超细晶粒钢及其焊接性

分享到：

1超细晶粒钢 1.1......



1　超细晶粒钢
1.1　分类
传统钢中，晶粒尺寸在100 μm以下就称为细晶粒钢，即传统细晶粒钢。随着冶金技术和生产工艺的不断进步，细晶的尺寸不断缩小，甚

至达到了微米、亚微米。本文提到的超细晶粒钢不包括传统细晶钢。
按超细晶粒钢发展进程和其尺寸大小，可分为以下几类。
(1) TMCP钢
控轧后立即加速冷却所制造的钢，称为TMCP(Thermo-Mechanical Control Process)钢。利用TMCP工艺在实验室中，晶粒尺寸可达到几个

微米，但在实际工业生产中，所得钢的晶粒尺寸小于50 μm，最小可达10 μm。这种钢满足了石油和天然气工业的需求，这种钢的高强高韧和

低的碳当量为其提供了优良的焊接适应性。
(2) 新一代钢铁材料
综合低合金高强钢不断进步的成功经验，充分利用合金化作用和生产工艺技术进步相结合的优势，发展新一代钢铁材料产品并进行其基础

理论研究。目前正处于研制阶段的新一代钢铁材料的主要特征：在充分考虑经济性的条件下，钢材具有高洁净度、超细晶粒、高均匀度的特征

，强度比常用钢材提高一倍，钢材使用寿命增加一倍。高洁净度，指S、P、O、N、H元素的总含量小于80×10-6，这样不但可提高钢材原有的

性能，有时还可赋予钢新的性能；超细组织，晶粒尺寸在0.1～10 μm之间，细化晶粒是唯一能提高强度而不降低韧性甚至提高韧性的方法；

高均匀度指的是成分、组织和性能很均匀，波动范围很小。在钢的化学成分—工艺—组织—性能的关系中，强调了组织的主导地位，即其超细

微观组织表现出优异的综合性能。
1.2　化学成分和冶金特点
本文有[www.0574-laser.com]提供，请及时关注[www.0574-laser.com]提供的内容
细晶钢具有低碳和低碳当量以及低的杂质含量，不仅有益于其焊接性，同时也有利于改善钢的其他性能，如接头中HAZ和母材的韧性以及
本文有[www.0574-laser.com]提供，请及时关注[www.0574-laser.com]提供的内容

对氢致裂纹(HIC)、硫化物应力腐蚀裂纹(SSCC)抗力等。细晶钢中也含有少量的Nb、V、Ti等微合金元素，其主要目的是为了形成碳、氮化合物

，从而有效防止晶粒长大。由于细晶钢低的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将使自由氮降低，减小了时

效影响，有利于韧性的改善。
生产高洁净度、高均匀度的细晶钢的冶金特点主要是针对如何提高其洁净度，即减少S、P、N、O和H等元素的含量，其冶金和生产工艺技

术已有很大的进步：由“分段精炼”这一思想而建立的铁水“三脱”(脱硅、脱硫和脱磷)工艺和转炉少渣冶炼工艺；为满足石油管线钢抗H2S

腐蚀的要求，确立了铁水包Mg-Ca脱硫预处理工艺、真空喷粉脱硫工艺；炉外精炼；无缺陷连铸坯的生产工艺等。
1.3　工艺方法和强韧化特点
为获得超细晶粒钢，已开发出多种工艺方法：同一快速加热条件下的热处理反复多次作用、金属粉末机械研磨、控轧、控冷、TMCP、复合

TMCP法等。利用生产工艺技术是获得超细晶粒的主要手段，是超细晶粒钢具有优良强韧综合性能的决定因素，因此超细晶粒钢与传统钢所不同

的是其化学成分不能用于预测钢种的强度。
超细晶粒钢与同等强度的传统钢相比，其化学成分的主要特点是碳含量低，这有利于提高其焊接性，因此其强化手段不是通过增加碳含量

和合金元素含量，而是通过晶粒细化、相变强化、析出强化等相结合的方法来达到提高强韧化的目的。晶粒细化(包括变形细化和相变细化)是

唯一能够同时提高钢强度和韧性的方法，因而成为超细晶粒钢最佳的强化机制。利用第二相粒子析出的沉淀强化是超细晶粒钢采用的另一种强

化机制，高温时在奥氏体内形成的粒子虽然对控制晶粒长大有效，但不会造成强化，强化粒子是低温时在奥氏体或铁素体内形成的，位错与亚

结构强化也是一种有效的强化方式。
2　超细晶粒钢的焊接性
超细晶粒钢的强韧化机制与传统钢不同，因而必须全面考虑其焊接问题，其中存在的两个主要问题：①由于其超细晶粒，在焊接热作用下

，晶粒长大的驱动力很大，必然导致HAZ晶粒严重粗化，这将影响整个接头性能与母材性能相匹配；②为获得与母材相等性能的焊接接头，进

行焊接材料、焊接方法及焊接工艺的合理选择。
2.1　HAZ的性能
2.1.1　HAZ的晶粒长大倾向
在新一代微合金高强高韧钢中，研究400 MPa和800 MPa两种强度级别的超细晶粒钢，400 MPa级细晶钢是指在普通Q235钢的基础上进行细

化晶粒和纯净化处理，使其强度提高一倍，寿命增加一倍的新一代钢铁材料。400 MPa级细晶钢焊接时，薄弱环节出现在HAZ，因细晶粒本身已

使得晶粒长大驱动力很大(驱动力与晶粒尺寸成反比)，又因400 MPa的细晶钢中没有或含有极少碳、氮化物形成元素，所以其焊接热影响区有

严重的晶粒长大倾向，粗大的晶粒将损害HAZ的性能，晶粒较粗大时，强度和韧性会随之下降。因此，对于400 MPa的细晶钢最主要的问题是探

索400 MPa细晶钢的合适焊接方法、研究其晶粒长大规律、动力学和可控因素，从而寻找防止晶粒长大的有效措施。
800 MPa级细晶钢是指在X65管线钢的基础上进行细化晶粒和纯净化处理，使其强度提高一倍，寿命增加一倍的新一代钢铁材料。利用高洁

净度X65钢和普通市售X65钢，采取一定的工艺措施获得细晶粒钢，细晶组织如图1，其平均粒径分别为1.393 μm(图1(a))、2.665 μm(图1

(b))，屈服强度达到了800 MPa。再经峰值温度1　350 ℃，t8/5分别为3.5 s和8 s的焊接热循环，模拟其粗晶区，所得金相组织如图2、3，其

奥氏体的平均粒径分别为：21 μm(图2(a))、28 μm(图2(b))、26 μm(图3(a))、52 μm(图3(b))。从以上例子可知：800 MPa级细晶钢焊接

时，即使t8/5很小，HAZ也出现较严重的晶粒粗化现象，且随着t8/5的增加，晶粒粗化就更为严重。

图 1　X65细晶钢显微组织
Fig.1　Mircrostructure of ultra-fine grained X65 steel
(a) 高洁净度；(b)普通

图 2　高洁净度X65细晶钢显微组织(峰值温度1350 ℃)
Fig.2　Mircrostructure of high-purity,ultra-fine grained
X65 steel(peak temperature:1350 ℃)
(a) t8/5＝3.5 s；(b) t8/5＝8 s

图 3　X65细晶钢显微组织(峰值1350 ℃)
Fig.3　Mircrostructure of ultra-fine grained X65