【文章內容簡介】 可以使金屬材料的屈服強度升高。細化晶粒不僅可以提高鋼的強度，而且可以提高鋼的塑性和韌性。關于金屬的屈服強度σ與晶粒直徑D之間的定量關系可以用HallPetch公式[9]來描述： （2－2）式中S為晶界上“坎”的密度，k為與位錯分布有關的試驗待定常數(shù)。從公式中不難發(fā)現(xiàn)材料的屈服強度和晶粒尺寸的平方根成反比，即晶粒越細，材料的屈服強度就越高，晶粒的大小對材料的力學性能有重要的影響。實踐證明當晶粒的尺寸小于5μm時，不僅強度顯著提高，韌性也有很大改善。因此在生產(chǎn)中要對材料的晶粒度提出要求，通過技術條件和熱處理規(guī)范控制材料的晶粒度。在WELDOX960高強鋼的生產(chǎn)中主要采用提高冷卻速度和控制變形程度達到細化晶粒的目的。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晶粒直接傳播到取向不同的另一個晶粒。另外晶界的變形必須滿足連續(xù)性條件，即一個晶粒的形狀變化必須有臨近晶粒的協(xié)同動作，以保持晶粒之間微觀結構上的連續(xù)性，因而這就需要更高的外加應力來開動某個滑移系，宏觀上體現(xiàn)為材料的強度增加。應變強化又叫做加工強化或加工硬化，是指通過塑性變形（軋制、擠壓、鍛造、拉伸等）使合金獲得高強度的方法[10]。塑性變形時增加位錯密度是鋼材加工硬化的本質。加工硬化的原因主要是在變形過程中隨著位錯密度的增加，位錯在運動中相互纏結、相互交割，形成固定割階，從而阻礙了位錯的運動，引起變形抗力的增加，使金屬塑性變形困難，從而提高了金屬的強度。據(jù)統(tǒng)汁，金屬強烈變形后，位錯密度可由106根/cm2增至 1012根/cm2以上[7]。隨著合金中位錯密度增大，繼續(xù)變形時位錯在滑移過程中相互交割的機會增多，相互間的阻力也增大，因而變形抗力就越大，合金達到強化。 固溶強化溶質原子溶入基體金屬中總是提高其變形抗力，這種作用稱為固溶強化。所有可溶性合金化組元甚至雜質都能產(chǎn)生固溶強化。然而，單是這一種方法不能獲得特別高的強度，不過它帶來的塑性損失要比其他方法小。固溶強化來源于溶質原子對位錯的釘扎作用和增加位錯運動的摩擦阻力，這種作用包括位錯與溶質原子間的長程交互作用和短程交互作用。固溶強化作用大小取決于溶質原子濃度、原子相對尺寸、固溶體類型和電子因素。固溶強化又分為間隙式固溶強化和置換式固溶強化。C、N等溶質原子嵌入α－Fe晶格的八面體間隙中，使晶格產(chǎn)生不對稱畸變造成強化效應。間隙式固溶強化對鐵素體基體強化效應最大，對韌性、塑性的削弱也很顯著。置換式固溶原子在基體晶格中造成的畸變大都是球面對稱的，因而強化效能要比間隙式原子小。當溶質和溶劑原子直徑相差比較小，化學性質也較類似時，置換原子的溶解度極限可以很大，但強化效應卻很小。隨著元素類型的不同，強化效能相應發(fā)生變化。置換式固溶強化對鐵素體的強化作用小，但是卻不削弱基體的塑性、韌性。凡是固溶度隨溫度而變化的合金，當從單相區(qū)進入兩相區(qū)時，就會從飽和固溶體中析出沉淀相或者形成溶質原子高集的過渡相，這個過程稱為沉淀或者脫溶。如果從高溫淬火得到過飽和固溶體，則在適當溫度經(jīng)過一定時間后也會發(fā)生沉淀過程，即時效。在沉淀過程中常常伴隨著強度的提高。強度提高的程度主要取決于沉淀物質點的結構、尺寸、間距、形狀及分布，同時也取決于質點與基體的錯配度或共格性，以及它們之間的相對位向。馬氏體硬度極高，是鋼經(jīng)過淬火的產(chǎn)物。并不是所有的馬氏體都具有高強度，只有含碳和氮的鐵合金經(jīng)馬氏體相變后才顯示出最強烈的硬化效應。馬氏體的強化并不限于一種機制，它是固溶強化、時效強化、晶界強化和相變強化的綜合。鋼中的馬氏體是碳和合金元素溶于αFe中的過飽和固溶體，其中對硬度和強度起決定作用的是碳原子而不是合金原子。當碳溶于馬氏體的八面體間隙中，晶格發(fā)生膨脹和畸變，在晶格中造成一個十分強烈的應力場，阻止位錯運動，從而使馬氏體的硬度和強度顯著提高。由于碳原子容易擴散，在室溫下可以通過擴散發(fā)生偏聚從馬氏體中析出，所以時效強化也對強化做出貢獻。 韌化機理韌性是指材料在斷裂前單位體積所消耗的功，其數(shù)值等于真實應力－應變曲線下的面積。韌性既取決于塑性也取決于強度。但是對于絕大多數(shù)工程合金來說，強度的提高往往伴隨者塑性、韌性的降低，即塑性、韌性常具有相同的變化趨勢。因此習慣上常把強度和塑性、韌性看作是兩組相互制約的性能指標。WELDOX960高強鋼的實際生產(chǎn)中一般通過凈化鋼材，細化晶粒，優(yōu)化顯微組織等手段達到提高韌性的目的。理論研究和生產(chǎn)實踐都證明：金屬材料中所含的氣體和非金屬夾雜物對金屬材料的塑性和韌性有嚴重的影響。比如S是絕大多數(shù)鋼種的有害元素，它使鋼的加工性能和使用性能變壞；N溶于金屬中后容易與Fe元素結合成Fe4N，使焊縫金屬產(chǎn)生時效脆化；而H元素在近縫區(qū)是造成接頭氫脆、白點和氣孔，產(chǎn)生裂紋的主要根源。因此在鋼材的冶煉、軋制中要嚴格控制雜質元素的含量，這對于改善鋼材的焊接性是至關重要的。晶粒是位錯和塞積群的障礙，晶界又是晶格位錯的源頭和尾閭，因此晶粒大小對于金屬的力學性能有重大的影響。晶界既然能阻止位錯的運動，故細化晶粒能促進多滑移，使變形均勻化，從而提高金屬材料的塑性。從理論上講，晶界可以把塑性變形限制在一定的范圍內，故細化晶粒能促進多滑移，使變形均勻化，從而提高金屬材料的塑性。同時晶界又能阻止裂紋的擴展，故細化晶粒還能提高金屬材料的韌性。目前關于細化晶粒對塑性韌性的貢獻還缺少定量的解釋。細晶粒不僅在室溫下具有較高的塑性，而且在較低的溫度下仍能保持良好的塑性。工業(yè)上常用以下方法達到細化晶粒、提高強度、塑性和韌性的目的：將鋼在相變點附近反復加熱冷卻，在液態(tài)金屬中添加變質劑或孕育劑。金屬材料的韌性對顯微組織十分敏感。通過熱處理實現(xiàn)顯微組織的優(yōu)化，可以在保持材料高強度的同時提高材料的韌性。馬氏體是鋼中最常見的不平衡組織，對于低碳低合金鋼的馬氏體，其晶體外形呈板條狀，晶體內部大都是密度很高的位錯線（位錯密度1011～1012cm2）,習慣上叫做板條馬氏體或位錯馬氏體。該種馬氏體含碳量比較低，晶體接近于體心立方，因而對韌性損害較小。馬氏體中的位錯亞結構具有一定的可動性，可以通過位錯緩和局部區(qū)域的應力集中，延緩裂紋成核；在有裂紋的情況下，也可以削減裂紋尖端的應力峰；而且馬氏體晶體呈板條狀，條束之間有殘留奧氏體薄膜，能提高韌性。另外這類馬氏體的Ms點比較高，在一般的淬火條件下會發(fā)生自回火。通過對WELDOX960高強鋼的生產(chǎn)工藝和合金元素含量的分析，得出如下結論：1. WELDOX960高強鋼含碳量低，合金元素含量低，主要通過細化晶粒和添加多元微量合金元素達到鋼材強韌化的目的，精確控制化學成分，并嚴格控制鋼中殘留元素的含量和夾雜物的數(shù)量、形態(tài)、尺寸和分布。2. WELDOX960在生產(chǎn)中采用連續(xù)軋制淬火工藝保證鋼材在極短的時間內迅速從900℃降至室溫，使晶粒細化，鋼材的機械性能大大改善，從而可以降低鋼種合金元素的含量，實現(xiàn)以水進行鋼板的合金化。3. 精確控制各道工藝工序。從鋼材冶煉到最后齊尺全部采用自動化控制，軋制過程在全封閉的環(huán)境下進行恒溫均溫操作，嚴格控制氣氛，保證鋼板的性能和質量穩(wěn)定。4. 獨特的生產(chǎn)工藝和軋制技術以及對合金元素的精確控制，WELDOX960鋼板調質處理后組織為細小的低碳馬氏體，平均晶粒尺寸為5μm，強韌性好，綜合性能優(yōu)異，并且具有良好的焊接性能。第三章 WELDOX960高強鋼焊接性研究金屬焊接性是金屬材料對焊接加工的適應性。主要是指在一定的焊接工藝條件下，獲得優(yōu)質焊接接頭的難易程度。金屬焊接性分為工藝焊接性和使用焊接性。工藝焊接性是指特定的材料在指定工藝條件下形成優(yōu)質焊接接頭的能力；使用焊接性是指形成的接頭適應使用要求的程度，兩者都是材料在焊接過程中力學和冶金行為發(fā)展變化的結果[11]。隨著新的焊接方法的不斷涌現(xiàn)，材料制造工藝的不斷完善和新材料的出現(xiàn)，以及生產(chǎn)應用對結構越來越高的性能要求，金屬焊接性問題不斷得到解決又不斷涌現(xiàn)，因此，金屬焊接性仍是生產(chǎn)和研究中極為重要的課題之一。鋼材的焊接性主要取決于它的化學成分。隨鋼材強度級別的提高其焊接性變差。焊接性變差一般表現(xiàn)在兩個方面：一是焊接過程中焊縫熔敷金屬的各種冶金缺陷；二是焊接過程中材料性能的變化。 WELDOX960高強鋼焊接性理論分析一般情況下，對鋼材焊接性理論分析并不能對材料的焊接性進行十分準確可靠的評價，但是可以作為很好的補充輔助材料，有助于在短期內迅速把握復雜的冶金因素和焊接因素在焊接中所起的作用，從而可以降低試驗成本。WELDOX960高強鋼屬于熱處理強化鋼，調質處理后組織為細小的低碳馬氏體，具有高強度和良好的塑韌性，可以直接在調質狀態(tài)下進行焊接，焊后不需要熱處理。由于焊接熱循環(huán)的作用，在熱影響區(qū)存在著由于峰值溫度超過原回火溫度而引起強度和硬度下降的“軟化區(qū)”，所以該鋼種在一定程度上存在過熱區(qū)脆化及軟化區(qū)強度下降的問題。碳當量法(Calculation of carbon equivalents)是把鋼中包括碳在內的合金元素對淬硬、冷裂和脆化的影響折合成碳的相當含量，用以進行焊接性分析的間接試驗方法。碳當量越高，則材料的冷裂敏感性越大，焊接性越差。試驗用WELDOX960高強鋼的化學成分及機械性能見表31。表31 WELDOX960高強鋼的化學成分（wt%） Chemical position of WELDOX960 （wt%）元 素CSiMnSPCr含量（wt%）元 素MoCuTiBNiV含量(wt%)－屈服強度/MPa抗拉強度/MPa伸長率δ5%斷面收縮率A5%960 985 根據(jù)WELDOX960高強鋼的化學成分分別對其碳當量Ceq和冷裂敏感指數(shù)Pcm進行計算，結果如下[7]Ceq=C+= （31）＝ （32）由上式計算結果可知，WELDOX960高強鋼碳當量Ceq=，冷裂敏感指數(shù)Pcm=，該鋼冷裂敏感性小，在適當?shù)念A熱溫度下冷裂傾向小。另外對WELDOX960高強鋼的再熱裂紋敏感系數(shù)PSR和焊后產(chǎn)生熱裂紋的臨界值HCS進行計算，結果如下[7]= （33）= （34）Mn/S比值大對防止熱裂十分有利，焊接中當Mn/S比大于25時，一般認為焊接中不會產(chǎn)生熱裂紋[10]。經(jīng)計算,WELDOX960高強鋼的Mn/S比為1210≥25，熱裂紋敏感系數(shù)HCS= ≤4，此外, WELDOX960高強鋼的再熱裂紋敏感指數(shù)PSR= ＜0。綜合以上計算可以認為該鋼產(chǎn)生焊接熱裂紋的可能性非常小。由上述分析可知，WELDOX960高強鋼的淬硬傾向很小，冷裂敏感性低，幾乎不會產(chǎn)生熱裂紋。 預熱溫度Tp的計算預熱是焊前對試件的全部或局部進行加熱的工藝措施，主要作用是降低接頭熱影響區(qū)的溫度梯度，使其在比較寬的范圍內獲得相對均勻的分布，從而減少溫度應力的峰值；同時通過預熱能夠控制焊接接頭的冷卻速度，延長奧氏體冷卻轉變溫度范圍內的冷卻時間t8/5，避免或減少產(chǎn)生淬硬組織的傾向，還有利于加速焊縫中氫的擴散逸出，防止冷裂紋的產(chǎn)生。Tp并非越高越好，選擇過高時，一方面惡化了工作條件，另一方面在局部預熱的情況下會產(chǎn)生附加應力，反而加大冷裂紋傾向。因此預熱溫度應根據(jù)鋼材和和焊接材料的成分、焊件厚度、結構剛度、焊接方法和環(huán)境溫度等通過焊接性試驗來確定。根據(jù)EN 10112[11] 推薦公式： （3－5）式中CET為焊接線能量，t為板厚，Q為熱輸入，HD為焊縫擴散氫含量?？紤]到WELDOX960鋼材本身的特性，SSAB OXELOSUND在式 （3－5）的的基礎上進行修正，提出修正因子f (Ox) [11]，即 （3－6）根據(jù)公式36，計算出板厚為12mm的WELDOX960高強鋼焊前最低預熱溫度為50～75℃。 熱影響區(qū)最高硬度HVmax與t8/5的關系鋼材的焊接性與其淬硬傾向密切相關，淬硬傾向越大，越容易產(chǎn)生裂紋。鋼材的淬硬傾向主要取決于鋼材的化學成分，焊接工藝和冷卻條件。為了判別鋼材淬硬的程度，常以其硬度值為指標，在焊接中一般采用熱影響區(qū)最高硬度值（HVmax）作為評定高強鋼焊接性的技術參數(shù)。熱影響區(qū)最高硬度可以由下式[11]進行估算： （3－7）其中X=arctan [f(t8/5, Ceq)]；Y=tan()；Z=Wc()；t8/5－接頭從800℃冷卻到500℃所需要的時間Wc－鋼材中碳的質量百分數(shù)從式（3－7）可知t8/5對于焊接接頭的性能至關重要，當材料種類、板厚板厚、接頭形式和焊接工藝參數(shù)給定，t8/5可由公式(38)、(39)[11]求得： 二維熱流: （3－8）三維熱流: （3－9） 其中FF3為形狀因子。熱輸入: （3－10）式中U－電弧電壓，I－焊接電流，V－焊接速度。 關于WELDOX960高強鋼焊接中t8/5對熱影響區(qū)硬度的影響如圖31所示，隨著冷卻時間的延長，HVmax硬