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(fēng)險(xiǎn)，因而40cr圓鋼在設(shè)計(jì)鋼中的Nb時(shí)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(shù)做了簡要介紹。最近，Nb的奧氏體調(diào)節(jié)作用被擴(kuò)大到貝氏體和馬氏體組織結(jié)構(gòu)。應(yīng)用這些高強(qiáng)組織使建造大量的巨型鋼結(jié)構(gòu)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(dāng)中，Nb與C、N具有中等的結(jié)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(gè)方面。例如，碳氮化物的平衡化學(xué)成分會(huì)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(yù)先工藝參數(shù)進(jìn)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(jìn)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(gè)作用：①延遲再結(jié)晶；②降低γ-α轉(zhuǎn)變溫度；③與其他微合金化元素完全固溶。

Nb延遲再結(jié)晶的作用是有效實(shí)施控軋工藝的關(guān)鍵因素，僅加入少量的Nb，再結(jié)晶溫度就能被顯著地提高。這具有決定性的實(shí)用價(jià)值，因?yàn)樗梢詳U(kuò)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(zhuǎn)變的作用對于實(shí)現(xiàn)加速冷卻操作非常關(guān)鍵。在每一個(gè)形變和冷卻條件下，Nb的加入均能夠明顯降低γ-α轉(zhuǎn)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(qiáng)度。

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從實(shí)際應(yīng)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(qiáng)化作用。當(dāng)在γ-α兩相區(qū)控軋12mm厚的40cr圓鋼時(shí)，僅添加0.03%Nb就可以使抗拉強(qiáng)度為500MPa級別的碳鋼提高抗拉強(qiáng)度多于100MPa，而當(dāng)加速冷卻100mm厚的40cr圓鋼，加入0.03%Nb 可使該鋼的抗拉強(qiáng)度提高約50MPa。除對鋼有顯著的強(qiáng)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(qiáng)度的同時(shí)不損害焊接性能。這意味著，Nb能夠讓較多數(shù)的40cr圓鋼降低碳含量或是碳當(dāng)量。雖然在焊接中預(yù)期Nb可能會(huì)帶來一些不利的作用，但是Nb讓碳含量降低的作用通常會(huì)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(nèi)40cr圓鋼生產(chǎn)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(shí)候Nb本身會(huì)對焊接有害，Nb對焊接性能的負(fù)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(zhuǎn)變的延遲作用。對于抗拉強(qiáng)度500MPa強(qiáng)度級別的鋼材，在焊接冷卻過程中固溶Nb會(huì)增加HAZ區(qū)貝氏體轉(zhuǎn)變的傾向。上貝氏體轉(zhuǎn)變的過程又將產(chǎn)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(dāng)采用相對寬范圍的熱輸入量時(shí)，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(guān)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(huì)分解成小的MA板條，會(huì)使得微裂紋更易發(fā)生，而進(jìn)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(huì)促進(jìn)MA結(jié)構(gòu)的分解。據(jù)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(jié)構(gòu)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(yīng)用的措施之一。其結(jié)果是，在低碳情況下上貝氏體轉(zhuǎn)變中保留的奧氏體將分解成滲碳體和鐵素體。當(dāng)Nb（0.10%）用到管線鋼時(shí)，采用較低碳含量是成功設(shè)計(jì)該鋼種成分的關(guān)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(shí)加入少量的Nb和Ti比單純添加Nb的鋼韌性會(huì)更好。復(fù)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(xì)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(fù)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(xì)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(jìn)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(shù)40cr圓鋼的Ceq值通過TMCP和含Nb設(shè)計(jì)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(jié)了日本在2007年的不同領(lǐng)域應(yīng)用熱軋/TMCP/熱處理各工藝生產(chǎn)的40cr圓鋼的比例。雖然TMCP在建筑和儲罐領(lǐng)域用40cr圓鋼的應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域?，F(xiàn)在日本生產(chǎn)的海洋結(jié)構(gòu)和管線用40cr圓鋼幾乎都是TMCP鋼。在2007年，TMCP鋼的平均應(yīng)用比重達(dá)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(xiàn)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(lǐng)域采用不同生產(chǎn)工藝40cr圓鋼的應(yīng)用比例（來自日本鋼廠2007年4-6月期間的數(shù)據(jù)）

 

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2造船及海洋40cr圓鋼中Nb的應(yīng)用

2.1趨向更高安全性—脆性裂紋止裂

在造船領(lǐng)域，對40cr圓鋼止裂性能比任何其他40cr圓鋼領(lǐng)域更加重視。如果40cr圓鋼的Kca值（阻止脆性裂紋擴(kuò)展的應(yīng)力強(qiáng)度因子，由ESSO試驗(yàn)獲得）大于6000N/mm3/2 (基本上等于600kg/mm2√mm)，長途擴(kuò)展的脆性裂紋就會(huì)被40cr圓鋼組織阻止。為此，6000N/mm3/2 Kca 值已經(jīng)成為船體和甲板用40cr圓鋼止裂的標(biāo)準(zhǔn)。然而，近年來大型集裝箱船的艙口和艙口欄板的厚度已經(jīng)達(dá)到80mm以上，考慮到現(xiàn)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(biāo)是開發(fā)出Kca值更上一個(gè)臺階的厚40cr圓鋼。

利用含Nb的TMCP工藝進(jìn)行織構(gòu)控制的方法，已被應(yīng)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(qiáng)度為355MPa，要求-40℃的夏比沖擊）40cr圓鋼，測試了脆性裂紋擴(kuò)展的抑制能力。該含Nb鋼采用無Ni設(shè)計(jì)，但是-10oC下的溫度梯度型ESSO測試結(jié)果顯示其Kca值大于10KN/mm3/2。該Kca值遠(yuǎn)大于薄止裂40cr圓鋼6KN/mm3/2的老指標(biāo)。不過，厚度為65mm的40cr圓鋼尚未驗(yàn)證該Kca值，但據(jù)估測，所要求的Keff 值會(huì)在7KN/mm3/2左右。

模擬斷裂試驗(yàn)表明，Nb對建造現(xiàn)代安全的集裝箱船有著卓著的貢獻(xiàn)。然而，必須注意到試驗(yàn)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(qiáng)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(yīng)用的關(guān)鍵點(diǎn)是：只有在TMCP工藝中采用恰當(dāng)?shù)墓に嚕拍苷宫F(xiàn)出Nb的真正實(shí)用價(jià)值。

 

2.2 趨向更優(yōu)的HAZ韌性

1）低熱輸入量焊接（海洋結(jié)構(gòu)）

含Nb鋼最難的設(shè)計(jì)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(chǔ)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(yán)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(huì)隨應(yīng)用的熱輸入量發(fā)生變化，這是因?yàn)轫g性控制因素會(huì)隨焊接熱輸入量而變化。當(dāng)熱輸入量變小時(shí)，MA結(jié)構(gòu)的形成是韌性惡化的罪魁禍?zhǔn)?，而?dāng)熱輸入量變大時(shí)，源于大奧氏體晶粒轉(zhuǎn)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(gòu)件應(yīng)是首先考慮的。

海洋結(jié)構(gòu)用40cr圓鋼HAZ區(qū)的CTOD韌性應(yīng)通過API RP 2Z 或 EN 10225的資格認(rèn)證，母材的韌性亦要如此。這對HAZ區(qū)的韌性要求是現(xiàn)行所有碳鋼40cr圓鋼材料標(biāo)準(zhǔn)中最嚴(yán)格的一個(gè)。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(dá)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(shù)至關(guān)重要。

根據(jù)API RP 2Z的資格認(rèn)證試驗(yàn)，熱輸入量應(yīng)至少在0.8-4.5kJ/mm范圍內(nèi)。等于或小于0.8 kJ/mm的最低熱輸入量，同時(shí)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(jìn)MA組織生成?；谶@個(gè)理念，開發(fā)海洋結(jié)構(gòu)用高質(zhì)量厚板，并在1994年首次應(yīng)用到SHELL MARS張力腿平臺。用開發(fā)的低Al含Nb鋼生產(chǎn)的4〞厚345MPa (屈服強(qiáng)度)的鋼種和3〞厚414MPa 的鋼種均顯示出非常低的沖擊轉(zhuǎn)變溫度。MARS甲板鋼的生產(chǎn)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(dá)到130-460J。該低溫韌性水平只有當(dāng)?shù)吞?、低合金厚板采用?/span>Nb的TMCP技術(shù)時(shí)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(xiàn)代張力腿平臺。

 

2）大熱輸入量焊接（船舶）

當(dāng)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(yàn)的觀察結(jié)果，這里采用兩步電拋光技術(shù)顯示MA。從觀察看，采用60kJ/mm熱輸入量焊接時(shí)，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(dāng)熱輸入量增加，HAZ區(qū)的組織結(jié)構(gòu)本身將成為控制韌性的主要因素。湖州45號鋼管行情企業(yè)向社會(huì)公開承諾不再恢復(fù)生產(chǎn)林芝45號鋼管供應(yīng)商

 

 

 

 

圖2  不同熱輸入量焊接模擬試驗(yàn)的觀察結(jié)果

 

如果晶內(nèi)鐵素體增加，韌性通常改善。提高晶內(nèi)鐵素體形核的辦法之一是彌散鋼中的細(xì)小氧化物。氧化物非常穩(wěn)定，甚至在嚴(yán)酷的焊接熱循環(huán)過程中，如果它們?nèi)砸孕☆w粒的形式存在，就很有可能成為鐵素體形核質(zhì)點(diǎn)。過去，稀土金屬氧化物和Ti的氧化物已經(jīng)被用于此目的。然而，如在優(yōu)化的微合金中加入B，晶內(nèi)鐵素體轉(zhuǎn)變也被提高。B像C和N一樣在鋼中擴(kuò)散迅速，但是其生成碳化物或氮化物的能力并不太強(qiáng)。所以，固溶B擴(kuò)散至奧氏體晶界，并在那里偏聚。這將導(dǎo)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(jìn)生成晶內(nèi)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(xiàn)并不大。

對于低溫鋼，Nb在降低碳當(dāng)量方面很關(guān)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(xué)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(jī)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(jié)論

目前，在日本生產(chǎn)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(qiáng)度的同時(shí)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(fēng)險(xiǎn)，因而40cr圓鋼在設(shè)計(jì)鋼中的Nb時(shí)要考慮焊接金屬的韌性。最近，Nb的奧氏體調(diào)節(jié)作用被擴(kuò)大到貝氏體和馬氏體組織結(jié)構(gòu)。應(yīng)用這些高強(qiáng)組織使建造大量的巨型鋼結(jié)構(gòu)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(xiàn)代大型集裝箱船用最安全的40cr圓鋼。

 

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