铌在高强度可焊接工字钢和其它结构钢中的应用(中)

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　　该成分设计已成功用于工业生产。热轧过程中温度高，意味着钢中的Nb仍保持固溶状态，即使在终轧温度时，也没有Nb的碳化物析出。Nb在钢中以固溶状态存在时，通过延迟相变，细化铁素体晶粒，获得一定数量的贝氏体，从而提高钢的强度。该钢的典型组织是约80%的铁素体，其余为贝氏体和珠光体。在相同轧制工艺条件下，按ASTM标准判断，C-Mn钢的晶粒度为7级，而含Nb钢的晶粒度为9级。相变过程中或相变之后，若在铁素体中形成NbC析出物，则钢的强度可进一步提高。通过传统轧制工艺只能有限地细化晶粒，对于强度高于50Ksi或厚度大于20mm的钢，为满足韧性要求，必须采用控制轧制工艺。

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　　2正火热处理

　　正火是在Ac3相变点以上(通常Ac3＋50℃)。S355钢热轧态的组织为铁素体-珠光体，进行正火处理的目的是细化组织，使组织均匀，提高钢的韧性。

　　组织细化的程度与原始组织有关。对于不能进行控制轧制的钢，尤其是厚截面钢材，通过正火可达到很好的细化晶粒效果。对于薄截面钢材，正火可能达不到细化的目的，这种情况下，该轧制过程可认为是控制轧制工艺，通常称之为“常化轧制”，热轧态的组织和性能与正火后的组织和性能相似。

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　　通常用Nb提高正火钢的抗拉强度，Nb能够阻止奥氏体晶粒长大，扩大γ相区。在含Si钢中，这种效果尤为明显。正火温度在900℃和1050℃之间，Nb含量为0.02%～0.04%，就足以使晶粒度达到10级。与此相反，含Si钢中不含Nb时，正火温度为1000℃时，晶粒度为7级。

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　　Nb的碳氮化合物和Al的氮化物一样，在1050℃仍能够阻止奥氏体晶粒长大，这种作用尤为重要，即使在炉温不均匀的热处理炉中，也能获得细小的铁素体-珠光体组织。

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　　厚度不同，热轧态工字钢的晶粒度为7～9级。正火后910℃×30′的晶粒度达到了11级。vT27＞40℃。正火后vT27＜-45℃，正火后，强度均略有下降。

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　　根据以上试验结果，制订了S355钢的合金设计原理。

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　　为满足焊接性能的要求，必须具有较低的碳当量。与控轧钢相比，S460钢具有较高的碳当量，从而限制了其产量。还必须指出，尤其对薄截面钢材，热处理易导致变形。变形后必须用矫直机矫直。

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　　3控轧工艺：控制轧制

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　　在奥氏体的低温区进行控制轧制时，含Nb钢可以满足强度韧性的要求。轧制过程中，奥氏体首先在1050℃以上进行变形，使奥氏体晶粒细化。如果给定总压下率为70%，则每道次轧制后，通过静态再结晶可得到细小的奥氏体晶粒。然后待温至900℃以下进行终轧。含Nb钢中的再结晶非常缓慢，奥氏体晶粒变成饼状，从而有效地细化了晶粒。

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　　电弧炉冶炼的含Si钢，高的自由氮含量对性能的提高非常显著。上述钢中，全氮含量在100ppm以上。含Si的空冷钢中，自由氮含量与全氮含量关系是N自由＝0.43N全。含Si钢的韧性与自由氮含量有关。自由氮含量在32～33ppm以下时，vT40J约为-10℃。自由氮含量一旦超过35ppm，vT40J迅速达到＞＋30℃。

　　提高韧性方法有两个：一是将终轧温度从960℃降低到870℃，使铁素体晶粒度从7级提高到9级，该工艺显著提高了钢的韧性；二是采用控制轧制，形成氮化物，降低钢中自由氮。二者综合作用，钢的韧性最好。

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　　常用Al来降低钢中自由氮含量，也可采用Ti、Nb、V等元素。相比于Al和Ti，V和Nb具有优点，它们不会导致连铸过程中出现水口堵塞或产生缺陷等连铸问题。对自由氮含量的测定可用于确定氮化物形成元素固定氮的效果。由此确定了Al当量的计算公式Aleq＝Al＋2Ti＋Nb＋V(%)。根据工字钢的力学性能要求来选择合金元素，vT40与屈服强度的函数关系。采用Al、Ti、Al＋Ti、Ti＋V进行微合金化，屈服强度约为320MPa时，vT40在-60～-70℃之间，强度与用于比较的C-Mn钢相似，C-Mn钢中没有沉淀硬化。Nb微合金钢的屈服强度为375MPa时，vT40＝-55℃，Nb产生了显著的沉淀硬化效应，并细化了组织。Ti＋Nb复合加入时，由于TiN与Nb的相互作用，使沉淀硬化效应有所减轻。