现代高强度铌微合金化结构钢_杨雄飞

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1、世界金属导报/2013年/2月/26日/第B04版轧钢技术现代高强度铌微合金化结构钢杨雄飞第1页共8页第2页共8页第3页共8页第4页共8页1概述钢在民用建筑工程中的应用具有如下优势:①缩短施工时间；②降低成本；③减少维护；④提高承载能力；⑤更高的强度/重量比。这些优势在当今不断提高的环保意识和高经济性的市场中仍然十分突出，建筑行业使用高强度钢比例不断增大。这不仅能保证大胆创新的建筑工程得以实现，而且也实现了资源节约，保证工程投资回报期提前。然而，除了常规力学性能外，这些钢应满足使用性能要求，如现场焊接性、低温性能等。一般情况下，通过提高合金元素添加量来实现更高强度，

2、但这会使钢的淬透性提高，这样，在焊接时如果没有采用合适的焊接参数，则出现脆性断裂和氢致裂纹的风险增加。如今，现代化轧机具备生产屈服强度500MPa、厚度接近100mm钢板的能力。这些钢可被归类为可焊接细晶微合金化钢种，母材及焊接热影响区(HAZ)都具有优异的韧性。一般，这些钢通过热机械加工(TMCP)结合加速冷却途径生产，通常在焊接前不需要预热处理。欧洲标准EN10025-4涵盖名义最低屈服强度275MPa、355MPa、420MPa、460MPa和名义低温冲击韧性-20℃(M钢)和-50℃(ML钢)的TMCP钢种。2建筑用含铌高强度钢(HSS)应用更高强度钢可以显

3、著降低钢板厚度，实现减重。当材料只承受单向应力时，实现减量效果最好，即将屈服强度提高一倍，钢材仅需要一半的壁厚就可以承受相同载荷。即使考虑由弯曲或扭转载荷产生的其他应力作用，减重效果依然显著。这种效果可由用不同强度水平钢制作的梁的例子证明(图1)。尽管这类HSS的价格更高，但其材料节省量足以补偿材料成本的增加。此外，所需总的材料重量减少，从而减少结构制作成本以及运输和人工处理等成本。另外，现代高强度钢的应用也可以节省钢结构所需要的焊接。随着壁厚降低，所需焊接金属量也随之减少，减少量呈二阶指数，更为重要的是焊接金属量决定了部件制作所需的生产时间。经济效益应在结构安全得

4、到保障的前提下才能考虑。研究已经表明:首先，钢在将要使用的服役温度下一定不能呈现脆性；其次，钢应具有优异塑性，承受任何裂纹扩展。图2给出了断裂力学测试结果，结果表明，更大的缺陷长度及更高强度钢需要更高的韧性水平以保证结构安全。从图2可以看出，所需的断裂力学值随屈服强度增加呈指数上升。因此，这对钢铁冶金工作者开发第5页共8页出能同时具有更高强度和更好韧性水平的钢提出了挑战。实现这一目标的关键方式之一是通过铌(Nb)微合金化的使用，它能保证开发出的钢既具有更高强度又具有良好韧性。欧洲钢结构设计规范(EN1993-Eurocode3)描述了一种基于断裂力学的安全分析，同时

5、也给出一种使用更为广泛的夏比V缺口冲击试验获得实用近似值。现代结构钢的生产要求钢水具有高的洁净度，从而提供更好的韧性。这类钢通常要求低的硫化物和氧化物夹杂，同时碳含量低，减少珠光体的体积分数。这种冶金要求方法广泛应用在现代加铌的高强度低合金(HSLA)钢中，其中以铌产生细晶强化作为主要的强化机理(同时改善韧性)。应指出的是，其他强化机理，即析出强化、位错强化或者固溶强化和应用高碳的强化途径等，都有恶化韧性的效应。因此，钢的开发重点应放在晶粒尺寸细化上。低碳及高洁净钢也有利于焊接性。研究表明:首先，钢在将要使用的服役温度下一定不能呈现脆性；其次，钢应具有优越的塑性，承

6、受任何裂纹扩展。例如，对海洋用钢板，裂纹尖端张开位移(CTOD)测试要求的趋势证明对现代结构钢板的使用性能要求不断提高。在近期的一些工程中，已经要求在-40℃进行试验，而对屈服强度460MPa钢要求在低至-60℃下进行夏比韧性CVN试验。冶金工作者面临的挑战是要更好地理解合金化和整个工艺路线。具体体现在如下几方面:◆降低碳含量，减少珠光体的体积分数，低碳及高洁净钢也对焊接性产生正面作用；◆在二次精炼过程中进行真空脱气，使硫、氮、氢和总氧量最低。整体上，这将减少杂质元素量，生产出更洁净的钢；◆钙处理可以改性硫化物夹杂，使硫化物更加球化。如今，在铝脱氧钢中典型硫含量<0

7、.003%:◆轻压下以压缩凝固孔隙并使连铸过程中宏观偏析程度最低；◆最大厚度板坯的生产——允许在轧制过程中实现更大的芯部调节。现代HSLA钢一直采用避免在凝固过程中产生包晶反应的碳含量，即碳含量低于0.09%，最典型的碳含量一般在0.07%左右或更低。这样低的碳含量不仅有利于避免在连铸过程中产生表面裂纹，而且也改善了焊接性。在包晶反应过程中，由于在8一铁素体向奥氏体转变过程中发生进一步的体积收缩，造成钢水在枝晶间聚集。自然地，这些钢水富集合金化元素，由于在HSLA钢中主要的合金化元素是锰，锰的偏析率通常高达基体成分的两倍，而这种偏析是HAZ的局部脆性区的起源，导