40cr圓鋼由于在制造過程中采用大熱輸入量焊接或焊后熱處理，而存在韌性惡化的風險，因而40cr圓鋼在設計鋼中的Nb時要考慮焊接金屬的韌性。除Nb對母材性能的有利作用外，本文對克服其不利作用的最新技術做了簡要介紹。最近，Nb的奧氏體調節(jié)作用被擴大到貝氏體和馬氏體組織結構。應用這些高強組織使建造大量的巨型鋼結構成為可能。另一方面，充分利用Nb在γ+α兩相區(qū)控軋中的作用，可以開發(fā)出大型集裝箱船用最安全的40cr圓鋼。

 

在常用微合金化元素Ti、Nb和V當中，Nb與C、N具有中等的結合力。通常來講，Nb的加入可與其他微合金化元素一道在鋼中起作用，可以改變微合金化冶金的多個方面。例如，碳氮化物的平衡化學成分會隨著溫度發(fā)生變化，對(Ti, Nb)(C, N)體系，其析出相的特性可以通過預先工藝參數進行控制，析出相的尺寸分布也可以一定程度地通過微合金化元素工藝進行控制。

1鋼中的Nb

1.1鈮在TMCP工藝中的作用

TMCP中鈮主要有以下三個作用：①延遲再結晶；②降低γ-α轉變溫度；③與其他微合金化元素完全固溶。

Nb延遲再結晶的作用是有效實施控軋工藝的關鍵因素，僅加入少量的Nb，再結晶溫度就能被顯著地提高。這具有決定性的實用價值，因為它可以擴大控軋操作的溫度區(qū)間。另一方面，Nb延遲γ-α (奧氏體-鐵素體)轉變的作用對于實現加速冷卻操作非常關鍵。在每一個形變和冷卻條件下，Nb的加入均能夠明顯降低γ-α轉變溫度。Nb的這種作用伴隨著加速冷卻可以顯著提高鋼材強度。

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從實際應用的角度，Nb對于TMCP的最主要作用是其在不損害焊接性能的情況下有顯著的強化作用。當在γ-α兩相區(qū)控軋12mm厚的40cr圓鋼時，僅添加0.03%Nb就可以使抗拉強度為500MPa級別的碳鋼提高抗拉強度多于100MPa，而當加速冷卻100mm厚的40cr圓鋼，加入0.03%Nb 可使該鋼的抗拉強度提高約50MPa。除對鋼有顯著的強化作用外，Nb對鋼的HAZ氫裂紋、熔融裂紋或者熔敷金屬等焊接性能沒有明顯作用。也就是說，Nb與眾不同的是在提高強度的同時不損害焊接性能。這意味著，Nb能夠讓較多數的40cr圓鋼降低碳含量或是碳當量。雖然在焊接中預期Nb可能會帶來一些不利的作用，但是Nb讓碳含量降低的作用通常會抵過這些不利影響。這也是為什么含Nb的TMCP工藝能成為全球范圍內40cr圓鋼生產的主流方法的原因。

 

1.2 含Nb鋼的焊接

雖然Nb在TMCP工藝中對于改善基體的性能不可或缺，但是有時候Nb本身會對焊接有害，Nb對焊接性能的負面作用源于其本身的固有屬性，其中影響最大的是Nb對γ-α轉變的延遲作用。對于抗拉強度500MPa強度級別的鋼材，在焊接冷卻過程中固溶Nb會增加HAZ區(qū)貝氏體轉變的傾向。上貝氏體轉變的過程又將產生馬氏體-奧氏體（MA）組織。即在鐵素體板層中保留了富碳奧氏體，而形成MA組織。當采用相對寬范圍的熱輸入量時，MA通常是HAZ區(qū)性能惡化的主要原因。MA組織的形成量與固溶Nb含量有很大關系。這是在某些情況下Nb在提高鋼的HAZ區(qū)硬度中扮演重要角色的佐證之一。MA組織一旦生成，在連續(xù)熱循環(huán)周期中板狀的MA會分解成小的MA板條，會使得微裂紋更易發(fā)生，而進一步惡化HAZ區(qū)性能。然而，在熱循環(huán)之后的低溫度峰值，Si含量的降低同樣會促進MA結構的分解。據觀察，P含量的降低具有與Si類似的作用。

在這些較高熱輸入量焊接速度下，如果采取充分的手段避免MA結構的生成，Nb的不利作用就可以被減弱。降低C或MA相的其他友好元素比如Si，是最有效并被廣泛應用的措施之一。其結果是，在低碳情況下上貝氏體轉變中保留的奧氏體將分解成滲碳體和鐵素體。當Nb（0.10%）用到管線鋼時，采用較低碳含量是成功設計該鋼種成分的關鍵所在。對于40cr圓鋼，最簡單的對策是限制固溶形式的Nb含量。同時加入少量的Nb和Ti比單純添加Nb的鋼韌性會更好。復合添加微合金化元素引起韌性改善的原因主要是形成更加細小的富氮析出相，在鋼中添加Nb和Ti并配合正確的工藝能夠顯著降低碳氮化物的尺寸大小。在Nb-Ti復合鋼中，析出相富氮，在HAZ的熱過程中比只含Nb的鋼析出相更穩(wěn)定。基體中這些細小穩(wěn)定的粒子不僅可以有效地抑制晶粒長大，而且可以在HAZ區(qū)熱循環(huán)過程中，將促進MA生成的固溶微合金化元素含量降到最低。

 

1.3含Nb的TMCP鋼

 

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通過顯著降低鋼的Ceq或Pcm值，Nb和TMCP工藝可明顯改善40cr圓鋼的韌性。與傳統(tǒng)鋼相比，大多數40cr圓鋼的Ceq值通過TMCP和含Nb設計可至少降低0.05%。目前，在Nb作為合金化元素的條件下，用戶可全面享用到TMCP鋼帶來的好處。

圖1總結了日本在2007年的不同領域應用熱軋/TMCP/熱處理各工藝生產的40cr圓鋼的比例。雖然TMCP在建筑和儲罐領域用40cr圓鋼的應用比例小，但對于海洋工程和管線用鋼則是TMCP工藝的主要應用領域?，F在日本生產的海洋結構和管線用40cr圓鋼幾乎都是TMCP鋼。在2007年，TMCP鋼的平均應用比重達到54%。所有的TMCP鋼都含有微合金化元素Nb。這意味著大約有一半的現代40cr圓鋼為獲得良好使用性能而需要加Nb。

 

 

 

圖1各工業(yè)領域采用不同生產工藝40cr圓鋼的應用比例（來自日本鋼廠2007年4-6月期間的數據）

 

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2造船及海洋40cr圓鋼中Nb的應用

2.1趨向更高安全性—脆性裂紋止裂

在造船領域，對40cr圓鋼止裂性能比任何其他40cr圓鋼領域更加重視。如果40cr圓鋼的Kca值（阻止脆性裂紋擴展的應力強度因子，由ESSO試驗獲得）大于6000N/mm3/2 (基本上等于600kg/mm2√mm)，長途擴展的脆性裂紋就會被40cr圓鋼組織阻止。為此，6000N/mm3/2 Kca 值已經成為船體和甲板用40cr圓鋼止裂的標準。然而，近年來大型集裝箱船的艙口和艙口欄板的厚度已經達到80mm以上，考慮到現代大型集裝箱船的安全，近來日本又開始開展研究厚規(guī)格船板的脆性裂紋行為。研究的主要目標是開發(fā)出Kca值更上一個臺階的厚40cr圓鋼。

利用含Nb的TMCP工藝進行織構控制的方法，已被應用于大型集裝箱船用厚40cr圓鋼；為開發(fā)65mm厚的EH36（最低屈服強度為355MPa，要求-40℃的夏比沖擊）40cr圓鋼，測試了脆性裂紋擴展的抑制能力。該含Nb鋼采用無Ni設計，但是-10oC下的溫度梯度型ESSO測試結果顯示其Kca值大于10KN/mm3/2。該Kca值遠大于薄止裂40cr圓鋼6KN/mm3/2的老指標。不過，厚度為65mm的40cr圓鋼尚未驗證該Kca值，但據估測，所要求的Keff 值會在7KN/mm3/2左右。

模擬斷裂試驗表明，Nb對建造現代安全的集裝箱船有著卓著的貢獻。然而，必須注意到試驗中用于艙口欄板的傳統(tǒng)鋼亦含有Nb，但是由于Nb在該鋼種的作用是在TMCP操作中提高鋼的強度，其-10oC 的Kca值差不多僅為3800N/mm3/2。因此，如所有的合金化元素，其中Nb應用的關鍵點是：只有在TMCP工藝中采用恰當的工藝，才能展現出Nb的真正實用價值。

 

2.2 趨向更優(yōu)的HAZ韌性

1）低熱輸入量焊接（海洋結構）

含Nb鋼最難的設計是用于低溫環(huán)境而且還要HAZ區(qū)韌性良好的鋼。對于這些低溫鋼，第一優(yōu)先的問題是在具備良好焊接性能的基礎上確保母材的低溫韌性。因此，含Nb的TMCP鋼可謂自然天成。但是，如果HAZ區(qū)韌性的要求非常嚴格或采用大熱輸入量焊接，就要采取特別的辦法減輕Nb對焊接的不利影響。采取的措施會隨應用的熱輸入量發(fā)生變化，這是因為韌性控制因素會隨焊接熱輸入量而變化。當熱輸入量變小時，MA結構的形成是韌性惡化的罪魁禍首，而當熱輸入量變大時，源于大奧氏體晶粒轉變的組織本身是需要控制的主要因素。用低熱輸入量焊接制造低溫鋼構件應是首先考慮的。

海洋結構用40cr圓鋼HAZ區(qū)的CTOD韌性應通過API RP 2Z 或 EN 10225的資格認證，母材的韌性亦要如此。這對HAZ區(qū)的韌性要求是現行所有碳鋼40cr圓鋼材料標準中最嚴格的一個。通常需要的CTOD測試溫度一般為0oC到-10oC，但是Sakhalin工程降到-40oC，而最近北極地區(qū)的發(fā)展工程則達到-60oC。毋庸諱言，含Nb的TMCP鋼是這些厚板的最佳選擇，但是一種保持HAZ區(qū)高韌性和高穩(wěn)定性的技術至關重要。

根據API RP 2Z的資格認證試驗，熱輸入量應至少在0.8-4.5kJ/mm范圍內。等于或小于0.8 kJ/mm的最低熱輸入量，同時要克服由MA組織生成引起的局部脆性問題，以獲得更好的HAZ區(qū)韌性。固溶Nb在某些情況下促進MA組織生成?；谶@個理念，開發(fā)海洋結構用高質量厚板，并在1994年首次應用到SHELL MARS張力腿平臺。用開發(fā)的低Al含Nb鋼生產的4〞厚345MPa (屈服強度)的鋼種和3〞厚414MPa 的鋼種均顯示出非常低的沖擊轉變溫度。MARS甲板鋼的生產表明，-80℃的所有中間厚度40cr圓鋼的橫向夏比沖擊的剪切面積超過50%，沖擊吸收功達到130-460J。該低溫韌性水平只有當低碳、低合金厚板采用含Nb的TMCP技術時才能取得。自MARS工程后，低Al含Nb的TMCP鋼已被用于大部分的現代張力腿平臺。

 

2）大熱輸入量焊接（船舶）

當焊接熱輸入量提高，由于不能在如此低的冷卻速率下生成MA，它的作用就消失了。圖2顯示了不同熱輸入量焊接模擬試驗的觀察結果，這里采用兩步電拋光技術顯示MA。從觀察看，采用60kJ/mm熱輸入量焊接時，MA并不顯著。隨著熱輸入量的提高，奧氏體晶粒長大對HAZ區(qū)韌性的影響也削弱。當熱輸入量增加，HAZ區(qū)的組織結構本身將成為控制韌性的主要因素。張家界45號鋼管規(guī)格表地位已跌入前所未有的谷底內蒙古45號鋼管供應商

 

 

 

 

圖2  不同熱輸入量焊接模擬試驗的觀察結果

 

如果晶內鐵素體增加，韌性通常改善。提高晶內鐵素體形核的辦法之一是彌散鋼中的細小氧化物。氧化物非常穩(wěn)定，甚至在嚴酷的焊接熱循環(huán)過程中，如果它們仍以小顆粒的形式存在，就很有可能成為鐵素體形核質點。過去，稀土金屬氧化物和Ti的氧化物已經被用于此目的。然而，如在優(yōu)化的微合金中加入B，晶內鐵素體轉變也被提高。B像C和N一樣在鋼中擴散迅速，但是其生成碳化物或氮化物的能力并不太強。所以，固溶B擴散至奧氏體晶界，并在那里偏聚。這將導致奧氏體的界面能降低，抑制鐵素體從奧氏體晶界上形核，間接地促進生成晶內鐵素體。對于微合金的碳氮化物，它們析出在晶界上，但是容易在大熱輸入量焊接下慢速冷卻中長大。由此，這些析出相對降低晶界能的貢獻并不大。

對于低溫鋼，Nb在降低碳當量方面很關鍵，但是對于大熱輸入量焊接的情況則要小心控制加入量。表1顯示了LPG船用含B鋼的化學成分。這種鋼含有除了Nb、Ti和B外沒有其他合金元素，這要感謝Nb的熱機械作用，使得在LPG儲藏溫度下母材金屬和HAZ區(qū)都具有很好的韌性。

 

3結論

目前，在日本生產的近一半的40cr圓鋼都采用作為合金化元素的Nb，Nb的卓越作用源于它在提高強度的同時并不損害焊接性能。

40cr圓鋼不同于管線鋼，由于在制造過程中采用大熱輸入量焊接或焊后熱處理，而存在韌性惡化的風險，因而40cr圓鋼在設計鋼中的Nb時要考慮焊接金屬的韌性。最近，Nb的奧氏體調節(jié)作用被擴大到貝氏體和馬氏體組織結構。應用這些高強組織使建造大量的巨型鋼結構成為可能。另一方面，充分利用Nb在γ + α兩相區(qū)控軋中的作用開發(fā)出現代大型集裝箱船用最安全的40cr圓鋼。

 

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