日本“超級(jí)鋼”項(xiàng)目研究的課題之一是“焊接性能優(yōu)良的800MPa級(jí)高強(qiáng)度耐磨板研究”。目前鐵素體珠光體鋼的抗拉強(qiáng)度都在500MPa以下，抗拉強(qiáng)度超過(guò)500MPa的高強(qiáng)度耐磨板主要是通過(guò)添加合金成分，形成貝氏體、回火馬氏體等高強(qiáng)度耐磨板。但是，隨著合金元素的增加，不但提高鋼的成本，而且使煉鋼和精煉難度加大，更重要的是使焊接性能變差，高強(qiáng)度耐磨板焊接接頭的疲勞強(qiáng)度僅為60～100MPa(為母材基體強(qiáng)度的10%)。具有C-Si-Mn基本成分的鐵素體鋼具有良好的焊接性能，但用目前技術(shù)生產(chǎn)的高強(qiáng)度耐磨板的強(qiáng)度有限，因此該課題的研究目標(biāo)是：以C-Si-Mn成分為基礎(chǔ)，通過(guò)晶粒細(xì)化，將晶粒尺寸從10μm細(xì)化到1μm，獲得強(qiáng)度與硬度平衡的超細(xì)鐵素體2珠光體復(fù)相組織，開發(fā)出抗拉強(qiáng)度為800MPa級(jí)別的超細(xì)晶粒鋼，同時(shí)開發(fā)具有優(yōu)良焊接性能的超級(jí)耐磨板的焊接工藝。為此，該課題從以下兩個(gè)方面進(jìn)行研究。
(1)超細(xì)晶材料的研制。采用大的塑性應(yīng)變能夠制備出超細(xì)晶鐵素體晶粒。但是采用大的塑性應(yīng)變進(jìn)行單向變形時(shí)，材料在厚度方向變形不均勻，致使應(yīng)變主要集中于試樣的中心部位。Nagai等采用“多向變形”技術(shù)制備超細(xì)晶鐵素體晶粒，其特點(diǎn)是采用雙向或多向變形可明顯地改善應(yīng)變分布的不均勻性，從而有利于獲得均勻的超細(xì)晶組織。
Nagai等利用研制的多向變形熱機(jī)械處理模擬機(jī)，在實(shí)驗(yàn)室采用單向變形和多向變形對(duì)比方法研究了化學(xué)成分(%)為0.16C-0.4Si-1.4Mn的碳素鋼的晶粒變化情況，結(jié)果表明采用“多向變形”方法制備的超細(xì)晶粒鋼具有更均勻的超細(xì)晶組織。多向變形熱機(jī)械處理模擬機(jī)的特點(diǎn)是每軋制一道次，試樣便可旋轉(zhuǎn)90°。Nagai等利用實(shí)驗(yàn)室軋機(jī)采用多向軋制技術(shù)，用低碳Si-Mn鋼成功地制備出尺寸為Φ18mm×20000mm的棒材，將鋼的晶粒尺寸由10μm細(xì)化到0.5μm時(shí)，高強(qiáng)度耐磨板的屈服強(qiáng)度可由320MPa提高到740MPa，當(dāng)將12mm×700mm×Cmm規(guī)格的熱軋鋼板的晶粒尺寸細(xì)化到1μm時(shí)，高強(qiáng)度耐磨板的抗拉強(qiáng)度達(dá)到800MPa，且制備的熱軋高強(qiáng)度耐磨板在厚度方向具有均勻的超細(xì)晶粒。
通過(guò)大變形生產(chǎn)的厚鋼板力學(xué)性能的各向異性，特別是某些方向上韌性的降低是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。為此，Nagai等采用了“大角度交叉軋制”方法以改變材料的結(jié)晶取向。通過(guò)交叉軋制，材料的織構(gòu)或(100)極指數(shù)得以有效地改變，使材料在橫向和軋向的韌脆轉(zhuǎn)變溫度的差異很小。
(2)超細(xì)晶粒鋼高效率焊接技術(shù)研究。工業(yè)應(yīng)用超細(xì)晶粒鋼最重要的問(wèn)題之一是HAZ的軟化問(wèn)題，采用傳統(tǒng)的焊接方法將由于晶粒粗化引起HAZ軟化而導(dǎo)致接頭強(qiáng)度降低。ReisukeITO等開發(fā)了新型超窄間隙氣體保護(hù)焊接方法。采用二道焊接19mm厚的鋼板，鋼板的化學(xué)成分(%)為0.15C-1.50Mn-0.20Si-0.02P-0.002S，其HAZ寬度只有3mm，其接頭的硬度低于HV250，因此可有效地阻止焊接裂紋和應(yīng)力腐蝕裂紋的產(chǎn)生。
S.Tsukamoto等利用20kWCO2大功率激光焊接設(shè)備研究了化學(xué)成分(%)為0.049C-1.50Mn-0.981Si-0.021P-0.0009S超細(xì)晶粒鋼的焊接方法和接頭特性，目的是使超細(xì)晶組織的破壞極小化，同時(shí)使焊接接頭性能得到明顯的改善。AkihikoOHTA等研制了一種提高疲勞強(qiáng)度的低轉(zhuǎn)變溫度型焊絲。此焊絲含有10%Cr和10%Ni，其奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體的開始溫度約為180℃，轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度為室溫。馬氏體發(fā)生轉(zhuǎn)變時(shí)，焊縫金屬產(chǎn)生膨脹導(dǎo)致焊縫周圍產(chǎn)生壓縮殘余應(yīng)力，從而提高了焊接接頭的疲勞強(qiáng)度。用此焊絲焊接晶粒尺寸為1μm的超細(xì)晶粒棒材，接頭的疲勞強(qiáng)度達(dá)到300MPa，比用傳統(tǒng)焊絲焊接的疲勞強(qiáng)度提高了100MPa。