用于生产超厚规格淬火回火板钢的合金材料鉴定

《steel research international》：Alloy Qualification for Producing Quench and Tempered Plate Steels with Extra-Heavy Gage

超厚钢板合金设计研究，通过添加钼、镍、硼优化淬透性，确保中心区域冷却率≈2 K/s时获得≥690 MPa屈服强度。实验采用连续冷却转变（CCT）图和Jominy淬透性测试，分析显示钼显著提升淬透性，镍协同钼并抑制铁素体形成，硼细化晶界阻碍铁素体析出。最优合金配比为50Mo-100Ni-B，实现均匀马氏体/贝氏体组织，满足超厚板中心区域力学性能要求。

　　在当今的工业应用中，尤其是基础设施和海上工程领域，对于超厚钢板的需求日益增长。这些钢板通常厚度超过100毫米，要求具备至少690兆帕的屈服强度，以满足高强度结构的要求。然而，由于厚板在淬火过程中核心区域的冷却速率较低，仅约为2 K/s，这使得传统的淬火工艺难以达到所需的核心强度。因此，合金设计在确保钢板硬化的可行性方面变得尤为重要。本文旨在探讨钼（Mo）、镍（Ni）和硼（B）对超厚钢板硬化能力及相变行为的影响，以期开发出适用于超厚钢板的合金概念。

### 合金设计的重要性

为了实现超厚钢板的高强度要求，合金设计必须兼顾硬化能力与组织均匀性。在传统工艺中，由于厚板的冷却主要依赖热传导，其核心区域的冷却速率受到物理条件的限制。因此，设计一种能够适应这种低冷却速率的合金成为关键。同时，还需要考虑钢在回火过程中的强度变化，确保淬火后的硬度可以满足后续热处理的需求。为此，研究团队对不同合金成分进行了系统的实验，分析其在不同冷却速率下的硬化效果，并结合实际生产条件，探索最佳的合金配方。

### 钼的作用

钼在提高钢的硬化能力方面具有显著效果。它通过减缓碳的扩散速度，从而延迟铁素体和珠光体的形成，并促进贝氏体和马氏体的生成。研究结果显示，随着钼含量的增加，其对硬化能力的提升作用也增强。例如，当钼含量从0.25%增加到0.50%时，硬度提升幅度明显增加。此外，钼还能通过其原子尺寸对晶界产生较强的溶质拖曳效应，从而限制铁素体的生长，提高组织的均匀性。然而，钼的硬化工效在某些情况下可能会受到其他元素的影响，例如硼的添加可能会降低其作用。

### 镍的协同效应

镍在提升钢的硬化能力方面也具有重要作用，尤其是在低冷却速率下。它能够稳定奥氏体，降低相变温度，从而使得贝氏体和马氏体在较慢的冷却条件下也能形成。研究表明，镍的添加有助于进一步降低贝氏体开始相变的温度，使得在较低冷却速率下，钢的硬度仍能保持在较高水平。此外，镍还能提高钢的韧性，使其在满足强度要求的同时，保持良好的延展性。然而，镍的添加量需要谨慎控制，过高的镍含量可能会导致残余奥氏体的形成，从而影响淬火后的硬度和强度。

### 硼的微合金化作用

硼作为一种微量合金元素，在钢的硬化过程中扮演着关键角色。它通过在奥氏体晶界处的偏析作用，降低晶界能，从而有效抑制铁素体的形核。这使得即使在较低的冷却速率下，钢也能形成以贝氏体和马氏体为主的组织，避免形成软化的铁素体。此外，硼的添加还能促进贝氏体的形成，使得钢在较低的冷却速率下仍能保持较高的硬度。然而，当冷却速率过低时，硼无法完全阻止铁素体的形成，因此需要配合其他元素如钼和镍的添加，以进一步提升硬化能力。

### 实验方法与结果

为了评估不同合金在不同冷却速率下的硬化行为，研究团队采用了多种实验方法。其中包括通过膨胀仪测试构建连续冷却转变（CCT）图，以及通过Jominy端淬测试评估硬化能力。实验结果显示，当钼含量为0.5%且镍含量在0.5%至1.0%之间时，钢板的核心区域可以达到所需的强度水平。硼的微合金化则有助于降低相变开始温度，促进组织的均匀性，同时抑制铁素体的形成。这些结果为设计一种适用于超厚钢板的合金提供了理论依据和实验支持。

### 实际应用与合金设计

基于上述实验结果，研究团队提出了一种适用于超厚钢板的合金概念。该合金在钼含量为0.5%的情况下，镍含量控制在0.5%至1.0%之间，并结合硼的微合金化，以确保在较低的冷却速率下仍能获得足够的硬化效果。此外，研究还指出，通过调整合金成分和淬火工艺参数，可以实现不同厚度钢板的硬度和强度的优化。例如，在淬火过程中，通过控制冷却速率，使得钢板的核心区域能够达到所需的硬度水平，同时避免形成软化的铁素体。

### 结论

本文的研究表明，钼、镍和硼的合理组合能够有效提升超厚钢板的硬化能力，确保其在低冷却速率下仍能获得足够的强度和韧性。其中，钼是提高硬化能力的关键元素，而镍则在低冷却速率下起到重要的辅助作用。硼的微合金化则有助于抑制铁素体的形成，提高组织的均匀性。通过系统分析这些元素的相互作用，研究团队为开发高性能超厚钢板提供了重要的理论依据和实践指导。这些成果对于满足现代基础设施和海上工程对高强度材料的需求具有重要意义。