高强合金钢将迎接现代工程的挑战

为了迎接工程挑战，需要更加坚固的钢材，钼合金化不仅促进了强化，而且提高了钢材的抗脆性。

为了应对当今的工程挑战，高强低合金(HSLA)钢具备相当多的优势，其中包括更轻的结构重量、更高的搬运效率、更少的焊接工作量以及更小的碳足迹。与其他材料不同，高强钢不仅有利于实现轻量化，而且无需额外的成本。通常来说，高强钢在减轻材料重量的同时，也会导致成本的攀升。因此，在制造或建造的过程中，成本以及高效加工处理都是值得关注的问题。
  除了强度之外，结构钢的选择还与成形、焊接和其他制造过程的简易性有关。使用条件要求这些钢种在使用温度下表现出良好的韧性。

从高强度低合金走向超高强度钢

结构高强低合金(HSLA)钢的屈服强度高达550 MPa，无论是热轧带钢还是钢板，通常是通过热机械控制工艺(TMCP)生产的，合金概念取决于低碳、锰和微合金化处理。与车身钢板的发展趋势类似，就结构用钢而言，需要更高的强度，而传统TMCP处理的HSLA钢已经不能满足实际应用的要求。屈服强度为700 MPa或更高的超高强钢(UHSS)牌号需要更精细的合金概念，同时利用先进的轧机加工技术。直接淬火(DQ)已成为首选的工艺方法，该工艺是将经过TMCP轧制后的热钢板直接进行强水冷。

随着直接淬火、自回火（DQST）和直接淬火-碳分配 (DQP)等工艺的参数变化，强度（硬度）韧性和成形性等钢材的性能可以经过适当调节后，就可以满足实际应用的需求。与传统的重新加热和淬火工艺相比，直接淬火技术成本低廉，而且生产效率更高，也可应用于带钢和板材轧机，由于产能充裕，相关钢材的产量完全可以维持全球市场的稳定供货。

超高强度钢(UHSS)的应用

UHSS特有的优势引起了运输和物料搬运行业的关注，在这些行业中，
有效载荷与自重的比率至关重要。在应用时，这类钢材的优点包括：更高的速度、更低的单位载荷油耗和更小的推进装置。应用于移动式起重机时，充分说明了UHSS可以带来显著的好处。就目前的应用而言，需要增大起重机吊臂的伸展范围，例如，在组装风车时，现有的平均轮毂高度约为130m。使用标准的HSLA钢，吊杆本身会变得太重，以至于承载能力将不足，而所需吊杆长度也难以堆垛，这是因为由软钢制成的吊杆段需要较大尺寸。因此，屈服强度为1100 MPa的超高强钢(UHSS)已在近期移动式起重机上用于制造吊臂。

类似的情况也出现在混凝土泵上，由于建造摩天大楼，这些泵的尺寸需要延长。木材采伐是另一个例子，可以减轻木材叉和夹持器的重量，以增大卡车的有效载荷，拖车结构的轻量化也同样可以增大运输能力或减少燃料消耗。从标准的550 MPa级HSLA钢升级到700 MPa级UHSS，这一方法有望将集装箱拖车的主要纵向重量减轻近30%，而最近的设计已经应用了960 MPa级UHSS钢。在农业、运土、选矿和采矿领域需要提高关键部件的耐磨性，而这将会对操作、性能和使用寿命带来直接益处，同时降低了更换成本。所需的UHSS通常具有超过1000 MPa的强度，最低硬度为400HV。特别是对于移动设备而言，在这些应用中减轻重量只是次要的益处。

显微组织决定了材料的性能

不同直接淬火(DQ)工艺产生可以生成贝氏体、回火马氏体(可能含有少量奥氏体)乃至全硬马氏体。合金化元素可以提高硬度、控制晶粒尺寸、改善回火行为或促进奥氏体的形成。较小的晶粒尺寸有利于韧性和强度，而高硬度则具有优异的耐磨性。显微组织中存在的奥氏体产生了所谓的TRIP(相变诱发塑性)效应，显著改善了成形性。焊接工序尤其需要细致的合金设计，以避免热影响区(HAZ)中不需要的组织，并抵消同一区域的过度软化。在1100 MPa强度级别的钢中，钼添加量高达0.7%，可将热影响区在气保护金属极电弧焊条件下的软化降到最低，在一些应用场合，疲劳强度而非抗拉强度正在制约设计标准。对于低合金高强钢，疲劳强度通常与抗拉强度呈线性相关。超高强度下疲劳强度的降低可归因于疲劳裂纹位点从表面向内部夹杂的转变，以及材料中残余应力的存在。在这方面，钢铁生产商的专业知识和技能会使得疲劳性能产生明显不同。细小均匀的显微组织也有利于提高疲劳性能。

钼的特殊作用

钼是最为常用的合金元素之一，可以提高钢材的淬透性。这种效应是在二十世纪30年代发现的，但直到二十世纪60年代末才开始大规模利用，最初是用于生产传统的调质钢。在提高淬透性方面，铬、锰或硼等其他元素，与钼竞争。然而，钼合金化在更苛刻的条件下要更胜一筹，包括高冲击载荷、非常低的操作温度或轻度腐蚀环境。

国际钼协会(IMOA)主导的项目加深了人们对钼元素理解，钼添加至DQ钢中，可以呈现出卓越的性能，更具体地说，是因为生成了马氏体组织。可见，钼合金化同时提高了强度和韧性。28J夏比转变温度通常被定义为一种极限标准。对屈服强度超过1000 MPa的钼合金化DQ钢而言，转变温度低于-80℃。换句话说，这些钢在地球上任何现有的气候条件下都能很好地发挥作用。

对失效敏感

强度大于1000 MPa的钢种往往对氢引起的失效敏感。这与更特殊的现象有关，如应力腐蚀开裂(SCC)、腐蚀疲劳开裂(CFC)和氢致开裂(HIC)，也称为氢脆(HE)。在施加载荷期间，当钢的本体中存在氢时，就可能会发生脆化。此外，受载的钢材暴露于含氢环境中也可能会引起脆化。在许多实际情况下都是可能会出现的。脆性表现为非延性断裂方式，韧性极低，延伸率降低，抗拉强度降低。强度水平越高，对HE的敏感性越大，允许的扩散氢含量越低。因此，应对HE的方法就是是增强晶界强度，同时阻止氢的局部聚集。显微组织细化，析出物的捕氢和降低位错或空位的迁移率是组织氢局部聚集的重要机制。钼就像晶界之间的“胶水”一样，对那些阻止氢致损伤的机制有直接或间接的益处。最近的IMOA研究项目表明，在2000 MPa级马氏体钢中添加0.5%Mo可使其抗氢致延迟裂纹能力提高6~9倍。

小结

显而易见，钼合金化在生产高强钢上具有相当的作用，这些钢材可以充分应对最恶劣条件的考验，并实现轻量化的效果。IMOA最近的研究项目证明了在超高强度钢中添加钼的额外作用，包括增大强度，同时也增大韧性和抗氢脆性能。这些钢材完全能够应对现代世界的工程挑战，并且随着研究的继续深入，更多的创新型材料也会为可持续发展做出卓越的贡献。