1 前言

　　厚钢板(JIS中的厚板相当于中国的中、厚板)大部分作为焊接结构钢使用。为了确保安全性，除母材之外，确保焊接部位的韧性极为重要。特别是为了防止韧性劣化，确保焊接热影响区(HAZ)的高韧性是必不可少的。作为对策，早先的细化HAZ组织是有效的。该技术对以氧化物为核心，利用复合夹杂物的晶内相变控制进行了广泛而深入的研究，也被定义为氧化物冶金学。

　　2 利用钢中非金属夹杂物的组织控制技术的实用化。

　　为了确保HAZ韧性，以下三点措施是有效的：

　　HAZ组织的有效晶粒直径(下称deff)的微细化;

　　② 钢基体的高韧性化;

　　③ 减少成为岛状马氏体(下称M)那样断裂起点的脆化相。利用Ti2O3夹杂的“晶内铁素体(IGF)”技术可有效的细化deff。IGF钢的组织控制技术引人注目，特别是在焊接过程中或焊接后，焊接部位不能像母材那样进行轧制加工时，即无法采用TMCP技术，这时只能寄希望于IGF技术。

　　3 金属学因子对IGF相变的影响

　　在利用IGF的组织控制中，若改变钢的成分和冷却速度，晶界F的生成量就会发生大的变化，从而使IGF分率受到大的影响。特别是在淬透性低的组分或冷速小的场合，因F在较高温度下开始生成，增大了晶界F量。晶界F的生成使A晶粒内的C浓度增加，从而降低了IGF相变的驱动力。当A晶粒直径和冷却速度越小时，上述效果就越大。

　　研究表明，溶质原子的缺乏层会对生成核附近的相变驱动力产生影响。还根据热处理条件的不同测定了IGF分率，以查明在高温下，不同的保持温度和保持时间对相变行为(即IGF分率)的影响。结果表明，IGF分率根据上述温度和时间的不同而在0～0.8%之间变化，且随保温时间的延长而持续下降。如在1373K保温1000s，IGF分率仅降至40%;但若在1523K保温300s，就基本上不能生成IGF(即其分率为0)。

　　用收敛离子束(FIB)加工法将表示以上IGF分率的试样薄膜化而制成电镜观察试样。

　　用Φ2nm的电子束对上述薄膜试样组成进行分析的结果表明：在1523K保温1000s的试样上未发现Mn浓度下降，而在1373K保温100～1000s时的Mn浓度下降量分别达0.4%和0.2%，界面Mn浓度的下降是因相变温度约提高了10℃，据此可知这对于促进IGF生成是有效的。

　　在MnS周边的合金元素缺乏层，即使在其他S化物(CuS)和(C，N)化物周边也能形成，但在(C，N)化物上，C、N的扩散即使在低温也很快，故实际生成缺乏层的可能性低。另一方面，计算表明存在Nb、V、Ti等合金元素缺乏层，但其对相变的影响尚不明确。

　　此外，也有研究报告指出，在HAZ上Fe23(CB)6的C缺乏层的生成、含B的Ti氧化物钢上B向有阳离子孔穴的Ti2O3中扩散渗透、在A/氧化物界面上形成的B缺乏层，都可促进IGF相变。

　　4 提高大线能和超大线能HAZ韧性的对策和HAZ细晶粒钢

　　为了降低钢结构件的制造成本，近年利用大线能或超大线能(目标值30～100kJ/mm)焊接的高效施工正急剧增加。在此背景下，一方面要求厚板母材的高性能化，同时广泛要求开发在大线能焊接时也可确保HAZ韧性的厚板。为了在增大焊接输入热量时确保此韧性，细化HAZ的deff是可行的。对于deff的细化，有利用IGF细化和在HAZ相变前将A晶粒细化这样2种方法。关于前者的应用有TiN钢和Ti氧化物钢;关于后者，在焊接输入热量增大时的HAZ受热经历中，除在高温状态保持时间长之外，还有冷却速度极慢的场合，相在熔融线附近将相变前的A晶粒保持细小是很困难的。众所周知，对于相变前的A晶粒的细化，应用最广泛的是TiN粒子的钉扎效果(以阻止晶粒粗大)，但在大热量输入时，即使利用TiN也难以见效。其原因是TiN粒子在1200℃以上的高温下长期滞留时会逐步失去热稳定性而减少，或因合金第二相的熔聚式长大而失去原来的阻止晶粒长大的钉扎效果。

　　对于HAZ的A晶粒长大的抑制，原来就一直在进行利用稳定氧化物的研究和实用化，比N化物的研究更加热门。如已有REM(O，S)和Ca(O，S)等，并有研究报告指出，利用这些细微粒子不仅促进了IGF生成，且有抑制晶粒长大的效果。但这类粒子是否能适用于超大线能焊接工艺，过去尚未充分研究。

　　在最近的研究中，将超细(数10nm～数100nm)Mg和Ca的氧化物或硫化物稠密分散于钢中，而实现了A晶粒的显著细晶化。通过从1400℃水冷的试样观察，确认这些夹杂物粒子是在1400℃高温下都不固溶而残存下来的。作为IGF的核生成位置而利用的氧化物和硫化物粒子尺寸以数μm为主。即这些新的钉扎粒子尺寸仅有原来的1/100～1/10。利用这些细小分散的钉扎粒子，即使在1400℃高温保持1～1000s时，A晶粒也基本上没有长大(晶粒尺寸保持在70μm)，充分发挥了在原来钢上不能实现的微小粒子极强的钉扎效果。在实际中，采用此HAZ细晶化技术生产的厚板正广泛用于建筑、造船、海洋结构物及油气管线等多个重要领域。

　　5 结语

　　晶内相变技术是提高厚板HAZ(焊接热影响区)韧性的重要技术之一，本文概要介绍了有效的晶内相变技术特点、使用例以及作为最新技术的利用氧化物冶金的HAZ细晶粒钢。

　　同时，整理并简要介绍了金属学因子对晶内相变影响的研究成果。由于该领域是厚板的重要研究对象，故在晶内相变机理和钢中夹杂物控制技术等方面积累实践知识是非常重要的。

　　(来源：钢铁产业)