Nb微合金化TMCP工艺低合金化结构钢的研发与应用(上)

　　随着经济和技术的发展，愈来愈多的建筑桥梁结构呈现大型化发展趋势。这就要求钢材具备更优的力学性能和使用性能，满足结构对减薄、高强度、易焊接、抗震等方面的要求。众所周知，低合金高强度钢（HSLA）的特点是能够同时满足良好的经济性和较高的综合性需求。因而，高强度钢是满足这一发展趋势的理想材料。

　　作为HSLA钢中最主要钢种体系微合金化结构钢，广泛应用于各类结构中，满足了不同最终用户的要求。目前，结构钢需求特性有：①改善低温韧性；②更高屈服强度的小截面结构；③高伸长率；④改善可焊性，减少施工时间；⑤改善高温性能；⑥提高断裂韧性；⑦抗震性；⑧提高抗疲劳性。铌微合金化元素具有独特的物理冶金性能，与控轧控冷工艺相得益彰，是获得这些性能的关键技术路线。换言之，铌微合金化结构钢满足了结构建设的需要，同样带动了大型结构设计的多样化。

1、铌在结构钢中的作用

　　往钢中添加Nb可以实现如下目的：①铌可以和钢中的氮结合，从而减少自由氮的含量，提高韧性；②抑制奥氏体再结晶和晶粒长大；③控制奥氏体的晶粒尺寸；④降低奥氏体-铁素体转变温度，推迟铁素体在微合金钢中的形成；⑤相变期间细化多边形铁素体晶粒；⑥析出强化。图1、图2分别概况示意了Nb在TMCP钢各阶段中的基本作用机制，Nb对再结晶的抑制作用和延迟γ-α（奥氏体-铁素体）转变的作用。

图1说明Nb可以有效细化TMCP钢的相变组织并在铁素体中析出，细化晶粒和NbC析出相的累加结果可以明显提高钢的屈服强度。如图2所示，随着钢（0.07%C-1.4%Mn-0.25%Si）中固溶微合金化元素（尤其是Nb）含量的增加，再结晶温度提高，说明了Nb对再结晶的强烈抑制。这种抑制作用可以更容易获得压扁的奥氏体，使得奥氏体转变为铁素体的形核位置大大增多，从而获得细小的铁素体晶粒。生产低合金高强度钢与铌的添加量和相应采取的TMCP工艺参数有关。

2、Nb微合金化TMCP工艺

　　Nb是TMCP工艺中不可或缺的元素，它们相互结合可以显著降低钢的碳当量（Ceq）或焊接裂纹敏感Pcm值。与传统钢相比，大多数结构钢的Ceq值通过含Nb成分设计和TMCP工艺路线可以降低约0.05%。图3显示了常用的几种TMCP轧制工艺路线，并与传统的热轧后正火处理工艺进行了比较。再加热、奥氏体化、组织均匀化以及微合金元素的溶解在设定的不同温度区间内进行。对于板坯再加热后的常规轧制制度，轧制一般在奥氏体再结晶区进行。在终轧温度（Tfr）以下，钢板空冷至室温。然后通过额外的热处理过程来得到所需的钢板性能。而在TMCP轧制中，由于加入了诸如Nb等扩大非再结晶区的微合金元素，从而能够在非再结晶区进行轧制。钢板经过粗轧后，随即在非再结晶区进行轧制。这样就能通过压扁奥氏体得到非常细小的铁素体晶粒。这种细晶微观组织可以通过不同的TMCP工艺来实现：最后一道轧制可以在两相区（γ+α）利用铁素体的冷变形来进行，或者控制终冷温度（Tfc）和冷速，在奥氏体向铁素体的转变过程中通过加速冷却来进行。图3b和图3c为标准轧制工艺（N：正火过程）和不同TMCP工艺的对比图：其中包括工艺流程，屈服强度和微观组织晶粒细化程度的对比。可以看到，当屈服强度一定时，TMCP工艺所需材料的碳当量相对于正火工艺较低（如图4所示），换句话说，当材料一定时，利用TMCP工艺轧制能够得到更高的屈服强度。

　由于TMCP工艺能够获得细小的晶粒尺寸，在钢材强度提高的同时，韧性都得到了极大改善。从图5中可以看到，相对于正火工艺，TMCP工艺处理后的试样韧脆转变温度降低，这便为我们在需要更低温度下的韧性指标时提供了一个解决方案

在目前比较流行的低碳贝氏体高强度钢中，Nb连同Mn和Mo可以有效增加贝氏体的体积分数，从而提高屈服强度和抗拉强度。贝氏体钢板的组织主要由多边形铁素体和粒状贝氏体组成，还包含少量第二相马氏体和残余奥氏体。另外，增加Nb含量可以增加贝氏体的体积分数并细化第二相。

　　为获得所期望的钢材性能，除应设定轧后冷却工艺外，还要明确并控制好TMCP轧制工艺过程要采取的工艺参数，包括每道次压下量，开轧、终轧温度，终冷温度等主要参数。图6显示了控制终轧温度和终冷温度的重要性。钢板经过不同强度的冷却后，微观组织由铁素体-珠光体转变为铁素体-贝氏体和马氏体，从而得到不同的性能水平。（注：图示参见原创）

（来源：钢铁产业）