铌在高强度可焊接工字钢和其它结构钢中的应用

高强钢对于近10年冶金工业发展意义重大，目前能够满足强度、塑性、韧性、成形性和焊接性的要求，使低成本钢材年产量占世界结构钢的10％左右。

　　回顾高强度结构钢的发展历程。20世纪初期，结构工程师们使用的单一品种钢，这种钢被称为“低碳钢”，意思是“低碳、柔软、易加工”，低碳钢没有特意使用除碳以外的合金元素进行强化，钢中的Mn用于脱氧，还含有稳定的硫化物，一般认为低碳钢化学成分范围：0.1%～0.25%C，0.4%～0.7%Mn，0.1%～0.5%Si，其余为S、P和其它元素。低碳钢的屈服强度约为250MPa.在1940年以前，对结构钢的主要要求是增加抗拉强度。为获得较高强度，C含量增加到0.3％，Mn含量达到1.5％左右，这种钢的应用范围不广，适应不了现代高强度结构钢的要求。它具有如下缺点：

　　（a）厚度达到30mm的钢材，屈服强度太低，只能达到360MPa；

　　（b）厚度增加时屈服强度下降的幅度很大；

　　（c）高的C、Mn含量使钢的焊接性能变差；

　　（d）断裂韧性比低强度钢低。

　　与其它材料，尤其是钢筋混凝土的竞争，促进了结构钢的发展。为保证市场份额，开发了很多简便的生产和精炼技术，这使得对钢的焊接性和缺口冲击韧性越来越高。对1942～1949年期间发生在桥梁和船舶，尤其是“自由轮”的金属断裂行为进行的调查和研究，奠定了金属断裂力学的基础。

　　主要通过以下工艺提高钢的性能：限制C含量；提高洁净度，包括降低S、P含量；Al脱氧，微合金化，常化轧制和后来的控制轧制。上述工艺细化了钢的组织，提高了钢的强度和韧性。

　　1960年以后，修订的标准中介绍了一些新的钢号：法国的DIN17102标准、英国的BS4360标准、法国的NFA35－504标准。这些国家标准成为后来欧洲统一标准———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。这些工作将通常的缺口冲击试验结果和KIc值用于断裂机制。

　　在下列条件下，需要材料具有更高的韧性：疲劳载荷下的工程结构；低的服役温度；高屈服强度；厚断面钢材。新的欧洲建筑设计规范包括了最小冲击功为27J时的温度，并依此选择相应钢号等内容。

　　北极地区的海洋工业发展极大地促进了结构钢的发展，该地区需要在严酷的低温条件下装配工程结构。由于海洋结构承载能力有限，且随着深海石油和油气田的开发，对海洋结构而言，减轻重量成为当务之急，高强钢成为焦点。对这些苛刻环境下使用的钢材，制订了专用标准，如EN10225或API2MT2.表1概括了现代结构钢钢种的特点。

　　1.生产工艺

　　长条材既可用氧气转炉冶炼，也可用电弧炉冶炼，并更多地采用连铸工艺生产。连铸成小方坯、大钢坯和扁锭，作为半成品，最近也连铸成工字钢形状。根据1964年的试验，1968年开始了工字钢的近终形铸造。该技术后来被日本的川崎、日本钢铁和日本钢管、美国的纽科Yamato、Chaparrol和西北钢铁公司、欧洲的ProfilARBED等公司采用。

　　欧洲PrefilARBED集团公司热轧产品的不同类型的半成品。工字梁的宽度达1118mm，或者厚度达到125mm.热轧工字钢占结构钢的比例很大。因此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公司生产大工字钢的钢水由电弧炉冶炼，连铸成工字钢。连铸后，初轧前，工字钢在步进炉中重新加热，由两台可逆万能轧机轧制并由万能轧机终轧。轧机孔型不同，轧制产品的断面不同。

　　1.1大工字钢的传统轧制工艺

　　半成品被加热到1250℃左右，经15～20道次轧制。而对铸锭，需加热到1300℃，可能需经40道次轧制，工字钢的道次压下率为4%～20%，终轧温度高于1000℃，工字梁上的温度分布不均匀：根部和腰部连接处温度，腰部的中间温度最低，温度的差异与工字钢的尺寸有关，温差可达100℃。按该工艺轧制，按ASTM标准进行评级，厚度为40mm的工字钢晶粒度为7级。

　　为细化钢的组织，可采用Ti－Nb微合金化，使再加热时奥氏体晶粒相当细小（达50μm，而不是200～300μm），再结晶组织也相当细小。实验室模拟结果显示，每道次压下率达15%即可获得所需要的组织，力学性能达到50Ksi（抗拉强度≥50Ksi，相当于S355）。表2是50Ksi工字钢的化学成分。

　　该成分设计已成功用于工业生产。热轧过程中温度高，意味着钢中的Nb仍保持固溶状态，即使在终轧温度时，也没有Nb的碳化物析出。Nb在钢中以固溶状态存在时，通过延迟相变，细化铁素体晶粒，获得一定数量的贝氏体，从而提高钢的强度。该钢的典型组织是约80％的铁素体，其余为贝氏体和珠光体。在相同轧制工艺条件下，按ASTM标准判断，C－Mn钢的晶粒度为7级，而含Nb钢的晶粒度为9级。相变过程中或相变之后，若在铁素体中形成NbC析出物，则钢的强度可进一步提高。通过传统轧制工艺只能有限地细化晶粒，对于强度高于50Ksi或厚度大于20mm的钢，为满足韧性要求，必须采用控制轧制工艺。