提高船板结构钢的韧性途径研究

褚祥治,苑少强

(唐山学院机电工程系,河北唐山 063000)

提高船板结构钢的韧性途径研究

褚祥治,苑少强

(唐山学院机电工程系,河北唐山 063000)

论述了提高船板结构钢韧性的重要性。阐明了在保持较高强度的前提下,提高韧性的基本途径:降低C的含量、钢材熔炼过程的纯净化、组织细化、均匀化及夹杂物改性等方法。最后,介绍了一种新的组织细化方法:弛豫-析出-控制相变技术(RPC)。

船板结构钢;韧性;细化;弛豫-析出-控制相变

我国已经成为世界主要船舶生产国之一,近年来,船舶逐渐向大型化、轻型化方向发展,一般强度船板已不能满足船体结构的要求,高强度船板在造船业中的比例不断提高[1]。但是,一般随着钢材强度的升高,也必然带来韧性的下降。那么,如何保持高强度船板的韧性将是我国造船业亟待解决的问题。本文根据强韧化的机理并结合船板生产过程中的实际问题,指出了提高韧性的基本途径,藉此为实际生产提供理论支持。

1 降低C的含量

一般情况下,钢的强度随着碳含量的增加而上升,因此,高强钢的含碳量较高。但是,碳的增加首先影响的是钢板的焊接性,这对于船板制造而言是极为重要的。其次,含碳量越低,钢板的冲击韧性就越好,但是碳含量降低到一定程度后,转炉终点氧含量必然会大幅度提高,导致钢中的夹杂物增多,从而又会降低钢的低温冲击韧性。固降低碳含量也有下限规定,应该不低于0.09。中国船级社规定(GB/T712-2000[2]),各级别船板的含碳量都有上限,钢材级别A,B,D,E的含碳量分别小于0.21,0.21,0.21和0.18;高强度结构钢的含碳量不高于0.16,各生产厂家的内控指标还要低一些。

应该指出的是,这里所说的含碳量是指碳当量,考虑到主要合金元素,通常时按照C+1/6M n计算[3]。

2 钢水的纯净化与均匀化

绿色钢铁的基本概念是钢水的纯净化和均匀化[4],对于现代化钢铁企业,纯净化显得尤为重要,它也是组织均匀化的前提。钢水的纯净化必须解决脱氧、脱硫和脱磷问题,为此,必须采用先进的熔炼设备及炉外精炼技术。因为氧的含量过多,必然带来大量的一次氧化物和随后产生的二次氧化物,伴随着大量的夹杂物出现,它们的尺寸超过一定的临界值就会成为裂纹源,根据断裂力学理论,而没有裂纹的组织是不会断裂的。

硫的主要危害是在钢的高温轧制阶段,生成熔点较低的FeS,在奥氏体晶界处偏聚,导致钢板的高温开裂,因此,根据钢板中硫的含量,基本就可以判断生产厂家能否生产出高附加值船板的能力。虽然各国船级社规定硫的含量必须低于0.035%,E级船板低于0.025%,但实际的含量远低于此。特别是生产高等级船板时,如果硫的含量降低不下来,钢板的低温韧性就难以保证。磷的危害同样会造成低温冲击韧性的降低。

现代冶金熔炼理论发展了合成渣精炼、钢包吹氩精炼、真空脱气、带有加热装置的钢包精炼、不锈钢精炼、喷粉及特殊添加精炼等。当前,炉外精炼技术的主要发展趋势是向着炉外熔炼设备的多功能化、二次精炼、采用先进的计算机控制技术方向发展[5]。

上述的纯净化手段也是均匀化的根本保证,如果钢水的成分不能保证均匀,将直接影响合金元素的分布,进而在钢板的轧制过程中出现偏析,严重时出现带状组织,导致缺陷的产生。钢的组织均匀化和纯净化后,钢中的夹杂物必然减少,弥散分布的氧化物、氮化物等如果呈球形,大大降低对基体的割裂作用。通过向钢中加入稀土元素,改善夹杂物的形貌和分布[6]。

3 两阶段轧制过程中钢板组织的细化

现代超级钢向超细化组织发展,目前已经能够得到1μm左右的晶粒[7]。这种细小的组织仍然符合 Hall2petch公式σs=σo+Kyd-1/2[8]。细化组织是既提高强度又不降低韧性的最好方法。

在粗扎阶段,由于温度较高,再结晶得以充分进行,轧制引起的变形量积累会很快消失,应变诱导析出效果不明显,钢板通过不断的变形-再结晶,奥氏体晶粒尺寸不断细化;一般情况下,当温度降到950℃以下时,进入精扎阶段,由于钢板在待温时微合金元素Nb已经有了较长时间的孕育期,因此,在进入精扎时,每一道次都可能产生析出行为。在未再结晶区轧制,虽然每道次的压下量不大,但由于累计效果,位错密度不断增加,同时,应变诱导析出的Nb(C,N)与位错相互作用,并对位错起到强烈的钉扎作用,从而稳定位错胞,这些稳定的位错胞在随后的相变将得以保持,达到细化晶粒的目的。图1为运用Fe2Ni2Nb合金热模拟条件下得到的位错与析出的相互作用TEM照片,可见,位错胞上分布着析出质点,它们将在相变后形成亚晶,分割晶粒[9]。

图1 TEM结果显示位错与析出的相互作用

总之,粗轧和精轧是组织的细化的关键工序,直接它和随后的控制冷却一起,直接决定了船板的最终力学性能。简言之,就是在粗轧阶段,尽量使每道次变形都能够超过临界变形量,保证奥氏体组织的充分再结晶,从而反复细化高温奥氏体;在精轧阶段,由于处于未再结晶区,不必强调每道次的压下量,累积的变形量同样可以达到目的,一般而言,道次压下量不低于12%,特别是最后三道次,每道次压下量应大于15%[10]。

需要指出的是,微合金元素Nb在钢板轧制的各个阶段都起着非常重要的作用。Nb的拖曳现象对奥氏体再结晶的阻碍效果同应变诱导析出C,N化物相比是很小的。例如, 0.01%的Nb作为C,N化物析出时对再结晶奥氏体的阻碍作用远比0.20%的固溶Nb的拖曳作用效果明显。变形量、变形温度及其他合金元素的加入会显著影响Nb的应变诱导析出过程,得到最佳的工艺参数,可以充分利用它的推迟再结晶作用,高温轧制留下更宽的温度范围[11]。Nb在相变后仍然有继续析出的趋势,在不降低韧性的情况下,提高钢板的强度[12]。图2为合金元素Nb在钢板加热、轧制及冷却三个阶段的作用示意图[13]。

图2 Nb在各阶段的作用

4 弛豫-析出-控制相变技术(RPC)

从进一步超细化思路出发的RPC(relaxation-precipitati-on-transformation control)工艺,即轧后的弛豫-析出-控制相变技术。它充分利用非再结晶区大量变形的高密度位错,在弛豫过程中形成大量细小的位错胞状结构。通过微合金元素在这些微结构上的应变诱导析出,使钢中在相变前晶内产生大量相变形核优先位置,促使加速冷却过程中晶内贝氏体首先在这些优先位置形成。这些先形成的贝氏体板条把变形奥氏体晶粒分割成许多细小区域,从而限制了后续的相变在这些小区域中进行,最终得到充分细化的复合组织[14]。RPC技术在超低碳贝氏体钢中已经得到了应用,虽然钢板的基本组织为铁素体+珠光体组织,但仍有借鉴意义。文献报道,在更高级别的船板钢中,将出现超细化的贝氏体组织,它的细化原理同RPC技术类似。[15]

5 结束语

提高船板的强度不是很难,而配以相当高的韧性,即保持低温下良好的冲击韧性和抗冷弯性能,才复合高级船板钢的要求。组织细化方法是目前既提高强度,又不降低韧性的唯一手段,钢水的纯净化和均匀化,严格的成分控制,最终都是为组织细化服务的。深入理解保持钢板韧性的基本理论,对于实际生产具有指导和借鉴意义。

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(责任编校:赵树文)

Investigation on the Way of Improving Ductility of Ship-building Plates

CHU Xiang-zhi,YUAN Shao-qiang

(Department of Electrical and Mechanical Engineering,Tangshan College,Tangshan 063000,China)

The paper discusses the importance of enhancing ductility of ship-building plates and clarifies the fundamental methods of increasing ductility while remains the relatively higher strength:decreasing content of carbon,purifying the steel products during melting,refinement, uniformity and inclusion modified,etc.Finally,the newly developed refinement method RPC (relaxation-precipitation-transformation control)is introduced.

ship-building p lates;ductility;refinement;RPC

TG142.2;TG333.51

A

1672349X(2010)06002303

2010-11-10

2007年唐山市科学发展与计划(06110101A-4)

褚祥治(1962-),男,教授,主要从事微合金钢的中温组织转变及控制研究。