王向成
(武鋼技術(shù)中心湖北武漢430081)
1.1.1 800MPa超細晶粒鋼的開發(fā)
作為不添加合金元素、容易焊接的800MPa超細晶粒鋼的研發(fā)方法,以相當于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程而進行的細化。另一種是再結(jié)晶法,是在熱軋工序中生成鐵素體后,對該鐵素體進行加工使之發(fā)生再結(jié)晶而細化晶粒的方法。接著,利用實驗和計算相結(jié)合的方法,進行了生產(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)鍵在于從多個方向連續(xù)地對材料進行加工。
沿著該方案,先后成功地在23m長的18mm×18mm條鋼和12mm厚×60mm寬的鋼板中實現(xiàn)了0.5μm的超細晶粒直徑。經(jīng)確認,該材料的抗張強度為800MPa,均勻延伸達7%,夏比試驗的斷口轉(zhuǎn)變溫度達到-200℃。
在研制超細晶粒鋼的同時,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母材組織的破壞。
同時進行的還有提高結(jié)構(gòu)件性能的研究。這是由于接頭的疲勞強度將會因焊接時發(fā)生的拉伸殘余應(yīng)力而顯著降低,這樣就會使得使用高強度鋼板的優(yōu)點喪失殆盡。他們通過開發(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度提高了1倍以上。
1.1.2 1500MPa超級鋼
為了進一步改善用1500MPa超級鋼制作的機械結(jié)構(gòu)部件的強度性能,就要先解決以下兩個課題,換言之,就是確立以下兩項技術(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評技術(shù)。
在這個有著很長研究歷史的領(lǐng)域里,取得突破的關(guān)鍵是要以納米尺度來定量地研究回火馬氏體鋼的組織結(jié)構(gòu),并定量地測定鋼在納米尺度領(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,并利用它們進行解析,發(fā)現(xiàn)回火馬氏體鋼的高強度完全不是源于大家以前所公認的機理,并發(fā)現(xiàn)借助對晶界碳化物組織進行控制,就可以任意改變晶內(nèi)和晶界的強度平衡。基于這些成果,他們提出了一個新概念,就是能藉以改善延遲破壞性的理想組織乃是“無晶界碳化物的馬氏體”。繼而,他們對具體實現(xiàn)這一組織的方法進行了摸索和研究,目前,已將延遲破壞臨界強度從現(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,使疲勞強度提高了1倍。在疲勞破壞特性的評價方法的研究中,他們的目標是要提出一種能在實際環(huán)境下判定有無發(fā)生疲勞破壞的評價方法。作為能統(tǒng)一評價部件尺寸、形狀或負荷應(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”作為評價基準。并以率先提出世界標準原案為目標,構(gòu)筑起在全日本協(xié)作下推進研究的體制。
——本文摘自《中國金相分析網(wǎng)》
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