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东北大学硕士学位论文摘要 3 5 5 m p a 级高强船板性能优化的研究 摘要 随着中国的造船业大规模进入国际市场，对具有优良强韧性、可焊性和高表 面质量钢板的需求在不断增长。在与国外产品的对比和竞争中，如何进一步提高 高强船板的力学性能、减少各种组织缺陷便成为很多国内钢厂面临的问题。鞍钢 高强船板性能不稳定的现象严重影响了产品的合格率和交货期，制约了高强船扳 钢的扩大生产。本文结合鞍钢生产实际，在对生产过程进行了大量跟踪和调查基 础之上，对高强船板的实物产品进行检验和分析，明确导致其性能不合的根本原 因所在；通过实验室控轧和正火实验，研究轧制工艺和正火工艺对高强船板钢综 合力学性能的影响；并对实物产品的性能、化学成分、工艺参数进行统计和回归 分析，以优化高强船板钢的成分和工艺制度。主要研究工作和成果如下： 1 通过金相观察和扫描电镜及能谱仪检测对钢板断口形貌、夹杂物及显微 组织等进行观察研究，在对合格和不合格高强船板进行对比分析后发现：钢板的 板厚中心处存在条带状的m n s 夹杂物和带状贝氏体，另外还有疏松孔洞和末熔的 金属铌，是影响心部组织性能的主要因素。 2 在实验室模拟现场生产工艺条件，研究轧制工艺和高强船板强韧性的关系： 随着钢坯加热温度的升高，带状组织级别减小，硫化物级别没有明显变化规律， 1 2 0 0 。c 1 2 5 0 加热时，可以获得良好综合力学性能；阶段开轧温度在8 8 0 。c 9 2 0 。c ，终轧温度在8 2 0 。c 一一8 6 0 。c 时，综合力学性熊比较稳定，低温精轧时，带 状组织和硫化物级别都有增大的趋势，而损害横向性能。 3 分析研究不同正火工艺对组织性能的影响规律，研究正火挽救失败的原因， 确定了最优的工艺制度为：加热温度9 0 0 9 2 0 ，保温时间1 5 2 小时。 4 对高强船板生产数据进行统计分析，研究其性能与工艺参数、化学成分的 关系，建立了回归模型。结果表明：严格控制c 含量、适当降低n b 含量、合理 规划钢板s l $ i j 规格和轧制工艺，实现对性能的调控，可以提高产品的合格率和质 量管理水平。 关键词：高强船板钢带状组织硫化物中心偏析正火t m c p 回归分析优化 蔓! ! 垄兰塑主鲎焦堡塞 垒! ! ! ! 磐! r e s e a r c ho fp r o p e r t yo p t i m i z a t i o no f3 5 5 m p a h i g hs t r e n g t h h u up l a t e a b s t r a c t w i t ht h es h i p - b u i l d i n gi n d u s t r yo fc h i n ae n t e r i n gt h ew o r l d ，t h ed e m a n do fs t e e l p l a t e sw i t hh i g hs t r e n g t ha n dt o u g h n e s s ，g o o dw e l d a b i l i t ya n ds u r f a c eq u a l i t yi s i n c r e a s i n g i nc o m p e t i n gw i t hf o r e i g np r o d u c t s ，i th a sb e c o m em o r ei m p o r t a n tf b r d o m e s t i cs t e e lp l a n t sh o wt oi m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n de l i m i n a t ed e f e c t s o f h i 曲s t r e n g t hh u l lp l a t e r h eu n s t a b l ep r o p e r t i e sa n dl a y e r e dt e n s i l ef r a c t u r eh a v e i n f l u e n c e dt h eq u a l i t ya n dd e l i v e r ya n dh i n d e r e dt h e e n l a r g i n gp r o d u c t i o no fh u l lp l a t e s o nb a s i so fr e s e a r e ho fp r a c t i c a lp r o d u c t i o no fa n g a n gg r o u p ，t h eq u a l i t ya n d p r o d u c t p r o c e s so f h u t lp l a t ew a ss t u d i e dt of i n dt h er e a s o n so f d e f c t s ；t h ee f f e c to f h o t - r o l l i n 2 a n dn o r m a l i z i n go nm e c h n i c a lp r o p e r t i e so fh u l l p l a t ew a sr e s e a r c h e db yd o i n g e x p e r i m e n t si nl a b o r a t y ；h er e l a t i o n s h i pb e t w e e np r o p e r t i e sa n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o n ， p r o c e s sp a r a m e t e r sw a sa n a l y z e db yt h em e t h o do fr e g r e s s i o nt oo p t i m i z et h e c o m p o s i t i o na n dp r o c e s st e c h n o l o g y 1 b ym e t a l l o g r a p h ya n ds e m & e d s ，f r a c t o g r a p h y , i n c l u s i o n sa n dm i c r o s t r u c t r u eh a v eb e e ns t u d i e d ，c o m p a r i n ga n da n a l y z i n gd i s q u a l i f i e da n dq u a l i f i e d p l a r e s ，t h a ti na d d i t i o nt or a r e f a c t i o np o r e sa n dd i s m o l t e nn i o b i u m ，s u l f i d ea n db a n d e db a i n i t es t r u c t u r eh a v ep r o v e dt ob et h ek e yf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h et r a n s v e r s ep r o p e r t i e so fh u l lp l a t e s 2 t h er e s e a r c ho ft h ee f f e c to fr o l l i n gp r o c e s so nt h ep r o p e r t i e so fh u l l p 。 l a t es h o w e d ：谢mt h ei n c r e a s eo fh e a t i n gt e m p e r a t u r e t h er a t eo fb a n d e ds t r u c t u r ew i l ld e c r e a s e ，a n dt h ee f f e c to ns u l f i d ei n c l u s i o nd o e sn o tf o l l o wa no b v i o 。 u sr u l e h e a t e dt o1 2 0 0 。c 1 2 5 0 。c ，m e c h n i c a lp r o p e r t i e sw i l lb ei m p r o v e d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw i l lb ei m p r o v e dw h e ni ip h a s er o l l i n gt e m p e r a t u r ei sc o n t r o l l e dt o8 8 0 。c 9 2 0 1 2 ，f i n i s h i n gt e m p e r a t u r et o8 2 0 。c - 8 6 0 。c 3 t h e e f f e c to fn o r m a l i z i n gp r o c e s so nt h em i c s t r u c t u r ea n dm e c h n i c a l p r o u 东北犬学硕士学位论文a b s t r a c t p e r t i e so fh i 曲s t r e n g t hh u l lp l a t ew a sa n a l y z e d ，f u r t h e r m o r e ，t h er e a s o n so fn o n e f f e c t i v en o r m a l i z i n gw e r er e s e a r c h e d t h e nt h eo p t i m i z e dn o r m a l i z i n gp r o c e s s w a ss e td o w n 4 b ym a t h e m a t i c a ls t a t i s t i c so fa c t u a lc o m p o s r i o na n dp r o p e r t i e so fh i g hs t r e n g t hh u l lp l a t e ，t h ea c t u a ls t e e l - m a k i n gp e r f o r m a n c eh a sb e e nc o n f i r m e d t h e l i n e a rr e g r e s s i v ee q u a t i o n sh a v eb e e no b t a i n e db e t w e e nt h ep r o p e r t i e sa n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，p r o c e s sp a r a m e t e r sa n dp l a t et h i c k n e s s i th a v eb e e ns h o w np r o d u c t sq u a l i t yo fh i g hs t r e n g t hh u l lp l a t ec a nb ei m p r o v e de f f e c t i v e l yt h r o u g h k e e p i n gc a r b o nc o n t e n ta tl o wl e v e l ，l o w e r i n gn i o b i u mc o n t e n t ，s e t i n gd o w nt h e o p t i m i z e dr o l l i n gp r o c e s sa n dp l a t et h i c k n e s sa c c o r d i n gt o c h e m i c a lc o m p o s i t i o n k e yw o r d s ：h i g hs t r e n g t hh u l lp l a t e ，b a n d e ds t r u c t u r e ，s u l f i d e ，s e g r e g a t i o n ， n o r m a l i z i n g ，t m c p , r e g r e s sa n a l y s i s ，o p t i m i z a t i o n l i i 东北大学硕士学位论文 声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：韩恫 日 期：矽2 砧 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 墨! ! 垄兰塑主堂堡垒查。 ! 堡垒 1 1 前言 1 绪论 随着经济的增长和贸易的发展，中国造船业加速崛起，造船技术的发展突飞 猛进，使得2 0 世纪9 0 年代中期以来，我国造船吨位已经连续8 年居世界第三位。 近丽年我国船舶工业造船完工量再创历史新高。中国造船业界已提出明确的时间 量化目标：5 年之内在国际造船市场的占有份额要达到1 5 ，到2 0 1 0 年达到2 0 以上。在今后1 0 年内，中国造船企业新船订单年承接量可能达到1 0 0 0 万总吨， 届时造船设施生产能力也要超过1 0 0 0 万总吨。 国产船用钢板要支撑中国成为全球造船强国，任重而道远。在2 0 0 3 年8 月5 日，由中国钢铁工业协会和中国船舶工业协会联手组建的“船舶用钢协调小组” 正式成立，宝钢、鞍钢、武钢等l l 家钢铁企业和中国船舶工业集团、中国船舶重 工业集团等1 6 家船厂参加，以两大行业的长期战略联盟关系，确立上下游行业形 成“产业链”、实现“双赢”的运作机制，加快推动双方产业结构和产品结构的 调整，促进长期共同发展。中国钢铁工业协会对现有船用钢板生产能力、品种、 规格、质量、成本、工艺、发展规划进行调研：船舶工业协会对全球及国内船用 钢材使用量、规格、品种、未来几年船舶业发展速度等方面展开专项调研。 船用钢板是造船的主要原材料，随着国内造船业的持续快速发展，对船用钢 板在质量、数量、品种、规格等要求在不断变化。国产造船用钢板经过多年的努 力，已基本能满足我国造船业的发展需要，特别是近几年钢铁企业中厚板生产线 的改扩建和新建，使中厚板的生产从质量到数量都得到提商。但国产船扳由于种 种原因，在个别品种和数量上不能满足造船业的需求。国产船用钢板要支撑中国 成为海上强国，还须在生产技术、工艺以及产品质量、品种、规格上进步发艉。 比如说，在控制轧制生产技术方面，国外钢厂采用先进控轧、控冷工艺及计算机 自动化等，实现了高精度轧制、控制轧制等，而国内的板型控制、工艺控制及没 各自动化的管理水平还较低。随着未来的船只将向大型化、多用途化、海洋工程 的深海化以及海上安全和环保的严厉化方向发展，对船用钢材的性能的要求越来 越高，比如，要求钢材具有高强度、高韧性、商耐腐蚀性能，而且这类钢材在船 舶制造中有使用量将不断增多；此外，对船用钢材的力学性能、化学成分、工艺 性能、碳当量等都提出要求，并有具体的规定；还有，对大厚度钢板、海洋平台 用钢以及z 向性能，对船用铸钢件、锻钢件、锚和锚链钢等都提出新的要求。妇今 东北大学硕士学位论文1 绪论 我国造船业的传统工艺技术得到很大的改进，拿焊接技术来说，现在焊接高效化 达至1 8 2 5 6 ，c 0 2 焊接比例达到5 8 4 0 ，焊接的机械化、自动化率达到6 7 7 6 ，焊 ： 的人均焊材日消耗高达1 6 9 8 公斤，使造船效率得到提升，这更要求船用钢材具 体很好的焊接性能，既能确保船舶的质量，又能适应焊接工艺的改进需求。船舶 的大型化发展，就要求采用高强度钢板，而现在国产的普通强度船体钢强度不足， 由于钢的强度低，就必然增加船板的厚度，这样不仅增加了制造过程中的加工焊 接难度和成本，又增加了船体自重、降低了载重量。因此，造船业提出使用高强 度船体钢的要求。基于船舶制造向专业化、轻量化方向发展，因而需大量采用低 台金高强度船板，以我国g b t 1 5 9 1 - 9 4 新标准，船板要向e 级、f 级、z 向钢发展。 再有，由于船越造越大，船用钢板的规格趋向大型化，大于2 5 米宽的规格钢板需 求量将明显增加，最大的船板规格要求在4 5 米宽、2 2 5 米长，所有的钢板需根据 船厂的需要要求定尺提供，这对钢厂来说无疑增加了生产的难度。此外，对船板 的性能及质量也提高更高的要求。过去一般板质量通常要求在d 级，品种2 0 多个， 而随着现在集装箱船等船型的发展，船板的品种几乎涵盏所有级别，品种达1 2 0 0 多个，并向f 级、z 向钢船板和型材发展。现在，出口船舶中低合金高强度船用钢 在船用钢使用总量中的份额己达8 0 。因此，发展低含金高强度钢是未来船舶用钢 的趋势也是广大冶金工作者和科研人员的研究方向。 1 2 船用钢板的强韧化机理 目前国内外的船用钢板，尤其是高强度船用钢板，通常是采用微台金化和控 轧控冷有机结合的方法，即在钢中有效和合理地使用n b 、v 、t i 等微合金化元素， 并通过控制轧制和控制冷却来提高其强度和韧性。其强韧化机理主要有：细晶强 化、固溶强化、析出强化、位错和溉结构强化等。 早在2 0 世纪5 0 年代，h a l l p e t c h 就提出了晶粒尺寸和屈服强度的关系式： o f 。o + k c l l 陀 ( 1 1 ) 式中：or 一屈服应力； o 厂纯金属的流变应力； k ，常数； d 晶粒直径。 由于不同种类的钢的强化方式各有不同，可以是使用单一的强化方式，也可 以多种强化方式的复合在一起使用。所以，人们又对h a l l p e t c h 公式进行了科学 的修正，即修正后的h 8 1 1 一p e t c h 公式为： 2 东北大学硕士学位论文 l 站论 ( 1 2 ) oy = oo + os s + o i n t + o p p t + o 臼鲫计- - od l s t + k y d + 1 彪 式中： ao 晶格摩擦力( 阻碍位错运动的力和晶格阻力) o 。s _ 置换强化增量； o 。广间隙强化增量； op 厂析出强化增量； o 。f 一相变强化增量； od i “一位错及亚结构强化增量； k 。晶界强化因子： d 一晶粒直径： 1 2 1 晶粒细化 细晶强化是高强度船板钢中最重要的强化方式之一，也是能同时提高强韧性 综合性能的最重要的方法。在目前金属材料领域，要想大幅度的同时提高材料的 强度和韧性，最好的方法是细化晶粒l 】。 从h a l l p e t c h 提出了晶粒尺寸和屈服强度的关系式( h a l 卜p e r c h 公式) 表 明，材料的屈服强度随着晶粒奁径的减小而增大。晶粒大小是决定材料强韧性的 重要因素，其作用可用位错塞积模型来解释。因在外力作用下，造成邻近晶粒位 错源开动时晶界上的集中应力的大小是与位错塞积群的大小成比例的，所以为取 得同样的应力集中，一个比较长的塞积距离( 相当于比较大的晶粒真径) 可以在 较小的外加应力作用下达到，而在塞积距离很短的情况下，要形成同样大小的应 力集中就要加大外加应力。这样，细晶粒组织的材料就有较高的流变应力。但是 流变一旦实现后，在这样高的应力作用下，将会有大量的晶粒同时实现塑性变形， 应变硬化的表现不大突出，使得粗晶粒金属的应变硬化能力比同一金属的细晶组 织要大。同理，粗晶组织内变形不均匀，加之位错塞积产生的应力集中比较火， 裂纹容易形核，使得韧性较细晶材料要差。由于晶界对位错运动的阻碍和对裂纹 扩展的阻碍，使得细化晶粒即可以提高钢的强度，又可以改善钢的韧性。由h e s l o p 和p i c k e t i n g 提出的低碳钢的韧脆转折温度表达式： 正。= 口一6 j 一 2 其中a 是依赖于化学成分的常数，而b 是表示抵抗脆性裂纹传播的常数， 粒真径。 ( 1 3 ) d 是晶 从上式可以看出，随着晶粒尺寸的减小，韧脆转折温度下降，韧性提高。6 0 年代以来，材料科技工作者成功地开发了微合金钢的控制轧制技术，特别是在低 碳含铌的微合金钢中，通过奥氏体未再结晶区控制轧制可有效地增加形变奥氏体 3 垄! ! 垄茎婴主兰壁垒查 ! 堡堡 的晶界、形变带和位错孪晶等晶体缺陷，从而提高铁素体相变的形核率，细化铁 素体组织。目前，利用该技术在工业化生产中可生产晶粒尺寸为3 5 p m 的细品 粒组织钢，并已使材料的性能有了较大幅度的改善【2 删。日本采用触3 以上稍高温 度进行大形变量轧制得到约2 p r o 的a 晶粒，为目前报道应用控轧得到的最细小组 织 5 1 。 因此，通过新技术的应用，改进生产工艺、合理调整微合金钢的化学成分， 在工业生产中进一步的细化晶粒已经成为人们研究的热点问题。为了得到细小的 理晶粒，通常采用方法有：( 1 ) 尽可能提高冷却速度：( 2 ) 母相y 晶粒尽可能细 化；( 3 ) 保持加工硬化状态的t 晶粒；( 4 ) y 晶粒内部弥散分布适当的析出物和 非金属夹杂。 1 2 2 析出强化 高强船板中常常添加n b 、v 、t i 等极为有效的强化元素，它们在钢中形成碳 氮化物质点。钢中经常会有除基体外的其他相质点，如碳化物、氮化物、氧化物、 金属间化合物、亚稳中间相等第二相质点的存在。当钢中存在有这样的第二相质 点时，由于第二相质点与基体间存在应力场和应力场与运动位错之间的交作用， 基体会产生强化。 第二相质点与位错之间的交换作用有两种方式 6 1 ：其一是位错切过易变形的 第二相质点。当位错切过第二相质点时，由于位错的应力场与第二相质点的应力 场相互作用以及新界面的形成、第二相与固溶体交界处原子排列也不相同，第二 相滑移面与固溶体滑移面的帕氏矢量也不相同，这都增加了位错运动的困难。其 二二是位错绕过篼二相粒子。早在1 9 4 8 年，o r o w a n e 就提出了位错绕过第二相粒 子的绕越机制( 即o r o w a n 机制) 。根据g l a d m a n 等的理论，采用a s h b y 对o r o w a n 修正模型，位错线在滑移面上两个相邻粒子之间弓出，模型以沉淀粒子混乱分布 为根据，对沉淀强化有： o 口p t = ( 5 9 f 7 2 x ) i n ( x 2 5x1 0 4 ) ( 1 4 ) 式中：卜沉淀粒子的体积分数，； 蛩一沉淀粒子的平均截线直径，m 由此可见，由沉淀粒子所造成的强化随粒子尺寸的减小和粒子体积分数的增 加而增加。 通常，要想得到对性能有利的第二相质点，可以是从过饱和围溶体中沉淀析 出，也可以通过其他方法析出，后者一般称为弥散强化，而前者称为沉淀强化( 或 ，4 东北大学硕士学位论文 l 绪论 的晶界、形变带和位错挛晶等晶体缺陷：从而提高铁索体相变的形核率，细化铁 索体组织。目前，利用该技术在工业化生产中可生产晶粒尺、j 为3 5 1 j m 的细晶 粒组织钢，并己使材料的一眭能有了较大幅度的改善 2 - 4 。日本采用a r 3 以上稍高温 度进行大形变量轧制得到约2 m 的n 晶粒，为目前报道应用控轧得到的最细小组 织f 5 】。 因此，通过新技术的应用，改进生产工艺、合理调整微台金钢的化学成分， 在工业生产中进一步的细化晶粒已经成为人们研究的热点问题。为了得到细小的 口晶粒，通常采用方法有：( i ) 尽可能提高冷却速度；( 2 ) 母援y 晶粒尽可能细 化；( 3 ) 保持加工硬化状态的y 晶粒：( 4 ) y 晶粒内部弥散分布适当的析出物和 非金属夹杂。 1 2 2 析出强化 高强船板中常常添加n b 、v 、t i 等极为有效的强化元素，它们在钢中形成碳 氮化物质点。钢中经常会有除基体外的其他相质点，如碳化物、氮化物、氧化物、 金属间化台物、亚稳中间相等第二相质点的存在。当钢中存在有这样的第二相质 点时，由于第二相质点与基体间存在应力场和应力场与运动位错之间的交互作用， 基体会产生强化。 第二相质点与位错之间的交换作用有两种方式m ：其一是位错切过易变形的 第二相质点。当位错切过第二相质点时，由于位错的应力场与第二相质点的应力 场相互作用以及新界面的形成、第二相与固溶体交界处原子排列也不相同，第一 相滑移面与固溶体滑穆面的帕氏矢量也不相同，这都增加了位错运动的困难。茛 一：是位错绕过第二相粒子。甲在1 9 4 8 年，0 r o w a n e 就提出了位错绕过第二相粒 子的绕越机制( 即0 r o w a n 机制) 。根据g l a d m a n 等的理论，采用a s h b y 对0 r o w a n 修正模型，位错线在滑移面上两个相邻粒子之间弓出，模型以沉淀粒子混乱分布 为根据，对沉淀强化有： od 口尸( 5 9 f “x ) i n ( x 2 5 1 酽) ( 14 ) 式中：f _ 沉淀粒子的体积分数，； x 沉淀粒子的平均截线直径，m m 由此可见，由沉淀粒子所造成的强化随粒子尺寸的减小和粒子体积分数的增 加而增加。 通常，要想得到对性能有利的第：j 相质点，可以是从过饱和固溶体中沉淀析 卜h ，也可以通过其他方法析出，后者一般称为弥散强化，而前者称为沉淀强化( 或 卜h ，也可以通过其他方法析出，后者一般称为弥散强化，而前者称为沉淀强化( 或 4 东北大学硕士学位论文l 绪论 析出强化、时效强化) 。在一般金属中主要采用比较经济的沉淀强化来得到第- ：n 质点。 高强船板钢中微量添加n b 、v 、t i 时，匿溶在奥氏体中的n b 、v 、t i 在相 变时或相变后作为极其细微的碳化物、氮化物析出，这些析出物起到很强的沉淀 强化作用，使铁素体的强度提高，且由于其细小弥散对钢材的塑性韧性的不利影 响也很小【7 l 。 总之，析出强化是的一种非常有效的强化方式，添加微量的合金元素，就可 获得成百兆帕的强度增量【8 ，而且，这些微合金碳氮化物还有相当重要的晶粒 细化作用。因此，微合金碳氮化物的析出强化是船板用钢中重要的强化方式之- 。 1 2 3 位错和亚结构强化 位错强化也是高强船板钢中重要的强化方式之一。在船板钢发生塑性变形时， 除了位错发生运动之外，还会不断形成新的位错。因此位错密度随着变形而不断 增加。另外，当应变量超过一定程度后，位错将排列成三维亚结构，当这些亚结 构的位错墙呈松散的缠结形虢避，称为“胞状结构”，当位错墙变窄且轮廓分明时， 则称亚晶。 自从位错理论提出后，人们就对位错之间的相互作用进行了大量的研究，在 位错强化( 加工硬化) 方面得到了长足的进展。金属材料流变应力与位错密度p 之间的关系为： t = ub p 1 陀 ( j 5 ) 式中：n 为比例系数。 - - f e 在退火状态下的位错密度约为1 0 7 c m 2 ，正火状态下可达1 0 8 l 护c m 2 ， 此时由位错强化提供的强度增量仅为6 6 3 m p a ，则位错的作用将为晶界的作用所 掩盖，因而完全忽略。l 嘛的冷变形后，位错密度达到5 x1 0 1 v c m 2 ，而剧烈冷变形 密度可达5 1 0 ”c m 2 ，此时位错强化提供的强度增量急剧增加，因此位错强化也 是钢中有效的强化方式之一【l o j 。 胞状结构产生的屈服强度或流变应力的增量为： oc s = bub d c s l = k c s d c s l ( j 6 ) 其中：d c s 为胞状结构尺寸 k c s 常数，经有关试验确定大致为0 1 2 4 n 唧 亚结构强化实质仍是位错强化。亚晶的力学行为很象晶粒，对强度的影响一 般遵从下式： 5 东北大学硕士学位论文l 绪论 oc g = k l t b d c g 1 2 ( 1 7 ) 总的来说，当位错密度很低时，仅考虑晶界的作用，当位错密度很高时，主 要考虑位错和位错胞状结构的作用；当这些位错重新排列而组成发达的亚晶时， 弧晶内部位错密度很低，这时主要考虑亚晶的作用。 1 2 4 固溶强化 固溶强化是利用点缺陷对金属基体进行强化。添加溶质元素使固溶体强度升 高，其强化是由于运动的位错与异质原予之间相互作用的结果。其强化规律为 1 l j ： ( 1 ) 溶质元素溶解量增加；固溶体的强度也增加； ( 2 ) 溶质元素在溶剂中的饱和溶解度越小，其固溶强化的效果越好； ( 3 ) 形成间隙式固溶体的溶质元素( 如c 、n 、b 等元素在f e 中) 强化作 用大，形成置换固溶体( 如m n 、s i 、p 等元素在f e 中) 的溶质元素 的作用小； ( 4 ) 溶质原子与基体原予差别越大，强化效果越好。 高强船板钢中的m n 、s i 、c r 、n i 、c u 、p 都构成置换固溶体，并促使屈 服强度和抗拉强度呈线形增长；c 、n 等在f e 中形成间隙式固溶体，虽然可以提 商强度，但是如果高的c 、n 含量却将极大地损坏钢的韧性和可焊性，因此，在 高强船板钢中应尽量避免采用阀隙式固溶强亿的方式。 1 3 控轧控冷技术及其在高强船板中的应用 1 3 1 高强船板的控制轧制与控制冷却 控制轧制过程如图1 1 所示，是在热轧过程中通过对金属加热制度、变形制 度和温度制度的合理控制，使热塑性变形与固态相交结合，以获得细小晶粒组织， 使钢材具有优异的综合力学性能和轧制工艺l l ”。 随着人们对控轧控冷机理的认识不断深化和生产实践经验的日益丰富，已经 总结出三种类型的控轧方法，如图1 2 所示 1 3 】。根据热轧过程中奥氏体的再结晶 状态不同，相变机制不同，将其划分为三个阶段【1 4 】：奥氏体再结晶型控制轧制 1 1 5 0 9 5 0 区间的轧制；奥氏体末再结晶型控制轧制9 5 0 a r 3 区间的轧制；奥氏体和铁索体两相区控制轧制a r 3 衄l 区间的轧铡。哇王有 6 东北大学硕士学位论文 高 精蔓i l t a t雠 叠过控群u l 戚控 爿件抑秆生虎的d 相囊棱 图1 1 控轧控冷过程中的组织变化 f i g 1 1 m i e m s t r u c t u r en , a n s f o r m a t i o nd u r i n gt h et m c p ( 轧制温度从左向右降低。上层的组织表示轧制带来的奥氏体缀织的变化， 下层表示奥氏体开始相变后不久的组织，特别是下层表示铁索体形核位霞) 人将这三种类型的控制轧制称为构成控制轧制的三个阶段：奥氏体再结晶温度范 围轧制为控制轧制第1 阶段：奥氏体未再结晶温度范围轧制为控制轧制第1 i 阶段； 奥氏体和铁素体( a + f ) 两相区温度范围轧制为控制轧制的第i 阶段。在中厚钢板 轧制中，轧件是由高温到低温连续冷却，一般都采用两阶段控g l ( 再结晶型、未再 结晶型或三阶段控轧( 再结晶型，末再结晶型和奥氏体+ 铁素体两相区控s l ) 。从理 论和实践已总结出两种典型的控轧方法：一是完全再结晶区轧制和未再结晶区轧 制。第阶段的变形特点是钢在变形的同时发生动态恢复，也就是动态回复或动 态再结晶。变形后，在两道次之间则发生静态恢复，也就是静态匣i 复或静态再结 晶，变形和静态恢复交替进行，钢温不断降低；该项轧制要在9 5 0 以上结束。 第阶段为未再结晶区轧制，其变形特点是钢在奥氏体区的温度下限范围进行轧 制。轧后的变形奥氏体不发生再结晶，奥氏体晶粒压扁和拉长，变形大时，晶粒 更加细小。第阶段轧制要在a t 3 点以上结束，在这两个阶段中要有一次中间冷 却。二是在奥氏体荐结晶区、奥氏体未再结晶区和奥氏体铁素体两相区轧制， 这就是三阶段轧制方法，其中奥氏体一铁素体两相区轧制又称为低温区轧制，在 这三个轧制阶段中有两次中间冷却。控制轧制的主要作用是细化铁素体晶粒，从 而达到提高钢材强度、改善韧性的目的。 7 l 蓦k#榴斟霉鞋辅譬甙峰蟮盔墩猷霉b土 东北大学硕士学位论文 蕾 疆 图1 2 控轧控冷工艺示意图 f i g 1 2t e c h n o l o g yo f c o n t r o l l e dr o l l i n ga n dc o n t r o l l e dc o o l i n g 快速冷却是控轧后或高温轧制后使钢板在线冷却，可以进一步细化铁素体晶 粒，也可以获得铁素体和贝氏体的复相组织，使钢材强度有更大提高，韧性又一i 降低。对于给定的钢来说，快速冷却使a t 3 降低，造成更大的过冷度，从而提高 铁素体的形核率，并降低铁紊体晶粒的长大速度，因此能够细化铁素体晶粒。这 样，用控制轧制的两阶段轧制加上快速冷却来组织生产，把终轧温度提高到a o 以上，降低轧机负荷，减少轧制遒次，从而提高轧机的产量。该方法是中板厂生 产品种钢的主要途径之一。其次用控轧控冷的方法组织生产，匿快速冷却可使控 制轧制钢板得到铁索体+ 珠光体组织，变为晶粒更细的铁索体+ 贝氏体的组织。由 于显微组织的改善，在不损害钢的低温韧性的条件下，使钢的强度有了更大提高。 用快速冷却方法组织钢材生产，可以减少合金成分，降低碳当量，从而使钢材的 可焊性得到改善，减少层状撕裂，提高钢材的冲击韧性【m 17 l 。 在实际的生产和研究中，人们常常将多种方法共同使用来得到细化晶粒组织 的目的。除了控制轧制和快速冷却两种细化铁索体晶粒方法之外，还可以用合金 化的方法去细化晶粒。将控轧与控冷、控轧与合金化、控冷与合金化结合起来细 化晶粒，也是达到提高钢材强度，改善韧性的目的的方法。 由于钢材生产成本及生产条件等方面的限制，普通碳素钢和微合金钢不可能 采用太复杂的生产工艺，而只能在现行的生产工序中适当地控制有关的参量，通 过控制形变再结晶行为以及y a 相变特性来实现。由于在铁素体区和两相区进 行轧制，需要轧制能力很强的设备，这在微合金钢轧制中采用的不多。相对来说， 8 ， 查些垄堂塑主鲎堡笙查 ! 笪熊 通过奥氏体区形变获得细小的形变组织是普通碳素钢和微合金钢细化晶粒常用的 方法。因为奥氏体区是轧制过程中不可避免的一个区域，并且只要合理控制一些 轧制参数，即可以得到显著的形变奥氏体晶粒或者细小、等轴的奥氏体晶粒。所 以，目前在高强船板的生产中主要采用两阶段控轧，即再结晶区控制轧制加未再 结晶区控制轧制。 高强度船板钢的生产就是将控轧、控冷与合金化结合起来细化晶粒，以实现 提高钢材强度、改善韧性这一目标的成功应用。国内在高强船板的生产过程中， 通过两阶段控轧，各轧钢厂根据各自的设备特点、原料及生产工艺情况，分别采 用不同速度的水冷和空冷的方式，以满足成品的实物性能要求。 1 3 2 合金元素在高强船板中的作用 目前生产高强度结构钢扳的主要途径之一是在普通c m n 钢或c m n s i 钢基 础上添加少量合金元素( 如铌、钒、钛等) 而形成的，通过微合金元素控轧控冷工 艺的有机结合，控制微合金元素的析出行为，如控制其沉淀析出景，沉淀析出柏 的形状、大小及分布，达到最大程度的细化晶粒的目的，从而有效地改善钢材的 组织与性能。 微合金元素使用的具体思路如下：未溶解的铌、钛、钒的碳、氮化合物颗 粒分布在奥氏体晶界上，可阻碍钢在加热时奥氏体的晶粒长大；未溶解的碳、 氮化合物可阻碍奥氏体再结晶；在轧制中有些合金碳、氮化物会在位错、亚晶 界、晶界上沉淀以进一步阻碍动态再结晶和轧后静态再结晶的产生；在￥一n 相交中发生相闻沉淀、形成非常细小的合金碳化物，起沉淀强化的作用：轧制 时形成的高密度位错被碳化物钉扎，会使位错运动的阻力增加。 高强船板中的钛、钒和铌作为钢中的微合金化元素通过其溶质拖曳作用和形 成碳化物、氮化合物而显著影响钢的显微组织结构。由于每种元素和每种化合物 的溶解度积和物理性能的不同，也就存在着特性的差别，从而造成每种元素具有 各自的特点。 1 铌( n b ) n b 控制轧制和控制冷却时，会产生显著的晶粒细化和中等的沉淀强化，它在 钢铁中的贡献是相当突出的。n b 元素之所以可以对微合金化钢的强度和韧性有如 此重大的影响是通过细晶强化和沉淀强化等强化机制来实现的。表现在以一i 、几个 方面h 8 2 2 1 ： ( 1 ) 增加y 相变的形核点 9 查! ! 垄兰堡主堂堡垒圭 ! 鲨堕 在钢中添加微合金化元素n b ，可以在冷却过程中析出的碳氮化物，相当于在 相交时增加铁索体的形核点，增加y n 相变的形核点，就可以使相同条件下的晶 粒细化。 ( 2 ) 阻止晶粒长大： 在微合金化钢中，阻止晶粒长大效果的第二相是稳定性很高的碳化物、氮化 物或者碳氮复合化物。当运动着的晶粒遇到第二相质点时，质点会对晶界施加h 个钉扎力，阻止晶粒长大 ( 3 ) 含n b 碳氮化物的沉淀强化 含n b 碳氮化物的沉淀作用表现在奥氏体中和铁索体中沉淀两种情况。n b 在囊 氏体中析出时，碳氮化物主要沿着各种晶体缺陷，如晶界、亚晶界、位错线等形 核长大。在晶界、亚晶界上析出，本身不能使钢的强韧性能得到改善，但质点容 易在这些部位聚集长大，会阻止奥氏体的再结晶。在位错线上析出形核，既可以 有效地阻止形变奥氏体晶粒的再结晶，还可以阻止奥氏体晶粒的长大粗化。特别 是在未再结晶区形变时，这些部位的析出形核作用更加显著。微合金元素在铁素 体和奥氏体中的析出行为不同。在铁索体中析出分为相间沉淀、纤维状沉淀、均 匀沉淀和位错沉淀等几种方式，由于这种高强质点的弥散分布，势必会起到明疑 的强化作用。 ( 4 ) 影响形变再结晶。细化晶粒 n b 这种微合金元素能够提高奥氏体的荐结晶温度，使钢可以在较高和较宽的 加工温度区间内实现非再结晶奥氏体形变，从而有利于细化晶粒。 2 钒( v ) 钒的作用和铌的作用相似。但是钒的溶解温度较低，溶解度很大，阻止再结 晶的效果较弱。钒仅在9 0 0 c 以下对再结晶才有推迟作用，在奥氏体转变以后， 钒几乎已完全溶解，所以钒几乎不形成奥氏体中析出物，在囿溶体中，钒仅作为 一个元素来影响奥氏体向铁素体转变，在y a 转变过程中或之后可大量析出产 生析出强化。虽然钒化合物的比效率相对来说较低，但其细小析出物的高体积分 齄弥补了这一不足，尤其是在较高的碳含量的钢中更是如此。所以，钒会产生中 等程度的沉淀强化和比较弱的晶粒细化，而且是于它的重量百分比数成比例的1 2 3 7 2 “。氮加强了钒的作用。为了获得特别大的强化效果，可用钒的沉淀强化和铌的 晶粒细化相结合，而且得到了织构较少的产品【2 5 q 6 1 。 1 3 钛( t i ) 钛电是低合金高强度钢板中常用的微合金元素之一。随钛含量的增加，出于 它会发生强烈的沉淀强化，因而会提高热轧产品的强度，但是，钛的晶粒细化却 1 0 东北大学硕士学位论文l 绪沦 是中等的。因为高强度钛钢的冷成型性能特别好，而且在纵向、横向和厚度方向 上的性能均，所以加入钛是十分有利的。但是和强度等级相 司的铌钢相比，钛 钢的热轧产品的抗脆性断裂性能较低。 由钛所引起的屈服强度的增加是十分复杂的。钛在加入量大约在0 0 2 以下 时，是不会改变钢的强度的。因为钛和氮有很强的亲和能力，所以钛在钢水中就 形成了氮化钛，氮化钛的溶解温度很高，在钢坯加热过程中不会溶解。当含量超 过0 0 2 时，多余的钛将会和c 结合形成碳化钛，碳化钛的固溶和重新析出才会 参与组织和强度的变化【2 ”】。 铌、钒微合金化效果及问题如表1 1 所示f 2 9 】。在微合金化元素铌、钒和钛中， 铌的细化晶粒作用、应变诱导析出、加速冷却、实现析出的弥散分布等效应是较 大的，可以大幅度地调整钢的强度和韧性匹配。在低碳钢中添加0 1 的各种微合 金元素，它们对强度的贡献是不一样的，相同铌为1 1 8 ，钒为7 1 5 ，铝为4 0 ，锰 为1 7 6 ，而钛为0 。实际上在微合金钢中，通常铌的加入量在0 0 3 0 0 5 ，就可 使强度提高1 5 3 0 【3 0 1 。正是由于常用的微合金元素存在的特性差别和每种元素 所具有的不同特点，复合微合金化通常是最佳的解决办法。 表1 in b 、v 、t i 微合金化效果及问题 t a b l e l 1e f f e c t sa n dp r o b l e m so f n b 、v 、t im i e r o a l l o y i n g 影响显著；有效；o 不明显 东北走学硕士学位论文 1 4 影响高强船板综合性能的主要因素 随着船舶工业的迅速发展和海洋油气田的开发，造船及采油平台用钢的需求 量在不断增加，我国高强度船板的年需量将达5 0 万吨。由于对高强度船板所具有 的广阔发展前途的共识，很多钢铁企业把高强船板的生产列入名牌产品发展规划， 成为其支柱产品之一。尽管国内目前已经有很多钢铁企业已取得相关船级社的生 产资格认证，也积累了多年的高强度船板生产经验，但目前仍存在性能不稳定， 屈服强度不合、以及其它各种缺陷较多的问题。于是，各个生产企业基于各自实 际生产情况，对所遇到的问题进行了相关的研究和分析。 曹敬明口1 1 在对a 3 6 、d 3 6 钢板控轧控冷工艺生产实践的研究中指出，高强度 船板综合性能的影响因素主要有夹杂物、偏析、混晶和魏氏组织。( 1 ) 夹杂物的 影响：通过对试验钢板夹杂物的分析发现，其夹杂物普遍偏高，a 2 5 3 0 、b 2 o 3 0 ，有的尤为严重，夹杂物成线状贯穿整个视场。由予夹杂物以独立形式存在于 钢中，因此在其周围易形成微小的空位，外力作用时会产生应力集中，危害较大。 其危害的大小取决于夹杂物的形态以及聚集程度，点状夹杂物危害最小，片状夹 杂物危害较大，会显著降低高强度船板的伸长率和冲击韧性。并且，夹杂物的分 布