正火溫度軋制和正火處理的S355NL鋼板的力學(xué)性能和顯微組織

潘中德 郭甲男 胡其龍

（南京鋼鐵股份有限公司，江蘇南京 210035）

國家“海洋資源開發(fā)”“極地能源開發(fā)”和“一 帶一路”等重大策略的實施，要求鋼材具有更好的低溫韌性和焊接性能等，以滿足嚴寒地區(qū)的風(fēng)電、水電、油氣開采等設(shè)施的使用要求［1-4］。

歐洲EN10025-3標準S355NL鋼是典型的低溫結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的-40～-60℃低溫韌性和焊接性能，但通常在正火態(tài)交貨。因此產(chǎn)品的生產(chǎn)成本高，供貨周期長，嚴重制約了其在低溫環(huán)境中的使用，有必要研究其在正火溫度軋制的生產(chǎn)工藝，以實現(xiàn)高品質(zhì)鋼材的短流程制造，降低生產(chǎn)成本［5-6］。本文通過優(yōu)化成分和軋制工藝，研究了在正火溫度軋制和正火處理工藝對S355NL鋼板低溫韌性的影響，提出了短流程生產(chǎn)工藝路線，取得了良好的效果。

1 技術(shù)要求

S355NL鋼的化學(xué)成分及力學(xué)性能需滿足歐洲標準EN10025-3《正火、正火軋制焊接細晶粒鋼技術(shù)交貨條件》的要求，分別如表1和表2所示。

表1 S355NL鋼的化學(xué)成分要求（質(zhì)量分數(shù)）Table 1 Chemical composition requirements for the S355NL steel（mass fraction） %

表2 S355NL鋼板的力學(xué)性能要求Table 2 Mechanical property requirements for the S355NL steel plate

為了保證鋼材的焊接性能，標準中還提出了鋼的碳當量不超過0.43%的要求。碳當量的計算公式為：

根據(jù)使用要求，S355NL鋼應(yīng)在-40或-50℃進行沖擊試驗。要求-40℃沖擊吸收能量不低于31 J，-50℃沖擊吸收能量不低于27 J，以及-60℃沖擊吸收能量不低于27 J。

2 鋼板的成分和生產(chǎn)工藝

2.1 成分設(shè)計

歐洲標準EN10025-3中，將正火軋制定義為“最終變形是在某一溫度范圍進行，使材料獲得與正火態(tài)性能相當?shù)能堉乒に嚒?。采用低碳成分、控軋控冷工藝可以生產(chǎn)屈服強度不低于355 MPa、-60℃沖擊吸收能量不低于27 J的鋼板。該生產(chǎn)工藝主要通過相變強化來提高鋼板的強度，但正火后鋼板的屈服強度、抗拉強度均會明顯下降，甚至低于標準要求，因此在正火溫度軋制的鋼不能采用低碳成分和軋后快速冷卻的設(shè)計方案［7-9］。

在正火溫度軋制的S355NL鋼板不但要具有優(yōu)異的低溫沖擊性能、較好的焊接性能，其強度也必須滿足標準要求，因此需要有足夠的含碳量和碳當量。此外，應(yīng)添加適量的Mn和Si以確保鋼具有足夠的強度；添加Nb、V、Ti等微合金元素以通過細晶強化、析出強化來提高強度和韌性；嚴格控制P、S含量以進一步改善鋼的綜合性能。S355NL鋼板的化學(xué)成分如表3所示。

按式（1）計算的試制鋼碳當量為0.40%，符合不超過0.43%的要求。

2.2 軋制和熱處理工藝

為保證在正火溫度軋制的鋼板的性能滿足標準及用戶的技術(shù)要求，特別是低溫沖擊韌性要求，鑄坯的厚度必須是成品鋼板厚度的3倍以上。試制時，將260 mm厚連鑄坯軋制成厚度不大于60 mm的鋼板，以充分發(fā)揮5 000 mm寬厚板軋機的優(yōu)勢，使鋼板心部達到足夠的變形量。軋后鋼板在空氣中冷卻，以保證鋼板正火處理后強度滿足標準要求。

將鑄坯加熱至1 180～1 220℃，保溫時間按10～13 min／cm計算。在鋼的再結(jié)晶區(qū)和非再結(jié)晶區(qū)軋制，再結(jié)晶區(qū)采用高溫低速大壓下工藝軋制，加大最后2道次粗軋的變形量，使鋼板心部達到足夠的變形量，減小鑄坯偏析對鋼板性能的影響；非再結(jié)晶區(qū)的始軋溫度不高于920℃，避開混晶區(qū)軋制，以增加奧氏體的累計變形量，終軋溫度為880～860℃；軋后鋼板空冷至室溫。

根據(jù)正火軋制定義的要求，對在正火溫度軋制的鋼板再進行正火處理，隨后檢測其性能。試制鋼板的正火溫度為880～920℃，正火總在爐時間為60～100 min，鋼板出爐后空冷至室溫，也可風(fēng)冷以提高鋼板強度。

3 鋼板質(zhì)量

3.1 力學(xué)性能

從試制的40、60 mm厚S355NL鋼板的1／4寬度及1／4厚度處取樣，按歐洲標準進行拉伸和-40、-50及-60℃沖擊試驗，結(jié)果如表4所示。

表4 S355NL鋼板的力學(xué)性能Table 4 Mechanical properties of the S355NL steel plates

從表4可以看出，在正火溫度軋制的鋼板屈服強度、抗拉強度均比要求值高70～80 MPa，斷后伸長率比要求值大3%～4%，-40℃沖擊吸收能量不低于150 J，-50℃沖擊吸收能量不低于27 J，-60℃沖擊吸收能量低于27 J。鋼板正火處理后，其屈服強度和抗拉強度均降低，但仍比要求值高20～50 MPa，斷后伸長率提高，比要求值大5%～10%，-40℃沖擊吸收能量不低于200 J，-50℃沖擊吸收能量不低于150 J，-60℃沖擊吸收能量不低于100 J。在正火溫度軋制的鋼板的-40、-50℃沖擊韌性均滿足要求。如果有-60℃沖擊韌性要求，則鋼板需進行正火處理。

3.2 不同溫度沖擊試驗

根據(jù)EN10025-3要求，分別在-80、-70、-60、-50、-40、-30、-20 ℃對正火溫度軋制和正火處理的60 mm厚S355NL鋼板進行了沖擊試驗，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出：正火溫度軋制的S355NL鋼板的-50℃沖擊吸收能量明顯下降至100 J以下；正火處理的鋼板的-70℃沖擊吸收能量仍大于100 J，-80℃的沖擊吸收能量小于100 J。

圖1 正火溫度軋制和正火處理的60 mm厚S355NL鋼板的低溫沖擊韌性隨沖擊試驗溫度的變化Fig.1 Low-temperature impact toughness as a function of impact test temperatures for 60-mm-thick S355NL steel plates rolled at normalized temperature and normalized

3.3 顯微組織

通常，晶粒尺寸對鋼的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度有顯著影響，特別是存在大小和分布不均勻的晶粒，低溫環(huán)境下晶界區(qū)域易產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致脆性開裂，降低沖擊性能［10-12］。正火溫度軋制和正火處理的40、60 mm厚S355NL鋼板1／4厚度處的顯微組織如圖2和圖3所示。

圖2 正火溫度軋制的40（a）和60 mm（b）厚S355NL鋼板的顯微組織Fig.2 Microstructures of 40-mm-（a）and 60-mm-thick（b）S355NL steel plates rolled at normalized temperature

圖3 正火處理的40（a）和60 mm（b）厚S355NL鋼板的顯微組織Fig.3 Microstructures of 40-mm-（a）and 60-mm-thick（b）S355NL steel plates normalized

從圖2、圖3可以看出，正火溫度軋制和正火處理的S355NL鋼板顯微組織均為鐵素體和少量珠光體，正火溫度軋制的鋼板晶粒度為8.0～10.0級，部分晶粒較粗大，還有帶狀組織；正火處理的鋼板組織更均勻細小，晶粒度為9.5～11.0級，帶狀組織減少，因此具有更好的低溫韌性。

4 結(jié)論

（1）試制的根據(jù)歐洲標準EN10025-3細晶粒鋼設(shè)計、含0.12% ～0.16%（質(zhì)量分數(shù)）C 和Nb、V、Ti等微合金元素的40和60 mm厚S355NL鋼板，正火溫度軋制的其-40℃沖擊吸收能量不低于150 J，-50℃沖擊吸收能量不低于27 J，-60℃沖擊吸收能量小于27 J；而正火處理的鋼板其-40℃沖擊吸收能量不低于200 J，-50℃沖擊吸收能量不低于150 J，-60℃沖擊吸收能量不低于100 J。正火溫度軋制的鋼板滿足-40、-50℃韌性要求，如要求-60℃韌性，則鋼板需進行正火處理。

（2）兩種厚度的S355NL鋼板顯微組織均為鐵素體和少量珠光體，正火溫度軋制的鋼板晶粒度為8.0～10.0級，而正火處理的鋼板晶粒度為9.5～11.0級，因此具有更好的低溫韌性。