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| 低合金鋼基礎知識 |
| 發布日期：2011-02-14 10:02 |
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1.1 低合金鋼由來
中國鋼產量已突破1億噸，鋼材數量不再是主要矛盾，鋼材品種結構不合理的矛盾十分突出。當前行業的主要任務是努力提高產品的市場競爭力，站在可持發展的新起點上，把大力開發低合金鋼列入發展戰略的重要內容。許多普鋼企業在鋼材品種結構調整和編制科技發展規劃中，已意識到低合金鋼生產是提高產品技術含量和附加值的關鍵，對低合金鋼開發中碰到的種種問題心中無數，一些科技管理干部覺得“成也低合金鋼，敗也低合金鋼”，迫切要求對低合金鋼有個全面的了解。
按國際標準，把鋼區分為非合金鋼和合金鋼兩大類，非合金鋼是通常叫做碳素鋼的一大鋼類，鋼中除了鐵和碳以外，還含有爐料帶入的少量合金元素Mn、Si、Al，雜質元素P、S及氣體N、H、O等。合金鋼則是為了獲得某種物理、化學或力學特性而有意添加了一定量的合金元素Cr、Ni、Mo、V，并對雜質和有害元素加以控制的另一類鋼。
原則上講，合金鋼分為低合金鋼、中合金鋼和高合金鋼，顧名思義，以含有合金元素的總量來加以區分，總量低于3％稱為低合金鋼，5～10％為中合金鋼，大于10％為高合金鋼。在國內習慣上又將特殊質量的碳素鋼和合金鋼稱為特殊鋼，全國31家特鋼企業專門生產這類鋼，如優質碳素結構鋼、合金結構鋼、碳素工具鋼、合金工具鋼、高速工具鋼、碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼、軸承鋼、不銹鋼、耐熱鋼、電工鋼，還包括高溫合金、耐蝕合金和精密合金等等。在鋼的分類上，近年雖努力向國際通用標準靠攏，但還有許多不同之處。
① 隨著特鋼向“特”、“精”、“高”發展，向深加工方向延伸，特鋼的領域越來越窄。美國特鋼協會將特鋼定位在工模具鋼、不銹鋼、電工鋼、高溫合金和鎳合金。日本把結構鋼和高強度鋼歸并在特鋼范疇。隨著我國普鋼企業的技術改造和工藝進步，特鋼企業的產品領域也在縮小，1999年普鋼廠已生產特鋼產品總量的34％。
② 國外的低合金鋼，實際上是我們所熟悉的低合金高強度鋼，屬于特殊鋼范疇，在美國叫做高強度低合金鋼（HSLA—Steel），俄羅斯及東歐各國稱為低合金建筑鋼，日本命名為高張力鋼。而在國內，首先是把低合金鋼劃入了普鋼范圍，概念上的區別導致在產品質量上的差異。在名稱上也幾經變化，如低合金建筑鋼、普通低合金鋼、低合金結構鋼，至1994年叫做低合金高強度結構鋼（GB/T1591—94）。到目前為止，從發表的資料文獻來看，低合金鋼的名稱仍然隨著國家、企業和作者而異。
③ 低合金鋼與碳素鋼、低合金鋼與合金鋼之間，明確劃出的概念是不存在的。在國外，50年代曾給低合金鋼下過定義，總的意思是，凡是合金元素總量在3％以下，屈服強度在275Mpa以上，具有良好的可加工性和耐腐蝕性，以型、帶、板、管等鋼材形狀，在熱軋狀態直接使用的軟鋼的替代品。當然，在技術發展進程中，低合金鋼不論在合金含量、性能水平和交貨狀態，已經有了很大的變化。
在我國，低合金鋼是一個更加籠統的鋼類，鋼材品種不僅含有低合金焊接高強度鋼，還包容了低合金沖壓鋼、低合金耐腐蝕鋼、低合金耐磨損鋼、低合金低溫鋼、甚至還納入了低、中碳含量的低合金建筑鋼和中、高碳含量的低合金鐵道軌鋼。具有中國特色，但帶來的一個問題是缺乏與國外統計數據的可比性。
1.2 早期低合金鋼的發展
低合金鋼的出現可以追溯到19世紀的1870年，一種碳含量0.64～0.9％和鉻含量0.54～0.68％、抗拉強度685Mpa、彈性極限410Mpa鋼，第一次被采用于工程結構，建造了跨度158.5m的拱形橋梁。但這種鋼不理想也是十分明顯的，需要軋后熱處理，難以機械加工，耐蝕性又不良。隨后的1個多世紀的時間，世界各國不斷探索，大體上可以把低合金鋼區劃為三個不同特征的發展階段，在20世紀20年代以前，20～60年代及60年代以后。前兩個階段姑且合稱為傳統的低合金鋼發展階段，后一階段可以稱為現代低合金鋼發展階段（后面我們稱它為微合金鋼Microalloyed Steel）。
前一時期低合金鋼的重大發展有三個標志：
① 由單一元素合金化向多元素合金化發展
1895年曾采用0.40～0.56％C和3.5％Ni的鋼建造了俄國的“鷹”級驅逐艦，該鋼的加工性比初期的鉻鋼要好得多，屈服強度在355Mpa。20世紀初還用8000多噸含鎳的鋼建造了跨度為448m的橋梁，美中不足的是這種鋼的合金資源有限，成本又高。此后開發了1.25％Si的低合金鋼，建造了橫渡大西洋的船舶和跨度110m的橋梁，俄國利用鐵銅混生礦源，曾開發了0.7～1.1％Cu的低合金鋼用于造船、建橋，這種鋼導電性好，抗腐蝕性優良。
長達30多年的生產和應用經驗的積累，發現多元合金化的低合金鋼綜合性能更佳，經濟上更劃算，開發了二元合金化的Ni-Cr、Cr-Mn、Mn-V低合金鋼，和三元復合合金化的Cr-Mn-V、Cr-Mn-Si、Mn-Cu-P等低合金鋼。用途上也擴大到了鍋爐、容器、建筑和鐵塔等方面。20世紀20年代全世界的低合金鋼產量達到200萬噸。
② 賦予低合金鋼的第一特征：低碳、可焊接
在工程結構廣泛采用焊接技術之后，給低合金鋼發展帶來深遠的影響。為減小焊接熱影響區硬化和開裂、焊接接頭延性惡化，把低合金鋼的碳含量由0.6％降到0.4％，隨后又降至0.2％，至60年代末再降至0.18％，提出了焊接碳當量的可焊性判據。為了獲得高強度鋼不斷增高的強度需求，出現了兩條發展途徑，一個是提高合金含量，另一個是熱處理手段，各有利弊，至今屈服強度高于600Mpa的鋼仍采用熱處理，E級和F級船板仍規定正火狀態使用，再如鐵路鋼軌仍有合金化軌和全長淬火軌的兩種生產方式。
③ 注意到鋼的冷脆傾向性和時效敏感性
二次世界大戰期間大量“自由”輪在運行中斷裂及許多鍋爐、容器的失效，注意到了鋼冷脆傾向與鋼的粗晶結構和有害元素P、S的含量有關，而鋼的時效傾向是由鋼中N所致，從而采取了降硫、鋁細晶化和控制終軋溫度等優化工藝。為了鋼結構的安全使用和壽命，同時還開發了低溫夏氏V型缺口沖擊、溫度梯度雙重拉伸、零塑性轉折落錘及BDWTT落錘撕裂等試驗方法及制訂了相應的斷裂韌性判據。
20～60年代間，工業發達國家的低合金鋼開發帶來了經濟的繁榮和現代化。據不完全統計，全世界成熟的低合金鋼鋼種牌號有2000余個，形成了5大合金成分系列：
(1) 以德國St52鋼為代表的C-Mn鋼系列，日本的SM400、我國的16Mn屬于這類鋼。
(2) 以美國Vanity鋼為代表的Mn-V-（Ti）鋼系列，構成了現代微合金化的先驅。
(3) 美國的含P-Cu鋼系列，代表鋼種有Corten和Mariner鋼，具有良好的耐大氣和海水腐蝕性。
(4) Ni-Cr-Mo-V鋼系列，如美國開發的淬火回火狀態T-1鋼板成功用于壓力容器的建造。
1.3 我國低合金鋼的發展
50年代原冶金工業部鋼鐵研究院劉嘉禾為首的一批冶金學專家率先研制成功了16Mn鋼和15MnTi鋼，開創了中國低合金鋼領域，在此基礎上制定了命名為低合金高強度鋼的第一個標準(YB13—58)，列入12個鋼種牌號。1963年易名為低合金結構鋼(YB13—63)，納入的鋼種牌號除Mn系列外，包括了結合我國富產資源所開發的V、Ti、Nb及稀土的低合金鋼，并由此派生出了橋梁、造船、容器、汽車大梁、礦用等專用鋼標準。其后修改的YB13—69，改為普通低合金鋼（簡稱普低鋼），強調“普通”的意思在說明生產低合金鋼就像生產普通碳素鋼一樣，不需要特別的生產手段，簡便容易，即可取得1噸頂1.3～1.5噸的經濟效益，此后長達20年難以消除它的負面影響，至今全國行業鋼材品種結構調整時，還往往注意到低合金鋼高附加值的一面，而忽視了低合金鋼的高技術含量一面。1988年升級為國標時（GB—1591—88），回歸到了低合金結構鋼的名稱，1994年頒布的現行標準更名為低合金高強度結構鋼，（GB／T1591—94），包括了屈服強度295—460Mpa 5個強度等級和A～E 5個質量等級，新標準的積極意義在于努力向國際規范靠攏。由于我國低合金鋼基礎研究日趨深入和生產規模日益擴大，在北京已連續召開了4屆（1985、1990、1995及2000年）國際低合金高強度鋼會議，無疑這是對中國低合金鋼領域科技進步的肯定。
我國低合金鋼發展歷程可以劃分為4個階段：
1957～1969年
是低合金鋼開發的初創階段，第一個低合金鋼16Mn鋼與普碳鋼相比，具有高強度、高韌性、抗沖擊、耐腐蝕等特性，它的開發適應了各行業產品大型化、輕型化的趨勢，采用16Mn鋼所建造的的“東風”萬噸輪，顯示了節省鋼材、節約能源和延長產品壽命的優越性。
1966年召開了全國規模的第一次低合金鋼推廣應用會議，在計劃經濟條件下宏觀指導低合金鋼的發展。當年低合金鋼產量為141萬噸，據不完全統計，研制鋼號達345個，其中有54個鋼號納入了11個有關標準中。
1970～1974年
全力進行了鋼種整頓工作，及時總結了開發中有益的經驗，收集了大量的試驗研究數據，合并和淘汰了一批無法組織批量生產或性能達不到預定指標的鋼號，化費四年時間的鋼種整頓工作是十分有益的，減少了開發盲目性和無序狀態，完善了富有中國特色的低合金鋼體系。
1975～1983年
我國低合金鋼開發生產和應用等各方面存在的問題很多，積重難返，顯示出了與客觀需求的不適應，合金資源優勢未能轉化為產品優勢，產品質量明顯低于國外同類同級產品的實物水平，16Mn、20MnSi、U71Mn 3個鋼號占低合金鋼總產量90％以上。
1984～2000年
這是一個中國低合金鋼的轉型期，從“六五”至“九五”期間，基本上實現了4個轉變。
(1) 按國外先進標準生產低合金鋼
(2) 引進國外發展成熟的低合金鋼鋼號
(3) 按國外低合金鋼基礎研究成果，改造我國原有的傳統觀念設計的低合金鋼鋼號
(4) 跟上新型低合金高強度鋼(微合金鋼)的發展趨勢。
我國低合金鋼發展面貌有了極大的變化，大大縮小了與國外低合鋼先進水平的差距。
1.4 現代低合金鋼的重大進展
自20世紀70年代以來，世界范圍內低合金高強度鋼的發展進入了一個全新時期，以控制軋制技術和微合金化的冶金學為基礎，形成了現代低合金高強度鋼即微合金化鋼的新概念。進入80年代，一個涉及廣泛工業領域和專用材料門類的品種開發，借助于冶金工藝技術方面的成就達到了頂峰。在鋼的化學成分—工藝—組織—性能的四位一體的關系中，第一次突出了鋼的組織和微觀精細結構的主導地位，也表明低合金鋼的基礎研究已趨于成熟，以前所未有的新的概念進行合金設計。
低合金鋼的現代進展有哪些呢？主要表現有：
(1) 微合金化鋼基礎研究的新成就。
首先，對微合金化元素，尤其是Nb、V、Ti、及Al的溶解一析出行為的研究取得顯著的成果，這些元素的碳化物和氮化物的形成及其數量、尺寸、分布取決于冷卻過程的形變溫度和形變量，而加熱過程中碳、氮化物的存在及其特性表現在回火的二次硬化、正火的晶粒重結晶細化、焊接熱循環作用下晶粒尺寸的控制3個主要方面。
其二、重視含Nb微合金化鋼、Nb-V和Nb-Ti復合微合金鋼的開發，據統計幾乎占有近20年來新開發微合金化鋼全部牌號的75％和微合金化鋼總產量的60％。近幾年注意到了微量Ti（≤0.015％）十分有益的作用，Ti的微處理不僅改變鋼中硫化物的形態，而且TiO2或Ti2O3成為奧氏體晶內鐵素體晶粒生核的質點，Nb-Ti復合微合金化構成超深沖汽車板IF鋼的冶金基礎，還顯著改善了Nb鋼連鑄的裂紋敏感性。
其三，對低碳鋼強化的Hall-Petch關系式進行了系統總結，對加速冷卻原理作了更深入的研究。人們十分有興趣采用分階段加速冷卻工藝的應用，前期加速冷卻用于抑制鐵素體轉變，后期加速冷卻目的在于控制中、低溫產物的晶粒尺寸和精細結構的組成，從而達到在較寬范圍內調整鋼的強度和強度／韌性匹配。
350MPa級高強度鋼：微合金化+熱機械處理，機制為晶粒細化+析出強度。
500MPa級高強度鋼：鐵素鐵+貝氏體、馬氏體，強化機制為晶粒細化、并晶界強化和位錯強化。
700MPa級高強度鋼：淬火回火組織，機制為相變強化+析出強化。
(2) 工藝技術的進步
頂底復吹轉爐冶煉，鋼的碳含量可控制在0.02～0.03％，精煉的應用可生產出碳含量在0.002～0.003％，雜質含量達到＜0.001％S、＜0.003％P、＜0.003％N，2～3ppm［0］和＜1ppm［H］的潔凈鋼。
連鑄的成功經驗是低的過熱度、緩流澆注和適宜的二次冷卻，采用低頻率、高質量的電磁攪拌，可以得到均勻的等軸的凝固區。
在再結晶控軋的基礎上，應變誘導相變和析出的非再結晶控軋，以及（g+a）兩相區形變，已成為目前控軋厚鋼板生產主要方向。薄板坯連鑄連軋流程和薄帶連鑄工藝的實用化，使低合金鋼生產進入了又一個新境界。
(3) 低合金鋼合金設計新觀點
首先是鋼的低碳化和超低碳趨勢，例如60年代X60級管線鋼碳含量為0.19％，70年代為0.10％，80年即使 X70和X80級管線鋼碳含量降至0.03％以下。
根據微合金化元素在鋼中的基本作用和次生作用，提出了“奧氏體調節”的概念，有意識地控制加入微合金化元素，使鋼適于一定的熱機械處理工藝，以發展新的性能更好的鋼種。
傳統控制軋制的合金設計：微合金化的重要目的是提高再結晶停止溫度，利用非再結晶區的形變誘導相變和析出，Nb是最理想的微合金化元素。
再結晶控制軋制的合金設計：它的目的是盡量降低再結晶停止溫度，并形成阻礙晶粒粗化的系統。其中一種辦法是以TiN為晶粒粗化阻止劑，以V（CN）作為鐵素體強化。另一種方案是Nb-Mo的微合金化，具有較寬闊的可以加工的窗口。這種工藝特別適合于不能進行低溫軋制的低功率的老舊軋機生產。
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