1.1 低合金鋼由來(lái)

中國(guó)鋼產(chǎn)量已突破1億噸，鋼材數(shù)量不再是主要矛盾，鋼材品種結(jié)構(gòu)不合理的矛盾十分突出。當(dāng)前行業(yè)的主要任務(wù)是努力提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，站在可持發(fā)展的新起點(diǎn)上，把大力開(kāi)發(fā)低合金鋼列入發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。許多普鋼企業(yè)在鋼材品種結(jié)構(gòu)調(diào)整和編制科技發(fā)展規(guī)劃中，已意識(shí)到低合金鋼生產(chǎn)是提高產(chǎn)品技術(shù)含量和附加值的關(guān)鍵，對(duì)低合金鋼開(kāi)發(fā)中碰到的種種問(wèn)題心中無(wú)數(shù)，一些科技管理干部覺(jué)得“成也低合金鋼，敗也低合金鋼”，迫切要求對(duì)低合金鋼有個(gè)全面的了解。

按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，把鋼區(qū)分為非合金鋼和合金鋼兩大類(lèi)，非合金鋼是通常叫做碳素鋼的一大鋼類(lèi)，鋼中除了鐵和碳以外，還含有爐料帶入的少量合金元素Mn、Si、Al，雜質(zhì)元素P、S及氣體N、H、O等。合金鋼則是為了獲得某種物理、化學(xué)或力學(xué)特性而有意添加了一定量的合金元素Cr、Ni、Mo、V，并對(duì)雜質(zhì)和有害元素加以控制的另一類(lèi)鋼。

原則上講，合金鋼分為低合金鋼、中合金鋼和高合金鋼，顧名思義，以含有合金元素的總量來(lái)加以區(qū)分，總量低于3％稱(chēng)為低合金鋼，5～10％為中合金鋼，大于10％為高合金鋼。在國(guó)內(nèi)習(xí)慣上又將特殊質(zhì)量的碳素鋼和合金鋼稱(chēng)為特殊鋼，全國(guó)31家特鋼企業(yè)專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)這類(lèi)鋼，如優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、合金工具鋼、高速工具鋼、碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼、軸承鋼、不銹鋼、耐熱鋼、電工鋼，還包括高溫合金、耐蝕合金和精密合金等等。在鋼的分類(lèi)上，近年雖努力向國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)靠攏，但還有許多不同之處。

① 隨著特鋼向“特”、“精”、“高”發(fā)展，向深加工方向延伸，特鋼的領(lǐng)域越來(lái)越窄。美國(guó)特鋼協(xié)會(huì)將特鋼定位在工模具鋼、不銹鋼、電工鋼、高溫合金和鎳合金。日本把結(jié)構(gòu)鋼和高強(qiáng)度鋼歸并在特鋼范疇。隨著我國(guó)普鋼企業(yè)的技術(shù)改造和工藝進(jìn)步，特鋼企業(yè)的產(chǎn)品領(lǐng)域也在縮小，1999年普鋼廠(chǎng)已生產(chǎn)特鋼產(chǎn)品總量的34％。

② 國(guó)外的低合金鋼，實(shí)際上是我們所熟悉的低合金高強(qiáng)度鋼，屬于特殊鋼范疇，在美國(guó)叫做高強(qiáng)度低合金鋼（HSLA—Steel），俄羅斯及東歐各國(guó)稱(chēng)為低合金建筑鋼，日本命名為高張力鋼。而在國(guó)內(nèi)，首先是把低合金鋼劃入了普鋼范圍，概念上的區(qū)別導(dǎo)致在產(chǎn)品質(zhì)量上的差異。在名稱(chēng)上也幾經(jīng)變化，如低合金建筑鋼、普通低合金鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼，至1994年叫做低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（GB/T1591—94）。到目前為止，從發(fā)表的資料文獻(xiàn)來(lái)看，低合金鋼的名稱(chēng)仍然隨著國(guó)家、企業(yè)和作者而異。

③ 低合金鋼與碳素鋼、低合金鋼與合金鋼之間，明確劃出的概念是不存在的。在國(guó)外，50年代曾給低合金鋼下過(guò)定義，總的意思是，凡是合金元素總量在3％以下，屈服強(qiáng)度在275Mpa以上，具有良好的可加工性和耐腐蝕性，以型、帶、板、管等鋼材形狀，在熱軋狀態(tài)直接使用的軟鋼的替代品。當(dāng)然，在技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中，低合金鋼不論在合金含量、性能水平和交貨狀態(tài)，已經(jīng)有了很大的變化。

在我國(guó)，低合金鋼是一個(gè)更加籠統(tǒng)的鋼類(lèi)，鋼材品種不僅含有低合金焊接高強(qiáng)度鋼，還包容了低合金沖壓鋼、低合金耐腐蝕鋼、低合金耐磨損鋼、低合金低溫鋼、甚至還納入了低、中碳含量的低合金建筑鋼和中、高碳含量的低合金鐵道軌鋼。具有中國(guó)特色，但帶來(lái)的一個(gè)問(wèn)題是缺乏與國(guó)外統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的可比性。

1.2 早期低合金鋼的發(fā)展

低合金鋼的出現(xiàn)可以追溯到19世紀(jì)的1870年，一種碳含量0.64～0.9％和鉻含量0.54～0.68％、抗拉強(qiáng)度685Mpa、彈性極限410Mpa鋼，第一次被采用于工程結(jié)構(gòu)，建造了跨度158.5m的拱形橋梁。但這種鋼不理想也是十分明顯的，需要軋后熱處理，難以機(jī)械加工，耐蝕性又不良。隨后的1個(gè)多世紀(jì)的時(shí)間，世界各國(guó)不斷探索，大體上可以把低合金鋼區(qū)劃為三個(gè)不同特征的發(fā)展階段，在20世紀(jì)20年代以前，20～60年代及60年代以后。前兩個(gè)階段姑且合稱(chēng)為傳統(tǒng)的低合金鋼發(fā)展階段，后一階段可以稱(chēng)為現(xiàn)代低合金鋼發(fā)展階段（后面我們稱(chēng)它為微合金鋼Microalloyed Steel）。

前一時(shí)期低合金鋼的重大發(fā)展有三個(gè)標(biāo)志：

① 由單一元素合金化向多元素合金化發(fā)展

1895年曾采用0.40～0.56％C和3.5％Ni的鋼建造了俄國(guó)的“鷹”級(jí)驅(qū)逐艦，該鋼的加工性比初期的鉻鋼要好得多，屈服強(qiáng)度在355Mpa。20世紀(jì)初還用8000多噸含鎳的鋼建造了跨度為448m的橋梁，美中不足的是這種鋼的合金資源有限，成本又高。此后開(kāi)發(fā)了1.25％Si的低合金鋼，建造了橫渡大西洋的船舶和跨度110m的橋梁，俄國(guó)利用鐵銅混生礦源，曾開(kāi)發(fā)了0.7～1.1％Cu的低合金鋼用于造船、建橋，這種鋼導(dǎo)電性好，抗腐蝕性?xún)?yōu)良。

長(zhǎng)達(dá)30多年的生產(chǎn)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，發(fā)現(xiàn)多元合金化的低合金鋼綜合性能更佳，經(jīng)濟(jì)上更劃算，開(kāi)發(fā)了二元合金化的Ni-Cr、Cr-Mn、Mn-V低合金鋼，和三元復(fù)合合金化的Cr-Mn-V、Cr-Mn-Si、Mn-Cu-P等低合金鋼。用途上也擴(kuò)大到了鍋爐、容器、建筑和鐵塔等方面。20世紀(jì)20年代全世界的低合金鋼產(chǎn)量達(dá)到200萬(wàn)噸。

② 賦予低合金鋼的第一特征：低碳、可焊接

在工程結(jié)構(gòu)廣泛采用焊接技術(shù)之后，給低合金鋼發(fā)展帶來(lái)深遠(yuǎn)的影響。為減小焊接熱影響區(qū)硬化和開(kāi)裂、焊接接頭延性惡化，把低合金鋼的碳含量由0.6％降到0.4％，隨后又降至0.2％，至60年代末再降至0.18％，提出了焊接碳當(dāng)量的可焊性判據(jù)。為了獲得高強(qiáng)度鋼不斷增高的強(qiáng)度需求，出現(xiàn)了兩條發(fā)展途徑，一個(gè)是提高合金含量，另一個(gè)是熱處理手段，各有利弊，至今屈服強(qiáng)度高于600Mpa的鋼仍采用熱處理，E級(jí)和F級(jí)船板仍規(guī)定正火狀態(tài)使用，再如鐵路鋼軌仍有合金化軌和全長(zhǎng)淬火軌的兩種生產(chǎn)方式。

③ 注意到鋼的冷脆傾向性和時(shí)效敏感性

二次世界大戰(zhàn)期間大量“自由”輪在運(yùn)行中斷裂及許多鍋爐、容器的失效，注意到了鋼冷脆傾向與鋼的粗晶結(jié)構(gòu)和有害元素P、S的含量有關(guān)，而鋼的時(shí)效傾向是由鋼中N所致，從而采取了降硫、鋁細(xì)晶化和控制終軋溫度等優(yōu)化工藝。為了鋼結(jié)構(gòu)的安全使用和壽命，同時(shí)還開(kāi)發(fā)了低溫夏氏V型缺口沖擊、溫度梯度雙重拉伸、零塑性轉(zhuǎn)折落錘及BDWTT落錘撕裂等試驗(yàn)方法及制訂了相應(yīng)的斷裂韌性判據(jù)。

20～60年代間，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的低合金鋼開(kāi)發(fā)帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)的繁榮和現(xiàn)代化。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全世界成熟的低合金鋼鋼種牌號(hào)有2000余個(gè)，形成了5大合金成分系列：

(1) 以德國(guó)St52鋼為代表的C-Mn鋼系列，日本的SM400、我國(guó)的16Mn屬于這類(lèi)鋼。

(2) 以美國(guó)Vanity鋼為代表的Mn-V-（Ti）鋼系列，構(gòu)成了現(xiàn)代微合金化的先驅(qū)。

(3) 美國(guó)的含P-Cu鋼系列，代表鋼種有Corten和Mariner鋼，具有良好的耐大氣和海水腐蝕性。

(4) Ni-Cr-Mo-V鋼系列，如美國(guó)開(kāi)發(fā)的淬火回火狀態(tài)T-1鋼板成功用于壓力容器的建造。

1.3 我國(guó)低合金鋼的發(fā)展

50年代原冶金工業(yè)部鋼鐵研究院劉嘉禾為首的一批冶金學(xué)專(zhuān)家率先研制成功了16Mn鋼和15MnTi鋼，開(kāi)創(chuàng)了中國(guó)低合金鋼領(lǐng)域，在此基礎(chǔ)上制定了命名為低合金高強(qiáng)度鋼的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)(YB13—58)，列入12個(gè)鋼種牌號(hào)。1963年易名為低合金結(jié)構(gòu)鋼(YB13—63)，納入的鋼種牌號(hào)除Mn系列外，包括了結(jié)合我國(guó)富產(chǎn)資源所開(kāi)發(fā)的V、Ti、Nb及稀土的低合金鋼，并由此派生出了橋梁、造船、容器、汽車(chē)大梁、礦用等專(zhuān)用鋼標(biāo)準(zhǔn)。其后修改的YB13—69，改為普通低合金鋼（簡(jiǎn)稱(chēng)普低鋼），強(qiáng)調(diào)“普通”的意思在說(shuō)明生產(chǎn)低合金鋼就像生產(chǎn)普通碳素鋼一樣，不需要特別的生產(chǎn)手段，簡(jiǎn)便容易，即可取得1噸頂1.3～1.5噸的經(jīng)濟(jì)效益，此后長(zhǎng)達(dá)20年難以消除它的負(fù)面影響，至今全國(guó)行業(yè)鋼材品種結(jié)構(gòu)調(diào)整時(shí)，還往往注意到低合金鋼高附加值的一面，而忽視了低合金鋼的高技術(shù)含量一面。1988年升級(jí)為國(guó)標(biāo)時(shí)（GB—1591—88），回歸到了低合金結(jié)構(gòu)鋼的名稱(chēng)，1994年頒布的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)更名為低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，（GB／T1591—94），包括了屈服強(qiáng)度295—460Mpa 5個(gè)強(qiáng)度等級(jí)和A～E 5個(gè)質(zhì)量等級(jí)，新標(biāo)準(zhǔn)的積極意義在于努力向國(guó)際規(guī)范靠攏。由于我國(guó)低合金鋼基礎(chǔ)研究日趨深入和生產(chǎn)規(guī)模日益擴(kuò)大，在北京已連續(xù)召開(kāi)了4屆（1985、1990、1995及2000年）國(guó)際低合金高強(qiáng)度鋼會(huì)議，無(wú)疑這是對(duì)中國(guó)低合金鋼領(lǐng)域科技進(jìn)步的肯定。

我國(guó)低合金鋼發(fā)展歷程可以劃分為4個(gè)階段：

1957～1969年

是低合金鋼開(kāi)發(fā)的初創(chuàng)階段，第一個(gè)低合金鋼16Mn鋼與普碳鋼相比，具有高強(qiáng)度、高韌性、抗沖擊、耐腐蝕等特性，它的開(kāi)發(fā)適應(yīng)了各行業(yè)產(chǎn)品大型化、輕型化的趨勢(shì)，采用16Mn鋼所建造的的“東風(fēng)”萬(wàn)噸輪，顯示了節(jié)省鋼材、節(jié)約能源和延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命的優(yōu)越性。

1966年召開(kāi)了全國(guó)規(guī)模的第一次低合金鋼推廣應(yīng)用會(huì)議，在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)條件下宏觀(guān)指導(dǎo)低合金鋼的發(fā)展。當(dāng)年低合金鋼產(chǎn)量為141萬(wàn)噸，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，研制鋼號(hào)達(dá)345個(gè)，其中有54個(gè)鋼號(hào)納入了11個(gè)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中。

1970～1974年

全力進(jìn)行了鋼種整頓工作，及時(shí)總結(jié)了開(kāi)發(fā)中有益的經(jīng)驗(yàn)，收集了大量的試驗(yàn)研究數(shù)據(jù)，合并和淘汰了一批無(wú)法組織批量生產(chǎn)或性能達(dá)不到預(yù)定指標(biāo)的鋼號(hào)，化費(fèi)四年時(shí)間的鋼種整頓工作是十分有益的，減少了開(kāi)發(fā)盲目性和無(wú)序狀態(tài)，完善了富有中國(guó)特色的低合金鋼體系。

1975～1983年

我國(guó)低合金鋼開(kāi)發(fā)生產(chǎn)和應(yīng)用等各方面存在的問(wèn)題很多，積重難返，顯示出了與客觀(guān)需求的不適應(yīng)，合金資源優(yōu)勢(shì)未能轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，產(chǎn)品質(zhì)量明顯低于國(guó)外同類(lèi)同級(jí)產(chǎn)品的實(shí)物水平，16Mn、20MnSi、U71Mn 3個(gè)鋼號(hào)占低合金鋼總產(chǎn)量90％以上。

1984～2000年

這是一個(gè)中國(guó)低合金鋼的轉(zhuǎn)型期，從“六五”至“九五”期間，基本上實(shí)現(xiàn)了4個(gè)轉(zhuǎn)變。

(1) 按國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)低合金鋼
(2) 引進(jìn)國(guó)外發(fā)展成熟的低合金鋼鋼號(hào)
(3) 按國(guó)外低合金鋼基礎(chǔ)研究成果，改造我國(guó)原有的傳統(tǒng)觀(guān)念設(shè)計(jì)的低合金鋼鋼號(hào)
(4) 跟上新型低合金高強(qiáng)度鋼(微合金鋼)的發(fā)展趨勢(shì)。

我國(guó)低合金鋼發(fā)展面貌有了極大的變化，大大縮小了與國(guó)外低合鋼先進(jìn)水平的差距。

1.4 現(xiàn)代低合金鋼的重大進(jìn)展

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，世界范圍內(nèi)低合金高強(qiáng)度鋼的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)全新時(shí)期，以控制軋制技術(shù)和微合金化的冶金學(xué)為基礎(chǔ)，形成了現(xiàn)代低合金高強(qiáng)度鋼即微合金化鋼的新概念。進(jìn)入80年代，一個(gè)涉及廣泛工業(yè)領(lǐng)域和專(zhuān)用材料門(mén)類(lèi)的品種開(kāi)發(fā)，借助于冶金工藝技術(shù)方面的成就達(dá)到了頂峰。在鋼的化學(xué)成分—工藝—組織—性能的四位一體的關(guān)系中，第一次突出了鋼的組織和微觀(guān)精細(xì)結(jié)構(gòu)的主導(dǎo)地位，也表明低合金鋼的基礎(chǔ)研究已趨于成熟，以前所未有的新的概念進(jìn)行合金設(shè)計(jì)。

低合金鋼的現(xiàn)代進(jìn)展有哪些呢？主要表現(xiàn)有：

(1) 微合金化鋼基礎(chǔ)研究的新成就。

首先，對(duì)微合金化元素，尤其是Nb、V、Ti、及Al的溶解一析出行為的研究取得顯著的成果，這些元素的碳化物和氮化物的形成及其數(shù)量、尺寸、分布取決于冷卻過(guò)程的形變溫度和形變量，而加熱過(guò)程中碳、氮化物的存在及其特性表現(xiàn)在回火的二次硬化、正火的晶粒重結(jié)晶細(xì)化、焊接熱循環(huán)作用下晶粒尺寸的控制3個(gè)主要方面。

其二、重視含Nb微合金化鋼、Nb-V和Nb-Ti復(fù)合微合金鋼的開(kāi)發(fā)，據(jù)統(tǒng)計(jì)幾乎占有近20年來(lái)新開(kāi)發(fā)微合金化鋼全部牌號(hào)的75％和微合金化鋼總產(chǎn)量的60％。近幾年注意到了微量Ti（≤0.015％）十分有益的作用，Ti的微處理不僅改變鋼中硫化物的形態(tài)，而且TiO2或Ti2O3成為奧氏體晶內(nèi)鐵素體晶粒生核的質(zhì)點(diǎn)，Nb-Ti復(fù)合微合金化構(gòu)成超深沖汽車(chē)板IF鋼的冶金基礎(chǔ)，還顯著改善了Nb鋼連鑄的裂紋敏感性。

其三，對(duì)低碳鋼強(qiáng)化的Hall-Petch關(guān)系式進(jìn)行了系統(tǒng)總結(jié)，對(duì)加速冷卻原理作了更深入的研究。人們十分有興趣采用分階段加速冷卻工藝的應(yīng)用，前期加速冷卻用于抑制鐵素體轉(zhuǎn)變，后期加速冷卻目的在于控制中、低溫產(chǎn)物的晶粒尺寸和精細(xì)結(jié)構(gòu)的組成，從而達(dá)到在較寬范圍內(nèi)調(diào)整鋼的強(qiáng)度和強(qiáng)度／韌性匹配。

350MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼：微合金化+熱機(jī)械處理，機(jī)制為晶粒細(xì)化+析出強(qiáng)度。

500MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼：鐵素鐵+貝氏體、馬氏體，強(qiáng)化機(jī)制為晶粒細(xì)化、并晶界強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化。

700MPa級(jí)高強(qiáng)度鋼：淬火回火組織，機(jī)制為相變強(qiáng)化+析出強(qiáng)化。

(2) 工藝技術(shù)的進(jìn)步

頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉，鋼的碳含量可控制在0.02～0.03％，精煉的應(yīng)用可生產(chǎn)出碳含量在0.002～0.003％，雜質(zhì)含量達(dá)到＜0.001％S、＜0.003％P、＜0.003％N，2～3ppm［0］和＜1ppm［H］的潔凈鋼。

連鑄的成功經(jīng)驗(yàn)是低的過(guò)熱度、緩流澆注和適宜的二次冷卻，采用低頻率、高質(zhì)量的電磁攪拌，可以得到均勻的等軸的凝固區(qū)。

在再結(jié)晶控軋的基礎(chǔ)上，應(yīng)變誘導(dǎo)相變和析出的非再結(jié)晶控軋，以及（g+a）兩相區(qū)形變，已成為目前控軋厚鋼板生產(chǎn)主要方向。薄板坯連鑄連軋流程和薄帶連鑄工藝的實(shí)用化，使低合金鋼生產(chǎn)進(jìn)入了又一個(gè)新境界。

(3) 低合金鋼合金設(shè)計(jì)新觀(guān)點(diǎn)

首先是鋼的低碳化和超低碳趨勢(shì)，例如60年代X60級(jí)管線(xiàn)鋼碳含量為0.19％，70年代為0.10％，80年即使 X70和X80級(jí)管線(xiàn)鋼碳含量降至0.03％以下。

根據(jù)微合金化元素在鋼中的基本作用和次生作用，提出了“奧氏體調(diào)節(jié)”的概念，有意識(shí)地控制加入微合金化元素，使鋼適于一定的熱機(jī)械處理工藝，以發(fā)展新的性能更好的鋼種。

傳統(tǒng)控制軋制的合金設(shè)計(jì)：微合金化的重要目的是提高再結(jié)晶停止溫度，利用非再結(jié)晶區(qū)的形變誘導(dǎo)相變和析出，Nb是最理想的微合金化元素。

再結(jié)晶控制軋制的合金設(shè)計(jì)：它的目的是盡量降低再結(jié)晶停止溫度，并形成阻礙晶粒粗化的系統(tǒng)。其中一種辦法是以TiN為晶粒粗化阻止劑，以V（CN）作為鐵素體強(qiáng)化。另一種方案是Nb-Mo的微合金化，具有較寬闊的可以加工的窗口。這種工藝特別適合于不能進(jìn)行低溫軋制的低功率的老舊軋機(jī)生產(chǎn)。