薄規(guī)格12MnNiVR儲罐鋼低屈強(qiáng)比控制策略

張躍飛，王 坤，張學(xué)峰，鄒 揚(yáng)，杜群超

（1.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司，河北 唐山 063200；2.首鋼集團(tuán)有限公司 技術(shù)研究院，北京 100043）

隨著鋼鐵材料向高強(qiáng)度、輕量化方向發(fā)展，在采用各種強(qiáng)化機(jī)制提高鋼板強(qiáng)度的同時(shí)，其屈強(qiáng)比將不可避免地上升，但對于儲油罐、橋梁、建筑、管線、海洋平臺等具有特殊用途的工程結(jié)構(gòu)，出于安全考慮對鋼板的屈強(qiáng)比有嚴(yán)格要求[1-3]。屈強(qiáng)比越低，表征鋼材在受力超過屈服點(diǎn)工作時(shí)的可靠性越大，鋼結(jié)構(gòu)的安全性越高[4-5]。例如，近期中石油儲油罐鋼板采購技術(shù)條件已經(jīng)明確提出屈強(qiáng)比≤0.90。對于調(diào)質(zhì)交貨狀態(tài)12MnNiVR儲油罐鋼板，通常生產(chǎn)工藝是淬火+回火工藝路線，鋼板淬火后可獲得板條狀馬氏體硬相組織，再通過高溫回火使板條狀鐵素體再結(jié)晶和碳化物析出獲得回火索氏體軟相組織[6-9]。作者對1089批12MnNiVR鋼板生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，鋼板屈強(qiáng)比隨厚度增加而呈下降趨勢，厚度≥20 mm厚規(guī)格鋼板屈強(qiáng)比基本能夠滿足≤0.90，而厚度<20 mm薄規(guī)格鋼板屈強(qiáng)比一般在0.90～0.94，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。本文通過梳理12MnNiVR儲罐鋼屈強(qiáng)比現(xiàn)狀，對影響屈強(qiáng)比的因素分析，提出了薄規(guī)格鋼板低屈強(qiáng)比的控制措施。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 力學(xué)性能和化學(xué)成分要求

試驗(yàn)鋼板為某鋼廠生產(chǎn)的高強(qiáng)度儲罐鋼板12MnNiVR，板坯厚度為300 mm。生產(chǎn)工藝：轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→VD處理→連鑄→軋制→冷卻→調(diào)質(zhì)熱處理。試驗(yàn)鋼板的化學(xué)成分及力學(xué)性能要求如表1、表2所示。

表1 12MnNiVR鋼化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Chemical composition of the 12MnNiVR steel（mass fraction，%）

表2 12MnNiVR鋼的力學(xué)性能要求Table 2 Mechanical properties requirement of the 12MnNiVR steel

1.2 工廠軋制及實(shí)驗(yàn)室熱處理試驗(yàn)方案

采用300 mm厚鋼坯軋制18 mm和33.5 mm兩個(gè)厚度規(guī)格的鋼板，軋制過程采用兩階段軋制方式。粗軋階段開軋溫度>1050℃，采用低速大壓下軋制方式，充分利用高溫軋制階段使奧氏體晶粒發(fā)生再結(jié)晶，細(xì)化奧氏體晶粒[10]。鋼板待溫厚度為2.5倍成品厚度，待鋼板溫降到890℃時(shí)進(jìn)行精軋階段軋制，經(jīng)過奧氏體未再結(jié)晶區(qū)軋制，形變奧氏體晶粒內(nèi)形成大量的變形帶和位錯(cuò)，增加了相變形核位置和相變驅(qū)動(dòng)力，有利于進(jìn)一步細(xì)化晶粒[11]。鋼板軋制完成后，經(jīng)過ACC（Accelerated cooling）水冷冷卻到650℃。從軋態(tài)鋼板尾部寬度1/4處取樣，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行890、910、930、950、970℃系列淬火試驗(yàn)以及在淬火態(tài)鋼板取樣進(jìn)行600、620、640、650、660、680℃小爐回火試驗(yàn)。分別按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》對淬火態(tài)和回火態(tài)試樣進(jìn)行橫向拉伸試驗(yàn)，并進(jìn)行顯微組織觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 淬火溫度的影響

18 mm和33.5 mm規(guī)格鋼板經(jīng)過不同溫度淬火并在650℃回火后，其力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表3所示。從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，兩個(gè)厚度規(guī)格鋼板隨著淬火溫度升高，屈強(qiáng)比均為上升趨勢，但是18 mm薄規(guī)格鋼板的變化趨勢明顯高于33.5 mm厚規(guī)格鋼板。970℃淬火時(shí)，18 mm厚鋼板屈強(qiáng)比達(dá)到0.95，而33.5 mm厚鋼板屈強(qiáng)比只有0.90。

表3 不同厚度12MnNiVR鋼板不同溫度淬火并650℃回火后的拉伸性能對比Table 3 Comparison of tensile properties of different thickness 33.5 mm 12MnNiVR steel plates quenched at different temperatures and tempered at 650℃

2.2 回火溫度的影響

18 mm和33.5 mm規(guī)格鋼板經(jīng)過900℃淬火后，再經(jīng)過600～680℃不同溫度回火后，力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表4所示。從表4中的數(shù)據(jù)可以看出，兩個(gè)厚度規(guī)格鋼板隨著回火溫度升高，屈強(qiáng)比均呈下降趨勢。18 mm厚鋼板在600～650℃回火時(shí)，屈強(qiáng)比≤0.92；回火溫度從650℃提升至680℃，鋼板強(qiáng)度急劇下降，抗拉強(qiáng)度無法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求（610 MPa），屈強(qiáng)比也隨之從0.92下跌至0.81。

表4 不同厚度12MnNiVR鋼板經(jīng)900℃淬火并不同溫度回火后的拉伸性能對比Table 4 Comparison of tensile properties of the 12MnNiVR steel plates with different thickness quenched at 900℃and tempered at different temperatures

3 分析與討論

3.1 微觀組織分析

不同厚度規(guī)格鋼板淬、回火后典型的顯微組織見圖1和圖2。從圖1可以看出，鋼板淬火后主要組織為馬氏體（M）+部分針狀鐵素體（AF）/貝氏體鐵素體（BF），其中18 mm薄規(guī)格鋼板的針狀鐵素體體積分?jǐn)?shù)在10%～15%，而33.5 mm厚規(guī)格鋼板的針狀鐵素體體積分?jǐn)?shù)可以達(dá)到40%以上。從圖2可以看出回火后馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，針狀鐵素體在回火過程中內(nèi)部過飽和的碳擴(kuò)散至鐵素體針的界面上形成滲碳體，在針狀鐵素體內(nèi)部基本沒有碳化物析出。

圖1 不同厚度12MnNiVR鋼板900℃淬火后典型的顯微組織Fig.1 Typical microstructure of the 12MnNiVR steel plates with different thickness quenched at 900℃

圖2 不同厚度12MnNiVR鋼板900℃淬火并630℃回火后典型的顯微組織Fig.2 Typical microstructure of the 12MnNiVR steel plates with different thickness quenched at 900℃and tempered at 630℃

因此，屈強(qiáng)比隨厚度規(guī)格變化的主要原因是厚規(guī)格鋼板中存在較多的針狀鐵素體組織，其回火后形成干凈的鐵素體，這部分鐵素體在變形過程中，由于沒有碳化物的阻礙，位錯(cuò)更容易移動(dòng)及發(fā)生屈服，屈強(qiáng)比相對較低[12]；相比之下，回火索氏體組織，其基體內(nèi)密布著細(xì)小的碳化物，屈服強(qiáng)度高，加工硬化能力較弱，導(dǎo)致屈強(qiáng)比相對較高[13]。

3.2 淬火冷卻能力分析

采用12 mm和18 mm規(guī)格12MnNiVR鋼板在某鋼廠淬火機(jī)上進(jìn)行淬火冷卻試驗(yàn)，方案1采用大冷速淬火，方案2采用小冷速淬火，方案1及方案2冷卻集管的流量及輥道設(shè)定如表5所示。12、18 mm鋼板按方案1采用大水量及低輥道速度淬火，其CCT曲線和鋼板心部冷卻曲線繪制如圖3（a）所示。從圖3（a）可知，方案1兩個(gè)規(guī)格鋼板的心部冷速均大于鐵素體和貝氏體的臨界冷速[14-16]，說明了薄規(guī)格鋼板淬火后易獲得完全的馬氏體組織。為了獲得20%～40%以上的針狀鐵素體/貝氏體鐵素體組織，方案2采用小水量及大輥道速度淬火，將12 mm、18 mm鋼板的冷卻曲線與CCT曲線繪制如圖3（b）所示，可以看出，兩個(gè)規(guī)格鋼板的冷速均有不同程度的降低。同時(shí)可以看出鋼板冷卻曲線穿過生成針狀鐵素體/貝氏體鐵素體的理想?yún)^(qū)域，方案2可使薄規(guī)格鋼板獲得20%～40%以上的針狀鐵素體/貝氏體鐵素體組織。

圖3 12MnNiVR鋼CCT曲線及12 mm、18 mm鋼板心部的淬火冷速Fig.3 CCT curves of the 12MnNiVR steel and quenching cooling rate in the core of the 12 mm and 18 mm steel plates

表5 薄規(guī)格鋼板淬火水量和輥速設(shè)置Table 5 Setting of quenching water volume and roller speed for the thin sheet steel

3.3 抗拉強(qiáng)度與屈強(qiáng)比關(guān)系

對150批18 mm厚鋼板抗拉強(qiáng)度與屈強(qiáng)比關(guān)系統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，屈強(qiáng)比與抗拉強(qiáng)度存在線性關(guān)系變化，抗拉強(qiáng)度≤660 MPa時(shí)，屈強(qiáng)比≤0.90。抗拉強(qiáng)度>660 MPa時(shí)，屈強(qiáng)比>0.90。因此，對于薄規(guī)格12MnNiVR儲罐鋼，抗拉強(qiáng)度控制在610～660 MPa，有利于控制鋼板屈強(qiáng)比≤0.90。

圖4 12MnNiVR鋼屈強(qiáng)比與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系Fig.4 Relationship between yield ratio and tensile strength of the 12MnNiVR steel

4 結(jié)論

1）<20 mm薄規(guī)格12MnNiVR鋼屈強(qiáng)比高，主要是由于內(nèi)部微觀組織差異導(dǎo)致。薄規(guī)格鋼板淬火后的針狀鐵素體體積分?jǐn)?shù)在10%～15%，而厚規(guī)格鋼板的針狀鐵素體體積分?jǐn)?shù)可以達(dá)到40%以上。針狀鐵素體組織回火后其內(nèi)部不會(huì)形成大量、彌散的滲碳體，降低整體屈服強(qiáng)度，從而降低了鋼板的屈強(qiáng)比。

2）<20 mm薄規(guī)格鋼板通過降低淬火機(jī)冷卻水量及提高輥道速度，降低薄規(guī)格鋼板心部冷卻能力，使薄規(guī)格鋼板進(jìn)入針狀鐵素體相變區(qū)域，提高淬火態(tài)針狀鐵素體相組織體積分?jǐn)?shù)，降低鋼板屈強(qiáng)比。

3）回火溫度從600℃逐步升高到680℃，鋼板屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均呈下降趨勢，鋼板屈強(qiáng)比降低。當(dāng)回火溫度達(dá)到680℃時(shí)，屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度急劇下降，導(dǎo)致強(qiáng)度不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4）抗拉強(qiáng)度與屈強(qiáng)比呈線性關(guān)系變化，<20 mm薄規(guī)格鋼板抗拉強(qiáng)度控制在610～660 MPa區(qū)間內(nèi)，基本可以控制屈強(qiáng)比≤0.90。