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高强度及超高强度合金钢的发展

为了应对当今工程应用的挑战,高强度低合金钢(HSLA)具备相当多的优势,其中包括更轻的结构重量、更高的搬运效率、更少的焊接施工量以及更少的碳足迹。与其他材料不同,高强钢不仅有利于实现轻量化,而且无需额外的成本。通常来说,高强钢在减轻材料重量的同时,也会导致成本的攀升。因此,在制造或建造的过程中,成本以及高效加工处理都是值得关注的问题。

除强度之外,结构钢的选择还与成形、焊接和其他加工过程的简易性有关。从应用环境而言,还要求这些钢种在使用温度下表现出良好的韧性。

从高强度低合金钢迈向超高强度钢

结构用HSLA的屈服强度高达550MPa,无论是热轧带钢还是钢板,通常是通过热机械控制工艺(TMCP)生产的,合金概念涵盖低碳、锰和微合金化处理。与车身用钢的发展趋势类似,结构用钢需要更高的强度,而传统TMCP处理的HSLA钢已经不能满足实际应用的要求。屈服强度为700MPa或更高的超高强钢(UHSS)需要更精细的合金概念,同时利用先进的轧制技术。直接淬火(DQ)已成为首选的工艺方法,该工艺是将经过TMCP轧制后的热钢板直接进行强水冷。

随着直接淬火-自回火(DQST)和直接淬火-碳配分(DQP)等工艺的参数变化,强度(硬度)、韧性和成形性等钢材性能经过适当调整后,就可以满足实际应用的需求。与传统的重新加热和淬火工艺相比,直接淬火技术更具成本效益,而且生产效率更高,可应用于带钢和中厚板轧制。目前,通过直接淬火技术生产的钢材可以维持全球市场的稳定供货。

超高强度钢的应用

UHSS特有的优势引起了运输和物料搬运行业的关注,在这些行业中,有效载荷与自重的比率至关重要。在应用时,UHSS的优点包括:更高的速度、更低的单位载荷油耗和更小的推进装置。应用于移动式起重机时,UHSS带来的优势显而易见。就目前的应用而言,需要增大起重机吊臂的伸展范围。例如,在组装风机时,平均轮毂高度约为130m,使用标准的HSLA钢,吊臂本身会变得太重,以至于承载能力不足,而且HSLA钢的强度相对较低,制成的吊臂段需要较大尺寸,难以实现高效堆垛。因此,屈服强度为1100MPa的UHSS近期已取代HSLA用于制造移动式起重机吊臂。

类似的情况也发生在混凝土泵上,随着建筑的高层和超高层化,需要延长混凝土泵的尺寸;在林木采伐设备中应用UHSS可以减轻支撑叉架和车载夹持器的重量,以增大卡车的有效载荷,拖车结构的轻量化同样可以增大运输能力或减少燃料消耗;从标准的550MPa级HSLA钢升级到700MPa级UHSS,能够将集装箱拖车的重量减轻近30%,而最近的设计已经应用了960MPa级UHSS;在农业、铲土运输、采矿和选矿领域需要提高关键部件的耐磨性,而这将会对操作、性能和使用寿命带来直接益处,同时降低了更换成本。所需的UHSS通常具有超过1000MPa的强度,最低硬度为400HV。

显微组织决定材料性能

不同的直接淬火工艺路线会出现不同的显微组织,包括贝氏体、回火马氏体(可能含有少量奥氏体)以及沉淀硬化马氏体。合金化元素可以提高硬度、控制晶粒尺寸、改善回火行为或促进奥氏体的形成。较小的晶粒尺寸有利于韧性和强度,而高硬度则具有优异的耐磨性。显微组织中存在的奥氏体产生了所谓的TRIP(相变诱发塑性)效应,显著改善了成形性。焊接工序尤其需要细致的合金设计,以避免在热影响区(HAZ)中出现不需要的组织,并抵消同一区域的过度软化。在1100MPa强度级别的钢中,钼添加量可达到0.7%,可将热影响区在气体保护金属极电弧焊条件下的软化降到最低,因为在某些应用场合疲劳强度而非抗拉强度正在制约设计标准。对于HSLA钢,疲劳强度通常与抗拉强度呈线性相关性。而对于UHSS,疲劳强度的降低可归因于疲劳裂纹从表面扩展至内部夹杂,以及材料中存在的残余应力。基于此,通过控制热处理工艺获得细小均匀的显微组织,有利于提高疲劳性能。

钼的特殊作用

钼是最常用的合金元素之一,可以提高钢的淬透性。这种效应是在20世纪30年代发现的,但直到20世纪60年代末才开始大规模利用,最初是用于生产传统的调质钢。在提高淬透性方面,铬、锰或硼等其他元素与钼竞争。然而,钼合金化在更苛刻的条件下要更胜一筹,包括高冲击载荷、极低温或轻度腐蚀环境。

国际钼协会(IMOA)主导的项目加深了人们对钼元素理解,钼添加至DQ钢中,可以呈现出卓越的性能,更具体地说,是因为生成了马氏体组织。可见,钼合金化同时提高了强度和韧性。对屈服强度超过1000MPa的钼合金化DQ钢而言,夏比冲击试验转变温度低于-80℃。这意味着该钢种在地球上任何现有的气候条件下都能很好地发挥作用。

失效敏感性

强度大于1000MPa的钢种往往对氢致失效很敏感。这些失效有很多种,如应力腐蚀开裂(SCC)、腐蚀疲劳开裂(CFC)和氢致开裂(HIC),也称为氢脆(HE)。在施加载荷期间,当钢本身存在氢时,就可能会发生脆化。此外,承载的钢材暴露于含氢环境中也可能引起脆化。钢的脆性表现为非延性断裂方式,韧性极低,延伸率降低,抗拉强度降低。强度水平越高,对HE的敏感性越大,允许的扩散氢含量越低。因此,应对HE的方法就是增强晶界强度,同时阻止氢的局部聚集。显微组织细化,析出物的捕氢和降低位错或空位的迁移率是阻止氢局部聚集的重要机制。钼就像晶界之间的“胶水”一样,对阻止氢致损伤有直接或间接的益处。最近的IMOA研究项目表明,在2000MPa级马氏体钢中添加0.5%Mo可使其抗氢致延迟开裂性能提高6-9倍(图1)。

小结

显而易见,钼合金化在生产高强钢方面具有相当重要的作用,含钼钢可以充分应对最恶劣环境的考验,并实现轻量化效果。IMOA最近的研究项目证明了在超高强钢中添加钼的效果,包括提升强度,同时增强韧性和抗氢脆性能。这些钢材完全能够应对现代工程应用的挑战,并随着研究的继续深入,更多的创新型材料也会为可持续发展作出卓越贡献。

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