低合金高強(qiáng)鋼的強(qiáng)韌化機(jī)理與焊接性能

張中武，魏興豪，趙剛

（1.哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001；2.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧鞍山114009）

金屬材料，特別是鋼鐵材料的發(fā)展對(duì)于世界工業(yè)以及社會(huì)建設(shè)具有極其重要的推動(dòng)作用。21世紀(jì)的制造業(yè)被推向了新的高度，對(duì)傳統(tǒng)材料的性能提出了更高的要求。強(qiáng)度高、韌性好、綜合性能優(yōu)越的新型合金、復(fù)合材料等的不斷涌現(xiàn)，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)眾多領(lǐng)域提供了強(qiáng)有力的支持。鋼鐵材料作為應(yīng)用最廣泛的金屬材料，長(zhǎng)久以來(lái)都是材料界重點(diǎn)關(guān)注與研究的對(duì)象之一。

隨著中國(guó)鋼鐵總產(chǎn)量的迅猛增長(zhǎng)，品種結(jié)構(gòu)調(diào)整成為了我國(guó)鋼鐵工業(yè)的重中之重。低合金高強(qiáng)鋼以其低成本、高強(qiáng)度、高韌性、易焊接、易加工等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用在石油運(yùn)輸管道、高層建筑結(jié)構(gòu)和橋梁、汽車底盤、鐵路和交通設(shè)備等眾多領(lǐng)域。隨著微合金化技術(shù)的蓬勃發(fā)展，低合金高強(qiáng)鋼的設(shè)計(jì)理念和性能也在不斷發(fā)展和提高。低合金高強(qiáng)鋼的演變過(guò)程構(gòu)成了鋼鐵材料近30年來(lái)最具影響力的發(fā)展之一。

1 低合金高強(qiáng)鋼的發(fā)展歷史

按照強(qiáng)化方式及處理工藝的不同，高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展過(guò)程大致可以分成三個(gè)階段，即高抗拉強(qiáng)度（HTS）鋼，調(diào)質(zhì)型高強(qiáng)度鋼和低合金高強(qiáng)（HSLA）鋼，如表 1 所示[1]。

表1 高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展[1]

1.1 高抗拉強(qiáng)度鋼

HTS鋼屬于鐵素體-珠光體鋼，強(qiáng)度一般在350 MPa左右，主要通過(guò)珠光體強(qiáng)化，其含碳量可以達(dá)到0.2%。生產(chǎn)過(guò)程采用傳統(tǒng)軋制工藝，終態(tài)的顯微組織為大晶粒鐵素體（ferrite）和粗化珠光體（pearlite）的混合組織，應(yīng)用在早期造船等領(lǐng)域[2]。

1.2 調(diào)質(zhì)型高強(qiáng)度鋼

上世紀(jì)50年代末，調(diào)質(zhì)型高強(qiáng)度鋼開始發(fā)展。美、俄、日等工業(yè)強(qiáng)國(guó)都進(jìn)行了系列化的研發(fā)和生產(chǎn)，表2列出了世界各國(guó)調(diào)質(zhì)型高強(qiáng)度船體鋼強(qiáng)度級(jí)別和鋼號(hào)[3]。 美國(guó)研制了以 Ni、Cr、Mo、V系合金元素為主的HY系列用鋼。HY系列鋼是在低碳鋼（0.10%～0.20%）基礎(chǔ)上，添加較多的 Ni、Mo、Cr、V等合金元素，通過(guò)調(diào)質(zhì)處理得到回火馬氏體組織以獲得良好的強(qiáng)韌性。同一時(shí)期，蘇聯(lián)也成功研發(fā)了AK25、AK27、AK28系列鋼。在之后的幾十年中，經(jīng)過(guò)蘇聯(lián)以及隨后的俄羅斯不斷研究，已經(jīng)完成了從590 MPa到1 176 MPa共四個(gè)級(jí)別的鋼種，即 AB2系列（590 MPa級(jí)）、AB3-AB4 系列 （785 MPa級(jí)）、AB5A 和 AB6A （980 MPa級(jí)），以及AB7A（1 176 MPa級(jí)）。英國(guó)、法國(guó)以及日本的調(diào)質(zhì)型高強(qiáng)度鋼，只是在美國(guó)的基礎(chǔ)上做了部分修改，分別形成了QT（N）鋼 、HLES80/100鋼和NS系列鋼。

表2 世界各國(guó)調(diào)質(zhì)型高強(qiáng)度船體鋼強(qiáng)度級(jí)別和鋼號(hào)[3]

碳含量是影響鋼淬透性的最主要因素。在淬火、回火的馬氏體鋼中，碳含量更是對(duì)鋼的強(qiáng)度起著至關(guān)重要的作用。在HY130鋼中，為了確保厚度為13 mm的鋼板獲得890 MPa級(jí)以上的屈服強(qiáng)度，鋼中的碳含量必須高于0.05%；而對(duì)于100 mm以上的鋼板，碳含量必須控制在0.085%以上才能保證強(qiáng)度。由此可見(jiàn)，碳含量對(duì)于厚鋼板保持屈服強(qiáng)度和淬透性是非常關(guān)鍵的。然而，隨著碳含量增加，鋼的韌性和焊接性損失也非常大。在HY130鋼中，碳含量每增加0.01%，-18℃的夏比沖擊功就會(huì)下降3.7 J[4]。為了保證鋼的綜合性能，在保持鋼相應(yīng)強(qiáng)度的前提下，應(yīng)當(dāng)盡可能降低碳含量。因此，降低碳含量成為了高強(qiáng)度鋼發(fā)展的一個(gè)重要方向。

Ni、Cr、Mo等合金元素在高強(qiáng)度鋼中起著非常重要的作用。Ni是基體韌化的主要合金元素，能顯著提高鋼的低溫韌性，對(duì)提高鋼的淬透性、強(qiáng)度以及耐腐蝕性都有較明顯的作用；Cr在鋼中主要用于提高淬透性和耐腐蝕性；Mo主要用于提高鋼的強(qiáng)度、淬透性以及回火穩(wěn)定性[5]。

為了保證較厚規(guī)格的鋼板也能具有足夠的淬透性，通常在調(diào)質(zhì)型高強(qiáng)度鋼中添加大量的Mo、Cr、Ni等合金元素，導(dǎo)致鋼中的碳當(dāng)量以及裂紋敏感性大幅度增加。這些合金元素的添加，使調(diào)質(zhì)型高強(qiáng)鋼的焊接變得非常困難，對(duì)焊前預(yù)熱、限制焊接線能量輸入以及焊后熱處理等焊接材料和焊接工藝提出了苛刻的要求。

1.3 低合金高強(qiáng)鋼

在20世紀(jì)80年代，美國(guó)海軍開發(fā)了用于代替HY-80鋼的HSLA-80鋼，后來(lái)又開發(fā)了HSLA-100鋼和HSLA-115鋼。HSLA-80鋼是通過(guò)對(duì)ASTM A710鋼進(jìn)行成分和生產(chǎn)工藝優(yōu)化發(fā)展而來(lái)，屈服強(qiáng)度同HY-80鋼的強(qiáng)度相當(dāng)，均為550 MPa左右。HSLA-80相對(duì)于HY-80鋼具有更好的可焊性，焊接時(shí)只需要較低的預(yù)熱溫度或不用預(yù)熱[6]。

表3列出了美國(guó)海軍定義的HSLA-80鋼和HY-80 鋼的典型成分[7]。HSLA-80 鋼與 HY-80 鋼相比，在成分上將Cu的質(zhì)量分?jǐn)?shù)從0.25%提升到了1%，并作為銅沉淀相來(lái)強(qiáng)化合金；通過(guò) Ni來(lái)消除Cu元素可能帶來(lái)的熱脆效應(yīng)，進(jìn)一步提高鋼的強(qiáng)度和低溫韌性；添加微合金元素Nb控制晶粒尺寸，Cr、Mo等合金元素抑制多邊形鐵素體的形成，從而可以在較寬泛的冷卻速率下獲得針狀鐵素體。在保證強(qiáng)度的同時(shí)，減少了 Mn、Ni、Cr、Mo 等合金元素的含量，降低了碳當(dāng)量，獲得了更好的焊接性能，降低了成本。

表3 HSLA-80和HY-80的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）[7]%

在HSLA-80鋼的基礎(chǔ)上，很快又開發(fā)了強(qiáng)度級(jí)別更高的HSLA-100鋼。HSLA-100鋼和HSLA-80一樣利用了Cu的沉淀強(qiáng)化作用，碳含量較低。最初的HSLA-100鋼在全厚度范圍內(nèi)的顯微結(jié)構(gòu)都為100%的低碳貝氏體，隨著HSLA-100鋼的發(fā)展，可以將其顯微結(jié)構(gòu)控制為貝氏體、馬氏體、針狀鐵素體或者這幾種組織的混合體[8-10]。通過(guò)優(yōu)化HSLA-100鋼的熱機(jī)械處理工藝，美國(guó)海軍已經(jīng)開發(fā)了HSLA-115鋼，并用于最新型航母福特號(hào)的飛行甲板。HSLA-115鋼的合金成分與HSLA-100鋼相似，但是基體相的顯微結(jié)構(gòu)略有變化[11]。

目前，含銅HSLA鋼的發(fā)展主要分為兩大方向：一是強(qiáng)度適中但具有優(yōu)異的加工性能，如強(qiáng)度較低的HSLA-65鋼的開發(fā)和應(yīng)用；二是通過(guò)控制顯微結(jié)構(gòu)和不同形態(tài)沉淀相的析出，得到具有高強(qiáng)韌性和良好焊接性能的新型高強(qiáng)鋼。

2 強(qiáng)化機(jī)制

HSLA鋼主要采用的工藝有微合金化成分設(shè)計(jì)、熱機(jī)械控制軋制（TMCP）工藝以及加速冷卻（ACC）工藝，其強(qiáng)化方式包括細(xì)晶強(qiáng)化，固溶強(qiáng)化以及Cu沉淀相或碳化物的沉淀強(qiáng)化等。

2.1 細(xì)晶強(qiáng)化

晶粒細(xì)化能夠提高鋼的強(qiáng)度和韌性，降低脆性轉(zhuǎn)變溫度，是最經(jīng)濟(jì)、最有效的強(qiáng)化方式之一。細(xì)化晶粒的本質(zhì)是阻止晶界遷移和晶粒長(zhǎng)大，在鋼中主要通過(guò)添加微合金元素來(lái)實(shí)現(xiàn)。

鋼中質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.1%，但又對(duì)鋼的顯微結(jié)構(gòu)或者力學(xué)性能具有顯著影響的合金添加元素稱為微合金元素。微合金元素在鋼中主要有細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化兩個(gè)作用，這兩個(gè)作用都是通過(guò)形成碳、氮化物來(lái)實(shí)現(xiàn)。

Nb、V、Ti是強(qiáng)碳化物的形成元素，在鋼中主要以碳、氮化物的形式存在，少部分固溶在鐵素體中強(qiáng)化基體相。微合金元素細(xì)化晶粒主要通過(guò)彌散的碳、氮化物粒子釘扎晶界，阻礙奧氏體晶界遷移和再結(jié)晶，從而細(xì)化奧氏體晶粒[12-14]。

Zener在1948年提出了釘扎粒子的半徑（r）和體積分?jǐn)?shù)（f）以及晶粒半徑（R）的關(guān)系[15]：

此后，Gladman在1966年推導(dǎo)出臨界釘扎粒子半徑公式，當(dāng)釘扎粒子超過(guò)這個(gè)半徑后晶界就不再被釘扎，并且開始長(zhǎng)大。臨界粒子的半徑主要依賴于粒子的體積分?jǐn)?shù)和晶粒尺寸的不均勻性[16]：

式中，R代表基體晶粒的半徑，f代表沉淀相粒子所占的體積分?jǐn)?shù)，Z代表晶粒尺寸的不均勻因素。

2.2 固溶強(qiáng)化

微合金元素在鐵素體中的碳、氮化物溶解度比在奧氏體中小了大約兩個(gè)數(shù)量級(jí)。在軋制過(guò)程中，隨著溫度的下降，這些碳、氮化物在奧氏體中的溶解度也減小，再加上變形過(guò)程形變誘導(dǎo)帶來(lái)的析出作用，Nb、V、Ti的碳、氮化物在奧氏體還沒(méi)有轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體之前就析出并彌散分布在了奧氏體中，作為形核劑降低鐵素體的形核能，使鐵素體在較低的過(guò)冷度下形核，細(xì)化了鐵素體晶粒尺寸[17-18]。

通常認(rèn)為固溶強(qiáng)化的效果與原子濃度的平方根有關(guān)，但是在濃度較低時(shí)，強(qiáng)化效果和元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有一個(gè)大概的線性關(guān)系，表4是鐵素體中不同元素的固溶強(qiáng)化系數(shù)[19]。

表4 鐵素體中不同元素的固溶強(qiáng)化系數(shù)[19]MPa/wt.%

2.3 Cu沉淀相或碳化物的沉淀強(qiáng)化

在早期鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中，Cu元素因?yàn)槿菀滓馃岽?，一直被視為是雜質(zhì)元素。后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)在鋼中添加Ni元素能夠有效防止熱軋過(guò)程中熱脆性的發(fā)生，并且含銅鋼在時(shí)效處理之后可以析出銅沉淀相，使鋼的強(qiáng)度獲得很大提升[20]。目前，鋼中Cu元素的沉淀強(qiáng)化引起了人們的廣泛關(guān)注，并且已經(jīng)成為高強(qiáng)度低碳鋼發(fā)展的基礎(chǔ)[21]。

沉淀強(qiáng)化的本質(zhì)是通過(guò)沉淀相來(lái)阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。彌散分布在基體中的細(xì)小沉淀相，如碳化物、氮化物等能夠有效地阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)沉淀相與位錯(cuò)不同的位置關(guān)系，沉淀強(qiáng)化機(jī)制可以分為切過(guò)機(jī)制 （cutting）和奧羅萬(wàn)繞過(guò)機(jī)制（Orowan looping）兩種,如圖 1 所示[1]。 當(dāng)沉淀相粒子尺寸較小，硬度較低時(shí)，沉淀相粒子容易發(fā)生變形，位錯(cuò)直接切過(guò)沉淀相，這時(shí)沉淀強(qiáng)化效果隨著沉淀相粒子尺寸增大而增強(qiáng)；當(dāng)沉淀相尺寸較大或硬度較高時(shí)，位錯(cuò)從沉淀相周圍繞過(guò)并留下位錯(cuò)環(huán)，此時(shí)強(qiáng)化效果隨晶粒尺寸的增大而減小。

圖1 Cu析出與位錯(cuò)的交互作用和強(qiáng)化機(jī)制[1]

最近研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)合適的成分調(diào)整和熱機(jī)械處理工藝，可以在HSLA鋼中獲得具有層級(jí)結(jié)構(gòu)的富銅納米沉淀相，從而在保持碳含量很低的情況下，大幅度提高鋼的強(qiáng)度，具有優(yōu)良的焊接性和延展性[22-24]。沉淀強(qiáng)化的效果主要由沉淀相的尺寸、數(shù)量密度和分布決定。普遍認(rèn)為，富銅沉淀相最初是在α-Fe基體形成具有體心立方（BCC）的結(jié)構(gòu)，并保持共格關(guān)系達(dá)到時(shí)效峰。在時(shí)效峰時(shí)，沉淀相的平均半徑一般在1～5 nm。通過(guò)進(jìn)一步時(shí)效處理，富銅沉淀相由BCC結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)復(fù)雜的六方9R結(jié)構(gòu)，最終形成面心立方的平衡結(jié)構(gòu)[23,25]。

當(dāng)富銅納米沉淀相尺寸小于5 nm時(shí)，主要發(fā)生切過(guò)機(jī)制，切過(guò)機(jī)制對(duì)于強(qiáng)度的貢獻(xiàn)主要包括以下四個(gè)部分：有序強(qiáng)化、模量強(qiáng)化、化學(xué)強(qiáng)化和共格強(qiáng)化[26-30]。通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，富銅納米相沉淀強(qiáng)化在切過(guò)機(jī)制中主要依靠有序強(qiáng)化和模量強(qiáng)化提高屈服強(qiáng)度，而化學(xué)強(qiáng)化和共格強(qiáng)化提供的強(qiáng)度較低。隨著時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)，當(dāng)富銅沉淀相尺寸超過(guò)切過(guò)機(jī)制和Orowan機(jī)制的臨界尺寸范圍后，就需要使用Orowan等式進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)形成具有層級(jí)結(jié)構(gòu)的富銅納米沉淀相能夠顯著提高材料的屈服強(qiáng)度。同時(shí)，沉淀相的主要形成元素Cu和Ni也可以細(xì)化晶粒，增加納米相的數(shù)量密度，對(duì)于綜合性能的提升具有重要作用。

3 韌化機(jī)制

體心立方金屬的一個(gè)重要的特點(diǎn)就是韌脆轉(zhuǎn)變現(xiàn)象。溫度較高時(shí)表現(xiàn)為韌性斷裂，溫度較低時(shí)表現(xiàn)為脆性斷裂，它們之間的臨界點(diǎn)稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度（DBTT）。對(duì)于材料韌性的評(píng)定主要通過(guò)韌脆轉(zhuǎn)變溫度和夏比沖擊功來(lái)判斷。根據(jù)材料的沖擊功可以將沖擊曲線分為三個(gè)區(qū)域：上平臺(tái)區(qū)，韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)和下平臺(tái)區(qū)，如圖2所示[31]。在上平臺(tái)區(qū)主要發(fā)生的是韌性斷裂，在掃面電鏡下可以看到?jīng)_擊斷口處有大量的韌窩聚集，此時(shí)的沖擊功較高；在韌脆轉(zhuǎn)變區(qū)隨著溫度的降低沖擊功急劇下降；當(dāng)溫度降至韌脆轉(zhuǎn)變溫度以下后進(jìn)入下平臺(tái)區(qū)，斷裂機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈詳嗔?，沖擊功較低，斷口處可以觀察到河流狀的花紋。

圖2 鋼的韌脆轉(zhuǎn)變及斷口形貌[31]

盡管目前關(guān)于斷裂本質(zhì)的爭(zhēng)議還很多，但總的基本觀點(diǎn)都是一致的。塑性斷裂主要是由于位錯(cuò)滑移引起的，形成大量韌窩，并以微孔聚集型斷裂為主；而脆性斷裂則以解理斷裂的方式進(jìn)行，此時(shí)原子之間正向分離，形成解理面。鋼中的斷裂形式主要分為塑性斷裂、脆性穿晶斷裂及沿晶斷裂三種，如圖3所示[32]。HSLA鋼主要為前兩種斷裂形式。

圖3 鋼的三種典型斷裂方式[32]

韌脆轉(zhuǎn)變溫度主要受到基體顯微組織、晶粒尺寸、固溶元素、彌散析出相和非金屬夾雜物等影響[33]。韌性斷裂的沖擊功主要與材料的屈服強(qiáng)度有關(guān)，脆性斷裂可以通過(guò)細(xì)化晶粒，增加大角度晶界等方式來(lái)提升沖擊功[34]。在低溫下發(fā)生解理斷裂時(shí)，如果解理裂紋是由一個(gè)晶粒向另一個(gè)位向相差不大的晶粒擴(kuò)展，解理裂紋前沿穿過(guò)晶界后沒(méi)有太大變化；如果穿過(guò)的兩個(gè)位向差較大的晶粒，裂紋會(huì)沿晶界擴(kuò)展一段距離后再轉(zhuǎn)向；如果遇到大角度晶界，晶界結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，裂紋不能連續(xù)通過(guò)，從而形成大量河流或者解理扇，鈍化了裂紋的擴(kuò)展[35]。在HSLA鋼中，通過(guò)控軋控冷可以獲得針狀鐵素體或板條貝氏體。鐵素體鋼主要是由針狀鐵素體和準(zhǔn)多邊形鐵素體組成的復(fù)合組織。復(fù)合組織中高密度位錯(cuò)的針狀鐵素體交錯(cuò)分布、互相咬合，裂紋在擴(kuò)展時(shí)會(huì)受到交錯(cuò)的板條結(jié)構(gòu)的阻礙，擴(kuò)展路徑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，路程變長(zhǎng)，消耗的能量變大，從而有效地阻礙了裂紋的擴(kuò)展[36-37]。

貝氏體鋼中的組織主要以板條貝氏體為主，M/A島分布其中，多個(gè)板條（lath）平行排列組成板條束（block），而一個(gè)原奧氏體晶?？梢孕纬扇舾蓚€(gè)板條束。研究發(fā)現(xiàn)，貝氏體板條界一般為位向差小于5°的小角度晶界，板條束之間則是大于15°的大角度晶界。裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中受到互相交錯(cuò)分布的板條以及大角度晶界的阻礙，從而提高了低溫韌性[38]。

4 焊接性能

焊接是現(xiàn)代鋼鐵使用過(guò)程中必不可少的工序，為了使焊接結(jié)構(gòu)更加牢固，需要焊縫及熱影響區(qū)（HAZ）與母材的強(qiáng)韌性相匹配。但焊接過(guò)程涉及傳熱傳質(zhì)、金屬融化和凝固，焊縫及HAZ的強(qiáng)韌性很難與經(jīng)過(guò)軋制和熱處理的母材相匹配[39]。所以增強(qiáng)HAZ的力學(xué)性能，減少焊接裂紋就顯得至關(guān)重要。

常見(jiàn)的焊接裂紋主要分為三類：冷裂紋、熱裂紋以及層狀撕裂。冷裂紋指的是焊接接頭在低溫下產(chǎn)生的裂紋，最常見(jiàn)的冷裂紋為氫元素引起的延遲開裂。母材和焊縫中一般含有較多的擴(kuò)散氫，氫原子在缺陷處匯聚形成氫分子，由于氫分子的體積比氫原子要大，不能再繼續(xù)擴(kuò)散，不斷聚集，最終導(dǎo)致焊接接頭開裂。

4.1 冷裂紋

通常用碳當(dāng)量（CE）來(lái)衡量材料的冷裂紋敏感性，高的碳當(dāng)量會(huì)導(dǎo)致馬氏體轉(zhuǎn)變溫度Ms降低從而在HAZ形成較硬的馬氏體，同時(shí)更容易產(chǎn)生冷裂紋。對(duì)于低合金鋼一般使用以下公式來(lái)計(jì)算碳當(dāng)量：

式中的元素符號(hào)表示該元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

Graville在1978年提出了冷裂紋敏感性取決于鋼的碳含量和碳當(dāng)量以及焊接方式的觀點(diǎn)，如圖4所示[40]。當(dāng)碳含量與碳當(dāng)量處在區(qū)域Ⅰ內(nèi)，在各種條件下幾乎都不存在冷裂紋敏感性；在區(qū)域Ⅱ時(shí)，冷裂紋敏感性取決于焊接工藝的參數(shù)，如焊接線能量、焊接速度和預(yù)熱溫度等；如果處在區(qū)域Ⅲ中，則任何焊接方式都存在一定的冷裂紋敏感性。

在早期使用的結(jié)構(gòu)鋼中，如HTS鋼顯微組織一般為“鐵素體+珠光體”，這些鋼的屈服強(qiáng)度較低，主要通過(guò)細(xì)化鐵素體晶粒、減小珠光體片距、增加珠光體含量以及固溶強(qiáng)化等方法提高強(qiáng)度。在交貨時(shí)通常為熱軋或正火態(tài)，含碳量可達(dá)0.20%，但合金元素含量較低。碳當(dāng)量一般為0.45%左右，在0℃以上可實(shí)現(xiàn)不預(yù)熱焊接。上世紀(jì)50年代末，調(diào)質(zhì)型高強(qiáng)高韌鋼開始投入使用，這類鋼碳含量通常大于0.10%，有些甚至超過(guò)0.15%，并含有大量合金元素，從而獲得了優(yōu)良的強(qiáng)韌性，但碳當(dāng)量通常超過(guò)0.50%，常見(jiàn)的高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的焊接預(yù)熱溫度和碳當(dāng)量見(jiàn)表5[32]。

這些高強(qiáng)鋼為了避免產(chǎn)生冷裂紋，不得不使用復(fù)雜的焊接工藝。從表中可以看出，隨著鋼材強(qiáng)度提高，碳當(dāng)量逐漸上升，焊接需要的預(yù)熱溫度和層間溫度也隨之提高。焊前預(yù)熱和焊后緩冷可以降低HAZ的冷卻速度，降低淬硬傾向，減少應(yīng)力集中，改善接頭組織；焊后熱處理可以降低焊縫中擴(kuò)散氫的含量，消除殘余應(yīng)力[41]。在HSLA系列鋼中，碳含量一般在0.06%以下，屬于區(qū)域Ⅰ內(nèi)，在各種條件下幾乎都不會(huì)產(chǎn)生冷裂紋，從而可以簡(jiǎn)化焊接工藝，降低或取消預(yù)熱[42-43]，而因?yàn)榻档吞己克鶐?lái)的強(qiáng)度損失，則可以通過(guò)Cu的沉淀析出強(qiáng)化效果進(jìn)行彌補(bǔ)。

圖4 碳含量與碳當(dāng)量對(duì)高強(qiáng)鋼的冷裂紋敏感性的影響[40]

表5 高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的焊接預(yù)熱溫度和碳當(dāng)量[32]

4.2 熱裂紋

熱裂紋主要指的是在高溫下產(chǎn)生的裂紋。材料中的低熔點(diǎn)共晶雜質(zhì)在焊接熔池結(jié)晶的過(guò)程中產(chǎn)生晶界偏析，聚集在焊縫附近的奧氏體晶界中，它們?cè)诮Y(jié)晶過(guò)程中形成變形能力很低的液態(tài)薄膜并最終凝固，當(dāng)焊接應(yīng)力較大時(shí)，就會(huì)將剛凝固不久的液態(tài)層拉開形成裂紋。這種裂紋的敏感性可以通過(guò)下式評(píng)定[33]：

式中的元素符號(hào)表示該元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

為了降低裂紋的敏感性，開裂指數(shù)越低越好，這就意味著要降低材料中C、S、P和Nb（會(huì)形成γ/NbC共晶）的百分含量。因此降低碳和雜質(zhì)的含量是很有必要的。

4.3 層狀撕裂

層狀撕裂是由于鋼板中沿軋制方向存在著分層的夾雜物，在焊接時(shí)板厚方向拉應(yīng)力作用下，產(chǎn)生“臺(tái)階”式與軋制面平行的層狀開裂。為了減少層狀撕裂的產(chǎn)生，需要降低雜質(zhì)的含量，即降低S含量、氧化物夾雜等[44]。通過(guò)優(yōu)化合金成分和生產(chǎn)工藝，HSLA鋼中的雜質(zhì)元素含量很低，避免了熱裂紋和層狀撕裂的發(fā)生，同時(shí)含碳量和碳當(dāng)量也處于易焊接區(qū)，在各種工藝下焊接都不易產(chǎn)生冷裂紋，并具有優(yōu)異的焊接性能。

5 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，在新的經(jīng)濟(jì)形勢(shì)下，鋼材行業(yè)進(jìn)入“減量發(fā)展”的時(shí)代。降低粗鋼產(chǎn)能，加大開發(fā)和使用低成本高性能鋼鐵材料成為了鋼鐵行業(yè)新的發(fā)展方向，也是中國(guó)制造業(yè)適應(yīng)經(jīng)濟(jì)新常態(tài)，重塑競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的重要舉措。隨著新的冶煉、控軋控冷等技術(shù)的應(yīng)用，以及HSLA鋼理論研究地不斷深入，HSLA鋼在各領(lǐng)域中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。研究表明，通過(guò)控制富銅納米相的形態(tài)和結(jié)構(gòu)，HSLA鋼的性能還可以進(jìn)一步提高，這需要充分了解納米相的微觀結(jié)構(gòu)和影響因素，同時(shí)發(fā)展控制納米相和基體相的制備處理工藝。中國(guó)鋼鐵行業(yè)應(yīng)當(dāng)注重理論研究與創(chuàng)新，開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)、新工藝、新裝備，滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展對(duì)于HSLA鋼的需求。

致謝

感謝黑龍江省杰出青年科學(xué)基金（JC2017012）及國(guó)家自然科學(xué)基金（51371062）。