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分享:一种海上风电用S355ML钢的研制方法及其力学性能

2023-02-27 14:04:31 

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(宝钢湛江钢铁有限,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 进行研制结果表明:S355ML钢板在预应变为7%,经过250 ,1h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;;中图分类号:TB31;TG115.5 献标:A 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 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 [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 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 除了要满足标准 EN10025—2004 结构钢热轧产 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(表中t为材料厚度)。

2 研制

是钢的主要元素,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 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,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 ,还可以抑制低温条件下铁素体共价键的倾向,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,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,3种成分研制海上风电用 S355ML 逐步降 低碳元素含量,并增加细化晶粒元素铜铌的含 成分 A 为较高碳元素含量,低含量铜铌合 金元素成分;成分 B为低碳元素含量,较高含量铜铌合金元素成分;成分 C 为极低碳元素含量,含量 铜铌 合 金 元 素 成 分。3 种 海 上 风 电 用 S355ML成分设计如表2所示

2.2 工艺设

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

3 试验过程

在轧制的每张钢板头尾取样,进行力学性能测 ,分别完成室温拉常规-40 横纵向冲击变时效处理后-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),4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,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 B的基础 上 进 一 步 降 低 了 碳 元 素 含 量,加 入 了 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 40% [6]4,A 研制S355ML钢在 -20 ℃-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,法满足使用需求;成分B,C-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,足使3S355ML 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 S355ML,;BS355ML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

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,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,,改善作用[7]A,B,C3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,C与成分 A,B,越多,其应变时效后的,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+下贝氏体,具有良好的强度及低温韧性,7%应变,250 ℃,1 h 人 工 ,完 全 满 足 -40 温冲,且制(2) 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,素含量的增加,,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 钢的低温冲击韧大差异根据不同成分相变点的不同,氏体 织转,点越,下贝氏体组 织越,韧性改善

来源:材料与测试网