軋制工藝對高強(qiáng)度船板組織及性能的影響

周賀賀， 王凌宇，2， 張曉雪，2

（1.南京鋼鐵股份有限公司，江蘇 南京 210035； 2.江蘇省高端鋼鐵材料重點實驗室，江蘇 南京 210035）

引 言

近年來，世界各國造船業(yè)和海洋石油產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，海上船舶安全事故頻繁發(fā)生，為了提高船舶在海上事故中的安全性，一般強(qiáng)度的船板鋼已經(jīng)不能滿足要求，高強(qiáng)度船板鋼在造船業(yè)中的應(yīng)用比例不斷提高［1-2］。國際海事組織（IMO）出臺的環(huán)保和安全方面的新標(biāo)準(zhǔn)、新規(guī)范和新公約的實施，對船舶企業(yè)提出了更高的要求，也對船板鋼的質(zhì)量提出了更為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，船舶工業(yè)高端船型用鋼占比會逐步增多［3-4］。

此前針對運(yùn)輸LNG（液化天然氣）、LPG（液化石油氣）的氣體運(yùn)輸船及原油油輪觸礁或受到撞擊后，裝載物外泄造成環(huán)境污染的問題，通常采用雙重船殼等方法從船體結(jié)構(gòu)層面加以應(yīng)對［5-6］。除此之外，還可以在保證鋼板高強(qiáng)度的同時，使用高延性鋼板提高撞擊時吸收的碰撞能量，以此來提高碰撞的安全性，防止原油泄漏，造成海洋化境污染。研究成果表明，單相組織和單一的強(qiáng)化機(jī)制己不適用于發(fā)展高強(qiáng)度高延性鋼。多相組織在塑性變形過程中，軟硬相之間相互配合，軟相的鐵素體優(yōu)先發(fā)生屈服，保證了材料具有良好的塑性［7-8］；在隨后的變形過程中，硬相的珠光體、貝氏體和馬氏體又可以起到提高強(qiáng)度的作用［9-10］。

本文針對不同軋制工藝生產(chǎn)的高強(qiáng)度船板，通過優(yōu)化控軋控冷參數(shù)，以及金相顯微鏡、掃描電鏡等分析方法，研究組織及性能演變規(guī)律，優(yōu)化軟硬相的體積分?jǐn)?shù)和晶粒尺寸，獲得了較好的強(qiáng)塑性匹配。

1 試驗材料和方法

試驗材料為國內(nèi)某廠的坯料，其具體化學(xué)成分如表1所示。根據(jù)鋼坯的合金元素成分，通過Jmatpro軟件模擬計算出連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（CCT）曲線，如圖1所示，得到不同冷速下鐵素體轉(zhuǎn)變和珠光體轉(zhuǎn)變對應(yīng)的溫度區(qū)間，找到產(chǎn)生鐵素體+珠光體雙相組織的冷速范圍，為后續(xù)軋后冷卻制度的制定提供參考。

表1 高強(qiáng)度高延性船板的化學(xué)成分/%

圖1 連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變（CCT）曲線

采用此坯料軋制20 mm厚度的高強(qiáng)度高延性船板，具體的工藝路線為：鐵水預(yù)處理→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→RH精煉→連鑄→鑄坯堆垛緩冷→鑄坯加熱→除鱗→軋制→冷卻→矯直→探傷，其中采用的加熱制度如表2所示。為研究軋制工藝對高延性船板組織及性能的影響，設(shè)置了不同的軋制工藝，具體軋制工藝參數(shù)如表3所示。

表2 加熱制度

表3 軋制控冷工藝參數(shù)

將金相試樣經(jīng)研磨和拋光后，用4%硝酸酒精溶液腐蝕，采用蔡司Axio Imager M2m顯微鏡進(jìn)行金相組織分析，使用JSM-6490掃面電鏡進(jìn)行微觀形貌分析，用能譜儀對夾雜物進(jìn)行成分分析。按照GB/T 228.1—2021《金屬材料拉伸試驗第1部分：室溫試驗方法》，采用機(jī)加工的方式，拉伸試樣沿橫截面方向取全厚度樣，如圖2所示，進(jìn)行常溫拉伸試驗；根據(jù)GB/T 229—2020《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》制備V型缺口沖擊試樣，沿橫截面方向取樣，試樣尺寸為55 mm×10 mm×10 mm，如圖3所示，試驗前在-40 ℃的冷卻箱中保溫10 min后進(jìn)行，為橫向沖擊試驗。

圖2 拉伸試樣示意圖（單位：mm）

圖3 沖擊試樣示意圖（單位：mm）

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 微觀組織及力學(xué)性能分析

不同軋制工藝的鋼板力學(xué)性能如表4所示，屈服強(qiáng)度在315～361 MPa之間，抗拉強(qiáng)度在432～489 MPa之間，延伸率在28.5%～36.5%之間，沖擊韌性在275～343 J之間。從性能可以看出，強(qiáng)度可以滿足32級別的鋼種，32級別的船板延伸率要求為延伸率＞22%，HD50要求為延伸率＞33%，延伸率滿足HD50的要求。

表4 不同軋制工藝的鋼板力學(xué)性能

在1#，2#，3#試驗條件下，力學(xué)性能試驗結(jié)果如圖4所示。II開溫度、終軋溫度、返紅溫度基本保持不變的情況下，如圖4（a），（b）所示，隨著入水溫度降低，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸降低；如圖4（c）所示，延伸率和沖擊功逐漸增大，達(dá)到最大值33%。通過金相顯微鏡分析，不同軋制工藝下的微觀組織如圖5所示，選取板厚1/4位置處進(jìn)行了微觀組織分析，其中1#的微觀組織主要由鐵素體構(gòu)成，鐵素體形態(tài)呈現(xiàn)多邊形，有明顯過冷的特征，內(nèi)部位錯密度高，延伸率較低，但存在較大的塊狀鐵素體，導(dǎo)致沖擊韌性較差；2#的微觀組織由鐵素體和少量的珠光體構(gòu)成，晶粒度8級左右；3#頭部的微觀組織由鐵素體和少量的珠光體構(gòu)成，珠光體含量大于多于2#組織，鐵素體晶粒呈現(xiàn)等軸晶形態(tài)，塑韌性較好。從微觀組織可以看出，隨著入水溫度降低，鐵素體形態(tài)由長條狀向等軸狀轉(zhuǎn)變，在1#和2#由于入水溫度偏高，在微觀組織中存在較多的珠光體和少量的貝氏體，3#在組織轉(zhuǎn)變過程中，入水溫度較低，過冷奧氏體全部轉(zhuǎn)化為鐵素體和珠光體，導(dǎo)致3#具有較好的延伸率。

圖4 1#～3#力學(xué)性能試驗結(jié)果

圖5 1#～3#不同軋制工藝下的微觀組織

在3#，4#，5#試驗條件下，力學(xué)性能試驗結(jié)果如圖6所示。II開溫度、終軋溫度、入水溫度基本保持不變，隨著返紅溫度降低，如圖6（a），（b）所示，抗拉強(qiáng)度逐漸降低，屈服強(qiáng)度先降低，隨后增加；如圖6（c）所示，沖擊功和延伸率逐漸增加，延伸率可達(dá)到36.5%。

圖6 3#～5#的力學(xué)性能試驗結(jié)果

3#～5#不同軋制工藝下的微觀組織如圖7所示。微觀組織主要由鐵素體和珠光體構(gòu)成，其中3#的珠光體多于4#和5#中的珠光體含量，導(dǎo)致3#的強(qiáng)度較高。在5#微觀組織中，珠光體含量最低，這是因為在軋制的過程中，返紅溫度為565 ℃，可以看出珠光體有明顯的退化特征，致使延伸率和韌性增加。3#，4#，5#的微觀組織均為鐵素體和珠光體，在相同的組織構(gòu)成下，鐵素體相與珠光體所占比例決定延伸率的大小，鐵素體含量越高，表現(xiàn)出來的延伸率越高。從圖6可以看出，隨著返紅溫度降低，3#，4#，5#珠光體的含量逐漸降低，致使延伸率逐漸升高。

圖7 3#～5#不同軋制工藝下的微觀組織

2.2 夾雜物分析

對1#試驗鋼中的夾雜物通過掃面電鏡進(jìn)行分析，其形貌及能譜分析如圖8所示。鋼中的夾雜物主要為復(fù)合夾雜，由能譜分析結(jié)果可知，圖8（a1）所示邊界彎曲的夾雜物為nFeO·mMnO·pSiO2+CaO·Al2O3的復(fù)合夾雜；圖8（b1）所示的薄膜片狀夾雜物為（Mn，F(xiàn)e）S+TiN+MgO+CaO·Al2O3的復(fù)合夾雜；圖8（c1）所示的圓形顆粒夾雜物為FeO+CaO+Al2O3的復(fù)合夾雜。夾雜物為球狀，并未出現(xiàn)尖角形，為常規(guī)夾雜物，對性能未造成惡劣影響。

2.3 斷口形貌分析

如圖9所示，顯示了3組不同塑性試驗鋼單軸拉伸試驗后的斷口形貌。塑性最差的1#試驗鋼表現(xiàn)出更多的小解理面，雖然孔洞尺寸較小，但有更多的孔洞相連形成微裂紋，失效模式屬于比較典型的解理脆性斷裂。圖9中的3#，5#為延伸率＞33%的高延性試樣，在斷口處觀察到了韌窩和孔洞，這也揭示了孔洞的形核和長大機(jī)制，屬于典型的完全塑性斷裂。3#試驗鋼斷口處的韌窩較小，主要為拋物線狀和部分等軸狀，并分布有微小的孔洞，而塑性更好的5#試驗鋼雖然韌窩的尺寸和深度明顯增加且基本為等軸狀，但微孔也相對較大并伴有微裂紋的存在。圖8 中3#，5#的微孔和微裂紋的變化，與彌散分布的M/A島顆粒和珠光體的占比有關(guān)，小尺寸的珠光體在拉伸過程中對裂紋萌生和擴(kuò)展的抑制作用有限，容易使孔洞擴(kuò)展形成微裂紋［11］。

圖8 夾雜物分析

3 結(jié) 論

本文采用了不同軋制工藝的鋼板為研究對象，厚度為20 mm，分析軋制工藝對微觀組織及力學(xué)性能的影響，通過斷口形貌分析其斷裂機(jī)制，主要得到以下結(jié)論：

（1）在1#，2#，3#試驗條件下， II開溫度、終軋溫度、入水溫度基本保持不變的情況下，隨著入水溫度降低，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度逐漸降低；延伸率和沖擊功逐漸增大，達(dá)到最大值33%。

（2）在3#，4#，5#試驗條件下，II開溫度、終軋溫度、入水溫度基本保持不變，隨著返紅溫度降低，抗拉強(qiáng)度逐漸降低，屈服強(qiáng)度先降低，隨后增加；沖擊功和延伸率逐漸增加，延伸率可達(dá)到36.5%。在返紅溫度為565 ℃時，可以看出珠光體有明顯的退化特征，致使延伸率和韌性增加。

（3）根據(jù)實驗結(jié)果，在4#工藝條件下，既有較高延伸率，并且滿足HD50的要求，同時具有較高的強(qiáng)度，可確定在本試驗中最佳工藝參數(shù)為：II開溫度920 ℃、終軋溫度832 ℃、入水溫度749 ℃、返紅溫度565 ℃。

（4）鋼中存在的薄膜片狀夾雜物為（Mn，F(xiàn)e）S+TiN+MgO+CaO·Al2O3的復(fù)合夾雜，圓形顆粒夾雜物為FeO+CaO+Al2O3的復(fù)合夾雜。

（5）3#，5#的微孔和微裂紋的變化，與彌散分布的M/A島顆粒和珠光體的占比有關(guān)，小尺寸的珠光體在拉伸過程中對裂紋萌生和擴(kuò)展的抑制作用有限，容易使孔洞擴(kuò)展形成微裂紋，降低力學(xué)性能。