超細(xì)晶粒鋼
1.1　分類
　　傳統(tǒng)鋼中，晶粒尺寸在100 μm以下就稱為細(xì)晶粒鋼，即傳統(tǒng)細(xì)晶粒鋼。隨著冶金技術(shù)和生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步，細(xì)晶的尺寸不斷縮小，甚至達(dá)到了微米、亞微米。本文提到的超細(xì)晶粒鋼不包括傳統(tǒng)細(xì)晶鋼。
　　按超細(xì)晶粒鋼發(fā)展進(jìn)程和其尺寸大小，可分為以下幾類。
　　(1) TMCP鋼
　　控軋后立即加速冷卻所制造的鋼，稱為TMCP(Thermo-Mechanical Control Process)鋼。利用TMCP工藝在實(shí)驗(yàn)室中，晶粒尺寸可達(dá)到幾個微米，但在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，所得鋼的晶粒尺寸小于50 μm，最小可達(dá)10 μm。這種鋼滿足了石油和天然氣工業(yè)的需求，這種鋼的高強(qiáng)高韌和低的碳當(dāng)量為其提供了優(yōu)良的焊接適應(yīng)性。
　　(2) 新一代鋼鐵材料
　　綜合低合金高強(qiáng)鋼不斷進(jìn)步的成功經(jīng)驗(yàn)，充分利用合金化作用和生產(chǎn)工藝技術(shù)進(jìn)步相結(jié)合的優(yōu)勢，發(fā)展新一代鋼鐵材料產(chǎn)品并進(jìn)行其基礎(chǔ)理論研究。目前正處于研制階段的新一代鋼鐵材料的主要特征：在充分考慮經(jīng)濟(jì)性的條件下，鋼材具有高潔凈度、超細(xì)晶粒、高均勻度的特征，強(qiáng)度比常用鋼材提高一倍，鋼材使用壽命增加一倍。高潔凈度，指S、P、O、N、H元素的總含量小于80×10^-6，這樣不但可提高鋼材原有的性能，有時還可賦予鋼新的性能；超細(xì)組織，晶粒尺寸在0.1～10 μm之間，細(xì)化晶粒是唯一能提高強(qiáng)度而不降低韌性甚至提高韌性的方法；高均勻度指的是成分、組織和性能很均勻，波動范圍很小。在鋼的化學(xué)成分—工藝—組織—性能的關(guān)系中，強(qiáng)調(diào)了組織的主導(dǎo)地位，即其超細(xì)微觀組織表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。
1.2　化學(xué)成分和冶金特點(diǎn)
　　細(xì)晶鋼具有低碳和低碳當(dāng)量以及低的雜質(zhì)含量，不僅有益于其焊接性，同時也有利于改善鋼的其他性能，如接頭中HAZ和母材的韌性以及對氫致裂紋(HIC)、硫化物應(yīng)力腐蝕裂紋(SSCC)抗力等。細(xì)晶鋼中也含有少量的Nb、V、Ti等微合金元素，其主要目的是為了形成碳、氮化合物，從而有效防止晶粒長大。由于細(xì)晶鋼低的S、P、N元素含量和控制加入的微合金元素，其氮化物形成元素的存在將使自由氮降低，減小了時效影響，有利于韌性的改善。
　　生產(chǎn)高潔凈度、高均勻度的細(xì)晶鋼的冶金特點(diǎn)主要是針對如何提高其潔凈度，即減少S、P、N、O和H等元素的含量，其冶金和生產(chǎn)工藝技術(shù)已有很大的進(jìn)步：由“分段精煉”這一思想而建立的鐵水“三脫”(脫硅、脫硫和脫磷)工藝和轉(zhuǎn)爐少渣冶煉工藝；為滿足石油管線鋼抗H₂S腐蝕的要求，確立了鐵水包Mg-Ca脫硫預(yù)處理工藝、真空噴粉脫硫工藝；爐外精煉；無缺陷連鑄坯的生產(chǎn)工藝等。
1.3　工藝方法和強(qiáng)韌化特點(diǎn)
　　為獲得超細(xì)晶粒鋼，已開發(fā)出多種工藝方法：同一快速加熱條件下的熱處理反復(fù)多次作用、金屬粉末機(jī)械研磨、控軋、控冷、TMCP、復(fù)合TMCP法等。利用生產(chǎn)工藝技術(shù)是獲得超細(xì)晶粒的主要手段，是超細(xì)晶粒鋼具有優(yōu)良強(qiáng)韌綜合性能的決定因素，因此超細(xì)晶粒鋼與傳統(tǒng)鋼所不同的是其化學(xué)成分不能用于預(yù)測鋼種的強(qiáng)度。
　　超細(xì)晶粒鋼與同等強(qiáng)度的傳統(tǒng)鋼相比，其化學(xué)成分的主要特點(diǎn)是碳含量低，這有利于提高其焊接性，因此其強(qiáng)化手段不是通過增加碳含量和合金元素含量，而是通過晶粒細(xì)化、相變強(qiáng)化、析出強(qiáng)化等相結(jié)合的方法來達(dá)到提高強(qiáng)韌化的目的。晶粒細(xì)化(包括變形細(xì)化和相變細(xì)化)是唯一能夠同時提高鋼強(qiáng)度和韌性的方法，因而成為超細(xì)晶粒鋼最佳的強(qiáng)化機(jī)制。利用第二相粒子析出的沉淀強(qiáng)化是超細(xì)晶粒鋼采用的另一種強(qiáng)化機(jī)制，高溫時在奧氏體內(nèi)形成的粒子雖然對控制晶粒長大有效，但不會造成強(qiáng)化，強(qiáng)化粒子是低溫時在奧氏體或鐵素體內(nèi)形成的，位錯與亞結(jié)構(gòu)強(qiáng)化也是一種有效的強(qiáng)化方式。

2　超細(xì)晶粒鋼的焊接性
　　超細(xì)晶粒鋼的強(qiáng)韌化機(jī)制與傳統(tǒng)鋼不同，因而必須全面考慮其焊接問題，其中存在的兩個主要問題：①由于其超細(xì)晶粒，在焊接熱作用下，晶粒長大的驅(qū)動力很大，必然導(dǎo)致HAZ晶粒嚴(yán)重粗化，這將影響整個接頭性能與母材性能相匹配；②為獲得與母材相等性能的焊接接頭，進(jìn)行焊接材料、焊接方法及焊接工藝的合理選擇。
2.1　HAZ的性能
2.1.1　HAZ的晶粒長大傾向
　　在新一代微合金高強(qiáng)高韌鋼中，研究400 MPa和800 MPa兩種強(qiáng)度級別的超細(xì)晶粒鋼，400 MPa級細(xì)晶鋼是指在普通Q235鋼的基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)化晶粒和純凈化處理，使其強(qiáng)度提高一倍，壽命增加一倍的新一代鋼鐵材料。400 MPa級細(xì)晶鋼焊接時，薄弱環(huán)節(jié)出現(xiàn)在HAZ，因細(xì)晶粒本身已使得晶粒長大驅(qū)動力很大(驅(qū)動力與晶粒尺寸成反比)，又因400 MPa的細(xì)晶鋼中沒有或含有極少碳、氮化物形成元素，所以其焊接熱影響區(qū)有嚴(yán)重的晶粒長大傾向，粗大的晶粒將損害HAZ的性能，晶粒較粗大時，強(qiáng)度和韌性會隨之下降。因此，對于400 MPa的細(xì)晶鋼最主要的問題是探索400 MPa細(xì)晶鋼的合適焊接方法、研究其晶粒長大規(guī)律、動力學(xué)和可控因素，從而尋找防止晶粒長大的有效措施。
　　800 MPa級細(xì)晶鋼是指在X65管線鋼的基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)化晶粒和純凈化處理，使其強(qiáng)度提高一倍，壽命增加一倍的新一代鋼鐵材料。利用高潔凈度X65鋼和普通市售X65鋼，采取一定的工藝措施獲得細(xì)晶粒鋼，細(xì)晶組織如圖1，其平均粒徑分別為1.393 μm(圖1(a))、2.665 μm(圖1(b))，屈服強(qiáng)度達(dá)到了800 MPa。再經(jīng)峰值溫度1　350 ℃，t_8/5分別為3.5 s和8 s的焊接熱循環(huán)，模擬其粗晶區(qū)，所得金相組織如圖2、3，其奧氏體的平均粒徑分別為：21 μm(圖2(a))、28 μm(圖2(b))、26 μm(圖3(a))、52 μm(圖3(b))。從以上例子可知：800 MPa級細(xì)晶鋼焊接時，即使t_8/5很小，HAZ也出現(xiàn)較嚴(yán)重的晶粒粗化現(xiàn)象，且隨著t_8/5的增加，晶粒粗化就更為嚴(yán)重。

圖 1　X65細(xì)晶鋼顯微組織
Fig.1　Mircrostructure of ultra-fine grained X65 steel
(a) 高潔凈度；(b)普通

圖 2　高潔凈度X65細(xì)晶鋼顯微組織(峰值溫度1350 ℃)
Fig.2　Mircrostructure of high-purity,ultra-fine grained
X65 steel(peak temperature:1350 ℃)
(a) t_8/5＝3.5 s；(b) t_8/5＝8 s

圖 3　X65細(xì)晶鋼顯微組織(峰值1350 ℃)
Fig.3　Mircrostructure of ultra-fine grained X65
steel(peak temperature:1350 ℃)
(a) t_8/5＝3.5 s；(b) t_8/5＝8 s

2.1.2　HAZ淬硬性
　　在靠近熔合線的HAZ，奧氏體晶粒易粗化和硬化。為了減少冷裂和接頭韌性的損失，通常限制HAZ的最大硬度。如造船用結(jié)構(gòu)鋼和破冰船，其硬度限制在HV 300～350之間。為避免應(yīng)力腐蝕，硬度值也被限制，如在濕的H₂S環(huán)境下，管線鋼的硬度限制在HV 248。HAZ的最大硬度隨著冷卻時間t_8/5的增加而減小。
2.1.3　HAZ的韌性和微觀組織
　　下貝氏體和低碳馬氏體均有較好的韌性，且下貝氏體的韌性優(yōu)于低碳馬氏體，隨著冷卻時間的增加，上貝氏體的含量越來越多，韌性逐漸降低。上貝氏體和側(cè)板條鐵素體均有很低的韌性。晶界鐵素體是冷卻時在原奧氏體晶粒邊界上析出的，且上貝氏體和側(cè)板條件鐵素體從晶界鐵素體向晶內(nèi)生長。一般把粗晶熱影響區(qū)(CGHAZ)和臨界粗晶熱影響區(qū)(IRCGHAZ)稱作“局部脆性區(qū)”(LBZ)，鐵素體中固溶的碳小于奧氏體中固溶的碳，奧氏體分解過程中碳從相變鐵素體析出且在沒有相變的奧氏體中偏聚，這將推遲奧氏體相變且導(dǎo)致殘余奧氏體+高碳馬氏體(碳含量大于1 %)的混合組織(即M-A組元)形成，當(dāng)鋼在臨界點(diǎn)之間的溫度區(qū)域加熱時，奧氏體和鐵素體共存，將造成奧氏體中碳的偏析且導(dǎo)致硬化能力增加，在冷卻時轉(zhuǎn)化為M-A組元，它對HAZ的韌性極為不利，當(dāng)晶粒粗大時，更為不利，HAZ的韌性強(qiáng)烈依賴M-A組元的體積分?jǐn)?shù)。文獻(xiàn)［1］報道局部脆性區(qū)(LBZ)的影響在夏氏V型沖擊試驗(yàn)中不明顯，但在熱模擬HAZ試樣的CTOD試驗(yàn)中卻很明顯。此外，當(dāng)焊縫采用高匹配時，也將使HAZ的韌性損失，但與組織所引起的韌性損失相比，是很小的。

HAZ的低韌性不僅是由于M-A組元所占的體積分?jǐn)?shù)所決定，也由其大的斷裂晶面尺寸所決定，因此可通過以下措施改善韌性：①可探索采用合適的焊接工藝，以減小LBZ區(qū)的整體面積；②減小形成M-A組元的合金元素，如B、N、C元素含量；③減小Si、Al、P元素含量，可促進(jìn)M-A組元的分解；④當(dāng)鋼中細(xì)小彌散的析出物在接近熔點(diǎn)時仍很穩(wěn)定，則能有效細(xì)化HAZ中的粗大奧氏體，導(dǎo)致上貝氏體和側(cè)板條鐵素體的細(xì)化；⑤由于針狀鐵素體的斷裂晶面尺寸小，韌性好，所以若添加一些細(xì)小穩(wěn)定的氧化物，不僅可降低HAZ粗晶區(qū)的晶粒尺寸，而且還可作為晶內(nèi)針狀鐵素體的形核場地。 2.1.4　HAZ的軟化 　　超細(xì)晶粒鋼主要是在形變條件下獲取細(xì)晶的，不能通過熱處理手段來恢復(fù)，所以焊后HAZ會出現(xiàn)軟化，尤其當(dāng)高熱輸入時，就更加明顯。不過這種局部軟化對接頭整體強(qiáng)度的影響是受其他因素控制的，如局部軟化區(qū)的寬度、板厚和焊縫強(qiáng)度匹配等因素。對于低強(qiáng)度級別的400 MPa鋼而言，在高強(qiáng)匹配下，更高強(qiáng)度的焊縫和沒有受熱影響的母材對軟化區(qū)有強(qiáng)的拘束作用，所以采用高匹配是防止或減小HAZ軟化的有效措施之一。 2.2　焊縫金屬的性能 　　通常焊縫金屬的強(qiáng)度應(yīng)與母材等強(qiáng)匹配或稍高于母材。大多數(shù)焊接結(jié)構(gòu)是在焊后狀態(tài)下使用的，焊縫金屬的強(qiáng)化依然要靠合金元素來實(shí)現(xiàn)，因此，焊縫金屬的碳當(dāng)量將全面高于母材，且當(dāng)熔敷金屬的強(qiáng)度提高時，其強(qiáng)度和韌性將對熱輸入很敏感，此時應(yīng)考慮合適的焊接工藝。所以當(dāng)母材強(qiáng)度提高時，獲得合適的焊縫強(qiáng)度就變得較困難。 　　400 MPa細(xì)晶鋼的焊縫金屬性能與HAZ性能相比，不是主要矛盾。對于400 MPa級細(xì)晶鋼而言，焊縫金屬要獲得優(yōu)良的強(qiáng)度和韌性，焊縫金屬的理想組織應(yīng)為針狀鐵素體，這就要嚴(yán)格控制焊接材料的化學(xué)成分，如Ti-B系列的焊條、焊劑和Ni-Cr-Mo-V系列的焊絲。 　　當(dāng)焊接大于800 MPa或更高強(qiáng)度級別的細(xì)晶鋼時，需全面考慮接頭性能。焊縫和HAZ都有可能出現(xiàn)問題，HAZ的粗化問題可借鑒400 MPa級細(xì)晶鋼的有效防止措施，如合適的焊接方法、焊接工藝及其他焊接條件，但隨鋼強(qiáng)度級別的提高，800 MPa細(xì)晶鋼焊縫中易出現(xiàn)冷裂傾向，因此，對于800 MPa級的細(xì)晶鋼而言，主要問題便是解決焊縫金屬的性能，即必須研制、開發(fā)與母材性能相匹配的焊接材料，焊縫金屬要獲得優(yōu)良的強(qiáng)度和韌性，其焊縫金屬的理想組織應(yīng)為超低碳貝氏體，這方面的工作目前還沒有較成熟經(jīng)驗(yàn)，因而需全面開發(fā)以這種微觀組織為主的焊接材料。 2.3　焊縫和HAZ的裂紋傾向 2.3.1　熱裂紋 　　熔敷金屬的化學(xué)成分主要是針對避免熱裂紋而設(shè)計的，因此凝固裂紋主要是由母材稀釋而引起的，即主要出現(xiàn)在具有最大熔合比的焊道上(如根部焊縫)，或出現(xiàn)在凝固方式不恰當(dāng)時(如過大的熔合比和焊速過高所引起的過于拉長的焊接熔池)，此時熱裂紋可通過改變焊接工藝參數(shù)避免。熱裂紋的產(chǎn)生也強(qiáng)烈依賴夾雜物的數(shù)量和種類，細(xì)晶鋼的合金含量很低、夾雜物(如S、P)含量低以及偏析少，所以熱裂紋不易發(fā)生。 2.3.2　冷裂紋 　　因不同鋼種對冷裂敏感的微觀組織不盡相同，建議嚴(yán)格控制HAZ硬度。細(xì)晶鋼低的碳當(dāng)量減小了冷裂傾向，明顯改善了其冷裂敏感性。因母材細(xì)晶鋼的碳當(dāng)量低，而熔敷金屬碳當(dāng)量高，于是氫就被固在熔化的金屬中，在焊縫中出現(xiàn)冷裂，可減少擴(kuò)散氫含量來降低焊縫的冷裂傾向。 2.3.3　層狀撕裂 　　為減少層狀撕裂，有兩種有效方法，第一種方法是減小硫含量到很低的水平(小于0.008 %)，第二種是為獲得理想硫化物形態(tài)添加合金元素，如Ca化處理。由于細(xì)晶鋼本身高的潔凈度，因而發(fā)生層狀撕裂的可能性不大。 2.4　焊后熱處理 　　焊后熱處理有可能惡化焊縫性能，對超細(xì)晶粒鋼，其唯一目的是松弛殘余應(yīng)力，而不象傳統(tǒng)C-Mn鋼是為了改善性能。當(dāng)碳含量低(小于0.15 %)且碳當(dāng)量很低時(小于0.4 %)，鋼幾乎沒有硬而脆的HAZ，并且?guī)缀鯖]有應(yīng)變時效傾向。因此很少要求焊后熱處理。必要時，消除應(yīng)力的熱處理溫度必須小于600 ℃或考慮機(jī)械消除應(yīng)力的措施。 3　結(jié)論 　　(1) 超細(xì)晶粒鋼通過形變細(xì)化、相變細(xì)化和第二相析出提高鋼的強(qiáng)度，由此降低結(jié)構(gòu)自重，從而減少其結(jié)構(gòu)用量和運(yùn)輸費(fèi)用，同時它還具有優(yōu)良的強(qiáng)韌性，合金含量低、雜質(zhì)含量低、便于回收、可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，因而可有效地用于生產(chǎn)中，符合社會可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。 　　(2) 焊接熱循環(huán)明顯影響400 MPa和800 MPa超細(xì)晶粒鋼焊接熱影響區(qū)的晶粒長大，應(yīng)研究其HAZ晶粒長大規(guī)律和動力學(xué)，尋找HAZ晶粒長大的可控因素，探索超細(xì)晶粒鋼合適的焊接方法、焊接工藝參數(shù)及其他焊接條件。 　　(3) 對于800 MPa級超細(xì)晶粒鋼，除研究熱影響區(qū)晶粒長大規(guī)律外，還應(yīng)研制焊縫金屬微觀組織以超低碳貝氏體為主的焊接材料。