高強(qiáng)合金鋼將迎接現(xiàn)代工程的挑戰(zhàn)

為了迎接工程挑戰(zhàn)，需要更加堅固的鋼材，鉬合金化不僅促進(jìn)了強(qiáng)化，而且提高了鋼材的抗脆性。

為了應(yīng)對當(dāng)今的工程挑戰(zhàn)，高強(qiáng)低合金(HSLA)鋼具備相當(dāng)多的優(yōu)勢，其中包括更輕的結(jié)構(gòu)重量、更高的搬運(yùn)效率、更少的焊接工作量以及更小的碳足跡。與其他材料不同，高強(qiáng)鋼不僅有利于實現(xiàn)輕量化，而且無需額外的成本。通常來說，高強(qiáng)鋼在減輕材料重量的同時，也會導(dǎo)致成本的攀升。因此，在制造或建造的過程中，成本以及高效加工處理都是值得關(guān)注的問題。
  除了強(qiáng)度之外，結(jié)構(gòu)鋼的選擇還與成形、焊接和其他制造過程的簡易性有關(guān)。使用條件要求這些鋼種在使用溫度下表現(xiàn)出良好的韌性。

從高強(qiáng)度低合金走向超高強(qiáng)度鋼

結(jié)構(gòu)高強(qiáng)低合金(HSLA)鋼的屈服強(qiáng)度高達(dá)550 MPa，無論是熱軋帶鋼還是鋼板，通常是通過熱機(jī)械控制工藝(TMCP)生產(chǎn)的，合金概念取決于低碳、錳和微合金化處理。與車身鋼板的發(fā)展趨勢類似，就結(jié)構(gòu)用鋼而言，需要更高的強(qiáng)度，而傳統(tǒng)TMCP處理的HSLA鋼已經(jīng)不能滿足實際應(yīng)用的要求。屈服強(qiáng)度為700 MPa或更高的超高強(qiáng)鋼(UHSS)牌號需要更精細(xì)的合金概念，同時利用先進(jìn)的軋機(jī)加工技術(shù)。直接淬火(DQ)已成為首選的工藝方法，該工藝是將經(jīng)過TMCP軋制后的熱鋼板直接進(jìn)行強(qiáng)水冷。

隨著直接淬火、自回火（DQST）和直接淬火-碳分配 (DQP)等工藝的參數(shù)變化，強(qiáng)度（硬度）韌性和成形性等鋼材的性能可以經(jīng)過適當(dāng)調(diào)節(jié)后，就可以滿足實際應(yīng)用的需求。與傳統(tǒng)的重新加熱和淬火工藝相比，直接淬火技術(shù)成本低廉，而且生產(chǎn)效率更高，也可應(yīng)用于帶鋼和板材軋機(jī)，由于產(chǎn)能充裕，相關(guān)鋼材的產(chǎn)量完全可以維持全球市場的穩(wěn)定供貨。

超高強(qiáng)度鋼(UHSS)的應(yīng)用

UHSS特有的優(yōu)勢引起了運(yùn)輸和物料搬運(yùn)行業(yè)的關(guān)注，在這些行業(yè)中，
有效載荷與自重的比率至關(guān)重要。在應(yīng)用時，這類鋼材的優(yōu)點(diǎn)包括：更高的速度、更低的單位載荷油耗和更小的推進(jìn)裝置。應(yīng)用于移動式起重機(jī)時，充分說明了UHSS可以帶來顯著的好處。就目前的應(yīng)用而言，需要增大起重機(jī)吊臂的伸展范圍，例如，在組裝風(fēng)車時，現(xiàn)有的平均輪轂高度約為130m。使用標(biāo)準(zhǔn)的HSLA鋼，吊桿本身會變得太重，以至于承載能力將不足，而所需吊桿長度也難以堆垛，這是因為由軟鋼制成的吊桿段需要較大尺寸。因此，屈服強(qiáng)度為1100 MPa的超高強(qiáng)鋼(UHSS)已在近期移動式起重機(jī)上用于制造吊臂。

類似的情況也出現(xiàn)在混凝土泵上，由于建造摩天大樓，這些泵的尺寸需要延長。木材采伐是另一個例子，可以減輕木材叉和夾持器的重量，以增大卡車的有效載荷，拖車結(jié)構(gòu)的輕量化也同樣可以增大運(yùn)輸能力或減少燃料消耗。從標(biāo)準(zhǔn)的550 MPa級HSLA鋼升級到700 MPa級UHSS，這一方法有望將集裝箱拖車的主要縱向重量減輕近30%，而最近的設(shè)計已經(jīng)應(yīng)用了960 MPa級UHSS鋼。在農(nóng)業(yè)、運(yùn)土、選礦和采礦領(lǐng)域需要提高關(guān)鍵部件的耐磨性，而這將會對操作、性能和使用壽命帶來直接益處，同時降低了更換成本。所需的UHSS通常具有超過1000 MPa的強(qiáng)度，最低硬度為400HV。特別是對于移動設(shè)備而言，在這些應(yīng)用中減輕重量只是次要的益處。

顯微組織決定了材料的性能

不同直接淬火(DQ)工藝產(chǎn)生可以生成貝氏體、回火馬氏體(可能含有少量奧氏體)乃至全硬馬氏體。合金化元素可以提高硬度、控制晶粒尺寸、改善回火行為或促進(jìn)奧氏體的形成。較小的晶粒尺寸有利于韌性和強(qiáng)度，而高硬度則具有優(yōu)異的耐磨性。顯微組織中存在的奧氏體產(chǎn)生了所謂的TRIP(相變誘發(fā)塑性)效應(yīng)，顯著改善了成形性。焊接工序尤其需要細(xì)致的合金設(shè)計，以避免熱影響區(qū)(HAZ)中不需要的組織，并抵消同一區(qū)域的過度軟化。在1100 MPa強(qiáng)度級別的鋼中，鉬添加量高達(dá)0.7%，可將熱影響區(qū)在氣保護(hù)金屬極電弧焊條件下的軟化降到最低，在一些應(yīng)用場合，疲勞強(qiáng)度而非抗拉強(qiáng)度正在制約設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。對于低合金高強(qiáng)鋼，疲勞強(qiáng)度通常與抗拉強(qiáng)度呈線性相關(guān)。超高強(qiáng)度下疲勞強(qiáng)度的降低可歸因于疲勞裂紋位點(diǎn)從表面向內(nèi)部夾雜的轉(zhuǎn)變，以及材料中殘余應(yīng)力的存在。在這方面，鋼鐵生產(chǎn)商的專業(yè)知識和技能會使得疲勞性能產(chǎn)生明顯不同。細(xì)小均勻的顯微組織也有利于提高疲勞性能。

鉬的特殊作用

鉬是最為常用的合金元素之一，可以提高鋼材的淬透性。這種效應(yīng)是在二十世紀(jì)30年代發(fā)現(xiàn)的，但直到二十世紀(jì)60年代末才開始大規(guī)模利用，最初是用于生產(chǎn)傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)鋼。在提高淬透性方面，鉻、錳或硼等其他元素，與鉬競爭。然而，鉬合金化在更苛刻的條件下要更勝一籌，包括高沖擊載荷、非常低的操作溫度或輕度腐蝕環(huán)境。

國際鉬協(xié)會(IMOA)主導(dǎo)的項目加深了人們對鉬元素理解，鉬添加至DQ鋼中，可以呈現(xiàn)出卓越的性能，更具體地說，是因為生成了馬氏體組織?？梢姡f合金化同時提高了強(qiáng)度和韌性。28J夏比轉(zhuǎn)變溫度通常被定義為一種極限標(biāo)準(zhǔn)。對屈服強(qiáng)度超過1000 MPa的鉬合金化DQ鋼而言，轉(zhuǎn)變溫度低于-80℃。換句話說，這些鋼在地球上任何現(xiàn)有的氣候條件下都能很好地發(fā)揮作用。

對失效敏感

強(qiáng)度大于1000 MPa的鋼種往往對氫引起的失效敏感。這與更特殊的現(xiàn)象有關(guān)，如應(yīng)力腐蝕開裂(SCC)、腐蝕疲勞開裂(CFC)和氫致開裂(HIC)，也稱為氫脆(HE)。在施加載荷期間，當(dāng)鋼的本體中存在氫時，就可能會發(fā)生脆化。此外，受載的鋼材暴露于含氫環(huán)境中也可能會引起脆化。在許多實際情況下都是可能會出現(xiàn)的。脆性表現(xiàn)為非延性斷裂方式，韌性極低，延伸率降低，抗拉強(qiáng)度降低。強(qiáng)度水平越高，對HE的敏感性越大，允許的擴(kuò)散氫含量越低。因此，應(yīng)對HE的方法就是是增強(qiáng)晶界強(qiáng)度，同時阻止氫的局部聚集。顯微組織細(xì)化，析出物的捕氫和降低位錯或空位的遷移率是組織氫局部聚集的重要機(jī)制。鉬就像晶界之間的“膠水”一樣，對那些阻止氫致?lián)p傷的機(jī)制有直接或間接的益處。最近的IMOA研究項目表明，在2000 MPa級馬氏體鋼中添加0.5%Mo可使其抗氫致延遲裂紋能力提高6~9倍。

小結(jié)

顯而易見，鉬合金化在生產(chǎn)高強(qiáng)鋼上具有相當(dāng)?shù)淖饔茫@些鋼材可以充分應(yīng)對最惡劣條件的考驗，并實現(xiàn)輕量化的效果。IMOA最近的研究項目證明了在超高強(qiáng)度鋼中添加鉬的額外作用，包括增大強(qiáng)度，同時也增大韌性和抗氫脆性能。這些鋼材完全能夠應(yīng)對現(xiàn)代世界的工程挑戰(zhàn)，并且隨著研究的繼續(xù)深入，更多的創(chuàng)新型材料也會為可持續(xù)發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。