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1、高强钢焊接性能分析与优化设计目 录第一章 概述11.1 新一代低合金高强钢的发展概况11.1.1 我国低合金高强钢的发展现状及面临的挑战31.1.2 国外新一代低合金高强钢的发展及使用情况41.2 新一代低合金高强钢的主要特点51.2.1 新一代低合金高强钢的冶金特点51.2.2 新一代低合金高强钢的强化途径61.3 新一代低合金高强钢对焊接材料的要求71.3.1 新一代低合金高强钢的焊接性71.3.2 新一代低合金高强钢对焊接材料的要求81.4 本课题的研究背景及意义91.5 本课题预期达到的目的10第二章 WELDOX960高强钢的生产工艺及性能112.1 WELDOX960高强钢的生产工
2、艺112.1.1 WELDOX960高强钢的轧制工艺122.1.2 WELDOX960高强钢的淬火和退火工艺122.2 WELDOX960高强钢的机械性能152.2.1 WELDOX960高强钢的冶金特点152.2.2 WELDOX960高强钢的机械性能172.3 WELDOX960高强钢的强化机理172.3.1 晶界强化172.3.2 应变强化182.3.3 固溶强化192.3.4 沉淀强化192.3.5 马氏体相变强化202.4 韧化机理202.4.1 金属材料的净化212.4.2 晶粒的细化212.4.3 显微组织的优化212.5 本章小节22第三章 WELDOX960高强钢焊接性研究2
3、33.1 WELDOX960高强钢焊接性理论分析233.1.1 碳当量法243.1.2 预热温度Tp的计算253.1.3 热影响区最高硬度HVmax与t8/5的关系263.1.4 焊接工艺参数曲线273.1.5 焊接材料的选择303.1.6 试验设备及仪器313.2 焊接性试验的目的及内容313.3 WELDOX960高强钢抗裂性试验结果及分析323.3.1 斜Y型坡口焊接裂纹试验323.3.2 热影响区最高硬度试验353.3.3 搭接接头焊接裂纹试验383.4 WELDOX960高强钢力学性能试验及结果分析413.4.1 焊接接头抗拉强度试验413.4.2 焊接接头微观组织分析453.4.3
4、 焊接接头弯曲试验463.4.4 焊接接头冲击试验503.5 本章小结55第一章 概述1.1新一代低合金高强钢的发展概况随着机械工业生产迅猛发展，在焊接结构日益大型化、轻量化的现代工程机械及冶金矿山机械生产中，为提高机械设备的使用性能，以最大限度地满足各种工程建设的需要，钢材不仅要有良好的综合力学性能，而且要有良好的加工工艺性能（比如焊接性），对于特殊条件下使用的钢种，更要求其具有相应的特殊性能，比如耐高温，耐腐蚀，耐冲击等。因此原来的碳素钢已经不能满足需要，必将有大量的低合金高强度钢被投入使用。低合金高强度钢是指低合金钢中包括C、Si、Mn在内的主要添加元素的含量不超过5%，屈服强度大于60
5、0MPa的钢种，是在碳素钢的基础上通过调整碳及合金元素的含量，并辅助一定的热处理工艺实现的。低合金高强钢的主要特点是含碳量低，可焊性好（含碳量一般低于0.45，冷裂敏感指数小于0.3），晶粒细化，屈服强度高，普遍采用Nb、V、Ti等合金元素进行强韧化。大多采用先进的冶炼工艺和形变热处理工艺进行生产1-5。按照低合金高强钢（简称HSLA钢）的屈服强度可以将其大致分为三个等级：A级：s =290-490MPa 热轧、控轧、正火钢B级：s = 490-980MPa 低碳调质钢C级：s = 880-1176MPa中碳调质钢低合金高强钢的发展经历了几个极为重要的时期。20世纪初的低合金高强钢主要用于结构
6、和建筑方面，而且主要是根据屈服强度s进行设计，很少注意钢材的韧性、可成形性和可焊接性；50年代开始大力开发细晶粒化的新材料；70年代以控制轧制技术和钢的微合金化冶金为基础，形成了“现代低合金高强度钢”的新概念；80年代初以来，借助于工艺技术方面的成就开发了适于广泛工业领域和专门领域的品种。在钢的化学成分工艺组织性能的关系中，第一次强调了钢的组织的主导地位，表明低合金高强钢的基础研究已趋于成熟。随着低合金高强钢的不断发展，在高强度、耐高温、耐低温、耐腐蚀等方面满足了焊接结构的要求，并在桥梁、锅炉及压力容器、汽车、舰船、石油管线等领域得到了广泛的应用。低合金高强钢主要是通过调整钢中碳元素和合金元素
7、的质量分数和配以适当的热处理来实现的，当然碳元素和合金元素的增加也会给钢的焊接性带来不利的影响。在低合金高强钢中，随着强度级别的提高，碳元素及合金元素质量分数的增多，势必会引起接头的脆化、软化及裂纹倾向增大。这些焊接性问题的出现，不仅会降低焊接结构安全运行的可靠性，造成焊接结构的早期破坏，而且还会给国家财产和人民生命造成重大损失。为了不断改善低合金结构钢的焊接性，国内从80年代就开始研制并生产焊接性良好的微合金控轧钢和新一代超细晶粒钢，这些新钢种的出现必然会给钢的焊接性带来了重大的变革6。工业的不断发展对钢材焊接接头的性能要求越来越高，比如承载强度大，塑性韧性好，抗疲劳，抗裂纹等，因此钢材的发
8、展趋向也在逐渐变化。在充分考虑经济因素和环境因素的前提下，对钢材的洁净度、均匀性、强度等方面提出了更高的要求。稳定的冶炼凝固技术和超细晶粒组织控制等生产工艺越来越重要，要改善钢的使用性能，使钢的强度、服役能力有明显提高，且易回收利用。同时由于绝大多数产品和构件的设计都是通过焊接实现的，钢材的发展对焊接工艺、焊接材料、结构设计等方面提出了挑战，如何提高接头的强度，如何避免裂纹的产生以及如何提高接头的疲劳极限等，由此将引发出一系列科研课题：如何通过化学冶金过程使钢材的纯净度极限化；如何改进技术措施使钢板的加工过程经济化和钢板综合性能的完美化等。1.1.1我国低合金高强钢的发展现状及面临的挑战在六、
9、七十年代，我国高强度钢的生产几乎处于空白状态，但在国外，其发展和应用已很广泛，而且还有不断增长的趋势。我国在这一领域起步很晚，从7080年代我国控制轧制的基础研究开始进行，在低合金高强钢合金设计中，人们已不再采用以提高钢中碳元素的含量、牺牲塑性来得到更高强度的传统设计方案，新的合金设计是向钢中添加Cr、Ni、V、Ti、Nb、B等少量合金元素，从而提高钢的强度、改善焊接性和耐磨性等力学性能。到目前为止许多低合金高强钢的生产已开始采用此方法，并将成为厚钢板生产的主要方向。对这类钢配套使用的焊接材料的研制成为当前亟待解决的问题之一。由于新一代钢铁材料的晶粒达到超细化，焊接时面临的严重问题是焊缝的强韧
10、化、热影响区晶粒长大等问题。在我国新一代钢铁材料项目中，主要是针对400MPa级和800MPa级超细晶粒钢解决上述焊接性问题，并从焊接材料、焊接方法和焊接工艺等多方面进行综合解决。但是，随着低合金高强钢的广泛应用，尤其是低合金高强钢的焊接，给焊接工作者带来很多困难。为了提高钢材的强度，需要高的含碳量和合金含量，但是随之而来的问题是强度越高，韧性越低，焊接性也越差。国内的研究人员针对该难题做了大量工作，并且也取得了一定的成果。目前国内投入使用的低合金高强钢的强度已经达到600MPa6。发展低合金高强钢是实现我国钢铁工业结构调整的重要部分，也是我国从钢铁大国转变为钢铁强国的关键措施，因此有必要研制
11、和开发既适合焊接又便于热处理的低合金高强钢，以适应不同结构对钢材的需求。我国“新一代低合金高强钢的基础研究”项目已经启动，目标是提高钢材的纯净度、均匀性、超细化组织（力争晶粒尺寸小于1m），使合金钢的强度、韧性比现有钢种提高一倍。此课题的研究将为今后新一代低合金高强钢在我国的深入研究、推广和使用做出一些基础性探讨工作。1.1.2国外新一代低合金高强钢的发展及使用情况国外对低合金高强钢的研究和使用己经很多年了，尤其是超高强结构。最近几十年来，国外特别注重通过冶金的方法从根本上解决钢的焊接性问题，通过冶金措施采用低碳微合金化及控轧控冷等工艺措施生产出了若干种强韧性好、焊接性优良的管线钢、桥梁钢、压
12、力容器用钢等，为焊接用合金结构钢的发展做出了新的贡献。日本首先于1997年投资6000美元启动了“STX-21超级钢铁材料”项目，通过超细化和微合金化使钢铁材料的寿命和性能提高一倍，平均晶粒尺寸从10m降到0.77m6，使普通C-Mn钢的抗拉强度从405MPa 提高到800MPa。瑞典的SSABOXLOSUND公司从90年代开始研制高强钢，到目前为止，已经生产出全世界屈服强度最高的结构钢板WELDOX1100。WELDOX960属于低合金高强结构钢，是SSAB OXELOSUND公司WELDOX系列产品，该钢主要是通过调整钢中碳及合金元素的质量分数并配以适当的热处理来实现强韧性的。作为新一代钢
13、种,WELDOX960高强钢以其优良的性能，如高强度、耐高温、耐低温、耐腐蚀等满足了焊接结构多方面的要求，并在舰船、工程机械、石油管线、锅炉及压力容器、桥梁、汽车、火车、发电设备等领域得到了广泛的应用。低合金高强钢随着性能的不断改善，在许多结构方面的应用已占相当大的比例，特别是海洋用钢、建筑用钢等方面。近几年国外在不同结构上使用低合金高强度钢的比例列于表11中2。表11低合金高强钢在不同结构中所占的比例（%）Tab. 1-1 Percent of HSLA in different fields (%)项 目 欧 洲北 美日 本结构用型钢302010船舶用型钢15302010钢 板 钢2015
14、100钢 筋100510建筑用钢958070海洋用钢板903070海洋用型钢7020101.2新一代低合金高强钢的主要特点新一代低合金高强钢的特点是超细晶粒、超洁净度、高均匀性，其强度和寿命比原同类钢种提高一倍。超细晶粒是指钢材晶粒尺寸达到0.1-10m，超洁净度是指钢中S、P、O、N和H等杂质元素的含量降低到0.005%以下；高均匀性是指钢材的成分、组织和性能的高度均匀，并强调了组织均匀的主导地位3。新一代低合金高强钢主要通过冶金处理和各种强化途径来实现其强韧性。1.2.1新一代低合金高强钢的冶金特点1. 洁净化 钢材的洁净化具有两个含义，一是最大限度地去除钢中S、P、O、N、H（有时包括C
15、）等杂质元素；二是严格控制钢中夹杂物的数量、成分、尺寸、形态及分布。钢的洁净化能够显著提高钢材的强韧性和焊接接头的抗裂性，使钢材的焊接性得到明显提高，当然要求焊缝也必须洁净化。目前大工业生产中钢水的洁净度从普通钢的W(S+P+O+N+H)25010-6降低到经济洁净钢的W(S+P+O+N+H)12010-6。国外一些先进钢厂对S、P、O、H、N的总量已控制在5010-3以下，达到超洁净钢的水平，并且有进一步降低的趋势。2. 细晶化 新一代低合金高强钢的细晶强化是采用多元微合金化和控轧控冷技术较大幅度地细化晶粒来提高钢的强韧性。如70年代生产的性能优良控轧钢CR钢Controlled Rolli
16、ng），80年代通过对轧制后立即加速冷却所生产的TMCP钢（Thermal-Mechanical Control Process）。其基本思想是根据轧制方法的不同，向钢中加入微量的Ti、Mo、V、B、Re等合金元素中的一种或几种，阻止高温奥氏体的长大，控制奥氏体的再结晶温度，增加铁素体的形核率，并通过控轧控冷细化晶粒，从而达到细晶强化的目的。1.2.2新一代低合金高强钢的强化途径实现新一代低合金高强钢的强化主要有两条途径：热处理强化和合金强化。1. 热处理强化 热处理是提高钢材强韧化最有效和最经济的方法之一。所谓热处理强化是将钢板加热至奥氏体化温度，然后控制冷却速度得到晶粒细小，强度和韧性比较
17、好的组织。因为热处理可以细化奥氏体晶粒，使晶界增加，抗塑变能力提高，从而提高钢材的强度。另外，通过热处理控制组织及其形态也可以达到强化的目的，比如针状铁素体、低碳马氏体和粒状贝氏体等。2. 合金强化 合金强化是新一代低合金高强钢的另一强化途径。钢中加入St、Mn、Cr等合金元素，除了可以固溶强化基体外，还可使CCT曲线向右移动，相同冷速下可获得更加细小的珠光体组织，以提高其强度。钢中加入强碳化物形成元素Nb、V，当它们固溶到奥氏体中去时，可使CCT曲线向右移动，起到延缓珠光体开始转变的作用。当形成第二相颗粒时，则起到析出强化作用。另外，无论是固溶态还是析出态的Nb、V，都可延缓奥氏体再结晶，起
18、到细化奥氏体晶粒，提高塑韧性的作用。新一代低合金高强钢的发展趋势是：开发既具有良好焊接性能，又适合于热处理的微合金钢，此种钢在合金元素强化的基础上，再经热处理可得到更高强度，而塑性韧性不降低。1.3新一代低合金高强钢对焊接材料的要求钢铁冶金技术的发展使低合金高强钢实现了洁净化、细晶化和力学性能上的强韧化，这就要求与之匹配的焊接材料也必须实现洁净化和细晶化，否则焊缝的性能将不能与新钢种匹配，从而成为焊接接头的薄弱部位。因此，使焊接材料不断适应钢种的发展要求是亟待解决的重要课题。1.3.1新一代低合金高强钢的焊接性由于新一代钢铁材料晶粒极度细化，焊接中面临的严重问题是焊缝的强韧化、热影响区晶粒长大
19、等。在我国新一代钢铁材料项目中，主要是针对400MPa级和800MPa级超细晶粒钢解决上述焊接性问题，并从焊接材料、焊接方法和焊接工艺等多方面进行综合解决6。随着冶金技术的提高，新钢种的强度级别和焊接性能也在不断提高，这就需要研发高质量的焊接材料与之相匹配，实现焊缝的强韧化。对于新一代低合金高强钢的焊接技术，主要应向高效和自动化方向发展，在不提高合金元素的条件下，强度、寿命均提高一倍，这不仅是钢铁材料的重大变革，而且也对焊接技术和焊接材料的发展提出了新的挑战。随着强度级别的提高，板厚的增大，钢材焊接的冷裂纹倾向增大。焊接热影响区的软化和脆化往往是造成断裂，诱发灾难性事故的根源。因此，如何避免热
20、影响区的软化和脆化，保证该区域的强度和韧性是确保安全运行的关键问题之一。1.3.2新一代低合金高强钢对焊接材料的要求基于新一代低合金高强钢自身的特点，对焊接材料也提出了相应的要求。1. 焊缝金属的洁净化 焊缝金属的洁净化是与钢板洁净化的含义相对应的，焊缝金属的洁净化同样意味着焊缝金属中的S、P、N、H、O元素的含量尽可能低，而且还要控制焊缝中夹杂物的数量、种类、形态、尺寸及分布。这样不仅可以显著提高焊缝金属的冲击韧度，而且还可以降低焊缝金属的裂纹倾向。实现焊缝金属洁净化的主要途径有：a) 对杂质含量进行严格的控制，通过冶炼技术实现焊接原辅材料的洁净化。b) 优化配方及工艺参数，利用焊接冶金反应
21、进行脱氧、脱硫、脱磷、脱氮和除氢。c) 通过焊缝的微合金化、洁净化和使焊缝中出现大量的针状铁素体，达到显著提高焊缝金属的强韧性和抗裂纹扩展能力的目的。2. 焊缝金属的强韧化焊缝金属的强韧化主要是通过合金化控制焊缝的组织实现的。对400MPa级的调质钢，只要通过调整焊缝组织使其获得细小的针状铁素体即可获得理想的强韧性，而对于800MPa级的高强钢，要实现焊缝金属与母材的等匹配较为困难。因为随着强度级别的提高，碳当量增大，焊缝的冷裂倾向增大，因此要实现焊缝的强韧化，避免冷裂纹，需开发与母材性能相匹配的焊接材料，但国内目前在这方面尚无成熟的经验。1.4本课题的研究背景及意义在现代科技高度发展的时代，
22、强大的军事装备是一个国家独立富强的首要保证，而军用车载桥梁作为应急工程结构，是评价一个国家军事装备不可忽视的重要指标之一。所谓应急工程结构是指在紧急情况下以保证强度和稳定性为主，使用期限较短、便于拆换、能快速建成的临时工程结构。应急钢桥包括固定式桥(拆装式钢桥)、浮桥(舟桥)和冲击桥(架桥坦克)等军用桥梁系列,也称军用桥梁族，主要用于部队和车辆强渡江河、穿越峡谷、跨过沟壑等。与普通桥梁相比，军用车载桥梁除了技术要求外同时还要满足一定的战术指标要求，可以说,军用车载桥梁是桥梁结构在军事领域中的延伸，除与一般桥梁有其共性外,还具有快速性、机动性和多用性等特点。特殊的使用场合和严酷的服役条件要求军用
23、车载桥梁不仅强度高，耐冲击，保证车辆可以迅速安全地通过天然峡谷、反坦克壕和天然雷区，而且必须尽量减少自身的重量，便于运输和快速安装。这就对钢桥制造过程中金属材料、制造技术和焊接工艺提出了挑战。基于军用车载桥梁服役条件的特殊性和严酷性，对钢材的强度提出了挑战，要求所选钢材强度级别高，在不增加钢桥自身重量的前提下具有足够高的强度，可以承担汽车、坦克的重量；其次钢材要具有优异的加工工艺性能，尤其是焊接性，确保接头具有与母材同样的力学性能，主要是塑性、低温冲击韧性和抗疲劳特性。在我国随着冶金技术的提高，新钢种的性能也不断提高，但是由于缺乏与之相匹配的高质量的焊接材料，难以实现焊缝的强韧化。同时由于我国
24、大多数新钢种主要是靠添加合金元素来提高钢材的强度的，众所周知，大量的合金元素可以提高钢材的强度，但是也影响了钢材的焊接性，随着合金元素含量的增加，焊接裂纹倾向增大，焊接工艺复杂，难以向焊接的高效化和自动化方向发展。而目前国内应用比较成熟的低合金高强钢强度级别主要是600MPa，难以满足军用车载桥梁的要求，因此需要引进新的钢种。WELDOX960高强钢是由瑞典SSAB公司的子公司OXELOSUND公司研制生产的低合金高强度钢，主要特点是含碳量低，合金元素含量低，经调质处理后（淬火回火）屈服强度高达960Mpa以上，并且具有好的冷弯性能、优良的焊接性和低温冲击韧性（在-40冲击功为27J），综合性
25、能优异，比较适合于在严酷条件下服役。基于WELDOX960高强钢优异的焊接性能和机械性能，山西省绛县五四零九厂计划使用该钢种开发新产品，用于军用车载桥梁的制造。本研究是与五四零九厂合作开展WELDOX960低合金高强钢焊接性的研究，主要参照金属焊接国家标准对WELDOX960高强钢接头的力学性能和抗裂性进行试验，并通过对接头的性能和微观组织进行分析研究其强化、韧化机理，合金元素对其热处理和焊接性能的影响以及钢材的焊接适应性，为合理地开发和使用低合金高强钢提供技术依据。1.5本课题预期达到的目的1. 了解低合金高强钢的国内外发展和使用情况。2. 了解WELDOX960高强钢的强化途径和工艺措施。
26、3. 掌握WELDOX960高强钢的综合机械性能和焊接性能。4. 保证采用WELDOX960高强钢开发的产品的质量和使用性能。5. 加快国产新一代钢种及匹配焊接材料的进一步开发。第二章 WELDOX960高强钢的生产工艺及性能科学技术的不断发展对工程结构和机械零件所使用的钢材的性能提出了越来越高的要求，不仅要具有高的强度，而且要兼有良好的塑性、韧性和优异的焊接工艺性能。WELDOX960高强钢属于OXELOSUND公司生产的WELDOX系列调质结构用钢，屈服强度大于960MPa，具有优异的综合机械性能，可望在我国的焊接结构生产中得到广泛使用。2.1 WELDOX960高强钢的生产工艺占有瑞典钢
27、铁产量一半的SSAB公司是一家比较典型的长流程工艺生产企业，主要研制、加工和销售中厚钢板。该公司拥有全世界最先进的连续轧制淬火四辊轧机，生产出的钢板尺寸精度高，综合性能好，具有高硬度、高强度、高韧性，以及表面高平整度和优良的加工性能，在世界各个领域得到了广泛的应用。本课题采用的钢板WELDOX960高强钢是由瑞典SSAB公司的子公司OXELOSUND公司研制生产的结构钢板，主要特点是含碳量低，合金元素含量低，强度高。钢板经过调质(淬火回火)处理后组织为低碳回火马氏体，晶粒细小，平均晶粒尺寸为5m，综合性能优异，在高强度的焊接结构中如车辆、铁路、桥梁、起重装置和伐木工具等领域中得到广泛应用。WE
28、LDOX960高强钢主要是通过精炼降低杂质元素S、P含量，精确控制合金元素含量，加上形变热处理后调质处理(QT)等手段生产出来的。形变热处理后调质处理是提高材料强度的最有效方法。2.1.1 WELDOX960高强钢的轧制工艺SSAB在WELDOX960板坯的冶炼和铸造中采用传统的冶金工艺和现代连铸技术相结合，经过冶炼炉外精炼连铸控轧、控冷的生产工艺，生产出的钢板成分精确，残留元素含量非常低，铁水经过预处理后硫的含量可以降至0.015%左右，炉外精炼进一步使硫含量降至0.003%。另外钢坯在进入连轧机组的粗轧机之前，都要经过高压水除鳞，连轧机各个辊道全部采用滚动式轧制淬火辊道代替原来的静态轧制淬
29、火辊道，轧制采用高刚度、无扭、无张力（或微张力）连轧，钢板裁剪采用激光微机控制自动剪切，因此产品表面质量高，尺寸精确，这些都为产品良好的综合性能奠定了基础。WELDOX960高强钢优异的综合性能除了先进的冶炼技术和精密的轧辊机外，轧制淬火设备是保证产品质量的关键因素。该钢在轧制淬火过程中，为了保证及时淬火，尽量减小加热炉和淬火装置之间的温差，奥氏体化加热炉和淬火装置紧紧相邻。轧制时先将板坯均匀加热到1200，经四辊轧机轧制后进行空冷。为了保证钢板的轧制精度（误差不超过0.35mm），轧辊加工车间采用全封闭式恒温均温操作，以保证轧辊不至于因环境温度的微小差异而产生尺寸偏差，同时严格控制气氛，防止
30、钢板被氧化，影响钢板的表面质量和综合性能。适宜的轧制温度保证了尺寸的精确，为形成后续冷却需要的金属组织结构奠定了基础。2.1.2 WELDOX960高强钢的淬火和退火工艺钢板轧制完成后首先进行空冷，然后送到淬火段。板坯在奥氏体化加热炉中板坯被加热至900，从加热炉出来后立刻进入连续轧制淬火装置。与传统的静态淬火装置有所不同，连续轧制淬火装置是指在整个淬火过程中钢板一直处于运动状态。静态淬火装置和连续轧制淬火辊道分别如图2-1所示8：(a)(b)图2-1静态轧制淬火装置和连续轧制淬火装置的区别Fig.2-1 Difference between Static quenching plant an
31、d Continuous roller quenching plant与静态淬火工艺（图a）相比，在连续轧制-淬火工艺中(图b)，钢板在运动状态下进行均匀连续的淬火，淬火温度均匀，使钢板在轧制中由于变形不均匀产生的内应力大大减小，板坯成型美观，板坯的表面质量好，同时也提高了板坯的加工性能。而对于传统的静态淬火工艺，由于板坯在淬火过程中被固定在钢锭之间，该部分不能正常淬火，生产出钢板表面不平整，淬火不均匀，而且内部存在残余应力等缺陷。钢板从加热炉出来后先进入高压喷水连续冷却辊道，辊道的温度极低，板坯可以迅速从900降到较低的温度，从而保证了轧制质量。然后钢板进入长的低压喷水连续冷却辊道继续轧制淬
32、火直至室温。钢板在整个轧制淬火过程中都处于运动状态。独特的轧制淬火工艺，使WELDOX960高强钢的强度大幅度提高，耐磨性大大增加，因此可以适当降低钢材中合金元素的含量，尤其是C、Mn、Cr元素的含量，从而降低碳当量，改善钢材的焊接性，可以达到在不增加合金元素的情况下改善钢材的性能，即所谓的以水实现钢材合金化的目的。WELDOX960高强钢淬火后立即进行回火得到强韧性较好的回火索氏体和少量的低碳马氏体组织，具有高强度、高硬度与较好的塑性和缺口冲击韧性，加工性能和焊接性能良好。WELDOX960高强钢的热处理工艺如图2-2所示8。回火图2-2 WELDOX960高强钢的热处理工艺示意图Fig.2
33、-2 Schematic diagram of WELDOX960 heat treatment processing2.2 WELDOX960高强钢的机械性能WELDOX960高强钢由于含碳量低，合金元素含量低，化学成分精确；残留元素含量非常低，通过冶金技术最大限度地控制钢中S、P、O、N、H等杂质元素的含量和钢中夹杂物的数量、成分、尺寸、形态及分布，因此具有良好的综合机械性能。2.2.1WELDOX960高强钢的冶金特点与传统的合金结构钢相比，WELDOX960高强钢碳含量低，合金元素含量低，C、S、P等杂质元素得到有效控制，因此焊接时液化裂纹和结晶裂纹倾向很小。低夹杂，均匀是钢材良好成型
34、的先决条件。WELDOX960高强钢的化学成分见表2-1。 表2-1 WELDOX960高强钢的化学成分（wt.%）Tab. 2-1 Chemical component of WELDOX960（wt.%）元 素CSiMnSPCr标准值0.170.221.20.0040.0050.45元 素MoCuTiNiBCE*标准值0.501.00.0020.560.64*）+ 7 （2-1）均匀的合金成分和优良的加工性能相结合，使得WELDOX960高强钢具有高韧性(其韧性几乎相当于普通钢板的2倍)，优异的弯曲性能、冲击韧性和抗裂纹性能。WELDOX960高强钢调质后具有良好的综合机械性能，除了冶炼轧
35、制技术外，主要还与其合金元素和调质处理后的组织有关。在控制合金元素方面OXELOSUND公司主要采取的措施如下：1. 控制钢中S元素的含量由于钢中的S元素与Mn元素易结合形成MnS，而MnS比较软，在轧制过程中易形成带状组织，这大大地破坏了钢材的韧性和弯曲性能。所以在WELDOX960钢材中加入一定量的Cr和Ce进行脱S处理。因为S更容易和Cr、Ce结合形成CrS和CeS，然后随钢渣一起排出，从而大大降低了S的含量。而残余的CrS和CeS由于比较硬，在轧制过程中保持细球状，这种形状相对于带状组织而言，对钢材的韧性是极其有利的。WELDOX960高强钢中S含量一般控制在0.004%以下。2. 加
36、入少量的B元素在WELDOX960高强钢的设计中，向钢中添加Cr、Ni、B等少量合金元素，可以提高钢的强度、改善钢的焊接性和耐磨等力学性能。研究发现5，当钢中含有微量的B元素时，可以大大地提高钢材的硬度，从而达到降低钢中C和合金元素含量的目的，同时通过适当增加B的含量还可以大大改善钢材的焊接性。3. 加入可以提高淬透性的元素对调质钢而言，合金化的主要目的是提高钢的淬透性，WELDOX960高强钢中加入了可以提高淬透性的元素Mn、Cr、Mo、B、Si、Ni，淬火后得到低碳马氏体，使钢材具有良好的机械性能。4. 加入防止第二回火脆性的元素调质钢的回火温度正好处于第二类回火脆性温度范围内，钢中含有M
37、n、Cr、B、Ni元素时，会增大其对回火脆性的敏感性。回火后快速冷却，加入抑制回火脆性的元素Mo可以保证使WELDOX960高强钢具有优异的综合性能。2.2.2 WELDOX960高强钢的机械性能WELDOX960高强钢调质后的机械性能见表2-2，2-38。 表2-2 WELDOX960高强钢的机械性能Tab. 2-2 Mechanical properties of WELDOX960屈服强度s (N/mm2)抗拉强度 b(N/mm2)最高硬度HB96010509801150325延伸率V型缺口冲击韧性Akv(J)A5 min (%)A50 min (%)0-20-401215353027备
38、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2-3 WELDOX960高强钢的弯曲性能Tab. 2-3 Bending properties of WELDOX960R/tW/tR/tW/t3.08.54.010.0备注：R为压辊上模半径，W为下模开口宽度，t为钢板厚度，表示沿垂直于轧制方向进行弯曲，表示沿平行于轧制方向进行弯曲。2.3 WELDOX960高强钢的强化机理WELDOX960高强钢主要通过细化晶粒、加工硬化和合金强化三种途径提高其强度的。2.3.1晶界强化 晶界强化主要是通过细化晶粒来实现的。在常规的钢材强化途径中，只有细晶强化可以使金属
39、的强度和韧性同时提高。细化晶粒可以增加晶界，晶界的主要作用是阻塞位错运动，晶粒越细，晶界越多，阻塞位错滑移的作用就越大，结果可以使金属材料的屈服强度升高。细化晶粒不仅可以提高钢的强度，而且可以提高钢的塑性和韧性。关于金属的屈服强度与晶粒直径D之间的定量关系可以用Hall-Petch公式9来描述： （22）式中S为晶界上“坎”的密度，k为与位错分布有关的试验待定常数。从公式中不难发现材料的屈服强度和晶粒尺寸的平方根成反比，即晶粒越细，材料的屈服强度就越高，晶粒的大小对材料的力学性能有重要的影响。实践证明当晶粒的尺寸小于5m时，不仅强度显著提高，韧性也有很大改善。因此在生产中要对材料的晶粒度提出要
40、求，通过技术条件和热处理规范控制材料的晶粒度。在WELDOX960高强钢的生产中主要采用提高冷却速度和控制变形程度达到细化晶粒的目的。晶界阻碍变形的能力并不是由于晶界具有很高的强度，主要是由于晶界两边的晶粒取向不同，滑移一般难以从一个晶粒直接传播到取向不同的另一个晶粒。另外晶界的变形必须满足连续性条件，即一个晶粒的形状变化必须有临近晶粒的协同动作，以保持晶粒之间微观结构上的连续性，因而这就需要更高的外加应力来开动某个滑移系，宏观上体现为材料的强度增加。2.3.2应变强化应变强化又叫做加工强化或加工硬化，是指通过塑性变形（轧制、挤压、锻造、拉伸等）使合金获得高强度的方法10。塑性变形时增加位错密
41、度是钢材加工硬化的本质。加工硬化的原因主要是在变形过程中随着位错密度的增加，位错在运动中相互缠结、相互交割，形成固定割阶，从而阻碍了位错的运动，引起变形抗力的增加，使金属塑性变形困难，从而提高了金属的强度。据统汁，金属强烈变形后，位错密度可由106根/cm2增至 1012根/cm2以上7。随着合金中位错密度增大，继续变形时位错在滑移过程中相互交割的机会增多，相互间的阻力也增大，因而变形抗力就越大，合金达到强化。 2.3.3 固溶强化溶质原子溶入基体金属中总是提高其变形抗力，这种作用称为固溶强化。所有可溶性合金化组元甚至杂质都能产生固溶强化。然而，单是这一种方法不能获得特别高的强度，不过它带来的
42、塑性损失要比其他方法小。固溶强化来源于溶质原子对位错的钉扎作用和增加位错运动的摩擦阻力，这种作用包括位错与溶质原子间的长程交互作用和短程交互作用。固溶强化作用大小取决于溶质原子浓度、原子相对尺寸、固溶体类型和电子因素。固溶强化又分为间隙式固溶强化和置换式固溶强化。C、N等溶质原子嵌入Fe晶格的八面体间隙中，使晶格产生不对称畸变造成强化效应。间隙式固溶强化对铁素体基体强化效应最大，对韧性、塑性的削弱也很显著。置换式固溶原子在基体晶格中造成的畸变大都是球面对称的，因而强化效能要比间隙式原子小。当溶质和溶剂原子直径相差比较小，化学性质也较类似时，置换原子的溶解度极限可以很大，但强化效应却很小。随着元
43、素类型的不同，强化效能相应发生变化。置换式固溶强化对铁素体的强化作用小，但是却不削弱基体的塑性、韧性。2.3.4沉淀强化凡是固溶度随温度而变化的合金，当从单相区进入两相区时，就会从饱和固溶体中析出沉淀相或者形成溶质原子高集的过渡相，这个过程称为沉淀或者脱溶。如果从高温淬火得到过饱和固溶体，则在适当温度经过一定时间后也会发生沉淀过程，即时效。在沉淀过程中常常伴随着强度的提高。强度提高的程度主要取决于沉淀物质点的结构、尺寸、间距、形状及分布，同时也取决于质点与基体的错配度或共格性，以及它们之间的相对位向。2.3.5马氏体相变强化马氏体硬度极高，是钢经过淬火的产物。并不是所有的马氏体都具有高强度，只
44、有含碳和氮的铁合金经马氏体相变后才显示出最强烈的硬化效应。马氏体的强化并不限于一种机制，它是固溶强化、时效强化、晶界强化和相变强化的综合。钢中的马氏体是碳和合金元素溶于-Fe中的过饱和固溶体，其中对硬度和强度起决定作用的是碳原子而不是合金原子。当碳溶于马氏体的八面体间隙中，晶格发生膨胀和畸变，在晶格中造成一个十分强烈的应力场，阻止位错运动，从而使马氏体的硬度和强度显著提高。由于碳原子容易扩散，在室温下可以通过扩散发生偏聚从马氏体中析出，所以时效强化也对强化做出贡献。2.4 韧化机理韧性是指材料在断裂前单位体积所消耗的功，其数值等于真实应力应变曲线下的面积。韧性既取决于塑性也取决于强度。但是对于
45、绝大多数工程合金来说，强度的提高往往伴随者塑性、韧性的降低，即塑性、韧性常具有相同的变化趋势。因此习惯上常把强度和塑性、韧性看作是两组相互制约的性能指标。WELDOX960高强钢的实际生产中一般通过净化钢材，细化晶粒，优化显微组织等手段达到提高韧性的目的。2.4.1金属材料的净化理论研究和生产实践都证明：金属材料中所含的气体和非金属夹杂物对金属材料的塑性和韧性有严重的影响。比如S是绝大多数钢种的有害元素，它使钢的加工性能和使用性能变坏；N溶于金属中后容易与Fe元素结合成Fe4N，使焊缝金属产生时效脆化；而H元素在近缝区是造成接头氢脆、白点和气孔，产生裂纹的主要根源。因此在钢材的冶炼、轧制中要严
46、格控制杂质元素的含量，这对于改善钢材的焊接性是至关重要的。2.4.2晶粒的细化晶粒是位错和塞积群的障碍，晶界又是晶格位错的源头和尾闾，因此晶粒大小对于金属的力学性能有重大的影响。晶界既然能阻止位错的运动，故细化晶粒能促进多滑移，使变形均匀化，从而提高金属材料的塑性。从理论上讲，晶界可以把塑性变形限制在一定的范围内，故细化晶粒能促进多滑移，使变形均匀化，从而提高金属材料的塑性。同时晶界又能阻止裂纹的扩展，故细化晶粒还能提高金属材料的韧性。目前关于细化晶粒对塑性韧性的贡献还缺少定量的解释。细晶粒不仅在室温下具有较高的塑性，而且在较低的温度下仍能保持良好的塑性。工业上常用以下方法达到细化晶粒、提高强
47、度、塑性和韧性的目的：将钢在相变点附近反复加热冷却，在液态金属中添加变质剂或孕育剂。2.4.3显微组织的优化金属材料的韧性对显微组织十分敏感。通过热处理实现显微组织的优化，可以在保持材料高强度的同时提高材料的韧性。马氏体是钢中最常见的不平衡组织，对于低碳低合金钢的马氏体，其晶体外形呈板条状，晶体内部大都是密度很高的位错线（位错密度10111012cm-2）,习惯上叫做板条马氏体或位错马氏体。该种马氏体含碳量比较低，晶体接近于体心立方，因而对韧性损害较小。马氏体中的位错亚结构具有一定的可动性，可以通过位错缓和局部区域的应力集中，延缓裂纹成核；在有裂纹的情况下，也可以削减裂纹尖端的应力峰；而且马氏体晶体呈板条状，条束之间有残留奥氏体薄膜，能提高韧性。另外这类马氏体的Ms点比较高，在一般的淬火条件下会发生自回火。2.5本章小节通过对WELDOX960高强钢的生产工艺和合金元素含量
