提高船板結構鋼的韌性途徑研究

褚祥治,苑少強

(唐山學院機電工程系,河北唐山 063000)

提高船板結構鋼的韌性途徑研究

褚祥治,苑少強

(唐山學院機電工程系,河北唐山 063000)

論述了提高船板結構鋼韌性的重要性。闡明了在保持較高強度的前提下,提高韌性的基本途徑:降低C的含量、鋼材熔煉過程的純凈化、組織細化、均勻化及夾雜物改性等方法。最后,介紹了一種新的組織細化方法:弛豫-析出-控制相變技術(RPC)。

船板結構鋼;韌性;細化;弛豫-析出-控制相變

我國已經成為世界主要船舶生產國之一,近年來,船舶逐漸向大型化、輕型化方向發展,一般強度船板已不能滿足船體結構的要求,高強度船板在造船業中的比例不斷提高[1]。但是,一般隨著鋼材強度的升高,也必然帶來韌性的下降。那么,如何保持高強度船板的韌性將是我國造船業亟待解決的問題。本文根據強韌化的機理并結合船板生產過程中的實際問題,指出了提高韌性的基本途徑,藉此為實際生產提供理論支持。

1 降低C的含量

一般情況下,鋼的強度隨著碳含量的增加而上升,因此,高強鋼的含碳量較高。但是,碳的增加首先影響的是鋼板的焊接性,這對于船板制造而言是極為重要的。其次,含碳量越低,鋼板的沖擊韌性就越好,但是碳含量降低到一定程度后,轉爐終點氧含量必然會大幅度提高,導致鋼中的夾雜物增多,從而又會降低鋼的低溫沖擊韌性。固降低碳含量也有下限規定,應該不低于0.09。中國船級社規定(GB/T712-2000[2]),各級別船板的含碳量都有上限,鋼材級別A,B,D,E的含碳量分別小于0.21,0.21,0.21和0.18;高強度結構鋼的含碳量不高于0.16,各生產廠家的內控指標還要低一些。

應該指出的是,這里所說的含碳量是指碳當量,考慮到主要合金元素,通常時按照C+1/6M n計算[3]。

2 鋼水的純凈化與均勻化

綠色鋼鐵的基本概念是鋼水的純凈化和均勻化[4],對于現代化鋼鐵企業,純凈化顯得尤為重要,它也是組織均勻化的前提。鋼水的純凈化必須解決脫氧、脫硫和脫磷問題,為此,必須采用先進的熔煉設備及爐外精煉技術。因為氧的含量過多,必然帶來大量的一次氧化物和隨后產生的二次氧化物,伴隨著大量的夾雜物出現,它們的尺寸超過一定的臨界值就會成為裂紋源,根據斷裂力學理論,而沒有裂紋的組織是不會斷裂的。

硫的主要危害是在鋼的高溫軋制階段,生成熔點較低的FeS,在奧氏體晶界處偏聚,導致鋼板的高溫開裂,因此,根據鋼板中硫的含量,基本就可以判斷生產廠家能否生產出高附加值船板的能力。雖然各國船級社規定硫的含量必須低于0.035%,E級船板低于0.025%,但實際的含量遠低于此。特別是生產高等級船板時,如果硫的含量降低不下來,鋼板的低溫韌性就難以保證。磷的危害同樣會造成低溫沖擊韌性的降低。

現代冶金熔煉理論發展了合成渣精煉、鋼包吹氬精煉、真空脫氣、帶有加熱裝置的鋼包精煉、不銹鋼精煉、噴粉及特殊添加精煉等。當前,爐外精煉技術的主要發展趨勢是向著爐外熔煉設備的多功能化、二次精煉、采用先進的計算機控制技術方向發展[5]。

上述的純凈化手段也是均勻化的根本保證,如果鋼水的成分不能保證均勻,將直接影響合金元素的分布,進而在鋼板的軋制過程中出現偏析,嚴重時出現帶狀組織,導致缺陷的產生。鋼的組織均勻化和純凈化后,鋼中的夾雜物必然減少,彌散分布的氧化物、氮化物等如果呈球形,大大降低對基體的割裂作用。通過向鋼中加入稀土元素,改善夾雜物的形貌和分布[6]。

3 兩階段軋制過程中鋼板組織的細化

現代超級鋼向超細化組織發展,目前已經能夠得到1μm左右的晶粒[7]。這種細小的組織仍然符合 Hall2petch公式σs=σo+Kyd-1/2[8]。細化組織是既提高強度又不降低韌性的最好方法。

在粗扎階段,由于溫度較高,再結晶得以充分進行,軋制引起的變形量積累會很快消失,應變誘導析出效果不明顯,鋼板通過不斷的變形-再結晶,奧氏體晶粒尺寸不斷細化;一般情況下,當溫度降到950℃以下時,進入精扎階段,由于鋼板在待溫時微合金元素Nb已經有了較長時間的孕育期,因此,在進入精扎時,每一道次都可能產生析出行為。在未再結晶區軋制,雖然每道次的壓下量不大,但由于累計效果,位錯密度不斷增加,同時,應變誘導析出的Nb(C,N)與位錯相互作用,并對位錯起到強烈的釘扎作用,從而穩定位錯胞,這些穩定的位錯胞在隨后的相變將得以保持,達到細化晶粒的目的。圖1為運用Fe2Ni2Nb合金熱模擬條件下得到的位錯與析出的相互作用TEM照片,可見,位錯胞上分布著析出質點,它們將在相變后形成亞晶,分割晶粒[9]。

圖1 TEM結果顯示位錯與析出的相互作用

總之,粗軋和精軋是組織的細化的關鍵工序,直接它和隨后的控制冷卻一起,直接決定了船板的最終力學性能。簡言之,就是在粗軋階段,盡量使每道次變形都能夠超過臨界變形量,保證奧氏體組織的充分再結晶,從而反復細化高溫奧氏體;在精軋階段,由于處于未再結晶區,不必強調每道次的壓下量,累積的變形量同樣可以達到目的,一般而言,道次壓下量不低于12%,特別是最后三道次,每道次壓下量應大于15%[10]。

需要指出的是,微合金元素Nb在鋼板軋制的各個階段都起著非常重要的作用。Nb的拖曳現象對奧氏體再結晶的阻礙效果同應變誘導析出C,N化物相比是很小的。例如, 0.01%的Nb作為C,N化物析出時對再結晶奧氏體的阻礙作用遠比0.20%的固溶Nb的拖曳作用效果明顯。變形量、變形溫度及其他合金元素的加入會顯著影響Nb的應變誘導析出過程,得到最佳的工藝參數,可以充分利用它的推遲再結晶作用,高溫軋制留下更寬的溫度范圍[11]。Nb在相變后仍然有繼續析出的趨勢,在不降低韌性的情況下,提高鋼板的強度[12]。圖2為合金元素Nb在鋼板加熱、軋制及冷卻三個階段的作用示意圖[13]。

圖2 Nb在各階段的作用

4 弛豫-析出-控制相變技術(RPC)

從進一步超細化思路出發的RPC(relaxation-precipitati-on-transformation control)工藝,即軋后的弛豫-析出-控制相變技術。它充分利用非再結晶區大量變形的高密度位錯,在弛豫過程中形成大量細小的位錯胞狀結構。通過微合金元素在這些微結構上的應變誘導析出,使鋼中在相變前晶內產生大量相變形核優先位置,促使加速冷卻過程中晶內貝氏體首先在這些優先位置形成。這些先形成的貝氏體板條把變形奧氏體晶粒分割成許多細小區域,從而限制了后續的相變在這些小區域中進行,最終得到充分細化的復合組織[14]。RPC技術在超低碳貝氏體鋼中已經得到了應用,雖然鋼板的基本組織為鐵素體+珠光體組織,但仍有借鑒意義。文獻報道,在更高級別的船板鋼中,將出現超細化的貝氏體組織,它的細化原理同RPC技術類似。[15]

5 結束語

提高船板的強度不是很難,而配以相當高的韌性,即保持低溫下良好的沖擊韌性和抗冷彎性能,才復合高級船板鋼的要求。組織細化方法是目前既提高強度,又不降低韌性的唯一手段,鋼水的純凈化和均勻化,嚴格的成分控制,最終都是為組織細化服務的。深入理解保持鋼板韌性的基本理論,對于實際生產具有指導和借鑒意義。

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(責任編校:趙樹文)

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年唐山市科學發展與計劃(06110101A-4)

褚祥治(1962-),男,教授,主要從事微合金鋼的中溫組織轉變及控制研究。