱗，連軋機(jī)各個(gè)輥道全部采用滾動(dòng)式軋制淬火輥道代替原來的靜態(tài)軋制淬火輥道，軋制采用高剛度、無扭、無張力（或微張力）連軋，鋼板裁剪采用激光－微機(jī)控制自動(dòng)剪切，因此產(chǎn)品表面質(zhì)量高，尺寸精確，清華大學(xué) 本科材料科學(xué)與工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 22 這些都為產(chǎn)品良好的綜合性能奠定了基礎(chǔ)。 WELDOX960 高強(qiáng)鋼 優(yōu) 異的綜合性能除了先進(jìn)的冶煉技術(shù)和精密的軋輥機(jī)外，軋制－淬火設(shè)備是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。該鋼在軋制淬火過程中，為了保證及時(shí)淬火，盡量減小加熱爐和淬火裝置之間的溫差，奧氏體化加熱爐和淬火裝置緊緊相鄰。軋制時(shí)先將板坯均勻加熱到 1200℃，經(jīng)四輥軋機(jī)軋制后進(jìn)行空冷。為了保證鋼板的軋制精度（誤差不超過177。 ），軋輥加工車間采用全封閉式恒溫均溫操作，以保證軋輥不至于因環(huán)境溫度的微小差異而產(chǎn)生尺寸偏差，同時(shí)嚴(yán)格控制氣氛，防止鋼板被氧化，影響鋼板的表面質(zhì)量和綜合性能。適宜的軋制溫度保證了尺寸的精確，為形成后續(xù)冷卻 需要的金屬組織結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。 WELDOX960 高強(qiáng)鋼的淬火和退火工藝 鋼板軋制完成后首先進(jìn)行空冷，然后送到淬火段。板坯在奧氏體化加熱爐中板坯被加熱至 900℃，從加熱爐出來后立刻進(jìn)入連續(xù)軋制淬火裝置。與傳統(tǒng)的靜態(tài)淬火裝置有所不同，連續(xù)軋制淬火裝置是指在整個(gè)淬火過程中鋼板一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。靜態(tài)淬火裝置和連續(xù)軋制淬火輥道分別如圖 21 所示 [8]： 清華大學(xué) 本科材料科學(xué)與工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 圖 21 靜態(tài)軋制淬火裝置和連續(xù)軋制淬火裝置的區(qū)別 Difference between Static quenching plant and Continuous roller quenching plant (a) (b) 清華大學(xué) 本科材料科學(xué)與工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 24 與靜態(tài)淬火工藝（圖 a）相比，在連續(xù)軋制 淬火工藝中 (圖b)，鋼板在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行均勻連續(xù)的淬火，淬火溫度均勻，使鋼板在軋制中由于變形不均勻產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力大大減小，板坯成型美觀，板坯的表面質(zhì)量好，同時(shí)也提高了板坯的加工性能。而對(duì)于傳統(tǒng)的靜態(tài)淬火工藝，由于板坯在淬火過程中被固定在鋼錠之間，該部分不能正常淬火，生產(chǎn)出鋼板表面不平整，淬火不均勻，而且內(nèi)部存在殘余應(yīng)力等缺陷。 鋼板從加熱爐出來后先進(jìn)入高壓噴水連續(xù)冷卻輥道，輥 道的溫度極低，板坯可以迅速從 900℃降到較低的溫度，從而保證了軋制質(zhì)量。然后鋼板進(jìn)入長的低壓噴水連續(xù)冷卻輥道繼續(xù)軋制淬火直至室溫。鋼板在整個(gè)軋制淬火過程中都處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。獨(dú)特的軋制淬火工藝，使 WELDOX960 高強(qiáng)鋼的強(qiáng)度大幅度提高，耐磨性大大增加，因此可以適當(dāng)降低鋼材中合金元素的含量，尤其是 C、 Mn、 Cr 元素的含量，從而降低碳當(dāng)量，改善鋼材的焊接性，可以達(dá)到在不增加合金元素的情況下改善鋼材的性能，即所謂的以水實(shí)現(xiàn)鋼材合金化的目的。 WELDOX960 高強(qiáng)鋼淬火后立即進(jìn)行回火得到強(qiáng)韌性較好的回火索氏體和少量 的低碳馬氏體組織，具有高強(qiáng)度、高硬度與較好的塑性和缺口沖擊韌性，加工性能和焊接性能良好。 清華大學(xué) 本科材料科學(xué)與工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 WELDOX960 高強(qiáng)鋼的熱處理工藝如圖 22 所示 [8]。 圖 22 WELDOX960 高強(qiáng)鋼 的熱處理工藝示意圖 Schematic diagram of WELDOX960 heat treatment processing WELDOX960 高強(qiáng)鋼的機(jī)械性能 WELDOX960 高強(qiáng)鋼由于含碳量低，合金元素含量低，化學(xué)成分精確；殘留元素含量非常低，通過冶金技術(shù)最大限度地控制鋼中 S、 P、 O、 N、 H 等雜質(zhì)元素 的含量和 鋼中夾雜物的數(shù)量、成分、尺寸、形態(tài)及分布 ，因此具有良好的綜合機(jī)械性能。 高強(qiáng)鋼的冶金特點(diǎn) 回火 清華大學(xué) 本科材料科學(xué)與工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 26 與傳統(tǒng)的合金結(jié)構(gòu)鋼相比， WELDOX960 高強(qiáng)鋼碳含量低，合金元素含量低， C、 S、 P 等雜質(zhì)元素得到有效控制，因此焊接時(shí)液化裂紋和結(jié)晶裂紋傾向很小。低夾雜，均勻是鋼材良好成型的先決條件。 WELDOX960 高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分見表 21。 表 21 WELDOX960 高強(qiáng)鋼的化學(xué)成分（ wt.%） Tab. 21 Chemical ponent of WELDOX960（ wt.%） 元 素 C Si Mn S P Cr 標(biāo)準(zhǔn)值 元 素 Mo Cu Ti Ni B CE* 標(biāo)準(zhǔn)值 － － ～ * ） CCeq? + 5156 VMoCrNiCuMn ????? [7] （ 21） 均 勻 的 合 金 成 分 和 優(yōu) 良 的 加 工 性 能 相 結(jié) 合 ， 使 得WELDOX960 高強(qiáng)鋼具有高韌性 (其韌性幾乎 相當(dāng)于普通鋼板清華大學(xué) 本科材料科學(xué)與工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 的 2 倍 ) ，優(yōu)異的彎曲性能、沖擊韌性和抗裂紋性能。WELDOX960 高強(qiáng)鋼調(diào)質(zhì)后具有良好的綜合機(jī)械性能，除了冶煉軋制技術(shù)外，主要還與其合金元素和調(diào)質(zhì)處理后的組織有關(guān)。在控制合金元素方面 OXELOSUND 公司主要采取的措施如下： 1. 控制鋼中 S 元素的含量 由于鋼中的 S 元素與 Mn 元素易結(jié)合形成 MnS，而 MnS 比較軟，在軋制過程中易形成帶狀組織，這大大地破壞了鋼材的韌性和彎曲性能。所以在 WELDOX960 鋼材中加入一定量的Cr 和 Ce 進(jìn)行脫 S 處理。因?yàn)?S 更容易和 Cr、 Ce 結(jié)合形成 CrS和 CeS，然后隨 鋼渣一起排出，從而大大降低了 S 的含量。而殘余的 CrS 和 CeS 由于比較硬，在軋制過程中保持細(xì)球狀，這種形狀相對(duì)于帶狀組織而言，對(duì)鋼材的韌性是極其有利的。WELDOX960 高強(qiáng)鋼中 S 含量一般控制在 %以下。 2. 加入少量的 B 元素 在 WELDOX960 高強(qiáng)鋼的 設(shè)計(jì)中，向鋼中添加 Cr、 Ni、 B等少量合金元素， 可以 提高鋼的強(qiáng)度、改善 鋼的 焊接 性 和耐磨等力學(xué)性能。 研究發(fā)現(xiàn) [5]，當(dāng)鋼中含有微量的 B 元素時(shí)，可以大大地提高鋼材的硬度，從而達(dá)到降低鋼中 C 和合金元素含量的目的，同時(shí)通過適當(dāng)增加 B 的含量還可以大大改善鋼材 的焊清華大學(xué) 本科材料科學(xué)與工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 28 接性。 3. 加入可以提高淬透性的元素 對(duì)調(diào)質(zhì)鋼而言，合金化的主要目的是提高鋼的淬透性，WELDOX960 高強(qiáng)鋼中加入了可以提高淬透性的元素 Mn、 Cr、Mo、 B、 Si、 Ni，淬火后得到低碳馬氏體，使鋼材具有良好的機(jī)械性能。 4. 加入防止第二回火脆性的元素 調(diào)質(zhì)鋼的回火溫度正好處于第二類回火脆性溫度范圍內(nèi)，鋼中含有 Mn、 Cr、 B、 Ni 元素時(shí)，會(huì)增大其對(duì)回火脆性的敏感性。回火后快速冷卻，加入抑制回火脆性的元素 Mo 可以保證使 WELDOX960 高強(qiáng)鋼具有優(yōu)異的綜合性能。 WELDOX960 高 強(qiáng)鋼的機(jī)械性能 WELDOX960 高強(qiáng)鋼 調(diào)質(zhì)后的機(jī)械性能見表 22， 23[8]。 表 22 WELDOX960 高強(qiáng)鋼的機(jī)械性能 Tab. 22 Mechanical properties of WELDOX960 清華大學(xué) 本科材料科學(xué)與工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 屈服強(qiáng)度σ s (N/mm2) 抗拉強(qiáng)度 σ b(N/mm2) 最高硬度HB 960～ 1050 980～ 1150 325 延伸率 V 型缺口沖擊韌性 Akv(J) A5 min (%) A50 min (%) 0℃ 20℃ 40℃ 12 15 35 30 27 備注： A5 表示拉 力棒的尺寸是 L0=5d0, A50表示拉力棒的尺寸是 L0=50d0。 表 23 WELDOX960 高強(qiáng)鋼的彎曲性能 Tab. 23 Bending properties of WELDOX960 R/t⊥ W/t⊥ R/t∥ W/t∥ 備注： R 為壓輥上模半徑， W 為下模開口寬度， t 為鋼板厚度，⊥表示沿垂直于軋制方向進(jìn)行彎曲，∥表示沿平行于軋制方向進(jìn)行彎曲。 清華大學(xué) 本科材料科學(xué)與工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 30 WELDOX960 高強(qiáng)鋼的強(qiáng)化機(jī)理 WELDOX960 高強(qiáng)鋼主要通過細(xì)化晶粒、加工硬化和合金強(qiáng)化三種 途徑提高其強(qiáng)度的。 晶界強(qiáng)化 晶界強(qiáng)化主要是通過細(xì)化晶粒來實(shí)現(xiàn)的。在常規(guī)的鋼材強(qiáng)化途徑中，只有細(xì)晶強(qiáng)化可以使金屬的強(qiáng)度和韌性同時(shí)提高。細(xì)化晶?？梢栽黾泳Ы?，晶界的主要作用是阻塞位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，晶粒越細(xì)，晶界越多，阻塞位錯(cuò)滑移的作用就越大，結(jié)果可以使金屬材料的屈服強(qiáng)度升高。細(xì)化晶粒不僅可以提高鋼的強(qiáng)度，而且可以提高鋼的塑性和韌性。關(guān)于金屬的屈服強(qiáng)度σ與晶粒直徑 D 之間的定量關(guān)系可以用 HallPetch 公式 [9]來描述： dSki /8 2/1???????? ??? （ 2－ 2） 式中 S 為晶界上“坎”的密度， k 為與位錯(cuò)分布有關(guān)的試驗(yàn)待定常數(shù)。從公式中不難發(fā)現(xiàn)材料的屈服強(qiáng)度和晶粒尺寸的平方根成反比，即晶粒越細(xì)，材料的屈服強(qiáng)度就越高，晶粒的大小對(duì)材料的力學(xué)性能有重要的影響。實(shí)踐證明當(dāng)晶粒的尺寸小清華大學(xué) 本科材料科學(xué)與工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 31 于 5μ m 時(shí)，不僅強(qiáng)度顯著提高，韌性也有很大改善。因此在生產(chǎn)中要對(duì)材料的晶粒度提出要求，通過技術(shù)條件和熱處理規(guī)范控制材料的晶粒度。在 WELDOX960 高強(qiáng)鋼 的生產(chǎn)中主要采用提高冷卻速度和控制變形程度達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。 晶界阻礙變形的能力并不是由于晶界具有很高的強(qiáng)度，主要是由于晶界兩邊的晶粒取向不同，滑移一般難以從一個(gè)晶粒直接傳播到取向不同的另一個(gè)晶粒。另外晶界的變形必須滿足連續(xù)性條件，即一個(gè)晶粒的形狀變化必須有臨近晶粒的協(xié)同動(dòng)作，以保持晶粒之間微觀結(jié)構(gòu)上的連續(xù)性，因而這就需要更高的外加應(yīng)力來開動(dòng)某個(gè)滑移系，宏觀上體現(xiàn)為材料的強(qiáng)度增加。 應(yīng)變強(qiáng)化 應(yīng)變強(qiáng)化又叫做加工強(qiáng)化或加工硬化，是指通過塑性變形（軋制、擠壓、鍛造、拉伸等）使合金獲得高強(qiáng)度的方法 [10]。塑性變形時(shí)增加位錯(cuò)密度是鋼材加工硬化的本質(zhì)。加工硬化的原 因主要是在變形過程中隨著位錯(cuò)密度