铌在高强度可焊接工字钢和其它结构钢中的应用

1.生产工艺

长材既可用氧气转炉冶炼，也可用电弧炉冶炼，并更多地采用连铸工艺生产。过去，连铸机经常连铸生产小方坯、大钢坯作为半成品，最近也链成工字钢形状。根据1964年BISRA的试验结果，1968年在Algoma开始了钢梁连铸，以此作为工字钢的近终形连铸。该技术后来被欧美公司采用。

连铸后，初轧前，工字钢在步进炉中重新加热，由两可逆万能轧机轧制并由万能轧机终轧。轧机孔型不同，轧制产品的断面不同。

1.1大工字钢的传统轧制工艺

半成品被加热到1250℃左右，经15～20道次轧制。而对铸锭，需加热到1300℃，可能需经40道次轧制，工字钢的道次压下率为4%～20%，终轧温度高于1000℃，工字钢上温度分布不均：根部和腰部连接处温度最高，腰部的中间温度最低，温度的差异与工字钢的尺寸有关，最大温差可达100℃。按该工艺轧制，按ASTM标准进行评级，厚度为40mm的工字钢晶粒度为7级。

为细化钢的组织，可采用Ti－Nb微合金化，使再加热时奥氏体晶粒相当细小（50μ，而不是200～300μ），再结晶组织也相当细小。实验室模拟结果显示，每道次压下率达15%即可获得所需要的组织，力学性能达到50Ksi（抗拉强度≥50Ksi（344.7MPa）。表1是50Ksi工字钢的化学成分。

该成分设计已成功用于工业生产。热轧过程中温度高，意味着钢中的Nb仍保持固溶状态，即使在终轧温度时，也没有Nb的碳化物析出。Nb在钢中以固溶状态存在时，通过延迟相变，细化铁素体晶粒，获得一定数量的贝氏体，从而提高钢的强度。该钢的典型组织是约80％的铁素体，其余为贝氏体和珠光体。在相同轧制工艺条件下，按ASTM标准判断，C—Mn钢的晶粒度为7级，而含Nb钢的晶粒度为9级。相变过程中或相变之后，若在铁素体中形成NbC析出物，则钢的强度可进一步提高。通过传统轧制工艺只能有限地细化晶粒，对于强度高于50Ksi或厚度大于20mm的钢，为满足韧性要求，必须采用控制轧制工艺。
    1.2正火热处理
    正火是在Ac₃，相变点以上(通常Ac₃+50℃)的改善热处理，用于组织和力学性能。S355钢热轧态的组织为铁素体一珠光体，常需要进行正火处理，目的是细化组织，使组织均匀，提高钢的韧性。

组织细化的程度与原始组织有关。对于不能进行控制轧制的钢，尤其是厚截面钢材，通过正火可达到很好的细化晶粒效果。对于薄截面钢材，正火可能达不到细化的目的，这种情况下，该轧制过程可认为是控制轧制工艺，通常称之为“常化轧制”，热轧态的组织性能与正火后的组织和性能相似。

通常用Nb提高正火钢的抗拉强度，Nb能够阻止奥氏体晶粒长大，扩大γ相区。在含si钢中，这种效果尤为明显。正火温度在900℃和1050℃之间，Nb含量为0.02％～0.04％，就足以使晶粒度达到10级。与此相反，含Si钢中不含Nb时，正火温度为1000℃时，晶粒度为7级。Nb的碳氮化合物和Al的氮化物一样，在1050℃仍能够阻止奥氏体晶粒长大，这种作用尤为重要，即使在炉温
不均匀的热处理炉中，也能获得细小的铁素体一珠光体组织。

厚度不同，热轧态工字钢的晶粒度为7级～9级，正火后的晶粒度达到了ll级。正火后，强度均略有下降。
    为满足焊接性能的要求，必须具有较低的碳当量。

还必须指出，尤其对薄截面钢材，热处理易导致变形。变形后必须用矫直机矫直。

1.3控轧工艺：控制轧制

在奥氏体的低温区进行控制轧制时，含Nb钢可以达到强度韧性的完美结合。轧制过程中，奥氏体首先在1050℃以上进行变形，使奥氏体晶粒细化。如果给定总压下率为’70％，则每道次轧制后，通过静态再结晶可得到细小的奥氏体晶粒。然后待温至900℃以下进行终轧。含Nb钢中的再结晶非常缓慢，奥氏体晶粒变成饼状，从而有效地细化了晶粒。

下列工艺对提高韧性非常有效：
(1)将终轧温度从960~C降低到870℃，使铁素体晶粒度从7级提高到9级。该工艺显著提高了钢的韧性。

(2)采用控制轧制，添加能形成氮化物从而降低钢中自由氮的元素，二者综合作用，钢的韧性最好。

控制轧制的同时，钢中自由氮含量降低在20ppm以下时，vT40<-50℃。

常用Al来降低钢中自由氮含量，也可采用Ti、Nb、V等元素。相比于Al和Ti、V和Nb具有优点，它们不会导致连铸过程中出现水口堵塞或产生缺陷等连铸问题。对自由氮含量的测定可用于确定氮化物形成元素固定氮的效果。
    采用Al、Ti、Al+Ti、Ti+v进行微合金化，屈服强度约为320MPa时，vT40在－60～－70℃之间，强度与用于比较的C－Mn钢相似，C-Mn钢中没有沉淀硬化。Nb微合金钢的屈服强度为375MPa时，vT40=－55℃，Nb产生了显著的沉淀硬化效应，并细化了组织。Ti+Nb复合加入时，由于TiN与Nb的相互作用，使沉淀硬化效应有所减轻。

虽然控制轧制能达到强度和韧性的完美结合，它不可避免地存在一些缺点。降低终轧温度增加了轧机的负载，很多轧机在设计时并没有考虑这部分增加的载荷。与C－Mn钢相比，由于Nb的存在阻止了再结晶；在此温度区间使轧机增加了负载。由于控轧过程中有个待温过程，因而增加了轧制时间，降低了生产效率。

要达到一定厚度的S355工字钢所对应的强度时，需一定的化学成分、碳当量和Nb含量。为达到所需强度，可采用不同的化学成分。C含量低，采用Nb微合金化时，长度方向的韧性提高。随着厚度增加，满足韧性要求更为困难。对于较低碳含量的钢，横向冲击功要求有所提高，对厚度方向韧性而言，可通过降低S含量来达到。

对于较厚的钢材，轧制温度提高，轧后冷却速度降低，从而导致组织粗化。为达到强度要求，必须增加合金含量。由于焊接性能的要求和碳当量的限制，尚不能生产50mm厚度以上的S460钢材。

1.4控轧工艺：加速冷却

为克服控制轧制的局限性，Profi一LARBED公司联合冶金研究中心和英国钢铁公司开发了轧后加速冷却的工艺。

在淬火+自回火工艺中，最后一道次轧制之后，整个工字钢表面喷水激冷。在心部被淬火之前，停止喷水，工字钢的外表层被从心部向表层传递的热量进行自回火。从终轧出来直接进入冷却架，此时温度约为850℃，整个工件的表面冷却后，开始自回火的温度≥600℃。

通常，淬火+回火工艺的先决条件是整个工字钢的断面上温度要均匀，这样，在轧制过程中，需对工字钢上温度最高的部位，即腿部和腰部的连接处，进行选择性冷却。

由于热变形难以克服而采用无变形的冷却，由于产品的尺寸和钢号非常分散，产品质量难以控制。日本钢铁企业开发了大工字钢的加速冷却装置。传统轧制所得到的晶粒度为7级，控制轧制时晶粒度约为9级，采用加速冷却时晶粒度可达11级。如此细小的组织在很低的温度下也具有良好的韧性，按照ENl0113专用标准，厚度达125mm时41J的转变温度在一50℃以下。

通过激冷细化组织时，Nb细化组织的作用未能发挥，在热轧钢材中，添加Nb未能提高韧性。然而，在高强钢中，通过添加Nb降低碳当量从而提高了焊接性，这对厚钢材尤为重要。

2焊接性

用低碳Nb微合金钢取代C-Mn钢的第一个优点是不需预热而避免了硬脆区，扩大了焊接工艺的适用范围。

工字钢采用小线能量焊接(8kJ／cm药芯焊接丝电弧焊），焊前不预热。测定接头不同位置的硬度分布，所有硬度值均在300HV10以下。

采用了下列工艺：

（1）控制轧制，加速冷却；

（2）工字钢厚度为25mm；

（3）焊接工艺，手弧焊；

（4）接头型式：平焊，氧割K型坡口；

（5）焊接的轴线方向与轧制方向垂直；

（6）焊接不预热；

（7）焊接线能时10～12kJ/cm，多道焊。

焊接后，接头的强度不会降低，且Nb微合金钢的母材和接近熔合线处的韧性仍很好。

必须指出，有研究工作报道，尤其是对大线能量焊接，Nb和V对韧性不利，因为产生了脆性组织或碳氮化物析出相，但这种情况不太普遍，通常的焊接工艺为多道手弧焊、气保焊和药芯焊丝电弧焊，采用的焊接线能量较低，约为12—20kJ／cm。

对含Nb微合金S460海洋结构钢进行了较大线能量焊接试验。钢的成分为：0.08％C，0.01％P，O.002％S，0.2％Si，0.044％Al，0.043％Nb。

采用控制轧制+QST工艺生产了厚截面工字钢，其尺寸为360×410×463mm。

采用下列工艺参数

(1)控制轧制，加速冷却；

(2)工字钢厚度为57mm；

(3)焊接工艺：埋弧焊；

(4)接头型式：平焊，氧割对称V型坡口；

(5)焊接轴线方向与轧向平行；
    (6)不预热；

(7)多道焊，焊接线能量35kJ／cm和50kJ／cm。

按照海洋工程可焊接结构钢标准ENl0225的要求进行焊接试验，测定力学性能。测定了头部，中心部，根部的熔合线、溶敷金属、FL+2ram等不同位置的冲击转变曲线，试验结果表明，对47J转变温度要求为-40℃，而试验结果达到-60℃，采用埋弧焊工艺经50kJ/cm大线能量焊接时，熔合线上也没有出现脆性。

还进行了全厚度CTOD断裂韧性试验。通过测定焊接接头裂纹尖端张开位移确定裂纹失稳扩展的临界值。缺口位置分别开在熔敷金属(WM)粗晶热影响区(GCHAZ)，临界影响区(ICHAZ)。

3 高强度结构钢的应用

目前生产的高强度钢屈服强度范围为345～460MPa。选用高强钢可增加载荷，或在恒载荷条件下减轻钢结构的重量，减轻的重量与钢结构的断面和加载方式有关。

高强钢应用受到屈服强度的限制。但不是唯一的，另外一些关键因素是挠度和失稳现象如瓢曲等，这些现象与钢的杨氏模量和几何形状有关，而与屈服强度和抗拉强度无关。

刚性、挠度、随屈服强度提高而提高的材料价格这三者的限制，使材料应用时有一个最佳钢种选择方案。最佳的屈服强度范围为355～460MPa。

4 结论

采用现代生产工艺，结合微合金化，即使对很厚截面的结构钢，也能达到强度更高，韧性更好，更易焊接的要求。

Nb在结构钢中获得了广泛的应用，Nb具有如下优点：不降低钢的连铸性能，可细化组织，减少自由氮的含量，能有效地提高强度和焊接性能。

现代高强钢在建筑、船舶和海洋结构等领域得到了广泛的应用，因其降低了材料成本和制造费用，从而降低了装配成本。

表1 20mm厚50Ksi钢的化学成分（WT %）（终轧温度1050℃）