分享：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)
摘 要:采用碳元素含量及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。结果表明:S355ML钢板在预应变为7%,经过250 ℃,1h的时效处理试验后,其组织 无显著变化;采用降低碳元素含量、添加较多细化晶粒元素的方法研制出 敏感性低,其力学性能完全满足工程项目的使用需求,且该方法的成本最低 S 。 355ML 钢的应变时效
关键词:海上风电;S355ML钢;应变时效;力学性能 中图分类号:TB31;TG115.5 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)12-0031-04
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 EN10025—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)。
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。
2.2 工艺设计
采用50kg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。
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。
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。式中:C 为应变时效敏感系数;??AK 为未经应变时效 的冲击吸收能量平均值;??AKS 为应变时效后的冲击 吸收能量平均值。 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] 技术要求。 ,应变时效后的低温冲击性能完全满足 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。 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。
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,C3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。
来源：材料与测试网
