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1、太 原 理 工 大 学 学 位 论 文材料加工工程毕业论文WELDOX960高强钢焊接性研究所属院系：材料科学与工程专 业：材料加工工程III摘 要WELDOX960作为新一代低合金高强钢，具有细晶粒、超洁净度、高均匀性、高强度、高韧性和良好综合性能的新材料，主要应用于矿山机械、桥梁、铁路、汽车起重机等重载领域。本文结合军用车载桥梁的实际生产条件根据“低强匹配”原则选取瑞典生产的ED-FK 1000高强焊丝设计了WELDOX960高强钢的ArCO2混合气体保护焊工艺，在预热75、焊接线能量1.01.2KJ/mm、层间温度8085的条件下进行多层多道焊接。分别对WELDOX960高强钢焊接接头进
2、行拉伸、弯曲、冲击等力学性能试验和斜Y型坡口试验、搭接接头试验及热影响区最高硬度等抗裂性试验研究，并利用光学显微镜和扫描电镜等分析手段对WELDOX960高强钢的焊缝、熔合区和热影响区的微观组织及断口进行分析，研究了预热温度、焊接热输入和后热温度等工艺因素对接头强度、弯曲性能和热影响区冲击韧性的影响，分析了微观组织对接头强韧性的影响以及该钢在实际生产条件下的焊接适应性。测试结果表明在本试验条件下该钢冷裂和热裂敏感性小，接头屈服强度为928.8Mpa，失强率14.2%，达到设计要求；焊接热输入及层间温度对接头性能有重要影响，焊接热输入太小，导致接头冷却速度过快，温度梯度大，淬硬性大，从而使冷裂倾
3、向增大；但热输入太大时又容易使接头内应力叠加增大，半熔化区奥氏体晶粒粗化，降低接头的强度及抗裂性能；微观分析表明，焊缝及热影响区分布的贝氏体和低碳马氏体是接头高强度和高韧性的基本条件，因此要合理控制焊接热输入在1.01.2 KJ/mm范围内，保证焊缝组织为粒状贝氏体和少量的低碳马氏体，从而保证接头的强韧性。关键词 高强钢，焊接接头，力学性能，焊接性，混合气体保护焊 ABSTRACTAs a high strength low and alloyed structural steel, WELDOX960 is characterized by fine grain, super-metallu
4、rgical purification and homogenization, high strength and toughness, and it is widely applied in the field of mine-machine, bridge, railway and mobile crane etc. High-strength MAG-wire ED-FK 1000 is selected as consumed material according to “lower strength match”to be used in mixed gases (Ar+CO2) s
5、hielded metal arc welding(GMAW). During multiplayer welding, WELDOX960 is welded with welding parameters as follow: preheat temperature is 75，heat input is 1.01.2KJ/mm，Interpass temperature is 8085. Mechanical tests (tensile test, bending test and impact test) and crack tests (Y-groove and CTS crack
6、ing test, peak hardness of HAZ test) were carried out to study on its weldability; and microstructures of weld metal, fusion zone, HAZ and fractography were investigated by means of light microscopy and SEM; the effect of processing factors and microstructures of welding joint on strength and toughn
7、ess of welding joint was analyzed. Experimental results indicated that WELDOX960 has a good capacity of resisting cool cracking and hot cracking with suitable welding parameters. CET is a key factor to the performance of joint. With a small value of CET, the joint will be apt to get cracking due to
8、fast cooling and big temperature grade while a big value of CET will damage the performance of joint sharply due to coarse grain and welding interstress. Microanalysis indicated that granular bainite and low-carbon martensite were found in weld and HAZ, which contributed to high strength and toughne
9、ss of joint. So CET must be limited in the range of 1.01.2 KJ/mm to make sure that granular bainite and low-carbon martensite be acquired in weld. KEY WORDShigh strength steel, welded joint, mechanical property, weldability, GMW目 录第一章 概述11.1 新一代低合金高强钢的发展概况11.1.1 我国低合金高强钢的发展现状及面临的挑战31.1.2 国外新一代低合金高强钢
10、的发展及使用情况41.2 新一代低合金高强钢的主要特点51.2.1 新一代低合金高强钢的冶金特点51.2.2 新一代低合金高强钢的强化途径61.3 新一代低合金高强钢对焊接材料的要求71.3.1 新一代低合金高强钢的焊接性71.3.2 新一代低合金高强钢对焊接材料的要求81.4 本课题的研究背景及意义91.5 本课题预期达到的目的10第二章 WELDOX960高强钢的生产工艺及性能112.1 WELDOX960高强钢的生产工艺112.1.1 WELDOX960高强钢的轧制工艺122.1.2 WELDOX960高强钢的淬火和退火工艺122.2 WELDOX960高强钢的机械性能152.2.1 W
11、ELDOX960高强钢的冶金特点152.2.2 WELDOX960高强钢的机械性能172.3 WELDOX960高强钢的强化机理172.3.1 晶界强化172.3.2 应变强化182.3.3 固溶强化192.3.4 沉淀强化192.3.5 马氏体相变强化202.4 韧化机理202.4.1 金属材料的净化212.4.2 晶粒的细化212.4.3 显微组织的优化212.5 本章小节22第三章 WELDOX960高强钢焊接性研究233.1 WELDOX960高强钢焊接性理论分析233.1.1 碳当量法243.1.2 预热温度Tp的计算253.1.3 热影响区最高硬度HVmax与t8/5的关系263.
12、1.4 焊接工艺参数曲线273.1.5 焊接材料的选择303.1.6 试验设备及仪器313.2 焊接性试验的目的及内容313.3 WELDOX960高强钢抗裂性试验结果及分析323.3.1 斜Y型坡口焊接裂纹试验323.3.2 热影响区最高硬度试验353.3.3 搭接接头焊接裂纹试验383.4 WELDOX960高强钢力学性能试验及结果分析413.4.1 焊接接头抗拉强度试验413.4.2 焊接接头微观组织分析453.4.3 焊接接头弯曲试验463.4.4 焊接接头冲击试验503.5 本章小结55第四章 结论57参 考 文 献58致 谢61-58-第一章 概述1.1新一代低合金高强钢的发展概况
13、随着机械工业生产迅猛发展，在焊接结构日益大型化、轻量化的现代工程机械及冶金矿山机械生产中，为提高机械设备的使用性能，以最大限度地满足各种工程建设的需要，钢材不仅要有良好的综合力学性能，而且要有良好的加工工艺性能（比如焊接性），对于特殊条件下使用的钢种，更要求其具有相应的特殊性能，比如耐高温，耐腐蚀，耐冲击等。因此原来的碳素钢已经不能满足需要，必将有大量的低合金高强度钢被投入使用。低合金高强度钢是指低合金钢中包括C、Si、Mn在内的主要添加元素的含量不超过5%，屈服强度大于600MPa的钢种，是在碳素钢的基础上通过调整碳及合金元素的含量，并辅助一定的热处理工艺实现的。低合金高强钢的主要特点是含碳
14、量低，可焊性好（含碳量一般低于0.45，冷裂敏感指数小于0.3），晶粒细化，屈服强度高，普遍采用Nb、V、Ti等合金元素进行强韧化。大多采用先进的冶炼工艺和形变热处理工艺进行生产1-5。按照低合金高强钢（简称HSLA钢）的屈服强度可以将其大致分为三个等级：A级：s =290-490MPa 热轧、控轧、正火钢B级：s = 490-980MPa 低碳调质钢C级：s = 880-1176MPa中碳调质钢低合金高强钢的发展经历了几个极为重要的时期。20世纪初的低合金高强钢主要用于结构和建筑方面，而且主要是根据屈服强度s进行设计，很少注意钢材的韧性、可成形性和可焊接性；50年代开始大力开发细晶粒化的新材
15、料；70年代以控制轧制技术和钢的微合金化冶金为基础，形成了“现代低合金高强度钢”的新概念；80年代初以来，借助于工艺技术方面的成就开发了适于广泛工业领域和专门领域的品种。在钢的化学成分工艺组织性能的关系中，第一次强调了钢的组织的主导地位，表明低合金高强钢的基础研究已趋于成熟。随着低合金高强钢的不断发展，在高强度、耐高温、耐低温、耐腐蚀等方面满足了焊接结构的要求，并在桥梁、锅炉及压力容器、汽车、舰船、石油管线等领域得到了广泛的应用。低合金高强钢主要是通过调整钢中碳元素和合金元素的质量分数和配以适当的热处理来实现的，当然碳元素和合金元素的增加也会给钢的焊接性带来不利的影响。在低合金高强钢中，随着强
16、度级别的提高，碳元素及合金元素质量分数的增多，势必会引起接头的脆化、软化及裂纹倾向增大。这些焊接性问题的出现，不仅会降低焊接结构安全运行的可靠性，造成焊接结构的早期破坏，而且还会给国家财产和人民生命造成重大损失。为了不断改善低合金结构钢的焊接性，国内从80年代就开始研制并生产焊接性良好的微合金控轧钢和新一代超细晶粒钢，这些新钢种的出现必然会给钢的焊接性带来了重大的变革6。1.1.1我国低合金高强钢的发展现状及面临的挑战在六、七十年代，我国高强度钢的生产几乎处于空白状态，但在国外，其发展和应用已很广泛，而且还有不断增长的趋势。我国在这一领域起步很晚，从7080年代我国控制轧制的基础研究开始进行，
17、在低合金高强钢合金设计中，人们已不再采用以提高钢中碳元素的含量、牺牲塑性来得到更高强度的传统设计方案，新的合金设计是向钢中添加Cr、Ni、V、Ti、Nb、B等少量合金元素，从而提高钢的强度、改善焊接性和耐磨性等力学性能。到目前为止许多低合金高强钢的生产已开始采用此方法，并将成为厚钢板生产的主要方向。对这类钢配套使用的焊接材料的研制成为当前亟待解决的问题之一。由于新一代钢铁材料的晶粒达到超细化，焊接时面临的严重问题是焊缝的强韧化、热影响区晶粒长大等问题。在我国新一代钢铁材料项目中，主要是针对400MPa级和800MPa级超细晶粒钢解决上述焊接性问题，并从焊接材料、焊接方法和焊接工艺等多方面进行综
18、合解决。但是，随着低合金高强钢的广泛应用，尤其是低合金高强钢的焊接，给焊接工作者带来很多困难。为了提高钢材的强度，需要高的含碳量和合金含量，但是随之而来的问题是强度越高，韧性越低，焊接性也越差。国内的研究人员针对该难题做了大量工作，并且也取得了一定的成果。目前国内投入使用的低合金高强钢的强度已经达到600MPa6。发展低合金高强钢是实现我国钢铁工业结构调整的重要部分，也是我国从钢铁大国转变为钢铁强国的关键措施，因此有必要研制和开发既适合焊接又便于热处理的低合金高强钢，以适应不同结构对钢材的需求。我国“新一代低合金高强钢的基础研究”项目已经启动，目标是提高钢材的纯净度、均匀性、超细化组织（力争晶
19、粒尺寸小于1m），使合金钢的强度、韧性比现有钢种提高一倍。此课题的研究将为今后新一代低合金高强钢在我国的深入研究、推广和使用做出一些基础性探讨工作。1.1.2国外新一代低合金高强钢的发展及使用情况国外对低合金高强钢的研究和使用己经很多年了，尤其是超高强结构。最近几十年来，国外特别注重通过冶金的方法从根本上解决钢的焊接性问题，通过冶金措施采用低碳微合金化及控轧控冷等工艺措施生产出了若干种强韧性好、焊接性优良的管线钢、桥梁钢、压力容器用钢等，为焊接用合金结构钢的发展做出了新的贡献。日本首先于1997年投资6000美元启动了“STX-21超级钢铁材料”项目，通过超细化和微合金化使钢铁材料的寿命和性能
20、提高一倍，平均晶粒尺寸从10m降到0.77m6，使普通C-Mn钢的抗拉强度从405MPa 提高到800MPa。瑞典的SSABOXLOSUND公司从90年代开始研制高强钢，到目前为止，已经生产出全世界屈服强度最高的结构钢板WELDOX1100。WELDOX960属于低合金高强结构钢，是SSAB OXELOSUND公司WELDOX系列产品，该钢主要是通过调整钢中碳及合金元素的质量分数并配以适当的热处理来实现强韧性的。作为新一代钢种,WELDOX960高强钢以其优良的性能，如高强度、耐高温、耐低温、耐腐蚀等满足了焊接结构多方面的要求，并在舰船、工程机械、石油管线、锅炉及压力容器、桥梁、汽车、火车、发
21、电设备等领域得到了广泛的应用。低合金高强钢随着性能的不断改善，在许多结构方面的应用已占相当大的比例，特别是海洋用钢、建筑用钢等方面。近几年国外在不同结构上使用低合金高强度钢的比例列于表11中2。表11低合金高强钢在不同结构中所占的比例（%）Tab. 1-1 Percent of HSLA in different fields (%)项 目 欧 洲北 美日 本结构用型钢302010船舶用型钢15302010钢 板 钢2015100钢 筋100510建筑用钢958070海洋用钢板903070海洋用型钢7020101.2新一代低合金高强钢的主要特点新一代低合金高强钢的特点是超细晶粒、超洁净度、高均
22、匀性，其强度和寿命比原同类钢种提高一倍。超细晶粒是指钢材晶粒尺寸达到0.1-10m，超洁净度是指钢中S、P、O、N和H等杂质元素的含量降低到0.005%以下；高均匀性是指钢材的成分、组织和性能的高度均匀，并强调了组织均匀的主导地位3。新一代低合金高强钢主要通过冶金处理和各种强化途径来实现其强韧性。1.2.1新一代低合金高强钢的冶金特点1. 洁净化 钢材的洁净化具有两个含义，一是最大限度地去除钢中S、P、O、N、H（有时包括C）等杂质元素；二是严格控制钢中夹杂物的数量、成分、尺寸、形态及分布。钢的洁净化能够显著提高钢材的强韧性和焊接接头的抗裂性，使钢材的焊接性得到明显提高，当然要求焊缝也必须洁净
23、化。目前大工业生产中钢水的洁净度从普通钢的W(S+P+O+N+H)25010-6降低到经济洁净钢的W(S+P+O+N+H)12010-6。国外一些先进钢厂对S、P、O、H、N的总量已控制在5010-3以下，达到超洁净钢的水平，并且有进一步降低的趋势。2. 细晶化 新一代低合金高强钢的细晶强化是采用多元微合金化和控轧控冷技术较大幅度地细化晶粒来提高钢的强韧性。如70年代生产的性能优良控轧钢CR钢Controlled Rolling），80年代通过对轧制后立即加速冷却所生产的TMCP钢（Thermal-Mechanical Control Process）。其基本思想是根据轧制方法的不同，向钢中加
24、入微量的Ti、Mo、V、B、Re等合金元素中的一种或几种，阻止高温奥氏体的长大，控制奥氏体的再结晶温度，增加铁素体的形核率，并通过控轧控冷细化晶粒，从而达到细晶强化的目的。1.2.2新一代低合金高强钢的强化途径实现新一代低合金高强钢的强化主要有两条途径：热处理强化和合金强化。1. 热处理强化 热处理是提高钢材强韧化最有效和最经济的方法之一。所谓热处理强化是将钢板加热至奥氏体化温度，然后控制冷却速度得到晶粒细小，强度和韧性比较好的组织。因为热处理可以细化奥氏体晶粒，使晶界增加，抗塑变能力提高，从而提高钢材的强度。另外，通过热处理控制组织及其形态也可以达到强化的目的，比如针状铁素体、低碳马氏体和粒
25、状贝氏体等。2. 合金强化 合金强化是新一代低合金高强钢的另一强化途径。钢中加入St、Mn、Cr等合金元素，除了可以固溶强化基体外，还可使CCT曲线向右移动，相同冷速下可获得更加细小的珠光体组织，以提高其强度。钢中加入强碳化物形成元素Nb、V，当它们固溶到奥氏体中去时，可使CCT曲线向右移动，起到延缓珠光体开始转变的作用。当形成第二相颗粒时，则起到析出强化作用。另外，无论是固溶态还是析出态的Nb、V，都可延缓奥氏体再结晶，起到细化奥氏体晶粒，提高塑韧性的作用。新一代低合金高强钢的发展趋势是：开发既具有良好焊接性能，又适合于热处理的微合金钢，此种钢在合金元素强化的基础上，再经热处理可得到更高强度
26、，而塑性韧性不降低。1.3新一代低合金高强钢对焊接材料的要求钢铁冶金技术的发展使低合金高强钢实现了洁净化、细晶化和力学性能上的强韧化，这就要求与之匹配的焊接材料也必须实现洁净化和细晶化，否则焊缝的性能将不能与新钢种匹配，从而成为焊接接头的薄弱部位。因此，使焊接材料不断适应钢种的发展要求是亟待解决的重要课题。1.3.1新一代低合金高强钢的焊接性由于新一代钢铁材料晶粒极度细化，焊接中面临的严重问题是焊缝的强韧化、热影响区晶粒长大等。在我国新一代钢铁材料项目中，主要是针对400MPa级和800MPa级超细晶粒钢解决上述焊接性问题，并从焊接材料、焊接方法和焊接工艺等多方面进行综合解决6。随着冶金技术的
27、提高，新钢种的强度级别和焊接性能也在不断提高，这就需要研发高质量的焊接材料与之相匹配，实现焊缝的强韧化。对于新一代低合金高强钢的焊接技术，主要应向高效和自动化方向发展，在不提高合金元素的条件下，强度、寿命均提高一倍，这不仅是钢铁材料的重大变革，而且也对焊接技术和焊接材料的发展提出了新的挑战。1.3.2新一代低合金高强钢对焊接材料的要求基于新一代低合金高强钢自身的特点，对焊接材料也提出了相应的要求。1. 焊缝金属的洁净化 焊缝金属的洁净化是与钢板洁净化的含义相对应的，焊缝金属的洁净化同样意味着焊缝金属中的S、P、N、H、O元素的含量尽可能低，而且还要控制焊缝中夹杂物的数量、种类、形态、尺寸及分布
28、。这样不仅可以显著提高焊缝金属的冲击韧度，而且还可以降低焊缝金属的裂纹倾向。实现焊缝金属洁净化的主要途径有：a) 对杂质含量进行严格的控制，通过冶炼技术实现焊接原辅材料的洁净化。b) 优化配方及工艺参数，利用焊接冶金反应进行脱氧、脱硫、脱磷、脱氮和除氢。c) 通过焊缝的微合金化、洁净化和使焊缝中出现大量的针状铁素体，达到显著提高焊缝金属的强韧性和抗裂纹扩展能力的目的。2. 焊缝金属的强韧化焊缝金属的强韧化主要是通过合金化控制焊缝的组织实现的。对400MPa级的调质钢，只要通过调整焊缝组织使其获得细小的针状铁素体即可获得理想的强韧性，而对于800MPa级的高强钢，要实现焊缝金属与母材的等匹配较为
29、困难。因为随着强度级别的提高，碳当量增大，焊缝的冷裂倾向增大，因此要实现焊缝的强韧化，避免冷裂纹，需开发与母材性能相匹配的焊接材料，但国内目前在这方面尚无成熟的经验。1.4本课题的研究背景及意义在现代科技高度发展的时代，强大的军事装备是一个国家独立富强的首要保证，而军用车载桥梁作为应急工程结构，是评价一个国家军事装备不可忽视的重要指标之一。所谓应急工程结构是指在紧急情况下以保证强度和稳定性为主，使用期限较短、便于拆换、能快速建成的临时工程结构。应急钢桥包括固定式桥(拆装式钢桥)、浮桥(舟桥)和冲击桥(架桥坦克)等军用桥梁系列,也称军用桥梁族，主要用于部队和车辆强渡江河、穿越峡谷、跨过沟壑等。与
30、普通桥梁相比，军用车载桥梁除了技术要求外同时还要满足一定的战术指标要求，可以说,军用车载桥梁是桥梁结构在军事领域中的延伸，除与一般桥梁有其共性外,还具有快速性、机动性和多用性等特点。特殊的使用场合和严酷的服役条件要求军用车载桥梁不仅强度高，耐冲击，保证车辆可以迅速安全地通过天然峡谷、反坦克壕和天然雷区，而且必须尽量减少自身的重量，便于运输和快速安装。这就对钢桥制造过程中金属材料、制造技术和焊接工艺提出了挑战。基于军用车载桥梁服役条件的特殊性和严酷性，对钢材的强度提出了挑战，要求所选钢材强度级别高，在不增加钢桥自身重量的前提下具有足够高的强度，可以承担汽车、坦克的重量；其次钢材要具有优异的加工工
31、艺性能，尤其是焊接性，确保接头具有与母材同样的力学性能，主要是塑性、低温冲击韧性和抗疲劳特性。在我国随着冶金技术的提高，新钢种的性能也不断提高，但是由于缺乏与之相匹配的高质量的焊接材料，难以实现焊缝的强韧化。同时由于我国大多数新钢种主要是靠添加合金元素来提高钢材的强度的，众所周知，大量的合金元素可以提高钢材的强度，但是也影响了钢材的焊接性，随着合金元素含量的增加，焊接裂纹倾向增大，焊接工艺复杂，难以向焊接的高效化和自动化方向发展。而目前国内应用比较成熟的低合金高强钢强度级别主要是600MPa，难以满足军用车载桥梁的要求，因此需要引进新的钢种。WELDOX960高强钢是由瑞典SSAB公司的子公司
32、OXELOSUND公司研制生产的低合金高强度钢，主要特点是含碳量低，合金元素含量低，经调质处理后（淬火回火）屈服强度高达960Mpa以上，并且具有好的冷弯性能、优良的焊接性和低温冲击韧性（在-40冲击功为27J），综合性能优异，比较适合于在严酷条件下服役。基于WELDOX960高强钢优异的焊接性能和机械性能，山西省绛县五四零九厂计划使用该钢种开发新产品，用于军用车载桥梁的制造。本研究是与五四零九厂合作开展WELDOX960低合金高强钢焊接性的研究，主要参照金属焊接国家标准对WELDOX960高强钢接头的力学性能和抗裂性进行试验，并通过对接头的性能和微观组织进行分析研究其强化、韧化机理，合金元素
33、对其热处理和焊接性能的影响以及钢材的焊接适应性，为合理地开发和使用低合金高强钢提供技术依据。1.5本课题预期达到的目的1. 了解低合金高强钢的国内外发展和使用情况。2. 了解WELDOX960高强钢的强化途径和工艺措施。3. 掌握WELDOX960高强钢的综合机械性能和焊接性能。4. 保证采用WELDOX960高强钢开发的产品的质量和使用性能。5. 加快国产新一代钢种及匹配焊接材料的进一步开发。第二章 WELDOX960高强钢的生产工艺及性能科学技术的不断发展对工程结构和机械零件所使用的钢材的性能提出了越来越高的要求，不仅要具有高的强度，而且要兼有良好的塑性、韧性和优异的焊接工艺性能。WELD
34、OX960高强钢属于OXELOSUND公司生产的WELDOX系列调质结构用钢，屈服强度大于960MPa，具有优异的综合机械性能，可望在我国的焊接结构生产中得到广泛使用。2.1 WELDOX960高强钢的生产工艺占有瑞典钢铁产量一半的SSAB公司是一家比较典型的长流程工艺生产企业，主要研制、加工和销售中厚钢板。该公司拥有全世界最先进的连续轧制淬火四辊轧机，生产出的钢板尺寸精度高，综合性能好，具有高硬度、高强度、高韧性，以及表面高平整度和优良的加工性能，在世界各个领域得到了广泛的应用。本课题采用的钢板WELDOX960高强钢是由瑞典SSAB公司的子公司OXELOSUND公司研制生产的结构钢板，主要
35、特点是含碳量低，合金元素含量低，强度高。钢板经过调质(淬火回火)处理后组织为低碳回火马氏体，晶粒细小，平均晶粒尺寸为5m，综合性能优异，在高强度的焊接结构中如车辆、铁路、桥梁、起重装置和伐木工具等领域中得到广泛应用。WELDOX960高强钢主要是通过精炼降低杂质元素S、P含量，精确控制合金元素含量，加上形变热处理后调质处理(QT)等手段生产出来的。形变热处理后调质处理是提高材料强度的最有效方法。2.1.1 WELDOX960高强钢的轧制工艺SSAB在WELDOX960板坯的冶炼和铸造中采用传统的冶金工艺和现代连铸技术相结合，经过冶炼炉外精炼连铸控轧、控冷的生产工艺，生产出的钢板成分精确，残留元
36、素含量非常低，铁水经过预处理后硫的含量可以降至0.015%左右，炉外精炼进一步使硫含量降至0.003%。另外钢坯在进入连轧机组的粗轧机之前，都要经过高压水除鳞，连轧机各个辊道全部采用滚动式轧制淬火辊道代替原来的静态轧制淬火辊道，轧制采用高刚度、无扭、无张力（或微张力）连轧，钢板裁剪采用激光微机控制自动剪切，因此产品表面质量高，尺寸精确，这些都为产品良好的综合性能奠定了基础。WELDOX960高强钢优异的综合性能除了先进的冶炼技术和精密的轧辊机外，轧制淬火设备是保证产品质量的关键因素。该钢在轧制淬火过程中，为了保证及时淬火，尽量减小加热炉和淬火装置之间的温差，奥氏体化加热炉和淬火装置紧紧相邻。轧
37、制时先将板坯均匀加热到1200，经四辊轧机轧制后进行空冷。为了保证钢板的轧制精度（误差不超过0.35mm），轧辊加工车间采用全封闭式恒温均温操作，以保证轧辊不至于因环境温度的微小差异而产生尺寸偏差，同时严格控制气氛，防止钢板被氧化，影响钢板的表面质量和综合性能。适宜的轧制温度保证了尺寸的精确，为形成后续冷却需要的金属组织结构奠定了基础。2.1.2 WELDOX960高强钢的淬火和退火工艺钢板轧制完成后首先进行空冷，然后送到淬火段。板坯在奥氏体化加热炉中板坯被加热至900，从加热炉出来后立刻进入连续轧制淬火装置。与传统的静态淬火装置有所不同，连续轧制淬火装置是指在整个淬火过程中钢板一直处于运动状
38、态。静态淬火装置和连续轧制淬火辊道分别如图2-1所示8：(a)(b)图2-1静态轧制淬火装置和连续轧制淬火装置的区别Fig.2-1 Difference between Static quenching plant and Continuous roller quenching plant与静态淬火工艺（图a）相比，在连续轧制-淬火工艺中(图b)，钢板在运动状态下进行均匀连续的淬火，淬火温度均匀，使钢板在轧制中由于变形不均匀产生的内应力大大减小，板坯成型美观，板坯的表面质量好，同时也提高了板坯的加工性能。而对于传统的静态淬火工艺，由于板坯在淬火过程中被固定在钢锭之间，该部分不能正常淬火，生产出
39、钢板表面不平整，淬火不均匀，而且内部存在残余应力等缺陷。钢板从加热炉出来后先进入高压喷水连续冷却辊道，辊道的温度极低，板坯可以迅速从900降到较低的温度，从而保证了轧制质量。然后钢板进入长的低压喷水连续冷却辊道继续轧制淬火直至室温。钢板在整个轧制淬火过程中都处于运动状态。独特的轧制淬火工艺，使WELDOX960高强钢的强度大幅度提高，耐磨性大大增加，因此可以适当降低钢材中合金元素的含量，尤其是C、Mn、Cr元素的含量，从而降低碳当量，改善钢材的焊接性，可以达到在不增加合金元素的情况下改善钢材的性能，即所谓的以水实现钢材合金化的目的。WELDOX960高强钢淬火后立即进行回火得到强韧性较好的回火
40、索氏体和少量的低碳马氏体组织，具有高强度、高硬度与较好的塑性和缺口冲击韧性，加工性能和焊接性能良好。WELDOX960高强钢的热处理工艺如图2-2所示8。回火图2-2 WELDOX960高强钢的热处理工艺示意图Fig.2-2 Schematic diagram of WELDOX960 heat treatment processing2.2 WELDOX960高强钢的机械性能WELDOX960高强钢由于含碳量低，合金元素含量低，化学成分精确；残留元素含量非常低，通过冶金技术最大限度地控制钢中S、P、O、N、H等杂质元素的含量和钢中夹杂物的数量、成分、尺寸、形态及分布，因此具有良好的综合机械性
41、能。2.2.1WELDOX960高强钢的冶金特点与传统的合金结构钢相比，WELDOX960高强钢碳含量低，合金元素含量低，C、S、P等杂质元素得到有效控制，因此焊接时液化裂纹和结晶裂纹倾向很小。低夹杂，均匀是钢材良好成型的先决条件。WELDOX960高强钢的化学成分见表2-1。 表2-1 WELDOX960高强钢的化学成分（wt.%）Tab. 2-1 Chemical component of WELDOX960（wt.%）元 素CSiMnSPCr标准值0.170.221.20.0040.0050.45元 素MoCuTiNiBCE*标准值0.501.00.0020.560.64*）+ 7 （2
42、-1）均匀的合金成分和优良的加工性能相结合，使得WELDOX960高强钢具有高韧性(其韧性几乎相当于普通钢板的2倍)，优异的弯曲性能、冲击韧性和抗裂纹性能。WELDOX960高强钢调质后具有良好的综合机械性能，除了冶炼轧制技术外，主要还与其合金元素和调质处理后的组织有关。在控制合金元素方面OXELOSUND公司主要采取的措施如下：1. 控制钢中S元素的含量由于钢中的S元素与Mn元素易结合形成MnS，而MnS比较软，在轧制过程中易形成带状组织，这大大地破坏了钢材的韧性和弯曲性能。所以在WELDOX960钢材中加入一定量的Cr和Ce进行脱S处理。因为S更容易和Cr、Ce结合形成CrS和CeS，然后
43、随钢渣一起排出，从而大大降低了S的含量。而残余的CrS和CeS由于比较硬，在轧制过程中保持细球状，这种形状相对于带状组织而言，对钢材的韧性是极其有利的。WELDOX960高强钢中S含量一般控制在0.004%以下。2. 加入少量的B元素在WELDOX960高强钢的设计中，向钢中添加Cr、Ni、B等少量合金元素，可以提高钢的强度、改善钢的焊接性和耐磨等力学性能。研究发现5，当钢中含有微量的B元素时，可以大大地提高钢材的硬度，从而达到降低钢中C和合金元素含量的目的，同时通过适当增加B的含量还可以大大改善钢材的焊接性。3. 加入可以提高淬透性的元素对调质钢而言，合金化的主要目的是提高钢的淬透性，WEL
44、DOX960高强钢中加入了可以提高淬透性的元素Mn、Cr、Mo、B、Si、Ni，淬火后得到低碳马氏体，使钢材具有良好的机械性能。4. 加入防止第二回火脆性的元素调质钢的回火温度正好处于第二类回火脆性温度范围内，钢中含有Mn、Cr、B、Ni元素时，会增大其对回火脆性的敏感性。回火后快速冷却，加入抑制回火脆性的元素Mo可以保证使WELDOX960高强钢具有优异的综合性能。2.2.2 WELDOX960高强钢的机械性能WELDOX960高强钢调质后的机械性能见表2-2，2-38。 表2-2 WELDOX960高强钢的机械性能Tab. 2-2 Mechanical properties of WELD
45、OX960屈服强度s (N/mm2)抗拉强度 b(N/mm2)最高硬度HB96010509801150325延伸率V型缺口冲击韧性Akv(J)A5 min (%)A50 min (%)0-20-401215353027备注：A5表示拉力棒的尺寸是L0=5d0, A50表示拉力棒的尺寸是L0=50d0。 表2-3 WELDOX960高强钢的弯曲性能Tab. 2-3 Bending properties of WELDOX960R/tW/tR/tW/t3.08.54.010.0备注：R为压辊上模半径，W为下模开口宽度，t为钢板厚度，表示沿垂直于轧制方向进行弯曲，表示沿平行于轧制方向进行弯曲。2.3
46、 WELDOX960高强钢的强化机理WELDOX960高强钢主要通过细化晶粒、加工硬化和合金强化三种途径提高其强度的。2.3.1晶界强化 晶界强化主要是通过细化晶粒来实现的。在常规的钢材强化途径中，只有细晶强化可以使金属的强度和韧性同时提高。细化晶粒可以增加晶界，晶界的主要作用是阻塞位错运动，晶粒越细，晶界越多，阻塞位错滑移的作用就越大，结果可以使金属材料的屈服强度升高。细化晶粒不仅可以提高钢的强度，而且可以提高钢的塑性和韧性。关于金属的屈服强度与晶粒直径D之间的定量关系可以用Hall-Petch公式9来描述： （22）式中S为晶界上“坎”的密度，k为与位错分布有关的试验待定常数。从公式中不难
47、发现材料的屈服强度和晶粒尺寸的平方根成反比，即晶粒越细，材料的屈服强度就越高，晶粒的大小对材料的力学性能有重要的影响。实践证明当晶粒的尺寸小于5m时，不仅强度显著提高，韧性也有很大改善。因此在生产中要对材料的晶粒度提出要求，通过技术条件和热处理规范控制材料的晶粒度。在WELDOX960高强钢的生产中主要采用提高冷却速度和控制变形程度达到细化晶粒的目的。晶界阻碍变形的能力并不是由于晶界具有很高的强度，主要是由于晶界两边的晶粒取向不同，滑移一般难以从一个晶粒直接传播到取向不同的另一个晶粒。另外晶界的变形必须满足连续性条件，即一个晶粒的形状变化必须有临近晶粒的协同动作，以保持晶粒之间微观结构上的连续性，因而这就需要更高的外加应力来开动某个滑移系，宏观上体现为材料的强度增加。2.3.2应变强化应变强