LNG儲罐用高錳鋼中厚板生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)

海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點實驗室 齊祥羽 嚴玲 王長順 張鵬 李廣龍

鞍鋼集團鋼鐵研究院 齊祥羽 嚴玲 王長順 張鵬 李廣龍

關(guān)鍵詞：高錳鋼；中厚板；LNG儲罐；TWIP效應(yīng)；孿晶；（Cr，Mn）23C6型碳化物

0 引言

隨著環(huán)保意識的提升，開發(fā)清潔能源的呼聲不斷高漲，天然氣作為最清潔的能源之一，其開發(fā)利用也越來越受到世界各國的重視。常壓下，天然氣可在-162 ℃低溫環(huán)境中液化，液化天然氣（Liquefied Natural Gas， LNG）體積僅為氣態(tài)時的1/625左右，非常便于存儲和運輸，安全性能極佳。目前，用于LNG儲罐的材料主要有鋁合金、奧氏體不銹鋼、9Ni 鋼以及因瓦合金等。然而，這些傳統(tǒng)的低溫材料存在成本高、工藝復(fù)雜、制造困難和焊接性差等諸多問題。

由于LNG儲罐主要在超低溫環(huán)境下服役，這就要求LNG儲罐用鋼在超低溫環(huán)境下保持理想的性能和良好的組織穩(wěn)定性。通常，LNG儲罐用鋼要求其屈服強度不低于400 MPa， 抗拉強度大于800 MPa， -196 ℃沖擊吸收功在80 J以上。在這一背景下，具有低成本、高延展性、疲勞性能優(yōu)異且具有耐低溫特點的高錳奧氏體鋼在LNG儲罐制造領(lǐng)域應(yīng)用潛力巨大，受到越來越多學者的關(guān)注。然而，高錳奧氏體鋼面心立方（FCC）晶體結(jié)構(gòu)的特點導(dǎo)致其屈服強度偏低，通常只有300 MPa左右，使其在工程應(yīng)用方面具有一定的局限性。目前，主要采用固溶強化、細晶強化和沉淀強化等方式來提高材料的屈服強度，但對于具有FCC結(jié)構(gòu)的高錳鋼，固溶原子的固溶強化效果遠低于其在體心立方（BCC）晶體結(jié)構(gòu)鐵合金中的固溶強化效果。細化晶粒可以有效地提高屈服強度，但只有將晶粒細化至5 μm以下時，高錳鋼的屈服強度才接近400 MPa。此外，高錳鋼的超低溫韌性隨著晶粒尺寸的減小而惡化。因此，在不顯著損害高錳鋼超低溫韌性的條件下，引入適當?shù)膹娀瘷C制，實現(xiàn)良好的強韌性能匹配，是高錳鋼的生產(chǎn)技術(shù)難點。

現(xiàn)階段，對LNG儲罐用高錳鋼中厚板的研究工作主要停留在實驗室階段，其工業(yè)化生產(chǎn)還未見報道。因此，為促進高錳鋼中厚板在LNG儲罐制造領(lǐng)域的推廣應(yīng)用，從而實現(xiàn)LNG儲罐用鋼國產(chǎn)化，本文針對高錳鋼中厚板的生產(chǎn)技術(shù)難點，采用新型熱機械控制工藝（Texture Control-TMCP），依托國內(nèi)某中厚板生產(chǎn)線，成功開發(fā)出強韌性能優(yōu)異的LNG儲罐用高錳鋼中厚板，并對其強韌性機理進行了分析討論。

1 試驗材料與方法

試驗材料采用尺寸為135 mm×1 550 mm×2 500 mm的連鑄坯，在國內(nèi)某中厚板生產(chǎn)線采用兩階段控制軋制，軋制成尺寸規(guī)格為20 mm×2 000 mm×13 000 mm的高錳鋼中厚板，終軋后水冷，終冷溫度為室溫～400 ℃，高錳鋼中厚板的主要化學成分如表1所示。

在垂直于高錳鋼中厚板軋制方向切取金相試樣，經(jīng)砂紙逐級打磨并機械拋光后，使用體積分數(shù)為10%的硝酸酒精溶液腐蝕，然后采用AXIO OBSERVER 5型金相顯微鏡（OM）觀察其顯微組織形貌；將金相試樣在室溫下使用體積分數(shù)為12.5%的高氯酸酒精溶液電解拋光后，采用帶有電子背散射系統(tǒng)（EBSD）的Zeiss Ultra 55掃描電子顯微鏡（SEM）分析高錳鋼的晶體學特征；將金相試樣表面噴射一定厚度的碳膜，在體積分數(shù)為10%的硝酸酒精溶液中浸泡脫模，采用Tecnai G2 20透射電子顯微鏡（TEM）觀察碳萃取復(fù)型試樣的析出物形貌及EDX成分能譜分析；在金相試樣上切取直徑為3 mm的薄片，研磨至厚度為40 μm后，將透射試樣在-25 ℃、體積分數(shù)為12.5%的高氯酸酒精溶液中電解雙噴，在TEM下觀察高錳鋼中厚板的精細組織。

按照GB/T 228.1—2010的相關(guān)規(guī)定，分別沿高錳鋼中厚板的軋制方向和垂直于軋制方向切取全厚度標準板拉伸試樣，室溫下在Zwicle/Roell Z600型拉伸試驗機上進行拉伸試驗；根據(jù)GB/T 229—2007的相關(guān)規(guī)定，分別沿高錳鋼中厚板的軋制方向和垂直于軋制方向切取10 mm×10 mm×55 mm的標準Charpy-V型缺口沖擊試樣，在WANCE 602D-3型擺錘沖擊試驗機上進行沖擊試驗，沖擊試驗溫度分別為20、0、-165、-196 ℃；沖擊試驗完成后，在ZEISS SUPRA55型掃描電子顯微鏡下觀察高錳鋼中厚板的沖擊斷口形貌。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 高錳鋼中厚板的顯微組織

高錳鋼中厚板的顯微組織如圖1所示。由圖1可以看出：鋼板組織為等軸的單相奧氏體，奧氏體晶粒尺寸在10～20 μm之間，部分奧氏體晶界處彌散分布一定量的碳化物，奧氏體晶粒內(nèi)部存在較大尺寸的孿晶，如圖1（a）所示；在含有晶界分布的晶粒取向圖中，奧氏體晶粒邊界主要以大角晶界為主，如圖1（b）所示。

2.2 高錳鋼中厚板的力學性能

高錳鋼中厚板的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，其工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線呈連續(xù)屈服現(xiàn)象，同時具有良好的塑性。高錳鋼中厚板縱向試樣的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率分別為508 MPa、862 MPa、50.07%，橫向試樣的屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率分別為511 MPa、856 MPa、51.67%，橫、縱方向拉伸性能幾乎無差異。

高錳鋼中厚板不同試驗溫度下的沖擊吸收功如圖3所示，隨著試驗溫度降低，沖擊吸收功逐漸下降，但未發(fā)現(xiàn)明顯的韌脆轉(zhuǎn)變溫度拐點。因此，高錳鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度拐點低于-196 ℃。由圖3可知，高錳鋼中厚板縱向試樣20、0、-165、-196 ℃下的沖擊吸收功分別為197、193、135、124 J，橫向試樣20、0、-165、-196 ℃下的沖擊吸收功分別為183、180、110、97 J，縱向試樣的沖擊韌性略優(yōu)于橫向試樣的沖擊韌性。

高錳鋼中厚板-196 ℃試驗溫度下的沖擊斷口形貌如圖4所示。由圖4可以看出：縱向試樣沖擊斷口以大韌窩為主，大韌窩周圍分布著大量小韌窩，韌窩較深，為典型的韌性斷裂，如圖4（a）所示；橫向試樣沖擊斷口表面的部分韌窩被拉長，小韌窩的深度較淺，如圖4（b）所示。大而深的韌窩在沖擊斷裂過程中能夠吸收更多的能量，因而高錳鋼中厚板縱向試樣的沖擊韌性優(yōu)于橫向試樣。

2.3 高錳鋼中厚板的強韌化機制

FCC晶體結(jié)構(gòu)材料的屈服強度普遍偏低，在一定程度上限制了高錳鋼的工程應(yīng)用。固溶強化和沉淀強化對提高高錳鋼屈服強度的效果十分有限，細晶強化和位錯強化可有效提高高錳鋼的屈服強度，但會降低其低溫沖擊韌性。因此，對于具有FCC晶體結(jié)構(gòu)的熱軋高錳鋼，在提高其屈服強度方面存在一定的困難。

熱軋高錳鋼中厚板在終軋后的冷卻過程中，奧氏體晶界處會析出不同尺寸及含量的碳化物，且隨著溫度降低，碳化物析出含量不斷增加，在700～800 ℃溫度區(qū)間，碳化物大量析出。晶界是一種結(jié)構(gòu)缺陷，其自由能通常高于晶粒內(nèi)部的自由能，為降低系統(tǒng)總自由能，晶界同位錯、空位和外部原子等缺陷發(fā)生相互作用，導(dǎo)致晶界偏析。高錳鋼中厚板晶界處析出的碳化物形貌如圖5（a）所示，碳化物呈不規(guī)則多邊形塊狀，尺寸約0.5 μm； EDX成分能譜表明，晶界處分布的析出相富集Cr、Mn和C等元素，為Fe-Mn-Cr合金滲碳體，如圖5（b）所示。CHEN J等采用高角度環(huán)形暗場掃描透射電子顯微鏡技術(shù)確定析出相為（Cr， Mn）₂₃C₆型碳化物。與奧氏體基體相比，晶界處彌散析出的（Cr， Mn）₂₃C₆型碳化物是硬相，硬相組織對提高高錳鋼中厚板的屈服強度有顯著作用。

隨著終軋溫度降低，碳化物析出量不斷增加，高錳鋼中厚板的屈服強度逐漸升高，但當晶界處碳化物含量過高時，會顯著惡化其低溫沖擊韌性。不同終軋溫度下高錳鋼中厚板奧氏體晶界處碳化物析出量如圖6所示。由圖6可以看出：當終軋溫度為780～820 ℃時，入水溫度降低至745～780 ℃，奧氏體晶界處碳化物析出量增加，如圖6（a）所示；當終軋溫度降低至730～770 ℃時，入水溫度為700～730 ℃，奧氏體晶界處碳化物析出量顯著增多，如圖6（b）所示。晶界偏析或結(jié)合強度較低的碳化物/基體界面使晶界內(nèi)的粘聚力減弱，當受到?jīng)_擊載荷作用時，易在碳化物和基體之間產(chǎn)生應(yīng)力集中，一方面促進微裂紋形核，降低高錳鋼中厚板的沖擊吸收能量；另一方面松弛了晶界處局部應(yīng)力集中，從而消耗了激活孿晶形核所需的高臨界剪應(yīng)力，導(dǎo)致孿晶系統(tǒng)上啟動的孿晶較少，降低了低溫和動載荷條件下的塑性變形能力。此外，晶界是機械孿晶的主要形核位置，當晶界處析出過多的碳化物時，會減少機械孿晶的形核點。因此，過低的終軋溫度，會導(dǎo)致晶界偏聚和嚴重的碳化物晶界析出，從而引起脆化，惡化高錳鋼中厚板的低溫沖擊韌性。

高錳鋼中厚板沖擊斷口表面變形區(qū)域的TEM顯微組織如圖7所示。由圖7（a）可知，基體表面存在大量滑移帶，位錯密度較高，表明發(fā)生了較大程度的塑性變形。

對于高錳奧氏體鋼，除位錯滑移外，孿晶誘發(fā)塑性也是一種重要的塑形變形機制，而機械孿晶的形成可有效提高其低溫沖擊韌性。晶界上堆積的位錯引起局部應(yīng)力集中，克服了孿晶形核所需的臨界剪應(yīng)力，從而促進機械孿晶在晶界處形核，機械孿晶的明場像和暗場像分別如圖7（b）、（c）所示。靠近沖擊斷口變形區(qū)域的位錯密度較高，奧氏體晶粒中形成大量的機械孿晶，促進了位錯的滑移和增殖，提高了高錳鋼中厚板低溫下的塑性變形能力，有效緩解應(yīng)力集中，鈍化尖端裂紋。如圖7（d）所示，在部分尺寸較大的奧氏體晶粒中，二次孿晶系統(tǒng)被激活，形成大量二次孿晶，從而產(chǎn)生較強的動態(tài)晶粒再細化效應(yīng)。因此，試驗用高錳鋼中厚板低溫沖擊韌性優(yōu)異。

高錳鋼中厚板在拉伸變形過程中，產(chǎn)生大量的形變孿晶，發(fā)生TWIP效應(yīng)，導(dǎo)致了較高的應(yīng)變硬化，增加了均勻伸長率，因而塑性優(yōu)異。綜上所述，通過控制熱軋高錳鋼的終軋溫度和入水溫度，調(diào)整奧氏體晶界處的碳化物析出量，可以使高錳鋼中厚板獲得拉伸強度和低溫沖擊韌性的良好結(jié)合，成功開發(fā)出強韌性能優(yōu)異的LNG儲罐用高錳鋼中厚板。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)Texture Control-TMCP工藝生產(chǎn)的

20 mm厚高錳鋼中厚板，顯微組織為等軸奧氏體，奧氏體晶粒尺寸為10～20 μm，部分奧氏體晶界處彌散分布一定量的碳化物，奧氏體晶粒內(nèi)部存在較大尺寸的孿晶。

（2）高錳鋼中厚板縱向屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率分別為508 MPa、862 MPa和50.07%，橫向屈服強度、抗拉強度和斷后伸長率分別為511 MPa、856 MPa和51.67%。奧氏體晶界處彌散分布的（Cr，Mn）₂₃C₆型碳化物產(chǎn)生的硬化作用，有效提高了高錳鋼的屈服強度；拉伸變形過程中，奧氏體發(fā)生TWIP效應(yīng)產(chǎn)生大量形變孿晶，增加了均勻伸長率，是高錳鋼主要的增塑機制。

（3）高錳鋼中厚板縱向20、0、-165、-196℃的沖擊吸收功分別為197、193、135、124 J，橫向20、0、-165、-196℃的沖擊吸收功分別為183、180、110、97 J。軟相奧氏體中形成的機械孿晶促進位錯滑移和增殖，同時產(chǎn)生較強的動態(tài)晶粒再細化效應(yīng)，是高錳鋼主要的韌化機制。

本文摘自《軋鋼》2023年第2期