1超細晶粒鋼 1.1......



1　超細晶粒鋼
1.1　分類
傳統鋼中，晶粒尺寸在100 μm以下就稱為細晶粒鋼，即傳統細晶粒鋼。隨著冶金技術和生產工藝的不斷進步，細晶的尺寸不斷縮小，甚

至達到了微米、亞微米。本文提到的超細晶粒鋼不包括傳統細晶鋼。
按超細晶粒鋼發展進程和其尺寸大小，可分為以下幾類。
(1) TMCP鋼
控軋后立即加速冷卻所制造的鋼，稱為TMCP(Thermo-Mechanical Control Process)鋼。利用TMCP工藝在實驗室中，晶粒尺寸可達到幾個

微米，但在實際工業生產中，所得鋼的晶粒尺寸小于50 μm，最小可達10 μm。這種鋼滿足了石油和天然氣工業的需求，這種鋼的高強高韌和

低的碳當量為其提供了優良的焊接適應性。
(2) 新一代鋼鐵材料
綜合低合金高強鋼不斷進步的成功經驗，充分利用合金化作用和生產工藝技術進步相結合的優勢，發展新一代鋼鐵材料產品并進行其基礎

理論研究。目前正處于研制階段的新一代鋼鐵材料的主要特征：在充分考慮經濟性的條件下，鋼材具有高潔凈度、超細晶粒、高均勻度的特征

，強度比常用鋼材提高一倍，鋼材使用壽命增加一倍。高潔凈度，指S、P、O、N、H元素的總含量小于80×10-6，這樣不但可提高鋼材原有的

性能，有時還可賦予鋼新的性能；超細組織，晶粒尺寸在0.1～10 μm之間，細化晶粒是唯一能提高強度而不降低韌性甚至提高韌性的方法；

高均勻度指的是成分、組織和性能很均勻，波動范圍很小。在鋼的化學成分—工藝—組織—性能的關系中，強調了組織的主導地位，即其超細

微觀組織表現出優異的綜合性能。
1.2　化學成分和冶金特點
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細晶鋼具有低碳和低碳當量以及低的雜質含量，不僅有益于其焊接性，同時也有利于改善鋼的其他性能，如接頭中HAZ和母材的韌性以及
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對氫致裂紋(HIC)、硫化物應力腐蝕裂紋(SSCC)抗力等。細晶鋼中也含有少量的Nb、V、Ti等微合金元素，其主要目的是為了形成碳、氮化合物

，從而有效防止晶粒長大。由于細晶鋼低的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將使自由氮降低，減小了時

效影響，有利于韌性的改善。
生產高潔凈度、高均勻度的細晶鋼的冶金特點主要是針對如何提高其潔凈度，即減少S、P、N、O和H等元素的含量，其冶金和生產工藝技

術已有很大的進步：由“分段精煉”這一思想而建立的鐵水“三脫”(脫硅、脫硫和脫磷)工藝和轉爐少渣冶煉工藝；為滿足石油管線鋼抗H2S

腐蝕的要求，確立了鐵水包Mg-Ca脫硫預處理工藝、真空噴粉脫硫工藝；爐外精煉；無缺陷連鑄坯的生產工藝等。
1.3　工藝方法和強韌化特點
為獲得超細晶粒鋼，已開發出多種工藝方法：同一快速加熱條件下的熱處理反復多次作用、金屬粉末機械研磨、控軋、控冷、TMCP、復合

TMCP法等。利用生產工藝技術是獲得超細晶粒的主要手段，是超細晶粒鋼具有優良強韌綜合性能的決定因素，因此超細晶粒鋼與傳統鋼所不同

的是其化學成分不能用于預測鋼種的強度。
超細晶粒鋼與同等強度的傳統鋼相比，其化學成分的主要特點是碳含量低，這有利于提高其焊接性，因此其強化手段不是通過增加碳含量

和合金元素含量，而是通過晶粒細化、相變強化、析出強化等相結合的方法來達到提高強韌化的目的。晶粒細化(包括變形細化和相變細化)是

唯一能夠同時提高鋼強度和韌性的方法，因而成為超細晶粒鋼最佳的強化機制。利用第二相粒子析出的沉淀強化是超細晶粒鋼采用的另一種強

化機制，高溫時在奧氏體內形成的粒子雖然對控制晶粒長大有效，但不會造成強化，強化粒子是低溫時在奧氏體或鐵素體內形成的，位錯與亞

結構強化也是一種有效的強化方式。
2　超細晶粒鋼的焊接性
超細晶粒鋼的強韌化機制與傳統鋼不同，因而必須全面考慮其焊接問題，其中存在的兩個主要問題：①由于其超細晶粒，在焊接熱作用下

，晶粒長大的驅動力很大，必然導致HAZ晶粒嚴重粗化，這將影響整個接頭性能與母材性能相匹配；②為獲得與母材相等性能的焊接接頭，進

行焊接材料、焊接方法及焊接工藝的合理選擇。
2.1　HAZ的性能
2.1.1　HAZ的晶粒長大傾向
在新一代微合金高強高韌鋼中，研究400 MPa和800 MPa兩種強度級別的超細晶粒鋼，400 MPa級細晶鋼是指在普通Q235鋼的基礎上進行細

化晶粒和純凈化處理，使其強度提高一倍，壽命增加一倍的新一代鋼鐵材料。400 MPa級細晶鋼焊接時，薄弱環節出現在HAZ，因細晶粒本身已

使得晶粒長大驅動力很大(驅動力與晶粒尺寸成反比)，又因400 MPa的細晶鋼中沒有或含有極少碳、氮化物形成元素，所以其焊接熱影響區有

嚴重的晶粒長大傾向，粗大的晶粒將損害HAZ的性能，晶粒較粗大時，強度和韌性會隨之下降。因此，對于400 MPa的細晶鋼最主要的問題是探

索400 MPa細晶鋼的合適焊接方法、研究其晶粒長大規律、動力學和可控因素，從而尋找防止晶粒長大的有效措施。
800 MPa級細晶鋼是指在X65管線鋼的基礎上進行細化晶粒和純凈化處理，使其強度提高一倍，壽命增加一倍的新一代鋼鐵材料。利用高潔

凈度X65鋼和普通市售X65鋼，采取一定的工藝措施獲得細晶粒鋼，細晶組織如圖1，其平均粒徑分別為1.393 μm(圖1(a))、2.665 μm(圖1

(b))，屈服強度達到了800 MPa。再經峰值溫度1　350 ℃，t8/5分別為3.5 s和8 s的焊接熱循環，模擬其粗晶區，所得金相組織如圖2、3，其

奧氏體的平均粒徑分別為：21 μm(圖2(a))、28 μm(圖2(b))、26 μm(圖3(a))、52 μm(圖3(b))。從以上例子可知：800 MPa級細晶鋼焊接

時，即使t8/5很小，HAZ也出現較嚴重的晶粒粗化現象，且隨著t8/5的增加，晶粒粗化就更為嚴重。

圖 1　X65細晶鋼顯微組織
Fig.1　Mircrostructure of ultra-fine grained X65 steel
(a) 高潔凈度；(b)普通

圖 2　高潔凈度X65細晶鋼顯微組織(峰值溫度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

圖 3　X65細晶鋼顯微組織(峰值1350 ℃)
Fig.3　Mircrostructure of ultra-fine grained X65