王向成
(武鋼技術(shù)中心湖北武漢430081)
1.1.1 800MPa超細(xì)晶粒鋼的開發(fā)
作為不添加合金元素、容易焊接的800MPa超細(xì)晶粒鋼的研發(fā)方法,以相當(dāng)于SS40鋼成分的w(C)0.15%、w(Si)0.3%、w(Mn)1.5%的鋼為基本材料,采用了使其晶粒直徑超微細(xì)化到1μm以下的方法。
在晶粒直徑1μm鋼的研究方面,日本采用兩種方法均獲得成功。一種是相變法,就是利用熱軋工序中鋼由奧氏體向鐵素體相變過(guò)程而進(jìn)行的細(xì)化。另一種是再結(jié)晶法,是在熱軋工序中生成鐵素體后,對(duì)該鐵素體進(jìn)行加工使之發(fā)生再結(jié)晶而細(xì)化晶粒的方法。接著,利用實(shí)驗(yàn)和計(jì)算相結(jié)合的方法,進(jìn)行了生產(chǎn)條件(軋制量、溫度、變形等)的定量化,并探討了具體實(shí)現(xiàn)這些條件的加工技術(shù),得出的加工技術(shù)方案的關(guān)鍵在于從多個(gè)方向連續(xù)地對(duì)材料進(jìn)行加工。
沿著該方案,先后成功地在23m長(zhǎng)的18mm×18mm條鋼和12mm厚×60mm寬的鋼板中實(shí)現(xiàn)了0.5μm的超細(xì)晶粒直徑。經(jīng)確認(rèn),該材料的抗張強(qiáng)度為800MPa,均勻延伸達(dá)7%,夏比試驗(yàn)的斷口轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到-200℃。
在研制超細(xì)晶粒鋼的同時(shí),研究了能盡量縮小焊接熱影響區(qū),制作出厚25mm的健全接頭的焊接方法,開發(fā)出了脈沖調(diào)制CO2激光焊接法和任意波形控制脈沖電弧焊接法。這兩種方法目前在厚20mm以內(nèi)都能滿足無(wú)焊接缺陷、高效率、高速度的基本要求,熱影響區(qū)寬度很窄,僅在0.5～2mm范圍,能最大限度地抑制對(duì)母材組織的破壞。
同時(shí)進(jìn)行的還有提高結(jié)構(gòu)件性能的研究。這是由于接頭的疲勞強(qiáng)度將會(huì)因焊接時(shí)發(fā)生的拉伸殘余應(yīng)力而顯著降低,這樣就會(huì)使得使用高強(qiáng)度鋼板的優(yōu)點(diǎn)喪失殆盡。他們通過(guò)開發(fā)出能在較低的溫度下發(fā)生馬氏體相變的焊縫材料,將殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)換成了壓縮性應(yīng)力,從而成功地將接頭疲勞強(qiáng)度提高了1倍以上。
1.1.2 1500MPa超級(jí)鋼
為了進(jìn)一步改善用1500MPa超級(jí)鋼制作的機(jī)械結(jié)構(gòu)部件的強(qiáng)度性能,就要先解決以下兩個(gè)課題,換言之,就是確立以下兩項(xiàng)技術(shù)。
(1)能從根本上改善延遲破壞性和疲勞性能的技術(shù);
(2)能保證部件性能的測(cè)評(píng)技術(shù)。
在這個(gè)有著很長(zhǎng)研究歷史的領(lǐng)域里,取得突破的關(guān)鍵是要以納米尺度來(lái)定量地研究回火馬氏體鋼的組織結(jié)構(gòu),并定量地測(cè)定鋼在納米尺度領(lǐng)域內(nèi)的力學(xué)性能,繼而弄清納米尺度領(lǐng)域影響宏觀性能的機(jī)理,以期從中找出延遲破壞性和抗疲勞性兩者兼優(yōu)的理想的馬氏體組織的形貌。他們創(chuàng)建了利用“原子間力顯微鏡”定量觀測(cè)馬氏體組織的技術(shù),并研制出了具備納米組織觀察功能的納米領(lǐng)域力學(xué)性能解析裝置,并利用它們進(jìn)行解析,發(fā)現(xiàn)回火馬氏體鋼的高強(qiáng)度完全不是源于大家以前所公認(rèn)的機(jī)理,并發(fā)現(xiàn)借助對(duì)晶界碳化物組織進(jìn)行控制,就可以任意改變晶內(nèi)和晶界的強(qiáng)度平衡?；谶@些成果,他們提出了一個(gè)新概念,就是能藉以改善延遲破壞性的理想組織乃是“無(wú)晶界碳化物的馬氏體”。繼而,他們對(duì)具體實(shí)現(xiàn)這一組織的方法進(jìn)行了摸索和研究,目前,已將延遲破壞臨界強(qiáng)度從現(xiàn)有的1200MPa提高到1600MPa。
另一方面,在提高疲勞特性方面,他們謀求在消除氫脆影響的前提下大幅提高抗疲勞性能,并取得了成功,使疲勞強(qiáng)度提高了1倍。在疲勞破壞特性的評(píng)價(jià)方法的研究中,他們的目標(biāo)是要提出一種能在實(shí)際環(huán)境下判定有無(wú)發(fā)生疲勞破壞的評(píng)價(jià)方法。作為能統(tǒng)一評(píng)價(jià)部件尺寸、形狀或負(fù)荷應(yīng)力效果的應(yīng)力參量,首次提出威布爾應(yīng)力是有效的,決定把“臨界氫量—威布爾應(yīng)力”作為評(píng)價(jià)基準(zhǔn)。并以率先提出世界標(biāo)準(zhǔn)原案為目標(biāo),構(gòu)筑起在全日本協(xié)作下推進(jìn)研究的體制。
——本文摘自《中國(guó)金相分析網(wǎng)》
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