TMCP鋼最初應(yīng)用于造船業(yè)，后來擴(kuò)大到所有使用厚鋼板的領(lǐng)域。TMCP鋼的應(yīng)用范圍之所以如此廣闊是因?yàn)門MCP鋼所具有的高強(qiáng)度高韌性的特點(diǎn)，使其能滿足厚板各種應(yīng)用領(lǐng)域的不同要求，從而自然就使TMCP鋼的應(yīng)用范圍擴(kuò)大了。

TMCP的發(fā)展和工藝原理

TMCP(Thermo Mechanical Control Process：熱機(jī)械控制工藝)就是在熱軋過程中，在控制加熱溫度、軋制溫度和壓下量的控制軋制(CR Control Rolling)的基礎(chǔ)上，再實(shí)施空冷或控制冷卻(加速冷卻／ACC：Accelerated Cooling)的技術(shù)總稱。 TMCP工藝是當(dāng)今高性能鋼材主要生產(chǎn)手段，是提高鋼材的強(qiáng)度、韌性和焊接性的一種控制工藝技術(shù)。20世紀(jì)60年代，是石油能源開發(fā)的高峰期，在一些高寒地帶必須使用低溫韌性好的高強(qiáng)度管線鋼，當(dāng)時(shí)，日本的鋼鐵公司傾注全力，借助于最新型厚板軋機(jī)設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)利用控制軋制技術(shù)成功地開發(fā)了這種管線鋼。 20世紀(jì)70年代，人們經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)僅僅靠傳統(tǒng)的控軋使相變組織微細(xì)化還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需要通過冷卻來控制相變本身。80年代初，日本首先建立了在線冷速系統(tǒng)，這是一個(gè)既能提高強(qiáng)度而又無損于韌性的措施�？刂评鋮s是從Ar3以上的溫度開始水冷，在相變終了溫度附近(550～500℃)結(jié)束，然后進(jìn)行空冷�？刂评鋮s將空冷時(shí)生成的珠光體變成微細(xì)分散的貝氏體，這樣控軋后進(jìn)行控冷的組織是細(xì)晶鐵素體和微細(xì)彌散型貝氏體的混合組織，鐵素體晶粒的細(xì)化與貝氏體比率的增加可在提高強(qiáng)度的同時(shí)改善延伸性。控冷能獲得細(xì)化效果的具體原因在于：控軋后引入加速冷卻控制，可降低奧氏體的相變溫度，過冷度增大，增大γ—α相變驅(qū)動(dòng)力，使α相從更多的形核點(diǎn)生成，同時(shí)抑制α晶粒的長大，而且由于冷卻速度增加，阻止或延遲了碳、氮化物在冷卻過程中的過早析出，因而易于生成更加彌散的析出物。進(jìn)一步提高微合金化鋼冷卻速度，可形成貝氏體或針狀鐵素體，進(jìn)一步改善鋼的強(qiáng)韌性。總之，TMCP技術(shù)是通過控制軋制溫度和軋后冷卻速度、冷卻的開始溫度和終止溫度，來控制鋼材高溫的奧氏體組織形態(tài)以及控制相變過程，最終控制鋼材的組織類型、形態(tài)和分布，提高鋼材的組織和力學(xué)性能。

TMCP的應(yīng)用

自20世紀(jì)80年代開發(fā)出TMCP技術(shù)以來，經(jīng)歷了20多年的時(shí)間，在這期間TMCP的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，目前已成為生產(chǎn)厚板不可或缺的技術(shù)。TMCP鋼與常規(guī)軋制鋼和正火鋼相比，它不依賴合金元素，通過水冷控制組織，可以達(dá)到高強(qiáng)度和高韌性的要求，而且在碳當(dāng)量較低的情況下能夠生產(chǎn)出相同強(qiáng)度的鋼材，因此可以降低或省略焊接時(shí)的預(yù)熱溫度；碳當(dāng)量低又可以降低焊接熱影響區(qū)的硬度，不容易形成因顯微偏析而產(chǎn)生的局部硬化相，容易保證焊接部位的韌性。目前，其應(yīng)用領(lǐng)域除了造船領(lǐng)域外，還涉及了海洋結(jié)構(gòu)件、管線管和建筑、橋梁等各種領(lǐng)域。另外，TMCP還是一項(xiàng)節(jié)約合金和能源的工藝。從環(huán)保方面來看，它也是一項(xiàng)意義深遠(yuǎn)的技術(shù)。

1 船板

TMCP鋼首先是在造船領(lǐng)域迅速擴(kuò)大應(yīng)用的，TMCP鋼的出現(xiàn)促進(jìn)了高強(qiáng)度鋼(HT)的擴(kuò)大應(yīng)用。從大型油船中高強(qiáng)鋼的使用量變化來看，隨著TMCP鋼的出現(xiàn)，高強(qiáng)鋼的使用量已由原來的20％～30％提高到60％～70％，而且甚至還使用了屈服強(qiáng)度為390MPa級(jí)的鋼。由于提高了高強(qiáng)鋼的使用比例和采用高屈服強(qiáng)度的鋼，因此能大幅度減輕船舶的自重和節(jié)能，為提高經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保做出了很大的貢獻(xiàn)。從實(shí)際生產(chǎn)的結(jié)果也可說明用TMCP工藝生產(chǎn)的船板具有高強(qiáng)度和良好的低溫韌性，完全可以代替正火處理，而且TMCP具有較低的碳當(dāng)量（Ceq），易于焊接。 芬蘭采用TMCP技術(shù)， 生產(chǎn)了NVE360、NVE400、NVE500的產(chǎn)品，用于破冰船，NVE500 的Ceq僅為0.40%。另外，從提高運(yùn)送效率的觀點(diǎn)來看，集裝箱船的大型化取得了顯著的發(fā)展，裝載量超過6000個(gè)集裝箱的大型集裝箱船已應(yīng)用于實(shí)際。這就要求其船體的船舷外板和艙口擋板等重要構(gòu)件使用板厚超過60mm、屈服強(qiáng)度為390MPa級(jí)的鋼，并能進(jìn)行350～450kJ／cm的超大線能量焊接，開發(fā)這種鋼種也是以TMCP為基礎(chǔ)，通過防止焊接熱影響區(qū)(HAZ)顯微組織粗大化技術(shù)的組合，對船體用鋼進(jìn)行開發(fā)。TMCP鋼在厚鋼板、高強(qiáng)度和大線能量焊接鋼的開發(fā)應(yīng)用上具有顯著優(yōu)勢。

2 海洋結(jié)構(gòu)

近年來，海底能源資源的開發(fā)地點(diǎn)正在向深海域、北海北部和北極海等寒冷海域推移。海洋結(jié)構(gòu)件的建造也隨之大型化，同時(shí)由于所處的環(huán)境也非常嚴(yán)酷，因此使用鋼材的厚度變得更厚、韌性更高，使用鋼材的屈服強(qiáng)度由355MPa級(jí)向420MPa級(jí)發(fā)展，尤其是最近還使用了屈服強(qiáng)度500MPa級(jí)的鋼。為進(jìn)一步提高海洋結(jié)構(gòu)件用鋼板安全可靠性，評(píng)價(jià)破壞韌性，使用了接頭部的CTOD值(Crack Tip Opening Displacement：裂紋尖端開口位移)作為評(píng)價(jià)韌性的指標(biāo)，例如要求在-10℃時(shí)CTOD的值為0．25mm的情況增多，為適應(yīng)這種要求，必須應(yīng)用TMCP技術(shù)。日本研制生產(chǎn)的屈服強(qiáng)度420MPa的鋼（符合API 2WGr.60），厚度40～70mm，焊后熱處理Akv（-40℃）280J，且FATT 達(dá)到-90℃～-100℃、Akv150J，用于海洋平臺(tái)；利用TMCP技術(shù)，還開發(fā)了氧化物彌散分布的屈服強(qiáng)度500MPa的海洋平臺(tái)用鋼。

3 管線用鋼

在高強(qiáng)度和高韌性管線管的開發(fā)中充分利用了TMCP技術(shù)，同時(shí)還廣泛應(yīng)用于耐酸性氣體的管線管的生產(chǎn)。為降低酸性環(huán)境下的氫誘發(fā)裂紋(HIC)，應(yīng)減少會(huì)導(dǎo)致HIC產(chǎn)生的[S]，并通過添加Ca來控制硫化物的形態(tài)，同時(shí)減少對HIC敏感的硬化組織區(qū)。采用TMCP可進(jìn)行低C和低合金的成分設(shè)計(jì)，進(jìn)而在連鑄時(shí)可降低[Mn]等在板厚中心部的合金偏析量，尤其是在生產(chǎn)厚板時(shí)采用加速冷卻可以抑制[C]向板厚中心部的擴(kuò)散等，因此TMCP對提高抗HIC能力是不可或缺的工藝，TMCP鋼已應(yīng)用于許多耐酸性氣體的管線管項(xiàng)目。用控軋控冷技術(shù)生產(chǎn)的X70管線鋼，鋼板組織以針狀鐵素體為主，綜合性能完全符合管線工程要求，已成功應(yīng)用于國內(nèi)的西氣東輸工程上。高強(qiáng)管線管的應(yīng)用，使我國天然氣干線工作壓力從6.4MPa提高到10MPa，極大地節(jié)約了材料成本并提高了管線輸送壓力，凸現(xiàn)了高鋼級(jí)管線管建設(shè)長距離管線的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。在西氣東輸二線工程中，運(yùn)用TMCP工藝優(yōu)勢，將會(huì)生產(chǎn)更高級(jí)別的管線鋼，使天然氣干線輸送壓力可能達(dá)到12MPa或更高，進(jìn)一步體現(xiàn)使用高強(qiáng)管線鋼的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢。

4 建筑用鋼

日本是多地震之國，從抗震性的觀點(diǎn)來看，高層建筑物一般使用高強(qiáng)度低屈服比鋼，它是利用鋼材的塑性變形能夠吸收地震的能量。為達(dá)到低屈服比，必須控制軟質(zhì)鐵素體的百分率及其粒度。在生產(chǎn)高強(qiáng)度低屈服比鋼時(shí)，有軋制后緩慢控制冷卻的方法和將冷卻開始溫度控制在Ar3點(diǎn)以下的方法等，這些都是充分利用了 TMCP技術(shù)。新日鐵采用氧化鈦和氮化鈦彌散分布技術(shù)（簡稱HTUFF－Super HAZ Toughness Technology with Fine Microstructure Imparted by Fine Particles）開發(fā)了490MPa、520MPa、590MPa系列抗震建筑用鋼，最大厚度100mm，焊接熱輸入可達(dá)1000KJ/cm，局部脆化減弱。隨著高層建筑安全性越來越受重視，低屈強(qiáng)比鋼種的應(yīng)用會(huì)更加廣泛。

5 橋梁用鋼

橋梁在國家基礎(chǔ)建設(shè)中具有重要地位，它對質(zhì)量和建造技術(shù)有很高的要求。為節(jié)約資源、降低成本使人們對橋梁用結(jié)構(gòu)鋼也提出了更多、更苛刻的要求。在橋梁結(jié)構(gòu)中使用高強(qiáng)度鋼材可以減薄橋梁鋼板的厚度，減輕橋梁結(jié)構(gòu)自重，由此可加大橋墩間距，改善施工條件；如果使用耐候鋼還可以降低橋梁的維護(hù)費(fèi)用。隨著鋼橋合理化設(shè)計(jì)的發(fā)展，開始越來越多地要求使用厚度和強(qiáng)度比以往高的鋼材，來減少橋梁的主要桁架數(shù)量，提高焊接施工效率(無需焊接預(yù)熱)，為此，應(yīng)用TMCP工藝開發(fā)的低裂紋敏感性鋼種，擴(kuò)大了其在橋梁領(lǐng)域的應(yīng)用。通過降低碳含量和適當(dāng)添加合金形成貝氏體化的超低碳貝氏體鋼，焊接裂紋敏感性指數(shù)（Pcm）可達(dá)到 ≤0.2％，Pcm是用于判斷鋼的冷裂紋發(fā)生傾向的直觀參數(shù)，Pcm低，則鋼的抗裂能力強(qiáng)，焊接性能好；反之，則鋼的焊接性差。早期的低裂紋敏感性高強(qiáng)鋼是采用調(diào)質(zhì)工藝生產(chǎn)的，為了保證鋼的淬透性，往往需要添加很多合金元素，如Cr、Mo、Ni等，這樣鋼的生產(chǎn)成本提高，而且生產(chǎn)周期長。由于控軋控冷技術(shù)的發(fā)展，將相變強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化、析出強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化等強(qiáng)化手段很好地結(jié)合在一起，更有利于鋼的強(qiáng)韌性的匹配，不需進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，就可開發(fā)出高性能易焊接的橋梁用鋼。日本開發(fā)的屈服強(qiáng)度570MPa鋼，焊接熱輸入可達(dá)200KJ/cm（為傳統(tǒng)鋼種的4 倍），-20℃下使用，焊接不預(yù)熱，無弧坑裂紋、無硬化現(xiàn)象，厚度可達(dá)75mm，用于橋梁建設(shè)，還不需涂裝，這些都極大地降低了橋梁建造成本。TMCP技術(shù)的發(fā)展，也為生產(chǎn)更高強(qiáng)度橋梁用鋼奠定了基礎(chǔ)，如日本在1974年建造的大坂港大橋上首先使用了780Mpa級(jí)的高強(qiáng)度鋼板，由于當(dāng)時(shí)鋼板的性能尚不完善，為防止焊接時(shí)出現(xiàn)低溫裂紋，尚需在高溫下進(jìn)行預(yù)熱作業(yè)，但采用TMCP技術(shù)后，已生產(chǎn)出具有優(yōu)良韌性和焊接性能的950Mpa級(jí)橋梁鋼板。

6 其他用途

高壓輸水管領(lǐng)域是陸地結(jié)構(gòu)件中強(qiáng)度最高，且使用板材極厚的最典型的領(lǐng)域，通過熱處理方式生產(chǎn)已開始使用抗拉強(qiáng)度780MPa級(jí)的壓力鋼管。最近從提高輸送能力和經(jīng)濟(jì)性的觀點(diǎn)來看，對鋼板的強(qiáng)度要求進(jìn)一步提高，因此通過利用TMCP技術(shù)，開發(fā)了厚度達(dá)100mm、抗拉強(qiáng)度950MPa級(jí)的極厚鋼板。在油罐用鋼板領(lǐng)域中越來越多地要求鋼板母材和焊接接頭雙方都具有高的裂紋傳播停止性能。為適應(yīng)這些要求，例如以前在LPG油罐(-50℃)一直使用3.5％Ni鋼等，但通過使用TMCP技術(shù)，開發(fā)了Ni含量比以往鋼減少的1.5％Ni鋼，而且具有很好的裂紋傳播停止性能，并已應(yīng)用于實(shí)際。

從以上實(shí)例可以發(fā)現(xiàn)，能夠節(jié)能的結(jié)構(gòu)件的輕量化離不開高強(qiáng)度和高韌性，因此高強(qiáng)度鋼得到了廣泛應(yīng)用。確保地震、火災(zāi)和事故發(fā)生時(shí)的安全性已成為越來越重要的問題，高安全性鋼和高抗斷裂性鋼也將成為高強(qiáng)度鋼的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。由于用戶對能夠大幅度延長鋼結(jié)構(gòu)件使用壽命的疲勞特性和耐蝕性高的鋼材的需求，以及對加工經(jīng)濟(jì)性的要求越來越高，加之超大線能量焊接技術(shù)已被廣泛采用，因此良好的加工性和切割時(shí)不會(huì)產(chǎn)生變形也將成為高強(qiáng)度鋼的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。為實(shí)現(xiàn)上述各種各樣的特性要求，今后有必要通過與其它技術(shù)的組合，探索TMCP鋼的新功能，在逐步實(shí)現(xiàn)TMCP鋼的新功能的同時(shí)，應(yīng)根據(jù)市場的要求來采取切實(shí)可行的措施，擴(kuò)大 TMCP技術(shù)的應(yīng)用。現(xiàn)代軋制技術(shù)的發(fā)展帶來的是鋼鐵企業(yè)的低成本（合金添加量少，省卻了后續(xù)的熱處理），更主要的是為鋼鐵生產(chǎn)的下游用戶提供更為直接的經(jīng)濟(jì)效益。

結(jié)語

21世紀(jì)可以說是地球環(huán)境保護(hù)的世紀(jì)。最近全世界有關(guān)全球變暖、地球環(huán)保和LCA(Life Cycle Assessment：生命周期評(píng)價(jià))的爭論說明了地球環(huán)境保護(hù)是一個(gè)多么緊迫、重要的課題，從保護(hù)地球環(huán)境的觀點(diǎn)來看，今后節(jié)省資源、節(jié)省能源、安全性和長壽命化已成為全社會(huì)的要求。能夠減少合金元素和省略熱處理的TMCP已成為鋼鐵生產(chǎn)中越來越重要的技術(shù)。可以預(yù)測市場對TMCP鋼的要求除了進(jìn)一步提高強(qiáng)度和韌性外，還會(huì)要求進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)件的安全性和耐久性，進(jìn)一步提高焊接性、加工性和鋼板的平直度，這些都將成為今后TMCP鋼的研究領(lǐng)域。