E40级船体结构钢生产工艺研究-北科大高效中心郭振.pdf

2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 188 E40 级船体结构钢生产工艺研究 郭 振，温永红，武会宾，胡水平 （北京科技大学高效轧制国家工程研究中心，北京 100083） 摘 要：摘 要：介绍了微合金元素在高强度船体结构钢生产的作用，制定了生产工艺，对实验结果进行了详细的分析，总 结了较为合理的工艺制度，并对低温下冲击性能较好的试样进行了断口扫描，观察了其组织形貌。 关键词：关键词：船体结构钢；工艺制度；屈服强度；低温韧性 Study on Production Technology of E40 Ship Plate GUO Zhen, WEN Yonghong, WU Huibin, HU Shuiping (national engineering research center for advanced rolling technology,bei jing science and technology university，bei jing 100083) Abstract: The effect of microalloy elements in production technology for high strength ship plate is introduced in this paper. Rational rolling schedule is obtained by making detailed analysis for the experiment result.The specimen with the highest ballistis work in the low temperature is observed in stereoscan photograph for the nick and the metallic phase pattern is observed. Key words: ship plate; rolling schedule; yield strength; low-temperature flexibility 1 实验钢的化学成分 成分设计的依据是钢板所要求的性能及各化学元素对机械性能的影响。碳是较强的固溶强化元 素，能显著提高钢板强度，但降低韧性和塑性，明显恶化钢板的焊接性能。因此碳要控制在下限。 合金元素 Mn 是贝氏体钢中的基本元素，加入量一般为 0.9%-1.6%，钢中含一定量的 Mn 时可使过冷 奥氏体转变曲线上存在明显的河湾，有利于在较宽的冷速范围内，获得完全的贝氏体组织，Mn 还降 低贝氏体转变温度，细化晶粒，增加贝氏体铁素体内的位错密度，Nb 在钢中已经得到应用，主要作 用是提高奥氏体再结晶温度，细化晶粒，Nb 既可引起固溶强化，又能应变析出，起沉淀强化和细晶 强化作用 1 ，在相同的轧制和冷却条件下，Nb 能提高轧态强度，且轧后回火处理能通过 Nb(CN)沉 淀析出进一步提高强度 2 。钛的作用：添加 Ti 会生成 TiC 颗粒，引起沉淀强化，添加少量的 Ti 会 生 成 TiN 颗 粒 弥 散 ， 起 到 抑 制 加 热 和 轧 制 期 间 的 晶 粒 长 大 ， 有 助 于 韧 性 的 改 善 。 根据元素的相互作用特点，试验设计了两种不同的化学成分编号为 E1 和 E2，针对每种不同的成分 采用不同的工艺制度分别轧制成 20mm 和 16mm 的钢板，编号为：E1A 和 E1B；E2A 和 E2B。试验 钢 E1 和 E2 的化学成分见表 1。 表 1 试验钢的化学成分 取样 C Si Mn P S Als Nb Ti Ni E1 0.13 0.24 1.55 0.016 0.0062 0.0136 0.039 0.018 E2 0.11 0.32 1.46 0.014 0.0040 0.0152 0.040 0.026 0.525 2 实验轧制工艺制度 实验在北京科技大学高效轧制国家工程研究中心进行。加热装置为高温厢式加热炉。轧制设备 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 189 为 350 二辊可逆热轧机，工作辊尺寸为 400-380*350mm，最大轧制压力为 1500KN，并且自动 调节压下量。 冷却设备为水幕层流冷却装置。 式样为在实验室用真空感应炉冶炼并浇铸成 25kg 钢锭， 锻造成厚为 100mm 的厚板。 加热到 1200均匀化 1.5h 后， 经过再结晶温度区和非再结晶温度区 （变 形率大于 60）的两阶段控轧，再结晶区完成的变形量要使中间坯的厚度为成品钢板厚度的 2 倍以 上，道次压下量在 15%-25%，未再结晶区的开轧温度在 900以下，变形量为 60%以上。轧成 20mm 和 16mm 的板材，中间坯厚度为 58mm，轧后进行控冷。轧制和水冷参数如表 2 所示： 表 2 E 级船板钢的轧制工艺 取样 加热温度 () 精轧开轧 温度 () 精轧终轧 温度 () 未再结晶区 轧制压下率 (%) 开冷温度 () 终冷温度 () E1A 1200 900 820 65.5 815 595 E1B 1200 900 782 72.4 776 578 E2A 1200 900 805 65.5 800 585 E2B 1200 900 804 72.4 798 592 3 实验结果及分析 3.1 试验钢的力学性能 试验钢的力学性能见表 3。 表 3 E 级实验钢的力学性能 AKV（J） 取样 ReH (Mpa) Rm (Mpa) 5 (%) -20 -40 -60 -80 E1A 450 550 30.8 120 108 37 E1B 475 570 25.3 143 112 133 25 E2A 430 660 25.6 101 90 35 E2B 540 640 23.8 147 110 58 由表 3 可以知道本次实验钢的屈服强度为 430-540Mpa，抗拉强度为 550-660Mpa，延伸率为 23.8%-30.8%，符合船级社的要求，结合钢在低温下的冲击韧性，本次实验钢 E1B 的力学性能最好。 3.2 实验钢的金相组织分析 制取船板纵向的金相试样，用砂纸打磨，抛光后用 3硝酸酒精溶液侵蚀，在光学显微镜下观 察试样的显微组织（×1000） ，并拍摄金相组织照片对其进行分析。 3.2.1 E1 试验钢的金相组织分析 实验得到金相组织按同种成分不同厚度分别如下图所表示：由图 1、图 2 可以看出，E1A 产生 了混晶组织， 晶粒很不均匀，晶内有大量的碳化物呈点状分布，准多变形铁素体和珠光体体混合交 织，且珠光体呈网状分布在铁素体晶界上，以致其强韧性较差；对于 E1B，其组织类型为 P+F，铁 素体呈准多变形状，珠光体弥散分布，这种组织类型的此种状态分布是最佳的，其强韧性较好，但 是当温度更低时，其冲击性能就会恶化，所以其-60开始其冲击功致显著降低，到-80只有 25J， 对于研究更高强韧性的船体结构钢，这种组织类型的潜力是有限的。从表 1 可知，对于试样 E1A， C、S、P 稍微偏高，但都在正常的控制范围，结合表 2 提供的工艺参数，对于 E1A 和 E1B，在再结 晶区的轧制制度完全相同，而在未再结晶区的轧制制度则有较大的区别，结合工艺参数的分析可以 得到，在未再结晶区实行大的压下量轧制和较低的轧制温度有利于船体结构钢组织性能的改善。大 的变形量，较低的轧制温度有利于晶粒产生较大的变形，同时在相变时会增加形核点，有利于晶粒 的充分细化。为了进一步的研究组织对性能的影响，对珠光体形貌进行了进一步观察(如图 3)，E1A 珠光体片层间距较为明显，E1B 珠光体片层间距较为模糊。可能是冷却速度的差异造成的，在连续 冷却条件下，冷却速度越大，珠光体的形成温度越低，即过冷度大，则珠光体的片层间距越低，其 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 190 原因是，冷却速度越大，形成温度降低，C 原子的扩散能力下降，不易进行较大距离的迁移，只能 形成片层间距较小的珠光体组织。由图 4 和图 5 可知，E2A 和 E2B 式样其组织类型和 E1A 基本类 似，都为 P+F，珠光体呈网状分布于晶界处，只是铁素体形状更加不规则。 图 1 E1A 和 E1B 的金相组织 a：E1A；b：E1B 图 2 扫描电镜下的 E1A 和 E1B 组织形貌 a：E1A；b：E1B 图 3 E1A、E1B 内部珠光体的形貌 a：E1A；b：E1B a b a b a b 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 191 图 4 E2A 和 E2B 的金相组织 a：E2A；b：E2B 图 5 扫描电镜下的 E2A 和 E2B 组织形貌 a：E2A；b：E2B 图 6 E2A、E2B 内部珠光体的形貌 a：E2A；b：E2B 3.3 试验钢低温韧性的研究 3.3.1 冲击式样的韧脆转变曲线 E1A、E1B、E2A、E2B 在低温下随着温降做连续的冲击试验，其韧脆转变曲线图如图 7 所示。 通过图 7 可以看出 E1B 的低温冲击韧性最好，其韧脆转变温度低于-60oC，但是当温度降低到-80 oC 时，钢的低温韧性则显著恶化。为了更进一步研究材料的低温韧性，我们以 E1B 为例对其具有特殊 值的冲击断口进行了扫描分析，并对断口处的金相组织进行了分析研究。 a b a b a b 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 192 图 7 试验钢的韧脆转变曲线 3.3.2 E1B 冲击断口分析 图 8 E12B 断口处组织形貌和 SEM 形貌 a、b 为-20oC 金相组织和 SEM 形貌 c、d 为-40oC 金相组织和 SEM 形貌 e、f 为-60oC 金相组织和 SEM 形貌 b c fe d a 2007 年全国塑性加工理论与新技术学术研讨会 2007 年 5 月 沈阳 193 如图 8 所示，a、b 是 E1B 式样在-20 oC 冲击断口处金相和断口 SEM 形貌，其冲击功为 142J，其金 相组织和图 1b 的金相组织基本相同，此处断口为韧性断口，韧窝为抛物线状，这是由于受切应力作 用的缘故，每个韧窝的大小相近，而且在韧窝的底部可见到类似夹杂物或第二相粒子存在，韧窝附 近还有深坑，这可能是断裂时珠光体的破碎引起的，珠光体是一种脆性相。-40oC 冲击图 8c、d 中断 口呈现出过渡性断裂形貌，其冲击功为 111J，光学显微镜下观察其金相组织为较为均匀的多边形铁 素体，并弥散分布少量的珠光体，组织较为均匀，断口呈舌状花样，内有较深的坑。 -60冲击图 8e、f 中断口也呈现出过渡性断裂形貌，其冲击功为 84J，出现了河流花样，根据河流花样的“流向” 来判断裂纹的起源和它的扩展方向，河流花样的“上游”是微裂纹的起源位置，“河流”的扩展方向（或 解理扇形的扩展方向）是微裂纹的微观走向。图 8f 有脆性特征，可见在此温度下钢板已开始了脆性 转变，在钢的组织中还可以看到大量的球状夹杂物，这可能是炼钢时氧的成分过高引起的，这将会 成为裂纹的起源，极大的影响钢的冲击性能。 4 总结 (1) 未再结晶区增大变形量，使变形带的数量增加，且在晶体内分布更均匀，从而在相变时提供了 更多形核点，使相变后的铁素体晶粒更均匀细小。 (2) 轧后快冷，使得在奥氏体晶内的形核率增大，从而细化晶粒，并使珠光体弥散分布，对提高钢 材的强韧性有利。 (3) 随着温度的降低，断口形貌逐渐由韧窝状过渡到带有河流花样的脆性形貌。 参考文献 1 D.Q.BAI，S.YUET.M.MACCAGNO,J.J.JONAS.E. the Fect of Deformation and Cooling Rate on Microstructures of Low Carbon Nb-BSteels.ISIJ,International,1998,38(4):371-379. 2 Zhang.Z,Farrar.R.A.Role of norr metallic inclusions in formation of acicular ferrite in low alloy weld metals.Matel SciTechnol,1996,12:233-240. 3 小指军夫.控制轧制与控制冷却.冶金工业出版社，2002.