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通过加工热处理实现低合金钢强韧化技术
作者:this | 发布时间: 2017-12-22

    强化节能以减排CO2,抑制地球变暖已成为全球共识,为确保2020年单位GDP CO2排放量比2005年降低40%-45%的承诺,我国在“十二五”规划中提出,CO2排放指标将和节能指标共同作为约束性指标进行考核。钢铁行业作为高耗能工业,面对这一形势,除了从生产工艺上改进以节能减排CO2外,还应多生产高强度钢材,为汽车、船舶等交通运输工具和房屋、桥梁等钢结构制造节材、节能,为减排CO2做出贡献的同时,这亦是钢铁行业转变增长方式由大变强的一条重要途径。
    1 日本重视提高钢材强度以减排CO2
    早在1997年“京都议定书”规定了日本2010年的CO2排放量比1990年降低6%的目标。据此,由日本铁钢联盟组织全行业制定的企业节能环保志愿计划中提出以下目标:1)生产节能10%;2)通过发展高强钢、优质电工钢、耐蚀钢等高级钢材,为车、船、建筑钢结构等节材、节能等社会间接节能4%;3)利用废塑料100万t,折合节约生产用能的1.5%;4)利用钢铁厂低温余热供社区取暖空调等折合节约生产用能的1%。近年由于进入正式考核期,要求钢材进一步提高强度的呼声越来越高,企业行动步伐亦在不断加快。如神户制钢已开发成功近2000MPa级超高强度汽车用钢板,新日铁等高炉钢厂会同国际30余户大钢厂组成汽车轻量化协作会,计划开发强度为目前2-3倍的超高强度钢,使汽车车重减轻25%-30%,节油20%以上。以屈服强度达1500MPa时为例,则比强度(屈服强度/密度)远超过超硬铝比强度,车重自然减轻。另外,使用高强度化强力螺栓时,不仅尺寸变小,而且用钢量减少,且钢结构的设计亦可紧凑化和轻量化。
    但在高强度钢的应用中,随强度提高的同时,还需保持相应的韧性,这有赖于热处理以取得相应的金相组织。钢铁材料由奥氏体冷却至室温的过程中可发生铁素体相变、珠光体相变、贝氏体相变和马氏体相变,这为提高强度的同时改善韧性创造了有利条件。如将合金成分、加工和热处理有效组合,则可在200MPa-4GPa的大范围内得到所要求的抗拉强度水平。钢铁材料中最常用的为低合金钢,即在碳以外的其他合金元素之和<10%,其屈服强度可达1400MPa以上水平,但由于韧性、耐延迟破坏性和耐疲劳性等性能不匹配时,则应用范围受到限制。
    为解决上述问题,主要有提高材料的抗破坏性和消除应力集中两个途径。解决钢铁材料的耐破坏性主要有以下方法:1)降低产生脆化的P、S等有害成分和夹杂物;2)降低含碳量;3)加入Ni等合金元素;4)晶粒细化;5)在Al-Li合金和管线用钢等低温材料中多应用层状剥离现象(包括析出和裂缝等)。上述方法中,低合金钢强韧化最重要的方法为晶粒细化和利用层状剥离现象。
    2 晶粒细化
    晶粒细化可降低晶界的应力集中,并降低有害元素的影响,使其在提高屈服强度的同时,还可使脆性转变温度(DBTT)降低。在材料脆性破坏应力上升时产生脆性转变,铁等体心立方金属多在低温区屈服应力快速上升时表现出明显的韧脆性转变。晶粒细化可使屈服应力和脆性破坏应力同时上升,但由于上升幅度后者比前者大,导致DBTT下降。以下就单相组织钢为代表的铁素体组织和双相组织钢为代表的马氏体组织进行说明。
    2.1 铁素体组织
    近10余年间,日本学术和钢铁业将此作为国家级项目(超级钢铁、超级金属和环境友好型超微细粒钢创新基础技术),一直在进行含碳<0.2%的低碳低合金钢在低温大变形下使铁素体组织粒径达1μm以下的超微细化研究。例如,从1997年到2005年的超级钢铁项目,对相当于SS400、SM490的低碳低合金钢经轧制或锻造,压缩比达到2.5以上时可使铁素体晶粒细化至1μm以下,此时抗拉强度则由过去的400MPa倍增至800MPa。此外,还有形状不变的高压扭转加工使粒径细化至数百μm以下时,高纯铁(含碳仅0.11%)的抗拉强度可达1800MPa的实例。但是,铁素体系的超微细晶强化却使正常延伸率明显下降,即由缩颈产生的不均匀变形成为延伸的主体而使延性下降。为提高均匀延伸率需提高加工硬化率,其改善方法为:使碳化物、氧化物、奥氏体和马氏体等复相粒子在基体中超微细分散,即所谓超微细复相组织化。另外,对低温区轧制产生的超微细晶钢进行冲击试验,结果发现,当铁素体粒径细化至1μm以下时,则DBTT可降至液氮温度以下,否则冲击吸收能则下降。其主要原因是伴随大变形轧制加工的织构所产生的层状剥离明显化和由细晶强化所产生的延性降低。但以电解淀积制成的Co纳米晶粒材料(粒径18nm),尽管未产生层状分离但延性破坏领域的冲击吸收能仍较粗粒材料明显降低。初步认为,晶粒细化强化所产生的延性降低,同样亦和冲击吸收能的降低有关。但目前对超微细粒钢韧性的议论还缺乏一定的数据,特别是对仅由晶粒细化可使屈服强度达1000MPa以上的等轴铁素体细粒钢还未见相关数据的报道。今后应对韧性的晶粒粒径依存性的有关数据进行积累和详细解析。

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