提高船板結(jié)構(gòu)鋼的韌性途徑研究

褚祥治,苑少?gòu)?qiáng)

(唐山學(xué)院機(jī)電工程系,河北唐山 063000)

提高船板結(jié)構(gòu)鋼的韌性途徑研究

褚祥治,苑少?gòu)?qiáng)

(唐山學(xué)院機(jī)電工程系,河北唐山 063000)

論述了提高船板結(jié)構(gòu)鋼韌性的重要性。闡明了在保持較高強(qiáng)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(xì)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(xì)化方法:弛豫-析出-控制相變技術(shù)(RPC)。

船板結(jié)構(gòu)鋼;韌性;細(xì)化;弛豫-析出-控制相變

我國(guó)已經(jīng)成為世界主要船舶生產(chǎn)國(guó)之一,近年來,船舶逐漸向大型化、輕型化方向發(fā)展,一般強(qiáng)度船板已不能滿足船體結(jié)構(gòu)的要求,高強(qiáng)度船板在造船業(yè)中的比例不斷提高[1]。但是,一般隨著鋼材強(qiáng)度的升高,也必然帶來韌性的下降。那么,如何保持高強(qiáng)度船板的韌性將是我國(guó)造船業(yè)亟待解決的問題。本文根據(jù)強(qiáng)韌化的機(jī)理并結(jié)合船板生產(chǎn)過程中的實(shí)際問題,指出了提高韌性的基本途徑,藉此為實(shí)際生產(chǎn)提供理論支持。

1 降低C的含量

一般情況下,鋼的強(qiáng)度隨著碳含量的增加而上升,因此,高強(qiáng)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(duì)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(zhuǎn)爐終點(diǎn)氧含量必然會(huì)大幅度提高,導(dǎo)致鋼中的夾雜物增多,從而又會(huì)降低鋼的低溫沖擊韌性。固降低碳含量也有下限規(guī)定,應(yīng)該不低于0.09。中國(guó)船級(jí)社規(guī)定(GB/T712-2000[2]),各級(jí)別船板的含碳量都有上限,鋼材級(jí)別A,B,D,E的含碳量分別小于0.21,0.21,0.21和0.18;高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的含碳量不高于0.16,各生產(chǎn)廠家的內(nèi)控指標(biāo)還要低一些。

應(yīng)該指出的是,這里所說的含碳量是指碳當(dāng)量,考慮到主要合金元素,通常時(shí)按照C+1/6M n計(jì)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(duì)于現(xiàn)代化鋼鐵企業(yè),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(jìn)的熔煉設(shè)備及爐外精煉技術(shù)。因?yàn)檠醯暮窟^多,必然帶來大量的一次氧化物和隨后產(chǎn)生的二次氧化物,伴隨著大量的夾雜物出現(xiàn),它們的尺寸超過一定的臨界值就會(huì)成為裂紋源,根據(jù)斷裂力學(xué)理論,而沒有裂紋的組織是不會(huì)斷裂的。

硫的主要危害是在鋼的高溫軋制階段,生成熔點(diǎn)較低的FeS,在奧氏體晶界處偏聚,導(dǎo)致鋼板的高溫開裂,因此,根據(jù)鋼板中硫的含量,基本就可以判斷生產(chǎn)廠家能否生產(chǎn)出高附加值船板的能力。雖然各國(guó)船級(jí)社規(guī)定硫的含量必須低于0.035%,E級(jí)船板低于0.025%,但實(shí)際的含量遠(yuǎn)低于此。特別是生產(chǎn)高等級(jí)船板時(shí),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(huì)造成低溫沖擊韌性的降低。

現(xiàn)代冶金熔煉理論發(fā)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(dāng)前,爐外精煉技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)是向著爐外熔煉設(shè)備的多功能化、二次精煉、采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)控制技術(shù)方向發(fā)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(jìn)而在鋼板的軋制過程中出現(xiàn)偏析,嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)帶狀組織,導(dǎo)致缺陷的產(chǎn)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(duì)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(xì)化

現(xiàn)代超級(jí)鋼向超細(xì)化組織發(fā)展,目前已經(jīng)能夠得到1μm左右的晶粒[7]。這種細(xì)小的組織仍然符合 Hall2petch公式σs=σo+Kyd-1/2[8]。細(xì)化組織是既提高強(qiáng)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(jié)晶得以充分進(jìn)行,軋制引起的變形量積累會(huì)很快消失,應(yīng)變誘導(dǎo)析出效果不明顯,鋼板通過不斷的變形-再結(jié)晶,奧氏體晶粒尺寸不斷細(xì)化;一般情況下,當(dāng)溫度降到950℃以下時(shí),進(jìn)入精扎階段,由于鋼板在待溫時(shí)微合金元素Nb已經(jīng)有了較長(zhǎng)時(shí)間的孕育期,因此,在進(jìn)入精扎時(shí),每一道次都可能產(chǎn)生析出行為。在未再結(jié)晶區(qū)軋制,雖然每道次的壓下量不大,但由于累計(jì)效果,位錯(cuò)密度不斷增加,同時(shí),應(yīng)變誘導(dǎo)析出的Nb(C,N)與位錯(cuò)相互作用,并對(duì)位錯(cuò)起到強(qiáng)烈的釘扎作用,從而穩(wěn)定位錯(cuò)胞,這些穩(wěn)定的位錯(cuò)胞在隨后的相變將得以保持,達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。圖1為運(yùn)用Fe2Ni2Nb合金熱模擬條件下得到的位錯(cuò)與析出的相互作用TEM照片,可見,位錯(cuò)胞上分布著析出質(zhì)點(diǎn),它們將在相變后形成亞晶,分割晶粒[9]。

圖1 TEM結(jié)果顯示位錯(cuò)與析出的相互作用

總之,粗軋和精軋是組織的細(xì)化的關(guān)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(xué)性能。簡(jiǎn)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(jié)晶,從而反復(fù)細(xì)化高溫奧氏體;在精軋階段,由于處于未再結(jié)晶區(qū),不必強(qiáng)調(diào)每道次的壓下量,累積的變形量同樣可以達(dá)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(yīng)大于15%[10]。

需要指出的是,微合金元素Nb在鋼板軋制的各個(gè)階段都起著非常重要的作用。Nb的拖曳現(xiàn)象對(duì)奧氏體再結(jié)晶的阻礙效果同應(yīng)變誘導(dǎo)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(shí)對(duì)再結(jié)晶奧氏體的阻礙作用遠(yuǎn)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(huì)顯著影響Nb的應(yīng)變誘導(dǎo)析出過程,得到最佳的工藝參數(shù),可以充分利用它的推遲再結(jié)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(xù)析出的趨勢(shì),在不降低韌性的情況下,提高鋼板的強(qiáng)度[12]。圖2為合金元素Nb在鋼板加熱、軋制及冷卻三個(gè)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(shù)(RPC)

從進(jìn)一步超細(xì)化思路出發(fā)的RPC(relaxation-precipitati-on-transformation control)工藝,即軋后的弛豫-析出-控制相變技術(shù)。它充分利用非再結(jié)晶區(qū)大量變形的高密度位錯(cuò),在弛豫過程中形成大量細(xì)小的位錯(cuò)胞狀結(jié)構(gòu)。通過微合金元素在這些微結(jié)構(gòu)上的應(yīng)變誘導(dǎo)析出,使鋼中在相變前晶內(nèi)產(chǎn)生大量相變形核優(yōu)先位置,促使加速冷卻過程中晶內(nèi)貝氏體首先在這些優(yōu)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(xì)小區(qū)域,從而限制了后續(xù)的相變?cè)谶@些小區(qū)域中進(jìn)行,最終得到充分細(xì)化的復(fù)合組織[14]。RPC技術(shù)在超低碳貝氏體鋼中已經(jīng)得到了應(yīng)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(xiàn)報(bào)道,在更高級(jí)別的船板鋼中,將出現(xiàn)超細(xì)化的貝氏體組織,它的細(xì)化原理同RPC技術(shù)類似。[15]

5 結(jié)束語

提高船板的強(qiáng)度不是很難,而配以相當(dāng)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(fù)合高級(jí)船板鋼的要求。組織細(xì)化方法是目前既提高強(qiáng)度,又不降低韌性的唯一手段,鋼水的純凈化和均勻化,嚴(yán)格的成分控制,最終都是為組織細(xì)化服務(wù)的。深入理解保持鋼板韌性的基本理論,對(duì)于實(shí)際生產(chǎn)具有指導(dǎo)和借鑒意義。

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(責(zé)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(xué)發(fā)展與計(jì)劃(06110101A-4)

褚祥治(1962-),男,教授,主要從事微合金鋼的中溫組織轉(zhuǎn)變及控制研究。