日本800MPa级超细晶粒钢的理论研究和技术进展

林泽稳

日本“超级钢”项目研究的课题之一是“焊接性能优良的800MPa级高强度钢研究”。目前铁素体珠光体钢的抗拉强度都在500MPa以下，抗拉强度超过500MPa的高强度钢主要是通过添加合金成分，形成贝氏体、回火马氏体等高强度钢。但是，随着合金元素的增加，不但提高钢的成本，而且使炼钢和精炼难度加大，更重要的是使焊接性能变差，高强钢焊接接头的疲劳强度仅为60～100MPa(为母材基体强度的10%)。具有C-Si-Mn基本成分的铁素体钢具有良好的焊接性能，但用目前技术生产的钢的强度有限，因此该课题的研究目标是：以C-Si-Mn成分为基础，通过晶粒细化，将晶粒尺寸从10μm细化到1μm，获得强度与硬度平衡的超细铁素体2珠光体复相组织，开发出抗拉强度为800MPa级别的超细晶粒钢，同时开发具有优良焊接性能的超级钢的焊接工艺。为此，该课题从以下两个方面进行研究。  

(1)超细晶材料的研制。采用大的塑性应变能够制备出超细晶铁素体晶粒。但是采用大的塑性应变进行单向变形时，材料在厚度方向变形不均匀，致使应变主要集中于试样的中心部位。Nagai等采用“多向变形”技术制备超细晶铁素体晶粒，其特点是采用双向或多向变形可明显地改善应变分布的不均匀性，从而有利于获得均匀的超细晶组织。      Nagai等利用研制的多向变形热机械处理模拟机，在实验室采用单向变形和多向变形对比方法研究了化学成分(%)为0.16C-0.4Si-1.4Mn的碳素钢的晶粒变化情况，结果表明采用“多向变形”方法制备的超细晶粒钢具有更均匀的超细晶组织。多向变形热机械处理模拟机的特点是每轧制一道次，试样便可旋转90°。Nagai等利用实验室轧机采用多向轧制技术，用低碳Si-Mn钢成功地制备出尺寸为Φ18mm×20000mm的棒材，将钢的晶粒尺寸由10μm细化到0.5μm时，钢的屈服强度可由320MPa提高到740MPa，当将12mm×700mm×Cmm规格的热轧钢板的晶粒尺寸细化到1μm时，钢板的抗拉强度达到800MPa，且制备的热轧钢板在厚度方向具有均匀的超细晶粒。  
通过大变形生产的厚钢板力学性能的各向异性，特别是某些方向上韧性的降低是人们关注的焦点。为此，Nagai等采用了“大角度交叉轧制”方法以改变材料的结晶取向。通过交叉轧制，材料的织构或(100)极指数得以有效地改变，使材料在横向和轧向的韧脆转变温度的差异很小。  
(2)超细晶粒钢高效率焊接技术研究。工业应用超细晶粒钢最重要的问题之一是HAZ的软化问题，采用传统的焊接方法将由于晶粒粗化引起HAZ软化而导致接头强度降低。ReisukeITO等开发了新型超窄间隙气体保护焊接方法。采用二道焊接19mm厚的钢板，钢板的化学成分(%)为0.15C-1.50Mn-0.20Si-0.02P-0.002S，其HAZ宽度只有3mm，其接头的硬度低于HV250，因此可有效地阻止焊接裂纹和应力腐蚀裂纹的产生。  
S.Tsukamoto等利用20kWCO2大功率激光焊接设备研究了化学成分(%)为0.049C-1.50Mn-0.981Si-0.021P-0.0009S超细晶粒钢的焊接方法和接头特性，目的是使超细晶组织的破坏极小化，同时使焊接接头性能得到明显的改善。AkihikoOHTA等研制了一种提高疲劳强度的低转变温度型焊丝。此焊丝含有10%Cr和10%Ni，其奥氏体转变为马氏体的开始温度约为180℃，转变结束温度为室温。马氏体发生转变时，焊缝金属产生膨胀导致焊缝周围产生压缩残余应力，从而提高了焊接接头的疲劳强度。用此焊丝焊接晶粒尺寸为1μm的超细晶粒棒材，接头的疲劳强度达到300MPa，比用传统焊丝焊接的疲劳强度提高了100MPa。