釔基稀土對高強(qiáng)船板鋼夾雜物及低溫沖擊性能的影響

羅迪強(qiáng)，余音宏，張真銘，馮小明，劉 敏,，賴朝彬

(1.江西理工大學(xué) 材料冶金化學(xué)學(xué)部，江西 贛州 341000；2.新余鋼鐵股份有限公司，江西 新余 338001)

隨著《中國制造2025》戰(zhàn)略推進(jìn)，海洋工程裝備及高技術(shù)船舶得到快速發(fā)展，高強(qiáng)度船板鋼需求越來越大，從中國船舶工業(yè)行業(yè)協(xié)會(huì)日前公布的數(shù)據(jù)顯示，2020年1～12月全國造船完工量為3740萬載重噸，占世界總量的42.3%。按照我國現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 712—2011《船舶及海洋工程用結(jié)構(gòu)鋼》，船板鋼按強(qiáng)度級別分為一般強(qiáng)度船板鋼、高強(qiáng)度船板鋼和超高強(qiáng)度船舶及海洋工程結(jié)構(gòu)用鋼4類。高強(qiáng)度船板鋼因其具有綜合力學(xué)性能好、能夠減輕船體自重、提高載荷等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于建造遠(yuǎn)洋萬噸級以上的船舶殼體。由于船舶作業(yè)環(huán)境惡劣，不僅要遭受海水的侵蝕、沖刷，而且要承受強(qiáng)烈的風(fēng)浪沖擊和交變載荷[1]。因而，船板鋼必須具備良好的低溫沖擊性能，以適應(yīng)其遠(yuǎn)洋作業(yè)環(huán)境要求。隨著溫度的降低，幾乎所有的船板鋼都會(huì)發(fā)生解理或撕裂斷裂等失效模式[2]，因此迫切需要開發(fā)在較低溫度下具有足夠沖擊吸收能量的高強(qiáng)度船板鋼。相關(guān)研究表明，添加微合金元素可有效改善高強(qiáng)度船板鋼的塑韌性[3-5]。

近年來，稀土(RE)作為微合金化元素，在煉鋼過程中得到了廣泛的應(yīng)用[6-9]。鋼中的稀土是強(qiáng)脫氧劑和脫硫劑，還因具有很強(qiáng)的細(xì)化晶粒、變質(zhì)夾雜物和凈化鋼液的能力[10-13]，能夠提高鋼材的力學(xué)性能[14-15]。相關(guān)文獻(xiàn)闡明，稀土Y的加入有利于細(xì)化51CrV4鋼的馬氏體尺寸，增加孿晶的比例和位錯(cuò)密度[16]，并且，稀土Y能夠細(xì)化Fe-6.5%Si合金的晶粒，減小有序疇尺寸，改善合金的塑性[17]。

本文使用的稀土金屬是由釔、鈰和鑭組成的釔基混合稀土(w(Y)=65%，w(La+Ce)=35%)，采用掃描電鏡(SEM)和能譜儀(EDS)等分析方法，系統(tǒng)分析了稀土在EH36高強(qiáng)度船板鋼中的作用，旨在開發(fā)具有良好低溫沖擊性能的高強(qiáng)度船板鋼，為擴(kuò)大稀土在工業(yè)生產(chǎn)高強(qiáng)度船板鋼中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)材料與方法

在25 kg容量的中頻感應(yīng)電爐上制備了不同稀土含量的EH36船板鋼。使用電感耦合等離子體質(zhì)譜(ICP-MS)測量RE含量。試驗(yàn)鋼的最終化學(xué)成分如表1所示。鋼錠鍛造后切割成尺寸為50 mm×100 mm×130 mm的板坯。在1150 ℃均勻化30 min后，用二輥實(shí)驗(yàn)軋機(jī)進(jìn)行7道次熱軋，最終厚度為13 mm，空冷到室溫。

表1 試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

按照GB/T 229—2020《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗(yàn)方法》規(guī)定，在鋼板寬度方向的1/4處切取尺寸為55 mm×10 mm×10 mm的V型橫向沖擊試樣。在JB300B型擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行-40 ℃和-60 ℃環(huán)境下低溫沖擊試驗(yàn)，研究釔基稀土影響高強(qiáng)船板鋼低溫沖擊性能的變化規(guī)律。采用TESCAN MIRA3 LMH場發(fā)射掃描電鏡及能譜儀(FE SEM-EDS)觀察試樣沖擊斷口及夾雜物的形貌，分析船板鋼斷裂機(jī)理。在平行于斷口斷面截取尺寸為12 mm×10 mm×10 mm的金相試樣，經(jīng)打磨、機(jī)械拋光后用4%硝酸酒精溶液輕微侵蝕，在掃描電鏡下進(jìn)行夾雜物觀察表征。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 釔基稀土對船板鋼夾雜物的影響

圖1～3為不同稀土含量下EH36鋼板中典型夾雜物形貌和EDS分析。由圖1可知，常規(guī)EH36鋼中的夾雜物顯示出復(fù)合夾雜物的特征，根據(jù)能譜分析結(jié)果，夾雜物為MnS和Al2O3復(fù)合物，同時(shí)還含有少量CaO，截面呈長條形，長軸尺寸約為5 μm。

圖1 0號(hào)鋼(RE=0%)典型夾雜物形貌(a)及EDS能譜(b)

添加適量的稀土能夠變質(zhì)高強(qiáng)船板鋼中的夾雜物而形成稀土夾雜物。圖2為添加0.018%的稀土后，1號(hào)鋼中典型夾雜物的SEM圖像和對應(yīng)的能譜分析。由圖2可知，添加適量稀土后，鋼中夾雜物由無稀土處理時(shí)不規(guī)則的Al2O3-CaO-MnS類復(fù)合夾雜變質(zhì)為類球狀?yuàn)A雜物，夾雜物粒徑也細(xì)化到3 μm左右。通過能譜分析表明，夾雜物中心主要為稀土氧化物(點(diǎn)2)，外圍包裹著稀土氧硫化物(點(diǎn)1和點(diǎn)3)。當(dāng)鋼中稀土含量進(jìn)一步增加到0.038%時(shí)，2號(hào)鋼中夾雜物完全改性為稀土氧硫化物，粒徑2 μm以內(nèi)，如圖3所示。

圖2 1號(hào)鋼(RE=0.018%)典型夾雜物形貌(a)及能譜(b～d)

圖3 2號(hào)鋼(RE=0.038%)典型夾雜物形貌(a)及EDS能譜(b,c)

從圖1～3的結(jié)果可知，稀土對EH36船板鋼中夾雜物起到了變質(zhì)的作用，其作用主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面是改變了夾雜物的組成，添加釔基稀土后，夾雜物由Al2O3-CaO-MnS類轉(zhuǎn)變?yōu)橐韵⊥裂趿蚧餅橹鞯膹?fù)合夾雜物。未添加稀土的0號(hào)鋼中夾雜物以Al2O3-CaO-MnS類夾雜物為主，鋼板在軋制過程中沿著軋制方向延伸，破壞了鋼基體的連續(xù)性。由于Al2O3-CaO-MnS類夾雜物與鋼基體的融合性不佳，當(dāng)試樣處于外界強(qiáng)烈的撞擊條件下時(shí)，通常會(huì)有應(yīng)力集中的現(xiàn)象發(fā)生，極大地減弱裂紋擴(kuò)展功，導(dǎo)致顯微裂紋在夾雜物與鋼基體界面處產(chǎn)生，對試樣的低溫沖擊性能造成非常不利的影響[7]。另一方面，稀土的添加改變了試驗(yàn)鋼中夾雜物的大小和形狀，加入稀土后，鋼中夾雜物由帶尖角的Al2O3-CaO-MnS類條狀?yuàn)A雜轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的球狀和類球狀的稀土氧硫化物夾雜。這些細(xì)小球狀稀土夾雜物質(zhì)地堅(jiān)硬，能夠讓裂紋尖端變鈍，造成裂紋擴(kuò)展過程中距離再次增大[18]。當(dāng)裂紋擴(kuò)展至這些稀土夾雜物界面處時(shí)，就需要避開夾雜物，最終延長了顯微裂紋擴(kuò)展合并的軌跡。

2.2 釔基稀土對船板鋼低溫沖擊性能的影響

圖4所示為-40 ℃和-60 ℃試驗(yàn)溫度下不同稀土含量EH36鋼的沖擊性能。由圖4可知，1號(hào)試樣(稀土含量0.018%)橫向沖擊吸收能量好于未添加稀土的EH36鋼(0號(hào)試樣)，對比可知，-40 ℃條件下，鋼中稀土含量為0.018%時(shí)，沖擊吸收能量由未添加稀土?xí)r的96.6 J升高到154.0 J，提高了59.4%；-60 ℃時(shí)，沖擊吸收能量由未添加稀土?xí)r的50.4 J增加到83.5 J，提高了65.7%，低溫沖擊性能得到極大的改善。而2號(hào)試樣(稀土含量0.038%)的橫向沖擊性能不及原EH36鋼，未能改善EH36鋼的沖擊性能，說明超出了合適的稀土添加量，在此稀土含量下，稀土對鋼材的沖擊性能起到了抑制作用。由此可見，1號(hào)試樣(稀土含量0.018%)的沖擊性能明顯高于2號(hào)試樣(稀土含量0.038%)，當(dāng)稀土含量為0.038%時(shí)，試驗(yàn)鋼的沖擊吸收能量均不高于40 J。

圖4 試驗(yàn)鋼的橫向沖擊性能

針對釔基稀土對EH36船板鋼沖擊性能的影響，對比分析-60 ℃條件下不同釔基稀土含量沖擊試樣的斷口，觀察試樣低溫?cái)嗫谛蚊蔡卣鳎鐖D5所示。由圖5(a，c)可知，0號(hào)鋼(RE=0%)和2號(hào)鋼(RE=0.038%)沖擊斷口形貌主要展現(xiàn)為河流花樣特征，這些河流花樣的擴(kuò)展會(huì)導(dǎo)致斷口表面逐漸粗糙化，呈現(xiàn)脆性斷裂特征，降低試驗(yàn)鋼在該條件下的沖擊性能。圖5(b)為稀土含量為0.018%的1號(hào)鋼，低溫沖擊斷口區(qū)域呈現(xiàn)韌窩斷口形貌，韌窩較深，數(shù)量也較多，表明1號(hào)鋼在斷裂前發(fā)生過較大的塑性變形。同時(shí)結(jié)合圖6中-60 ℃時(shí)1號(hào)鋼中韌窩處夾雜物特征分析可知，在1號(hào)鋼斷口韌窩底部有大量細(xì)小的球狀顆粒分布，通過能譜分析表明沖擊斷口韌窩底部的這些顆粒主要為1號(hào)鋼中稀土與O、S、Ca、Al等元素以(RE,Ca,Al)x(O,S)y形式存在的復(fù)合夾雜物。在低溫沖擊試驗(yàn)時(shí)，這些細(xì)小球狀的(RE,Ca,Al)x(O,S)y顆粒降低了應(yīng)力集中，當(dāng)斷裂裂紋擴(kuò)展到(RE,Ca,Al)x(O,S)y顆粒處時(shí)，這些顆粒降低了鋼材的裂紋擴(kuò)展速率，能夠阻礙裂紋的持續(xù)擴(kuò)展[18-19]。細(xì)小球狀的(RE,Ca,Al)x(O,S)y顆粒在低溫沖擊試驗(yàn)過程中承受沖擊載荷時(shí)不會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，當(dāng)試樣處于較大的應(yīng)變環(huán)境時(shí)，才會(huì)從鋼基體的界面上分離出來，從而在結(jié)合處形核生成空穴，最終形成韌窩形貌特征。

圖5 -60 ℃時(shí)試驗(yàn)鋼的沖擊斷口形貌

圖6 -60 ℃時(shí)1號(hào)鋼中韌窩處夾雜物特征分析

2.3 工業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐

為了驗(yàn)證上述試驗(yàn)得出的結(jié)論，在某鋼鐵企業(yè)現(xiàn)有的中厚板生產(chǎn)線上試制了一爐添加稀土的高強(qiáng)度船板EH36鋼。生產(chǎn)過程中，控制氧含量≤15×10-6、硫含量≤15×10-6，連鑄坯為248 mm厚度，最終軋制成35 mm 規(guī)格的鋼板。其中，在LF精煉脫氧合金化后加入稀土。通過ICP-MS成分檢測，最終EH36鋼板中稀土含量為0.020%。取同樣規(guī)格的無稀土常規(guī)EH36鋼板和添加稀土處理后的EH36鋼板進(jìn)行-40 ℃ 夏比沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知，工業(yè)試制的稀土含量為0.020%的EH36鋼板-40 ℃沖擊吸收能量為296.6 J，常規(guī)EH36鋼板-40 ℃沖擊吸收能量為170.2 J。添加稀土后，-40 ℃沖擊吸收能量上升了126.4 J，增加了74.3%。由此可見，工業(yè)生產(chǎn)過程中添加0.020%的稀土極大地改善了EH36鋼板的沖擊性能。

圖7 生產(chǎn)線試制的EH36鋼板-40 ℃沖擊性能對比

3 結(jié)論

1)當(dāng)稀土含量為0.018%時(shí)，EH36船板鋼-60 ℃ 條件下橫向沖擊性能相比未添加稀土的試驗(yàn)鋼提高了65.7%，低溫沖擊性能得到顯著改善。

2)未添加稀土的EH36鋼-60 ℃時(shí)的沖擊斷口為解理斷口，添加0.018%稀土后，沖擊斷口轉(zhuǎn)變?yōu)轫g窩斷口，并且在韌窩底部有少量的細(xì)小球狀稀土氧硫復(fù)合夾雜物，對沖擊性能有很好的改善作用；稀土含量增加到0.038%時(shí)，鋼材的沖擊性能低于無稀土試樣，說明稀土對沖擊性能起抑制作用。

3)未添加稀土的EH36船板鋼中夾雜物主要為Al2O3-CaO-MnS類夾雜物，添加稀土后Al2O3-CaO-MnS類夾雜物改性為稀土氧化物和稀土氧硫化物，同時(shí)夾雜物尺寸得到明顯細(xì)化。

4)工業(yè)試制的稀土含量為0.020%的EH36船板鋼，其-40 ℃沖擊吸收能量相比未添加稀土的鋼板增加了74.3%。