高强钢对冶金工业意义重大，回顾高强度结构钢发展历程

现今，高强钢对近十年的冶金工业发展而言意义极为重大，它当前能够达成强度、塑性、韧性、成形性以及焊接性这些方面的要求，进而使得低成本钢材的年产量在世界结构钢中所占比例约为10％ 。

回顾高强度结构钢的发展进程，在20世纪初期，结构工程师们所使用的钢为单一品种，此钢被称作“低碳钢”，其意为具备“低碳、柔软、易加工”的特性，低碳钢并未特意运用除碳之外的合金元素来实施强化，钢中的Mn用于脱氧处理，另外还含有稳定的硫化物，通常认定低碳钢的化学成分范围是：0．1％～0．25％C，0．4％～0．7％Mn，0．1％～0．5％Si，其余成分是S、P以及其它元素，低碳钢的屈服强度大概为250MPa。

一直到1940年以前，对于结构钢来讲主要的需求是去添增抗拉强度，并且得以获取较高强度，C的含量被提升到了0.3％，Mn的含量达到了大概1.5％，然而这种钢的运用范畴并不广泛，无法契合现代高强度结构钢的需求，它有着如下这些缺点：(a)厚度达到30mm的钢材，其屈服强度实在是很低，仅仅可以达到360MPa；(b)当厚度不断增加的时候，屈服强度下降的幅度相当大；(c)高的C、Mn含量致使钢的焊接性能变差；(d)断裂韧性比低强度钢还要低。

有其它材料与之竞争，特别是钢筋混凝土，这促进了结构钢的发展。为保证市场份额，开发出很多简便的技术，就是生产和精炼技术，这使得对钢的焊接性和缺口冲击韧性的要求越来越高。 对1942年到1949年期间发生的金属断裂行为进行调查和研究，这种行为发生在桥梁和船舶，尤其是著名的“自由轮”上，这奠定了金属断裂力学的基础 。

提升钢的性能主要借助以下工艺，限制 C 含量，提高洁净度，其中包括降低 S、P 含量，进行 Al 脱氧，实施微合金化，开展常化轧制以及后续的控制轧制，这些工艺使钢的组织得以细化，进而提高了钢的强度与韧性。

1960年之后，修订的标准里介绍了一些新的钢号，其中有法国的DIN17102标准，还有英国的BS4360标准，另外有法国的NFA35－504标准。这些国家标准成为了后来欧洲统一标准，也就是细晶粒钢EN10113的基础。已有研究工作制订了钢抗脆性断裂的判定原则。这些工作把通常的缺口冲击试验结果和KIc值用于断裂机制。

在疲劳载荷之下的那般工程结构的工作情况时，在有着低的还处于服役阶段所用温度的境遇下，在具备了高屈服强度的状况下，且针对厚断面钢材而言，需要所使用材料拥有更高的韧性。新的欧洲建筑依据设计规范涵盖了最小冲击功为27J的那个时候的温度，并且按照这个温度并且依据此来选择相应钢号等诸多内容有这些 。

北极其地的海洋工业开展极大地促成了结构钢的成就，此区域需要于极为严酷的低温状况下装配工程架构，鉴于海洋结构承载能力受限，并且伴随深海石油还有油气田的开拓，对于海洋结构来讲，减轻重量变成了首要之急，高强钢成了重点，针对这些处身苛刻环境下运用的钢材，制定了专用标准，像EN10225或者API2MT2 。

1．生产工艺

长条材能够用氧气转炉来冶炼，还能够用电弧炉进行冶炼，并且更多地是采用连铸工艺加以生产，连铸会形成小方坯、大钢坯以及扁锭，把这些当作半成品，最近又连铸成工字钢的形状，依据1964年的试验情况，1968年正式开启了工字钢的近终形铸造，这项技术随后被日本的川崎、日本钢铁以及日本钢管、美国的纽科Yam�瞐to、Chaparrol和西北钢铁公司、欧洲的ProfilARBED等公司所采用。

欧洲 PrefilARBED 集团公司热轧产品的不同类型半成品被图 1 展示出来，工字梁的最大宽度达到 1118mm，或者最大厚度达到 125mm，热轧工字钢占有结构钢的很大比例，所以下面的讨论虽集中于工字钢，但其主要原理同样适用于等效厚度的其它钢材。

ProfilARBED公司所生产的大工字钢的钢水，是通过电弧炉进行冶炼的，之后连铸成为工字钢。在连铸完成后，初轧之前，工字钢会在步进炉里重新进行加热，接着是由两台可逆万能轧机开始轧制，并且由万能轧机进行终轧。由于轧机孔型存在差异，所以轧制出来的产品断面也不一样。

1．1大工字钢的传统轧制工艺

有半成品这个东西，它被加热到大概1250℃，经过15至20道次的轧制。对于铸锭而言呢，要加热到1300℃，有可能得经过40道次轧制，工字钢的道次压下率在4％到20％之间，终轧温度高于1000℃，工字梁上的温度分布并不均匀，根部和腰部连接处温度是最高的，腰部的中间温度是最低的，温度这个差异和工字钢的尺寸是有关系的，最大温差能够达到100℃。按照该工艺进行轧制，依照ASTM标准来评级，厚度为40mm的工字钢晶粒度是7级 。

为了让钢的组织变得更加精细，能够采用Ti－Nb微合金化这种方式，以此让再加热的时候，奥氏体晶粒变得相当细小，具体表现为达到50μm，而并非处于200～300μm这个范围之内，并且再结晶组织同样相当细小。实验室模拟得出的结果表明，每一道次的压下率达到15％的时候，便能够获取所需要的组织，其力学性能能够达到50Ksi，其中抗拉强度≥50Ksi，这相当于S355。表2呈现的是50Ksi工字钢的化学成分。

已成功被用于工业生产的是该成分设计。热轧期间温度处于较高状态，这表明钢里面的Nb依旧维持固溶情形，哪怕是在终轧温度之际，也不存在Nb的碳化物析出的情况。当Nb以固溶状态于钢中存在之时，借助延迟相变，使铁素体晶粒变得细化，获取某一数量的贝氏体，进而提升钢的强度。该钢的典型组织是大概80％的铁素体，其余部分是贝氏体以及珠光体。在同样的轧制工艺条件之下，按照ASTM标准来判断，C－Mn钢的晶粒度是7级，而含有Nb的钢的晶粒度为9 级。在相变进程当中，或者相变结束之后，要是在铁素体里生成了NbC析出物，那样钢的强度能够再次提升，借助传统轧制工艺只会有限制地让晶粒变细，对于强度高于50Ksi的钢，或者厚度超过20mm的钢，为了满足韧性需要，必须采用控制轧制工艺了。

1．2正火热处理

把正火安排在，处于Ac3相变点以上的位置（一般都是Ac3＋50℃），S355钢热轧态时的组织是铁素体－珠光体，开展正火处理所具备的目的，是让组织变得细化，使组织变得均匀，以此来提高钢的韧性 。

组织细化的程度跟原始组织存在关联，不能进行控制轧制的钢，特别是厚截面钢材，借助正火能够达成良好的细化晶粒作用，对于薄截面钢材，正火或许无法实现细化意图，在此种情形下，该轧制过程可被认定为控制轧制工艺，一般称作“常化轧制”，热轧态的组织以及性能与正火后的组织和性能相近。

一般而言，会借助Nb去提升正火钢的抗拉强度，Nb有使得奥氏体晶粒长大受阻，将γ相区予以扩大的作用。于含Si钢之内，这种成效显得格外突出。正火温度处于900℃与1050℃之间，且Nb含量是0．02％～0．04％，便足够能让晶粒度达成10级这儿。与之形成对比情况的是，含Si钢里面没有Nb的时候，正火温度是1000℃之际，晶粒度为7级 。

Nb的碳氮化合物，和Al的氮化物相同，在1050℃时，依旧能够对奥氏体晶粒长大起到阻止作用，这种作用极为关键重要，哪怕是在炉温不均匀的热处理炉里面，也能够获取细小的铁素体－珠光体组织，。

热轧态工字钢，其厚度存在差异，晶粒度处于7至9级。正火之后，在910℃的环境下保持30分钟，晶粒度达到了11级。vT27大于40℃。正火之后，vT27小于－45℃，正火之后，强度都稍有下降，。

根据以上试验结果，制订了S355钢的合金设计原理。

要满足焊接性能所需，就得具备较低的碳当量，S460钢和控轧钢相较，它有着较高的碳当量，进而限定了其产量，还得说明，特别是对于薄截面钢材而言，热处理容易致使变形，变形之后必须使用矫直机进行矫直。

1．3控轧工艺：控制轧制

需要在奥氏体的低温区域开展控制轧制的时候，含Nb钢能够满足强度韧性方面的要求，轧制期间，奥氏体首先于1050℃以上实施变形，进而让奥氏体晶粒实现细化。倘若给定的总压下率是70％，那么每道次轧制之后，借助静态再结晶能够获取细小的奥氏体晶粒。接着等待温度降至900℃以下后实施终轧。含Nb钢里的再结晶极为缓慢，奥氏体晶粒变成饼状，由此有效地使晶粒细化了。

经电弧炉冶炼的含Si钢，其高自由氮含量极大显著对性能起到提高作用，在上述这种钢里，全氮含量处于100ppm之上，在含Si的空冷钢当中，自由氮含量同全氮含量存在N自由＝0．43N全这样的关系，含Si钢的韧性同自由氮含量有关联，当自由氮含量处于32～33ppm之下之时，vT40J大约为－10℃，一旦自由氮含量超过35ppm，vT40J会很快迅速达到＞＋30℃ 。

有两个能够提高韧性的方法，其一呢，是把终轧温度从960℃给降低到870℃，这样能让铁素体晶粒度从7级提升到9级，此工艺明显提高了钢的韧性，其二是采用控制轧制，进而形成氮化物，以此降低钢中的自由氮，这二者综合起来发挥作用，钢的韧性就达到最佳状态了。

常用 Al 来降低钢中自由氮含量，也能够采用 Ti、Nb、V 等元素，相比于 Al 和 Ti，V 和 Nb 具备优点，它们不会致使连铸过程里出现水口堵塞或者产生缺陷等连铸问题，对自由氮含量进行测定可用来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去选择合金元素，vT40 与屈服强度的函数关系。进行微合金化时采用了Al、Ti、Al＋Ti、Ti＋V，当屈服强度约为320MPa时，vT40处于－60～－70℃之间，其强度与用于比较的C－Mn钢相似，而C－Mn钢不存在沉淀硬化。当Nb微合金钢的屈服强度为375MPa时，vT40等于－55℃，Nb产生了明显的沉淀硬化效应，且细化了组织。当Ti＋Nb复合加入时，因为TiN与Nb的相互作用，使得沉淀硬化效应有所减弱。

同样的情况，在含有V钢里面加入Ti，也会使得V的硬化效应有所降低，这是由于Ti把氮固定住了，进而降低了V的氮化物所产生的硬化效应。

虽说控制轧制能够达成强度以及韧性的要求，可是也存有一些缺点，降低终轧温度致使轧机的负载有所增加，并有许多轧机在设计之际并未考量这部分增添的载荷，与C－Mn钢相比较，鉴于Nb的存在对再结晶起到了阻止作用，于这个温度区间让轧机的负载得以增加，因为控轧进程当中存在一个待温过程，所以增加了轧制时间，降低了生产效率 。

图3展示了，要达成到达一定厚度的S355工字钢所对应的强度之时，所需的化学成分，以及碳当量，还有Nb含量 ，为了达成所需强度 ，可採用不一样的化学成分。图4给予了，生产S355钢能够利用的另外一种合金设计原理 。

同图3所展示的合金设计原理相比较而言，其中C的含量实现了0.06％的提升，Nb（V）的含量却出现了降低的情况。这两种成分表现出强度方面的等同性，可是对于韧性所产生的影响却是极为显著的。当C含量处于较低水平，采用Nb进行微合金化操作时，在长度方向上韧性获得了提高，然而伴随厚度的不断增加，要满足韧性方面的要求就变得越发困难了。

EN10225标准，是关于海洋焊接结构钢的标准，此标准提出了更为严格的韧性要求，该要求涉及横向以及厚度方向这两个方面的韧性要求，对于较低碳含量的钢，其横向冲击功要求有所提高，就厚度方向韧性来讲，可通过降低S含量来实现达到 。

控轧工艺被用于生产S460钢，然而，控轧工艺没办法生产最大的厚度范围，是的，就是这样 。

对于那些厚度比较厚的钢材而言，如果轧制温度被提高，那么轧后冷却速度就会降低，进而会致使组织出现粗化的情况。要是想要达到强度方面的要求，那就必须增加合金的含量。不过因为焊接性能方面的要求以及碳当量存在限制，所以尚无法生产出厚度在50mm以上的S460钢材。

1．4控轧工艺：加速冷却

ProfilARBED公司，联合冶金研究中心，联合英国钢铁公司，用来克服控制轧制局限性的，是所开发的轧后加速冷却工艺。

于淬火＋自回火工艺里，在最后一道次轧制完毕后，整个工字钢的表面实施喷水激冷。在心部尚未被淬火之际，停止喷水，工字钢的外表层借助从心部朝表层传递的热量展开自回火。图5呈现的是该热处理过程的示意图形。从终轧辊出来后径直进入冷却架，此时温度大概为850℃，整个工件的表面冷却后，开始自回火的温度大于或等于600℃。一般来说，具备将用于淬火加回火工艺的前提条件是，整个工字钢的断面区域之内温度应当保持均匀一致处于相同状态，如此这般，在开展轧制工艺流程期间，需要针对工字钢上温度处于最高水平的位置，也就是腿部与腰部相互连接的部位实施选择性的冷却操作。图6呈现的是此项工艺所形成的示意图。利用采用该项技能能够消除工字钢断面上所存在的温度差异情况。

日本钢管公司的福山工厂，开发出了一种工艺，这种工艺与在线加速冷却OLAC（即OnlineAcceleratedcooling）相似。OLAC在1980年起，就已开始在钢板生产中应用。对于厚截面钢材，因其横断面形状复杂，该技术在这种材料的应用方面，遇到了技术困难。因为热变形难以克服，所以采用无变形的冷却。又因为产品的尺寸和钢号非常分散，导致产品质量难以控制。然而，日本钢公司开发了大工字钢的加速冷却装置。

如前面所说，采用不同轧制工艺所得到的热轧态组织，其中传统轧制所获晶粒度是7级，控制轧制时晶粒度大约为9级，采用加速冷却时晶粒度能够达到11级。这般细小的组织在很低温度下同样具备良好韧性，依照EN10113专用标准，厚度达到125mm时41J的转变温度处于小于－50℃的状态下。

采用激冷来细化组织之际，Nb细化组织的功效没能得以施展，于热轧钢材当中，添加Nb并未达成提升韧性的目的。可是，在高强钢范围内，借助添加Nb使得碳当量得以降低进而提升了焊接性，这对于厚钢材来讲是格外关键的。（来源：国际焊接网）。