EH50高强度船体结构钢的组织和性能研究

EH50高强度船体结构钢的组织和性能研究摘要高强度结构钢主要应用于造船业，本文分析了控制轧制和控制冷却的工艺，以及控轧控冷对EH50船体结构钢的组织和性能的影响，测定了500MPa级船板钢的再结晶曲线和CCT曲线，通过对工艺分析及金相实验结果分析，得出以下几个结论：（1）开轧温度设为900℃左右，终轧温度为870℃左右，未结晶区总的压下率控制70%左右，轧后控冷，开冷温度830℃左右，终冷温度770℃，冷速5℃/S，这样的工艺得到的钢的综合性能好。

（2）粗轧对奥氏体晶粒形态变化明显，主要是由于微合金元素的加入，使铁素体晶粒不均，带状组织严重。

（3）Nb在微合金钢中有不同的析出温度，同时析出的Nb（C,N）对再结晶产生强烈的抑制作用。

关键词：TMCP；船板钢；组织；微合金目录1引言船体结构用钢简称船板钢，主要用于制造远洋、沿海和内河航运船舶的船体、甲板等。

船舶工作环境恶劣，船体外壳要承受海水的化学腐蚀、电化学腐蚀和海生物、微生物的腐蚀；还要承受较大的风浪冲击和交变负荷作用；再加上船舶加工成型复杂等原因，所以对船体结构用钢要求严格。

良好的韧性是最关键的要求，此外，要有较高的强度，良好的耐腐蚀性能、焊接性能，加工成型性能以及表面质量。

其Mn/C比值应在2.5以上，对碳当量也有严格要求，并由船检部门认可的钢厂生产。

近几年船体结构钢的研究开发和生产技术有了很大发展，这主要是以新材料的开发和对材料的各项物理化学性能的深入研究、冶炼新工艺的出现和对热轧板带和中厚板生产工艺的不断开发以及国家海洋事业发展要求为前提的。

但是同发达国家相比，中国中厚板生产和工艺水平还较落后，高技术含量、高附加值的高等级别船板需大量进口。

国内的钢厂主要生产400MPa以下低合金高强度船体结构钢，但其产品大多需要辅以热处理才能合格。

另一方面，造船技术的发展，船舶的大型化、高速化、海洋油气田的开发，为高强度船体结构钢的应用开创了美好前景。

这就要求钢铁工业提供更多高强度、高精度、具有良好低温冲击韧性、焊接性能的船板。

造船工业的发展加速了对船板数量的需求。

随着造船工业的发展，对船板性能的要求也越来越高。

除了要求具有高的强度和优良的低温冲击韧性外，对材料的可焊性和表面质量等的要求也在不断提高。

如目前我国大型集装箱船正在大量使用EH40、FH40等具有高强度、良好低温冲击韧性的船板。

1.1船板钢的技术要求综观各国船级社的规范与要求。

除了需常规的化学成分和力学性能外，还有以下要求：船板钢的冶炼要求如下：(1)铁水进行预脱硫处理。

(2)转炉终点碳控制在0.06％～0.10％。

(3)挡渣出钢，钢包加合成渣。

(4)钢包脱氧合金化，进精炼站前钢中酸溶铝含量达到0.004％～0.005％。

(5)精炼站喂铝线，钢中酸溶铝含量稳定在0.02％～0.04％；喂钙线控制w[Ca]/w[A1]比值为0.1。

(6)保证弱吹氩搅拌时间，促进夹杂物充分上浮。

(7)连铸全程保护浇注。

对高强船板钢的生产工艺和产品质量要求如下：(1)采用Nb、V、Ti、Al中的一种或几种进行细化晶粒。

(2)钢中Als含量不小于0.015％，或AlT不小于0.020％。

(3)控制钢中夹杂物，提高钢水纯净度。

(4)采用TMCP轧制工艺时，对碳当量提出明确要求：500Mpa级，Ceq≤0.38％；500Mpa级，Ceq≤0.36％。

(5)充足的强度及良好的低温冲击韧性。

1.2 TMCP工艺简介TMCP就是在热轧过程中，在控制加热温度、轧制温度和压下量的控制轧制的基础上，再实施空冷或控制冷却及加速冷却的技术总称。

由于TMCP工艺在不添加过多合金元素，也不需要复杂的后续热处理的条件下生产出高强度高韧性的钢材，被认为是一项节约合金和能源、并有利于环保的工艺，故自20世纪80年代开发以来，已经成为生产低合金高强度宽厚板不可或缺的技术。

随着市场对TMCP钢的要求不断提高，TMCP工艺本身也在应用中不断发展。

从近几年的研究工作看，重点是放在控制冷却，尤其是加速冷却方面。

通过加快轧制后的冷却速度，不仅可以抑制晶粒的长大，而且可以获得高强度高韧性所需的超细铁素体组织或者贝氏体组织，甚至获得马氏体组织。

目前正在研发的在线加速冷却，是在轧制后直接将钢板冷却至常温，可以避免再加热工序。

在线冷却的输送方式分为“一步冷却”与“通过型冷却”两种。

所谓“一步冷却”就是将冷却水一下子喷射到轧制后的整个钢板上进行冷却。

为了使冷却均匀，必须让钢板在冷却装置中振动。

该方法需要超过钢板长度的大冷却装置，而且也难以避免冷却不均匀问题，故后来改为“通过型冷却”，即钢板一面通过一面接受冷却，现已成为加速冷却的主流方式。

另外，冷却方式又分“约束冷却”与“无约束冷却”两种。

所谓“约束冷却”是指用上下辊约束钢板的条件下进行冷却，采用喷雾水口；而“无约束冷却”则是用层流式水口对输出辊道上的钢板进行冷却。

通过TMCP处理使钢材达到高强度和高韧性，基本上是通过控轧细化奥氏体晶粒、通过加工应变之后的控冷组合起来的相变组织控制和相变组织细化而实现的。

它不仅能提高强度和韧性，而且能降低合金元素的添加量，因此，具有提高焊接性能等很多优点。

另外，近年来在造船、建筑等领域中，确立了即使采用高效率大线能量焊接，也能确保焊接热影响区良好的机械性能的综合组织控制技术(JFE EWEL)。

该技术作为控制用户现场焊接施工后的显微组织，确保优越的机械性能的技术而被广泛采用。

1.2.1控制轧制的类型关于控制轧制的分类目前尚未统一，但大部分学者将轧制分为三种，即奥氏体再结晶区控制轧钢（Ⅰ型控轧）、奥氏体未在结晶区控制轧制（Ⅱ型控轧）和(r+a)两相区控制轧制为第三阶段。

在实际的控轧过程中根据钢的化学成分、使用要求、轧制和冷却设备能力等的不同，既可以采用单一的控轧工艺，也可以两种或者三种混合使用。

（1）奥氏体再结晶区控制轧制：是将钢加热到奥氏体化温度，然后进行塑性变形，在每道次的变形过程中或者在两道次之间发生动态或者静态再结晶，并完成其再结晶过程。

这种轧制过程的基本特点是，只要道次变形量大于奥氏体再结晶（静态）临界变形量，每轧一道可自发产生奥氏体再结晶。

经过多次轧制后，奥氏体晶粒通过反复形变-再结晶而逐渐得到细化，而且由于温度的不断下降，再结晶的晶粒长大速度降低，故相变后得到的铁素体晶粒也较细小。

这种控制方式主要适用于低碳优质钢和普通碳素钢及低合金高强度钢。

（2）奥氏体未再结晶区控制轧制:将钢加热到奥氏体化温度后，在奥氏体再结晶温度以下发生塑性变形（一般为再结晶温度以下至Ar3之间），奥氏体变形后不发生再结晶。

在奥氏体未再结晶区控轧后，奥氏体晶粒沿轧制方向被拉长，最终成为扁平状，且再结晶内部形成大量变形带。

奥氏体晶粒被拉长，阻碍铁素体晶粒的生长，随着变形量的增加，奥氏体晶粒内部变形带增加且分布逐渐均匀，这些变形带则为相变时铁素体的形成提供形核位置，故奥氏体未再结晶区轧制能有效细化铁素体晶粒。

（3）(r+a)两相区控制轧制：两相区控制轧制是指钢加热到奥氏体化温度后，经过一定变形，然后冷却到奥氏体+铁素体两相区再继续进行塑性变形（即在Ar3-Ar1之间进行），使得奥氏体和铁素体均受到变形的轧制。

它是加工硬化与继续相变阶段，可进一步提高钢板的韧性。

该过程中形变奥氏体向铁素体转变，未相变的奥氏体晶粒经形变被拉长，内部产生大量变形带，而也相变的铁素体晶粒受到压下，内部产生大量亚晶组织，随着变形量增加，亚晶更细小，数量更多。

对于微合金钢，内部的Nb、V、Ti等元素能以碳氮化物的形式析出。

由于亚晶强化和沉淀强化的共同作用，达到了细化晶粒的效果，因此两相区轧制能进一步提高钢的强度和韧性。

控制轧制是通过控制轧制过程中的主要参数来大幅度提高热轧钢材的综合性能的。

对轧制过程中主要参数的控制如下：（1）控制加热温度：我国中厚板厂、板带连轧厂的生产一般都采用常规轧制，板坯在连续式加热炉内的加热温度为1250℃左右。

而在控制轧制中，在加热含铌钢时，当加热温度达1050℃时铌的化合物Nb （C,N）开始分解和固溶，因而奥氏体晶粒开始长大，至1150℃晶粒长大还比较均匀，但达到1200℃晶粒就开始粗化。

为了使加工后钢材具有细小而均匀的晶粒，加热温度应以1150℃为宜。

（2）控制轧制温度：对于奥氏体再结晶区控制轧制，终轧温度越高，奥氏体晶粒越粗大，转变后的铁素体晶粒越粗大，因此一般要求其终轧温度尽可能接近奥氏体转变温度。

（3）控制变形程度：不同的轧制温度下，铁素体的尺寸均随着变形量的增加而减小，但减小的程度逐渐减慢。

在奥氏体再结晶区进行轧制时要求压下量必须大于临界压下量，且最好连续轧制，以保证再结晶的充分进行，得到细小的奥氏体晶粒，否则容易出现混晶。

在奥氏体未再结晶区轧制含Nb钢时不必过分强调道次变形量，只要总变形量足够就即可，一般要求变形量大于50％，最好接近70％，在(r+a)两相区轧制时，随着变形量的增加，铁素体晶粒变细，位错密度增大，亚晶增多，使得钢材强度增强，低温韧性得到改善，因此变形量的大小因根据产品的性能要求和生产条件来决定。

以往大部分高强度船板的生产需采用热轧+热处理正火后才能交货。

但是，随着高强度船板的产量增加和质量提高，钢厂热处理能力的压力增大，同时热处理钢板的表面质量等问题也凸现出来。

近年来，随着微合金化的应用和控轧控冷技术的发展，使某些以正火状态交货的钢板可以用热机械处理(TMCP)状态交货，以控轧状态交货的D级钢板可以用TMCP状态交货，高强度钢中的E级船板也可以采用TMCP交货。

使用TMCP生产工艺，不仅在产品设计方面可以采用更低的合金含量来降低成本，而且提高了产品的可焊性，同时提高了生产效率和产品质量。

1.2.2控制冷却工艺控制冷却是通过控制轧后钢材的开冷温度、冷却速度和冷却温度来控制相变类型，细化晶粒和控制析出，从而改善钢材的组织性能。

控制冷却条件（开始控冷温度、冷却速度、控冷停止温度）对变形后、相变的组织有影响，对相变机制、析出行为、相变产物更有直接影响。

因此，控制冷却工艺参数对获取理想的钢板组织和性能是极其重要的。

一次冷却是指从终轧温度到奥氏体向铁素体开始转变温度Ar3之间的冷却，目的是控制热变形后的奥氏体状态，阻止奥氏体长大或碳化物析出，固由于变形而引起的位错，加大过冷度，降低相变温度，为相变做阻止上的准备。

一次冷却的开始快冷温度越接近终轧温度，细化奥氏体和增大有效晶界面积的效果越明显。

一次冷却主要控制开冷温度、冷却速度和终冷温度。

二次冷却是一次冷却结束后进入由奥氏体向铁素体转变和碳化物析出的相变阶段的冷却。

二次冷却通过控制开冷温度、冷却速度（快冷、慢冷、等温相变等）和终冷温度来控制相变的过程，得到理想的相变产物形态、组织。