一种海上风电用S355ML钢的研制方法及其力学性能

刘 鹏, 陈继雄

(宝钢湛江钢铁有限公司, 湛江 524000)

风力发电对缓解能源紧张有着极大的改善作用。能源的开发离不开工程建设，在各类钢材的加工使用过程中，材料变形会对钢材的性能造成影响[1]。冷加工塑性变形及焊接内应力变形使钢材的强度与硬度升高、塑性与韧性下降的现象，称为应变时效。近年来，国内外风电工程项目发展迅速，基本都要求风电类用钢的交货状态为控轧、正火态，且几乎没有应变时效性能要求，仅有少数用户对钢板在5%应变时效后的冲击韧性提出了要求。随着多项特大风电项目工程的相继开展，风电用钢的需求量急剧上升，同时也对新一轮风电用钢提出了更高的要求，应变时效要求由5%逐渐增加至7%，极大地提高了生产技术难度。

为了满足市场需求，同时提升产线的技术能力，笔者采用碳元素含量、细化晶粒元素添加量均不同的3种方法对海上风电用S355ML钢进行研制。

1 S355ML钢的力学性能要求

根据工程项目的要求，海上风电用S355ML钢除了要满足标准EN 10025—2004 《结构钢热轧产品》中的要求外，还需满足技术协议中的相关要求。海上风电用S355ML钢的力学性能要求如表1所示(表中t为材料厚度)。

表1 海上风电用S355ML钢的力学性能要求

2 研制方案

碳是钢中的主要元素，其直接影响钢材的强度、塑性、韧性和焊接性能等。随着碳元素含量的增加，钢板的屈服强度、抗拉强度和硬度增加，但其延伸率、冲击韧性及焊接性能下降。为了保证其低温冲击韧性，需要降低钢中的碳含量[2]。铜元素在钢中的作用是改善普通低合金钢的耐大气腐蚀性能，对钢板的强度和韧性影响不大。镍元素是奥氏体稳定化元素，其晶格常数与γ铁相近，可以提高钢的淬透性，还可以抑制低温条件下铁素体共价键的倾向，降低位错运动的晶格阻力，促进位错交滑移，改善钢板的韧性[3]。当结合使用铜、镍元素时，钢板可表现出很强的复合强化、韧化作用，改善钢板的低温韧性。铌元素是通过固溶强化和细化晶粒的作用来提高钢的韧性。降低碳元素含量可以改善钢板的韧性，合金的细晶强化及固溶强化可以保证钢板既有较好的强度，又具备低温冲击韧性。

轧制时，低终轧温度设计可使钢板基本处于奥氏体未再结晶区，能细化相变前的晶粒尺寸，提高钢板的韧性；轧制结束后，喷水冷却的方式可使钢板获得一定的硬相组织，保证钢板的强度；轧制阶段增加了奥氏体向铁素体相变的形核部位，可有效细化铁素体晶粒[4]，最终获得兼顾强度和韧性的组织配比。

钢板要兼顾强度及低温韧性，就需要晶粒尺寸和软、硬相组织的合理分配。采用热机械轧制的方式控制钢板的组织相变；采用不同的成分，钢板发生相变的温度会有所不同。

2.1 成分设计

根据碳元素含量及合金元素添加量的不同，选择3种成分研制海上风电用S355ML钢。逐步降低碳元素含量，并增加细化晶粒元素铜、镍、铌的含量。成分A为较高碳元素含量，低含量铜、镍、铌合金元素成分；成分B为低碳元素含量，较高含量铜、镍、铌合金元素成分；成分C为极低碳元素含量，高含量铜、镍、铌合金元素成分。3种海上风电用S355ML钢的成分设计如表2所示。

表2 3种海上风电用S355ML钢的成分设计 %

2.2 工艺设计

采用50 kg级热机械控制工艺态钢种的生产工艺，每种成分皆采用相同的工艺，生产相同规格的钢板，为了减小设备状态带来的影响，采用集中轧制的方式生产，生产过程无异常，钢板生产工艺如表3所示。

表3 钢板生产工艺

3 试验过程

在轧制的每张钢板头尾取样，进行力学性能测试，分别完成室温拉伸、常规-40 ℃横纵向冲击、应变时效处理后-40 ℃纵向冲击、应变时效敏感性等试验，结果如图1～3所示。

图1 不同成分S355ML钢的拉伸性能散点图

图2 不同成分S355ML钢应变时效前后的-40 ℃温度下冲击性能散点图

图3 不同成分韧脆转变温度对比

试轧的S355ML钢在不同温度下的应变时效敏感系数计算公式如式(1)所示，结果如表4所示。

表4 不同成分研制S355ML钢应变时效敏感系数 %

(1)

4 试验结果

从上述试验结果可以看出，按3种成分生产的同规格钢板强度都可以满足技术要求，成分A的碳元素含量最高，对低温冲击韧性的影响最大，故生产的钢板经应变时效处理后，钢板冲击韧性波动很大，无法满足技术要求。成分B在成分A的基础上降低了碳元素含量，加入了铜、镍、铌合金元素，合金元素的固溶强化作用改善了钢板的低温韧性，满足应变时效处理后的低温冲击性能要求。成分C在成分B的基础上进一步降低了碳元素含量，加入了铜、镍、铌等细化晶粒合金元素，对低温韧性的改善极其明显[5]，应变时效后的低温冲击性能完全满足技术要求。

低合金钢的应变时效敏感系数一般小于40%[6]。由图4可知，成分A研制的S355ML钢在-20 ℃与-40 ℃的应变时效敏感性已经非常高，说明冲击韧性在应变时效处理后发生急剧劣化，无法满足使用需求；成分B，C在-40 ℃时的应变时效敏感系数小于40%，具备很好的焊接性能和冷加工变形性能，完全满足使用需求。

图4 3种成分研制S355ML钢断口微观形貌

对3种成分研制S355ML钢应变时效后的低温冲击试样断口形貌进行分析，可发现成分A研制S355ML钢的断口形貌皆为解理断裂，韧性较差；成分B研制S355ML钢的断口形貌基本为韧窝状，低温冲击韧性较好；成分C研制S355ML钢的断口形貌全部为韧窝状，低温冲击韧性最好。

对3种成分研制S355ML钢的轧态、应变时效处理前、应变时效处理后的显微组织进行观察，结果如图5～7所示。

由图5～7可知：钢板组织较均匀，为铁素体和贝氏体，结合试制情况来看，应变时效处理前后，钢板组织无显著变化，但钢板在-40 ℃时的冲击性能却有很大差异，可见钢板的低温冲击性能受更加细化组织的影响。

图5 成分A研制S355ML钢在不同状态下的显微组织形貌

图6 成分B研制S355ML钢在不同状态下的显微组织形貌

图7 成分C研制S355ML钢在不同状态下的显微组织形貌

发生相变时，根据冷却温度、冷却速率的不同，可生成上贝氏体和下贝氏体，相变点温度越低，在相同工艺条件下，得到的下贝氏体(针状)组织就越多，而下贝氏体组织中的碳元素属于过饱和碳，碳化物弥散程度高，强化作用较大，对钢板的韧性有很好的改善作用[7]。A，B，C 3种成分的主要差异在于碳、铜、镍等元素的含量不同，导致轧后冷却过程中的相变点温度也存在差异，三者的相变点温度分别为753，745，740 ℃。采用相同的工艺进行生产时，成分C与成分A，B相比，得到的下贝氏体组织含量也越多，其应变时效后的低温冲击韧性就越好，但成分C中贵重金属合金元素加入较多，成本太高，而成分B也可满足技术需求，且成本较低。综合考虑，采用成分B进行S355ML钢的研制为最佳方案。

5 结论

(1) 采用低碳元素含量、添加改善低温冲击韧性的合金元素开发出的S355ML钢组织为铁素体+下贝氏体，具有良好的强度及低温韧性，经7%预应变，250 ℃，1 h人工时效处理后，完全满足-40 ℃低温冲击性能，且制造成本较低。

(2) 经应变时效处理后，不同成分研制S355ML钢在各个温度下的冲击吸收能量比时效处理前都有一定程度的降低，且冲击性能随温度降低的劣化程度更严重，对温度变化更为敏感，成分B研制S355ML钢的应变时效敏感性最低，随着碳元素含量的增加，铜、镍、铌合金元素含量的降低，应变时效敏感性逐步升高。

(3) 应变时效处理前后，钢板组织无显著变化，但不同成分研制S355ML钢的低温冲击韧性有较大差异。根据不同成分相变点的不同，结合贝氏体组织转变机制，发现相变点越低，得到的下贝氏体组织越多，对钢板韧性有很好的改善作用。