超細晶粒鋼

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超細晶粒鋼

“超細晶粒鋼與同等強度的傳統鋼相比，其化學成分的主要特點是碳含量低，這有利于提高其焊接性，因此其強化手段不是通過增加碳含量和合金元素含量，而是通過晶粒細化、相變強化、析出強化等相結合的方法來達到提高強韌化的目的。晶粒細化(包括變形細化和相變細化)是唯一能夠同時提高鋼強度和韌性的方法，因而成為超細晶粒鋼最佳的強化機制。利用第二相粒子析出的沉淀強化是超細晶粒鋼采用的另一種強化機制，高溫時在奧氏體內形成的粒子雖然對控制晶粒長大有效，但不會造成強化，強化粒子是低溫時在奧氏體或鐵素體內形成的，位錯與亞結構強化也是一種有效的強化方式。”

1分類

傳統鋼中，晶粒尺寸在100μm以下就稱為細晶粒鋼，即傳統細晶粒鋼。隨著冶金技術和生產工藝的不斷進步，細晶的尺寸不斷縮小，甚至達到了微米、亞微米。本文提到的超細晶粒鋼不包括傳統細晶鋼。

按超細晶粒鋼發展進程和其尺寸大小，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-MechanicalControlProcess)鋼。利用TMCP工藝在實驗室中，晶粒尺寸可達到幾個微米，但在實際工業生產中，所得鋼的晶粒尺寸小于50μm，最小可達10μm。這種鋼滿足了石油和天然氣工業的需求，這種鋼的高強高韌和低的碳當量為其提供了優良的焊接適應性。

(2)新一代鋼鐵材料

綜合低合金高強鋼不斷進步的成功經驗，充分利用合金化作用和生產工藝技術進步相結合的優勢，發展新一代鋼鐵材料產品并進行其基礎理論研究。目前正處于研制階段的新一代鋼鐵材料的主要特征：在充分考慮經濟性的條件下，鋼材具有高潔凈度、超細晶粒、高均勻度的特征，強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；超細組織，晶粒尺寸在0.1～10μm之間，細化晶粒是唯一能提高強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。在鋼的化學成分—工藝—組織—性能的關系中，強調了組織的主導地位，即其超細微觀組織表現出優異的綜合性能。

2化學成分和冶金特點

細晶鋼具有低碳和低碳當量以及低的雜質含量，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)、硫化物應力腐蝕裂紋(SSCC)抗力等。細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。

生產高潔凈度、高均勻度的細晶鋼的冶金特點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，其冶金和生產工藝技術已有很大的進步：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工藝等。

3工藝方法和強韌化特點

為獲得超細晶粒鋼，已開發出多種工藝方法：同一快速加熱條件下的熱處理反復多次作用、金屬粉末機械研磨、控軋、控冷、TMCP、復合TMCP法等。利用生產工藝技術是獲得超細晶粒的主要手段，是超細晶粒鋼具有優良強韌綜合性能的決定因素，因此超細晶粒鋼與傳統鋼所不同的是其化學成分不能用于預測鋼種的強度。

超細晶粒鋼與同等強度的傳統鋼相比，其化學成分的主要特點是碳含量低，這有利于提高其焊接性，因此其強化手段不是通過增加碳含量和合金元素含量，而是通過晶粒細化、相變強化、析出強化等相結合的方法來達到提高強韌化的目的。晶粒細化(包括變形細化和相變細化)是唯一能夠同時提高鋼強度和韌性的方法，因而成為超細晶粒鋼最佳的強化機制。利用第二相粒子析出的沉淀強化是超細晶粒鋼采用的另一種強化機制，高溫時在奧氏體內形成的粒子雖然對控制晶粒長大有效，但不會造成強化，強化粒子是低溫時在奧氏體或鐵素體內形成的，位錯與亞結構強化也是一種有效的強化方式。