胡 战, 吴荣华, 陈继雄

(宝钢湛江钢铁有限公司,湛江 524072)

摘 要:不添加价格昂贵的铌、钒元素,仅在 C-Mn钢成分体系上添加钛元素细化晶粒,采用热 机械控制工艺研制出低成本的船用EH36高强钢板,并对其力学性能、显微组织等进行了分析。结 果表明:该船用 EH36高强钢板成本较原来低,其性能满足标准要求,且强度和韧性均有较大的富 余量;经人工应变时效后,其低温冲击韧性仍较好;经两种热输入焊接后,其焊接接头的力学性能均 满足母材性能的要求,且富余量较大,说明其具有优越的焊接性能。

关键词:EH36高强钢板;力学性能;应变时效;焊接热输入;焊接性能 中图分类号:TF769.2 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2021)02-0013-04

船用高强钢板用钢对性能要求较高,需具有高 强度和高韧性[1]。以前主要采用添加铌、钒、钛等元 素来细化晶粒以提高钢板性能。由于铌、钒元素的 价格较高,以前船用高强钢板的生产成本也较高。 近年来,随着热机械控制工艺(TMCP)的发展, 大大降低了高强钢板的生产制造成本。在钢板的轧 制工艺结束之后,钢板进入快速冷却装置,以较快的 冷却速率(5~50 ℃·s -1)冷却至贝氏体转变温度之 下,在快冷过程中,发生奥氏体向贝氏体的转变,在 较高的冷却速率下,钢的强度和韧性均大幅度提高。 基于热机械控制工艺的优点,笔者尝试不添加铌、钒 元素,只 添 加 钛 元 素,以 热 机 械 控 制 工 艺 来 生 产 EH36 高强钢板,并对其性能及组织进行了研究。

1 试验方法

1.1 船用 EH36高强钢板的主要性能要求 船用 EH36高强钢板的主要性能要求见表1。

1.2 船用 EH36高强钢板的化学成分设计

考虑成本因素,船用 EH36高强钢板成分设计 采用在 C-Mn钢成分体系上添加钛元素细化晶粒, 且有报道表明微量的钛对改善焊接接头的韧性十分 有效[2-3]。考虑-40 ℃下船用 EH36高强钢板的冲 击韧性要求,碳锰配比采用低碳高锰形式。碳元素 通过固溶强化可提高钢的强度,但对韧性、塑性和焊 接性能有不利影响。锰元素主要起固溶强化的作 用,补偿碳含量降低引起的强度下降。锰元素也是 扩大γ相区的元素,可降低钢的 γ→α 转变温度,有 助于获得组织细小的相变产物,可提高钢的韧性、降 低韧脆转变温度,在冶炼中还可以脱氧和消除硫元 素的不利影响。硫元素的含量与炼钢时加入的 SiMn合金有很大关系,因此锰元素含量确定之后,硫 元素质量分数为0.20%~0.50%。铝元素在冶炼中 是重要的脱氧剂,铝元素在钢中和其他元素形成细 小弥散分布的难熔化合物 AlN,起阻碍晶粒长大的 作用,能够细化晶粒,提高钢的晶粒粗化温度。磷元 素和硫元素对船体结构用钢是非常有害的元素,直 接影响到钢板的塑性和韧性,应当严格控制。同时 也要严格控制氮、氢、氯元素的含量,游离氮元素会 显著降低低温冲击韧性。氯元素含量过高会使氧化 物夹杂增加,影响钢的纯净度。铌元素能与碳、氮元 素结合形成碳氮化物,这些化合物在高温下会固溶到 铁基体中去,而在低温下会析出,其作用可归结为:加 热时阻碍原始奥氏体晶粒长大;在轧制过程中抑制再 结晶及再结晶后的晶粒长大;在低温时起到析出强化 作用[4]。基于上述分析,设计出不添加铌、钒元素的 船用EH36高强钢板的化学成分,如表2所示。

1.3 生产工艺

1.3.1 生产工艺流程

该船用 EH36高强钢板的生产工艺流程为铁液 →铁液预处理→转炉→精炼→连铸→堆冷→板坯检 查→二切→加热→高压水除鳞→粗轧→精轧→预矫 →加速冷却→热矫→精整→钢板检验。 1.3.2 冶炼工艺 为了保证板坯质量,要求钢液中 wP≤0.015%, wS≤0.002%,连铸过程要求采用低过热度浇铸,其 过热度值为15~25 ℃。 1.3.3 轧制工艺 轧制坯料厚度为230 mm,船用 EH36高强钢 板厚度为50 mm。板坯平均温度达到980~1080 ℃时保温至少30min出炉。因为板坯合金含量低, 不含铌、钒等元素,出炉温度应不高于1080 ℃,其 主要目的是使加热后 γ相初始晶粒细化,相变前的 γ晶粒越细,相变后的α晶粒也越细。轧制采用再 结晶区和未再结晶区两阶段轧制,一阶段的轧制在 奥氏体再结晶区进行,通过奥氏体的反复再结晶进 行晶粒细化,从而在 γ→α相变后得到细小的 α晶 粒。高温及大压力下可使奥氏体再结晶完全,因此 在设备允许的情况下,增加单道次的压下率以细化 晶粒。为了避免奥氏体临界变形量轧制,造成混晶, 每道次压下率不得小于12%。二阶段轧制在奥氏 体的未再结晶区进行,获得充分压扁的变形奥氏体, 积累位错,创造更多的形核位置,促进相变后获得细 小的相变组织[5],每道次压下率不得小于10%。采 用成品厚度的1.6~3倍为中间坯厚度。由于压下 率较大,为防止板坯轧废,精轧第一道次不可喷水除 磷,待轧制长度大于5m 后再喷水除磷。轧制后立 即进行加速冷却,有效保留控轧过程中积累的位错, 通过控制冷却速率和终冷温度来控制组织。钢板开 始冷却温度越接近终轧温度,奥氏体细化变形的效 果越好,冷却后最终所得显微组织为细铁素体+细 珠光体+少量贝氏体及弥散的碳氮化物。该船用 EH36高强钢板的轧制工艺参数见表3。

2 试验结果及分析

2.1 显微组织与力学性能

2.1.1 显微组织

在船用 EH36高强钢板上切取钢板制成金相试 样,用4%(质量分数)硝酸酒精溶液浸蚀后,在金相 显微镜下观察其显微组织,如图1所示。可见其显 微组织为细铁素体+细珠光体+少量的贝氏体。铁 素体为等轴状细小晶粒,个别晶粒略微粗大,这是由 于钢板水冷出水后钢板返温,热量向外扩散导致部 分晶粒长大造成的,珠光体分布均匀,铁素体附近可 观察到少量贝氏体析出。

2.1.2 拉伸性能 该船

用 EH36 高 强 钢 板 的 横 向 屈 服 强 度 为 431MPa,抗 拉 强 度 为 544 MPa,断 后 伸 长 率 为 26%;纵 向 屈 服 强 度 为 427 MPa,抗 拉 强 度 为 538MPa,断后伸长率为29%。可见其拉伸性能均 满足船用 EH36高强钢板的性能要求。 2.1.3 冲击性能 2.1.3.1 不同温度下冲击性能 图2 船用 EH36高强钢板在不同温度下的冲击吸收能量 在船用 EH36高强钢板板厚1/4处取横向及纵 向试样分别进行-20,-40,-60,-80 ℃的冲击试 验,结果如图2所示。可见该船用 EH36高强钢板 的冲击韧性良好,-40 ℃下的冲击吸收能量数值稳 定,有较大富余量。钢板的韧性是表征其在弹性变 形、塑性变形、裂纹形成和扩展过程中吸收能量的能 力,随着温度的下降,钢板的冲击吸收能量也逐渐减 小。由图2还可知,该船用 EH36高强钢板的韧脆 转变点在-60~-80 ℃之间。 图3 船用 EH36高强钢板人工应变时效后在不同温度下的 冲击吸收能量2.1.3.2 应变时效态冲击性能 取该船用 EH36高强钢板纵向试样进行5%变 形,在250 ℃下保温1h进行人工应变时效,然后在 板厚1/4处取样分别进行-20,-40,-60,-80℃的 冲击试验,结果如图3所示。可见经过人工应变时效 后,研制出的船用 EH36高强钢板在-60 ℃下的冲 击吸收能量仍保持在150J以上,说明该船用 EH36 高强钢板具有良好的抗时效能力。由图3还可知,船 用EH36高强钢板经时效后未有明显突发韧脆转变 点,时效后韧脆转变温度仍低于-60 ℃,表明该船用 EH36高强钢板的纯净度高,氮含量低,脱氧程度好, 这些有利因素为提高时效冲击韧性创造了条件。

2.2 焊接接头的力学性能

在该船用 EH36高强钢板上取300 mm(轧制 方向)×1200mm(垂直轧制方向)全厚度样板,其 中1200mm 边部加工成1/2V 型缺口,分别进行 50kJ·cm -1及15kJ·cm -1的两种热输入焊接,焊后 检测焊接 接 头 的 拉 伸、弯 曲 性 能 及 不 同 坡 口 位 置 -40 ℃下的冲击性能。 2.2.1 拉伸及弯曲性能 上述焊接接头的拉伸试样及弯曲试样的取样示 意图如图4所示,试验结果见表4。两种热输入下 的焊接接头抗拉强度均满足母材的技术要求,且富 余量很大,焊接热输入为50kJ·cm -1的试样断裂位置 在焊接接头部位,焊接热输入为15kJ·cm -1的试样断 裂位置均在母材部位。侧弯试验均无裂纹产生。

2.2.2 焊接接头不同部位的冲击性能

焊缝的冲击韧性比母材低,比 热 影 响 区 也 稍 低,因此焊缝的韧性成为整个焊接接头最薄弱的环 节[5]。对上述两种焊接热输入的焊接接头的上表面 及根部的熔合线、熔合线+2mm、熔合线+5mm、 熔合线+20mm 处冲击坡口位置进行-40 ℃下的 冲击试验,结果如图 5 所示。可见熔合线 +5 mm 处坡口位置的冲击吸收能量接近母材的,熔合线处、 熔合线+2mm 处坡口位置冲击吸收能量因焊接影 响有波动,但均满足标准要求,表明焊接接头位置的 韧性与母材的韧性相差不大。

3 结论

(1)通过在 C-Mn钢成分体系上添加微合金元 素钛,采用热机械控制工艺,研制出低成本的船用 EH36高强钢板,其性能满足标准要求,强度和韧性 均有较大的富余量。 (2)该船用 EH36高强钢板的显微组织为细铁 素体+细珠光体+少量贝氏体,其具有良好的低温 冲击韧性,韧脆转变温度在-60 ℃以下。 (3)该船用 EH36 高强钢板经人工 应 变 时 效 后,-60 ℃下的冲击吸收能量仍保持150J以上,韧 脆转变温度仍在-60 ℃以下,可保证钢板在服役条 件下不会发生突发脆性断裂。 (4)该船用 EH36高强钢板经50kJ·cm -1 及 15kJ·cm -1两种热输入焊接后,焊接接头的拉伸、 侧弯性能及不同坡口位置的冲击韧性均达到对母材 性能的要求,且富余量较大,表明该船用 EH36高强 钢板具有优越的焊接性能

来源：材料与测试网