简要说明：万信宝牌的金昌440C不锈钢板产品：估价：18961836369，规格：18961836369，产品系列编号：18961836369

40cr圆钢由于在制造过程中采用大热输入量焊接或焊后热处理，而存在韧性恶化的风险，因而40cr圆钢在设计钢中的Nb时要考虑焊接金属的韧性。除Nb对母材性能的有利作用外，本文对克服其不利作用的最新技术做了简要介绍。最近，Nb的奥氏体调节作用被扩大到贝氏体和马氏体组织结构。应用这些高强组织使建造大量的巨型钢结构成为可能。另一方面，充分利用Nb在γ+α两相区控轧中的作用，可以开发出大型集装箱船用最安全的40cr圆钢。

在常用微合金化元素Ti、Nb和V当中，Nb与C、N具有中等的结合力。通常来讲，Nb的加入可与其他微合金化元素一道在钢中起作用，可以改变微合金化冶金的多个方面。例如，碳氮化物的平衡化学成分会随着温度发生变化，对(Ti, Nb)(C, N)体系，其析出相的特性可以通过预先工艺参数进行控制，析出相的尺寸分布也可以一定程度地通过微合金化元素工艺进行控制。

1钢中的Nb

1.1铌在TMCP工艺中的作用

TMCP中铌主要有以下三个作用：①延迟再结晶；②降低γ-α转变温度；③与其他微合金化元素完全固溶。

Nb延迟再结晶的作用是有效实施控轧工艺的关键因素，仅加入少量的Nb，再结晶温度就能被显著地提高。这具有决定性的实用价值，因为它可以扩大控轧操作的温度区间。另一方面，Nb延迟γ-α (奥氏体-铁素体)转变的作用对于实现加速冷却操作非常关键。在每一个形变和冷却条件下，Nb的加入均能够明显降低γ-α转变温度。Nb的这种作用伴随着加速冷却可以显著提高钢材强度。

从实际应用的角度，Nb对于TMCP的最主要作用是其在不损害焊接性能的情况下有显著的强化作用。当在γ-α两相区控轧12mm厚的40cr圆钢时，仅添加0.03%Nb就可以使抗拉强度为500MPa级别的碳钢提高抗拉强度多于100MPa，而当加速冷却100mm厚的40cr圆钢，加入0.03%Nb 可使该钢的抗拉强度提高约50MPa。除对钢有显著的强化作用外，Nb对钢的HAZ氢裂纹、熔融裂纹或者熔敷金属等焊接性能没有明显作用。也就是说，Nb与众不同的是在提高强度的同时不损害焊接性能。这意味着，Nb能够让较多数的40cr圆钢降低碳含量或是碳当量。虽然在焊接中预期Nb可能会带来一些不利的作用，但是Nb让碳含量降低的作用通常会抵过这些不利影响。这也是为什么含Nb的TMCP工艺能成为全球范围内40cr圆钢生产的主流方法的原因。

1.2 含Nb钢的焊接

虽然Nb在TMCP工艺中对于改善基体的性能不可或缺，但是有时候Nb本身会对焊接有害，Nb对焊接性能的负面作用源于其本身的固有属性，其中影响最大的是Nb对γ-α转变的延迟作用。对于抗拉强度500MPa强度级别的钢材，在焊接冷却过程中固溶Nb会增加HAZ区贝氏体转变的倾向。上贝氏体转变的过程又将产生马氏体-奥氏体（MA）组织。即在铁素体板层中保留了富碳奥氏体，而形成MA组织。当采用相对宽范围的热输入量时，MA通常是HAZ区性能恶化的主要原因。MA组织的形成量与固溶Nb含量有很大关系。这是在某些情况下Nb在提高钢的HAZ区硬度中扮演重要角色的佐证之一。MA组织一旦生成，在连续热循环周期中板状的MA会分解成小的MA板条，会使得微裂纹更易发生，而进一步恶化HAZ区性能。然而，在热循环之后的低温度峰值，Si含量的降低同样会促进MA结构的分解。据观察，P含量的降低具有与Si类似的作用。

在这些较高热输入量焊接速度下，如果采取充分的手段避免MA结构的生成，Nb的不利作用就可以被减弱。降低C或MA相的其他友好元素比如Si，是最有效并被广泛应用的措施之一。其结果是，在低碳情况下上贝氏体转变中保留的奥氏体将分解成渗碳体和铁素体。当Nb（0.10%）用到管线钢时，采用较低碳含量是成功设计该钢种成分的关键所在。对于40cr圆钢，最简单的对策是限制固溶形式的Nb含量。同时加入少量的Nb和Ti比单纯添加Nb的钢韧性会更好。复合添加微合金化元素引起韧性改善的原因主要是形成更加细小的富氮析出相，在钢中添加Nb和Ti并配合正确的工艺能够显著降低碳氮化物的尺寸大小。在Nb-Ti复合钢中，析出相富氮，在HAZ的热过程中比只含Nb的钢析出相更稳定。基体中这些细小稳定的粒子不仅可以有效地抑制晶粒长大，而且可以在HAZ区热循环过程中，将促进MA生成的固溶微合金化元素含量降到最低。

1.3含Nb的TMCP钢

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通过显著降低钢的Ceq或Pcm值，Nb和TMCP工艺可明显改善40cr圆钢的韧性。与传统钢相比，大多数40cr圆钢的Ceq值通过TMCP和含Nb设计可至少降低0.05%。目前，在Nb作为合金化元素的条件下，用户可全面享用到TMCP钢带来的好处。

图1总结了日本在2007年的不同领域应用热轧/TMCP/热处理各工艺生产的40cr圆钢的比例。虽然TMCP在建筑和储罐领域用40cr圆钢的应用比例小，但对于海洋工程和管线用钢则是TMCP工艺的主要应用领域。现在日本生产的海洋结构和管线用40cr圆钢几乎都是TMCP钢。在2007年，TMCP钢的平均应用比重达到54%。所有的TMCP钢都含有微合金化元素Nb。这意味着大约有一半的现代40cr圆钢为获得良好使用性能而需要加Nb。

图1各工业领域采用不同生产工艺40cr圆钢的应用比例（来自日本钢厂2007年4-6月期间的数据）

2造船及海洋40cr圆钢中Nb的应用

2.1趋向更高安全性—脆性裂纹止裂

在造船领域，对40cr圆钢止裂性能比任何其他40cr圆钢领域更加重视。如果40cr圆钢的Kca值（阻止脆性裂纹扩展的应力强度因子，由ESSO试验获得）大于6000N/mm3/2 (基本上等于600kg/mm2√mm)，长途扩展的脆性裂纹就会被40cr圆钢组织阻止。为此，6000N/mm3/2 Kca 值已经成为船体和甲板用40cr圆钢止裂的标准。然而，近年来大型集装箱船的舱口和舱口栏板的厚度已经达到80mm以上，考虑到现代大型集装箱船的安全，近来日本又开始开展研究厚规格船板的脆性裂纹行为。研究的主要目标是开发出Kca值更上一个台阶的厚40cr圆钢。

利用含Nb的TMCP工艺进行织构控制的方法，已被应用于大型集装箱船用厚40cr圆钢；为开发65mm厚的EH36（最低屈服强度为355MPa，要求-40℃的夏比冲击）40cr圆钢，测试了脆性裂纹扩展的抑制能力。该含Nb钢采用无Ni设计，但是-10oC下的温度梯度型ESSO测试结果显示其Kca值大于10KN/mm3/2。该Kca值远大于薄止裂40cr圆钢6KN/mm3/2的老指标。不过，厚度为65mm的40cr圆钢尚未验证该Kca值，但据估测，所要求的Keff 值会在7KN/mm3/2左右。

模拟断裂试验表明，Nb对建造现代安全的集装箱船有着卓著的贡献。然而，必须注意到试验中用于舱口栏板的传统钢亦含有Nb，但是由于Nb在该钢种的作用是在TMCP操作中提高钢的强度，其-10oC 的Kca值差不多仅为3800N/mm3/2。因此，如所有的合金化元素，其中Nb应用的关键点是：只有在TMCP工艺中采用恰当的工艺，才能展现出Nb的真正实用价值。

2.2 趋向更优的HAZ韧性

1）低热输入量焊接（海洋结构）

含Nb钢最难的设计是用于低温环境而且还要HAZ区韧性良好的钢。对于这些低温钢，第一优先的问题是在具备良好焊接性能的基础上确保母材的低温韧性。因此，含Nb的TMCP钢可谓自然天成。但是，如果HAZ区韧性的要求非常严格或采用大热输入量焊接，就要采取特别的办法减轻Nb对焊接的不利影响。采取的措施会随应用的热输入量发生变化，这是因为韧性控制因素会随焊接热输入量而变化。当热输入量变小时，MA结构的形成是韧性恶化的罪魁祸首，而当热输入量变大时，源于大奥氏体晶粒转变的组织本身是需要控制的主要因素。用低热输入量焊接制造低温钢构件应是首先考虑的。

海洋结构用40cr圆钢HAZ区的CTOD韧性应通过API RP 2Z 或 EN 10225的资格认证，母材的韧性亦要如此。这对HAZ区的韧性要求是现行所有碳钢40cr圆钢材料标准中最严格的一个。通常需要的CTOD测试温度一般为0oC到-10oC，但是Sakhalin工程降到-40oC，而最近北极地区的发展工程则达到-60oC。毋庸讳言，含Nb的TMCP钢是这些厚板的最佳选择，但是一种保持HAZ区高韧性和高稳定性的技术至关重要。

根据API RP 2Z的资格认证试验，热输入量应至少在0.8-4.5kJ/mm范围内。等于或小于0.8 kJ/mm的最低热输入量，同时要克服由MA组织生成引起的局部脆性问题，以获得更好的HAZ区韧性。固溶Nb在某些情况下促进MA组织生成。基于这个理念，开发海洋结构用高质量厚板，并在1994年首次应用到SHELL MARS张力腿平台。用开发的低Al含Nb钢生产的4〞厚345MPa (屈服强度)的钢种和3〞厚414MPa 的钢种均显示出非常低的冲击转变温度。MARS甲板钢的生产表明，-80℃的所有中间厚度40cr圆钢的横向夏比冲击的剪切面积超过50%，冲击吸收功达到130-460J。该低温韧性水平只有当低碳、低合金厚板采用含Nb的TMCP技术时才能取得。自MARS工程后，低Al含Nb的TMCP钢已被用于大部分的现代张力腿平台。

2）大热输入量焊接（船舶）

当焊接热输入量提高，由于不能在如此低的冷却速率下生成MA，它的作用就消失了。图2显示了不同热输入量焊接模拟试验的观察结果，这里采用两步电抛光技术显示MA。从观察看，采用60kJ/mm热输入量焊接时，MA并不显著。随着热输入量的提高，奥氏体晶粒长大对HAZ区韧性的影响也削弱。当热输入量增加，HAZ区的组织结构本身将成为控制韧性的主要因素。巴彦淖尔440C不锈钢棒坚持用法治和市场化手段金昌440C不锈钢板

图2  不同热输入量焊接模拟试验的观察结果

如果晶内铁素体增加，韧性通常改善。提高晶内铁素体形核的办法之一是弥散钢中的细小氧化物。氧化物非常稳定，甚至在严酷的焊接热循环过程中，如果它们仍以小颗粒的形式存在，就很有可能成为铁素体形核质点。过去，稀土金属氧化物和Ti的氧化物已经被用于此目的。然而，如在优化的微合金中加入B，晶内铁素体转变也被提高。B像C和N一样在钢中扩散迅速，但是其生成碳化物或氮化物的能力并不太强。所以，固溶B扩散至奥氏体晶界，并在那里偏聚。这将导致奥氏体的界面能降低，抑制铁素体从奥氏体晶界上形核，间接地促进生成晶内铁素体。对于微合金的碳氮化物，它们析出在晶界上，但是容易在大热输入量焊接下慢速冷却中长大。由此，这些析出相对降低晶界能的贡献并不大。

对于低温钢，Nb在降低碳当量方面很关键，但是对于大热输入量焊接的情况则要小心控制加入量。表1显示了LPG船用含B钢的化学成分。这种钢含有除了Nb、Ti和B外没有其他合金元素，这要感谢Nb的热机械作用，使得在LPG储藏温度下母材金属和HAZ区都具有很好的韧性。

3结论

目前，在日本生产的近一半的40cr圆钢都采用作为合金化元素的Nb，Nb的卓越作用源于它在提高强度的同时并不损害焊接性能。

40cr圆钢不同于管线钢，由于在制造过程中采用大热输入量焊接或焊后热处理，而存在韧性恶化的风险，因而40cr圆钢在设计钢中的Nb时要考虑焊接金属的韧性。最近，Nb的奥氏体调节作用被扩大到贝氏体和马氏体组织结构。应用这些高强组织使建造大量的巨型钢结构成为可能。另一方面，充分利用Nb在γ + α两相区控轧中的作用开发出现代大型集装箱船用最安全的40cr圆钢。

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