（材料加工工程专业论文）eh36高强度船板钢的研制与开发.pdf

查! ! 垄兰壁主兰竺兰圭：! 堡 ：= ：! = ：= = = = ：= ：= ：= = = = = = = o = ! ! = = = = = = = = ! = = = = = = = = = = = = = = = = 2 = = 一 e h 3 6 高强度船板钢的研制与开发 摘要 为适应国内造船业发展的需要，生产市场所需的高强度、具有良好低温冲击韧性、 焊接性能的船板钢。本课题以e h 3 6 船板钢为研究对象，以应用t m c p 工艺技术提高船 板钢的强韧性为目的，通过对实验钢坯的加热制度、变形制度、控轧工艺制度、控冷工 艺制度对船板钢组织性能的影响研究，对e h 3 6 船板钢的生产工艺进行了研究，完成的 主要工作如下： ( 1 ) 通过t m c p 工艺的实验研究，分析了各t m c p 工艺参数( 如压下制度、粗轧 工艺、精轧工艺、终冷温度、冷却速率等) 对实验钢组织性能的影响，为下一步工业性 实验提供了理论依据。 ( 2 ) 对实验钢进行了拉伸实验、冲击实验、金相实验以及弯曲实验，实验表明， 在合理的t m c p 工艺下，可以生产出具有良好的综合力学性能的船体结构钢，能够满足 船板钢的对强韧性能的生产要求。 ( 3 ) 基于对实验钢进行的控轧控冷实验，得到了生产e h 3 6 船板的最佳t m c p 工 艺参数：粗轧开轧温度1 1 0 0 ，总压下率为5 5 6 8 ；精轧开轧温度：9 0 0 9 5 0 ， 精轧最佳开轧温度在9 2 0 左右，总压下率为5 3 6 7 ，道次变形量1 1 。8 - 2 2 。终轧 温度8 3 0 8 5 0 ，终冷温度6 8 0 7 2 0 ，冷却速度6 9 。c s 。 ( 4 ) 对实验钢进行了焊接实验。在实验中，某些试样的焊接试验冲击功的值偏低， 故建议现场工业性试验时，可考虑适当降低c 含量和碳当量( e h 3 6 船板钢碳当量要求 c e q 0 3 8 ，本实验钢碳当量c e q = 0 3 9 9 ) ，以保证船板钢的焊接性能。 ( 5 ) 根据生产线轧机设备情况，对轧机刚度较小的粗轧机组，结合所制订的工业 生产规程进行了轧辊强度以及电机能力校核。通过设备校核工作，以保证轧辊强度，使 轧制生产正常进行。 ( 6 ) 通过实验分析，利用t m c p 工艺技术生产的钢板各项性能指标均能满足e h 3 6 船板钢的船级社的船规要求，得到了工业生产船板钢的最佳工艺参数；也充分说明，在 济钢现场生产条件下，可以利用控轧控冷技术生产出具有高强度和韧性船板钢。 关键词：e h 3 6 ；控制轧制；控制冷却：高强度；冲击韧性 i i 东北大学硕士毕业论文 a b s t r a c t s t u d ya n dd e v e l o p m e n t o fe h 3 6h i g hs t r e n g t h s h i pp l a t es t e e l a b s t r a c t a d a p t i n gt od e v e l o p m e n to fs h i pb u i l d i n gi nh o m e l a n d ，a n df o rt h em a r k e tp r o d u c i n g h i g hs t r e n g t he x c e l l e n tl o wt e m p e r a t u r ei m p a c td u c t i l ea n dw e l d a b l es t e e ls h i pp l a t e t h e s u b j e c tw a si n v e s t i g a t e do ne h 3 6s h i pp l a t es t e e l ，i no r d e rt oi m p r o v et h es t r e n g t ha n d t o u g t m e s so fs h i pp l a t es t e e l ，a n ds t u d i e do dt h ep a r a m e t e r so f t m c p , s u c h a sh e a tp r o c e s s ， r e d u c er u l e ，c o n t r o l l e dr o l l i n g ，c o n t r o l l e dc o o l i n gp r o c e s so ft e s t e ds t e e l ，w h i c he f f e c to nt h e s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fs h i pp l a t es t e e l ，w em a k er e s e a r c ho fe h 3 6s h i pp l a t et oa p p l y t h e m a i nw o r kw a sd o n ea sf o f l o w s ： ( 1 ) a n a l y s i s e dt h ep a r a m e t e r so f t m c p ( r e d u c t i o nr u l e 、r o u g hr o l l i n gt e c h n i q u e 、f i n i s h r o l l i n gt e c h n i q u e 、f i n a lr o l l i n gt e m p e r a t u r e 、c o o l i n gs p e e de t c ) t e c h n o l o g yb yh o tr o l l e x p e r i m e n t ，w h i c hh a v ea f f e c to nt h es h u c t u r ea n dp r o p e r t yo ft h et e s t e ds t e e l ，p r o v i d i n gt h e t h e o r yf o u n d a t i o nf o rn e x ti n d u s t r i a le x p e r i m e n t ( 2 ) w i t ha v a i l a b l ep a r a m e t e r so ft m c p , w ec a l lp r o d u c ee x c e l l e n tc o m p r e h e n s i v e m e c h a n i c a lp r o p e r t ys t r u c t u r a ls h i ps t e e l ，a n dc a ns a r i s f yt h er e q u i r e m e n to fs h i pp l a t e s s t r e n g t h t o u g h n e s sp r o p e r t y ( 3 ) t h r o u g hc o n t r o l l e dr o l u n ga n dc o o l i n gp r o c e s se x p e r i m e n to ft e s t e ds t e e l ，g a i n e dt h e o p t i m u mp a r a m e t e r so ft m c pt e c h n o l o g y ：r o u g hr o l l i n gt e m p e r a t u r eo ff i n i s hr o l l i n g ： 9 0 0 9 5 0 。c ，a c c u m u l a t i v er e d u c t i o nr a t i o 5 5 - - 6 8 , t h eo p t i m u mb e g i n n i n gt e m p e r a t u r eo f f i n i s h r o l l i n g ：a b o u t9 2 0 ，a c c u m u l a t i v er e d u c t i o n r a t i o ：5 3 6 7 ，p a s s d i s t o r t i o n m o u n t ：1 1 8 - 2 2 ，f i n a lr o l l i n g t e m p e r a t u r e ：6 8 0 - 7 2 0 。c ，c o o l i n gs p e e d ：6 9 s ( 4 ) i t sf o u n do u tt h a ti m p a c te n e r g yo fs o m es a m p l ei sl o w e ri nw e l d i n ge x p e r i m e n t ，s o w es u g g e s ta d a p t i n gt or e d u c ec a r b o nc o n t e n ta n de q u i v a l e n tt oe n s u r ew e l d i n gp r o p e r t yo f s h i pp l a t es t e e l ( 5 ) a c c o r d i n gt ot h es t a t u so f e q u i p m e n to f t h ep r o d u c t i o nl i n e ，c h e c h i n gs t r e n g t ho f t h e r o l l e ro f t h el o wp e r f o r m a n c er o u g hm i l la n dt h ec a p a b i l i t yo f m o t o rb yt h ei n d u s t r i a lr u l e s t o e n s u r et h er o u g hm i l lo p e r a t e sn o r m a l l yb ye q u i p m e n tc h e c k i n g ( 6 ) u s i n gt m c pt e c h n o l o g y , w ec a np r o d u c ee h 3 6s h i pp l a t es t e e l ，w h i c hc a ng e tt h e r e q u i r e m e n to fs h i pa g e n c i e ，g a i n e dt h eo p t i m u mt e c h n o l o g yp a r a m e t e r s ，a n di t sp r o v e dt h a t w ep r o d u c et h eh i 曲s t r e n g t ha n dt o u g h n e s ss h i pp l a t es t e e lb yt m c p t e c h n o l o g y k e yw o r d s ：e h 3 6 ；c o n t r o l l e dr o l l i n g ；c o n t r o l l e dc o o l i n g ；h i g hs t r e n g t h ；i m p a c tt o u g h n e s s 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，不包含其他人己经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位雨使用过的材料。与我同工作 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：工建国7 l 日期：i 舢于 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： 卫砉刮 签字日期： - - z , , r of 互牛 导师签名： 签字日期： 查! ! 苎兰翌主兰竺丝圭：。：。：。叁三! ! ：! 丝 1 1 课题背景 第一章绪论 船舶制造业是我国国民经济的重要组成部分，它既是技术密集型产业，又是劳动密 集型产业。加快发展船舶制造业，对于提高我国待4 造业整体水平、带动钢铁及配套机电 设备制造等相关产业发展和扩大就业，具有重要的推动作用。 我国造船业起始于上世纪7 0 年代，经过3 0 年的发展取褥了长足进步，成为世界上 继日、韩之后的第三大造船国【l 】。在8 0 年代初期，中国的年造船产量还只有3 0 万载重 吨，年产量也只排在世界的第1 7 位，而到现在，这个数字已经增长了1 0 多倍，年造船 量已经占到世界造船总量的9 左右。出口船舶总吨位则占世界总量的6 ，仅次于日本 和韩国，产品品种则由2 0 世纪8 0 年代的1 0 种左右发展到目前的几十种。在近年国内 船舶企业承接和建造的船舶产品中，出口船约占7 0 以上，出口市场扩大到了世界6 0 多个国家和地区，出口金额以年均1 0 的速度增长。2 0 0 1 年出口金额高达1 9 _ 3 亿美元， 比上年增长1 8 ，产量和出口量都达到全球第三位。定单的增加促使中国造船业的不断 发展。由于大、中型远洋船舶的船体完全由钢铁材料制造，所以造船业是消耗钢铁较大 的行业。而造船板是中厚板产品中技术含量高、附加值高的产品 2 l 。目前“中国造”的 船舶品种不断增加，造船吨位和造船设施也趋向大型化，除少数几种高技术船舶尚未开 发外。中国船厂能建造国际航运界所需船型的9 5 左右，能够建造的散货轮已由7 力载 重吨发展到1 7 5 万载重吨。油轮由1 l ，8 万吨发展到3 0 万吨，已经能够制造国际主流的 5 4 0 0 标箱和5 6 0 0 标箱第五代集装箱船，已有9 座3 0 万吨级造船船坞。现在，中国生产 的船舶不仅出口到希腊、挪威、英国、美国等航运大国，甚至还销往日本、韩国、丹麦、 德国、意大利、波兰等造船发达国家。 表1 1 近几年造船用钢材消费量 t a b l e1 ic o n s u m p a t i o n s o f s h i p ，b u i l d i n gs t e e li nr e c e n t y e a r s 由表1 1 可以看出，2 0 0 3 年船板需求量约为2 7 0 万吨，国内生产船板1 7 5 万吨，许 1 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 多大型船厂只能通过进口满足需求，造船板进口量约为1 0 0 万吨。 2 0 0 4 年中船集团主要造船企业按船舶开工量统计，船板需求量约7 0 万吨。在需求 总量中，约4 0 万吨船板来自国内五大钢铁企业，包括浦钢公司、南钢公司、济钢公司、 舞钢公司和重钢公司等。部分船板需进口，原因是造船企业所需规格较多，部分规格国 内钢厂尚不能生产。中船重工集团所属的9 个主要造船企业用钢量约为7 0 万吨左右。 2 0 0 5 年船板需求量约为4 0 0 万吨，资源更加紧张。近几年来，全国主要中厚板企业船板 钢产量见表1 2 0 j 。 表1 2 近年船板钢生产量情况 t a b l e1 ，2p r o d u c t i o no fs h i pp l a t es t e e li nr e c e n ty e a r s 由上述统计数据可以看出，近四年单纯中厚板的产量前五位的生产厂家是浦钢、鞍 钢、重钢、南钢、济钢；增长最快的钢厂是鞍钢、浦钢、首钢、济钢、舞钢。总体看来， 由于冶炼水平的差异，舞钢、鞍钢、浦钢所产板幅较宽，a h d h e h 3 2 3 6 等高附加值 产品较多，产品性能较高，而南钢、济钢、重钢等钢厂高附加产品不多普通的船板钢 较多。 从2 0 0 5 年一季度全国中厚板企业生产情况来看，共生产船板9 6 4 万吨，比去年同 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 期增产4 8 8 9 ，钢厂订货仍供不应求。从船厂的订单来看，多数船厂+ 已经将订单排到2 0 0 7 2 0 0 8 年，开工量创历史最好水平。从2 0 0 5 年第二季度未期以来，船板钢受中厚板市 场的不景气的影响，其价格有较大幅度的下降，但船舶市场对船板钢的需求依然旺盛。 由于航运市场兴旺。船东纷纷推迟旧船拆鳃时间，拆船行业利润有所上升，2 0 0 5 年世界船舶拆解量明显减少，担拆船价格却大幅上涨。船舶拆解量的减少使拆船价格明 显升高，供拆解的旧油船平均价格由2 0 0 4 年初的2 6 5 美元载重吨涨到2 0 0 5 年初的3 6 5 荚元，载重吨，旧干散货船由2 6 5 美元载重吨涨到3 8 0 美元载重吨。因此，国内各中厚 板厂纷纷将船板作为生产的重点，努力扩大产量【3 】。 纵观百年造船发展史，造船中心从先行工业化国家逐步向后起1 ：业化圈家转移、从 劳动力高成本国家逐步向低成本国家转移，是世界造船业发展的条基本规律。日本和 韩国就是分别在上世纪5 0 年代和7 0 年代，相继实现了船舶工业的快速发展，赶超欧美 造船强国，跃居世界造船大国前两位。进入新世纪，世界造船格局继续演变，中国正在 成为世界新的造船中心。在世界造船产业转移规律的支配下，中国造船业赶超同、韩， 应是历史的潮流，不可阻挡。 1 2 船板钢的分类、特点及成分要求 1 2 1 船板钢的特点、分类 由于船舶工作环境恶劣，船外壳要受海水的化学腐蚀，电化学腐蚀和海生物。微生 物的腐蚀：船体承受较大的风浪冲击和交变负荷；船舶形状使其加工方法复杂等原因， 所以对高强度船板钢要求严格。 首先要有良好的低温冲击韧性，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。因此，各家船级社都要求船钢要具有强度仃。、1 7 。的 匹配及稳定性、韧性及塑性的储备足以经受船体在正常航行或突发事故中裂纹扩展和抗 脆性断裂4 1 。韧塑性指标必须留有相当余地，以补偿在建造过程中各种热、冷加工导致 的材质性能下降，尤其是重要部位如船桅、船体纵向变应力最大的部位、船底板以及舷 部止裂板等，需要抗裂性较好的材料。 对于无限航区的船舶，更要求低温条件下具有较低的延瞻性转变漏度，即良好 的低温韧性【5 1 。要具有满足船舶建造中的加工工艺的适应性，因为船体线型较为复杂， 有许多类型的曲面，因此一方面材料必须具有良好的可焊性，同时要满足对材料的冷、 热弯及水火弯板等成形操作，不致形成表面损伤及产生微细裂纹【6 。j 。 造船板需要具有良好的强韧性和焊接性能。各国船级社对船板的技术要求不同，但 差蹦不大。按照我国现行的标准，通常将船板钢分为两大级别，一般强度船体用钢板和 高强度船体用钢板。一般强度船体用钢板按( 屈服强度盯。为2 3 5 m p a ) 分为a 、b 、d 、e 东北大学硕士学位论文第一章绪论 四个质量等级，其表示的物理意义为在常温、0 、一2 0 、一4 0 。c 下，船板钢应达到一定 的冲击韧性的标准。高强度船体用钢板，可按屈服点分为3 2 k g 、3 6 蚝、4 0 k g 级三个强 度级别，和a h 、d h 、e h 、f h 四个质量级别，其中常用的有a h 、d h 、e h 三个级别。 一般强度的船板钢主要用于建造沿海、内河和万吨级以下的海洋航区的船舶壳体；高强 度船板钢由于具有强度好、综合性能好、能够减轻船体自重、提高载荷的优点，适用于 建造远洋万吨级以上的船舶壳体【8 j 。 1 2 2 国内船板钢的成分、力学性能要求 为保证船舶的安全性和可靠性，各国船级社对不同牌号船板的化学成分、机械性能 和交货状态作了严格的规定。有的在要求船板钢强度这到一定水平的基础上，还要求具 有良好的低温冲击韧性的配合，同时还要求各牌号的船板具有良好的焊接性能和耐海水 腐蚀性能。 综合考虑各船级社规范，我国制定了满足各国船级社对船体用结构钢的化学成分、 机械性能国家标准g b 7 1 2 0 l ，要求如表1 3 和表l ，4 所示。 表1 3 化学成分( 主要元素的要求) t a b l e1 3t h ec h e m i s t r yc o m p o n e n to f s h i pp l a t e s 等级化学成分( 熔炼成分) w t cm ns ipsa l 。n b a0 2 22 5 0 co ，1 0 o ，o 她o 0 4 0 一一 b02 10 6 0 0 3 5 一 1 0 0 d0 2 10 6 0 0 0 1 5 1 1 0 e o 1 8 0 7 0 o 0 1 5 一 1 2 0 a h 3 2 4 0 。1 8 0 7 0 0 1 0 一 00 4 0 0 0 4 0 0 0 1 5 1 6 00 5 0 d h 3 20 9 0 一 1 6 。 e h 3 20 9 0 一 1 6 0 a h 3 60 7 0 一 1 _ 6 0 d h 3 60900。015 1 6 00 0 5 0 e h 3 6o 9 0 1 6 0 v 0 0 3 0 - - 0 1 0 东北大学硕士学位论文第一章绪论 四个质量等级，其表示的物理意义为在常温、0 、- 2 0 、- 4 0 下，船板钢应达到一定 的冲击韧性的标准。高强度船体用钢板，可按屈服点分为3 2 埏、3 6 k g 、4 0 k g 缴三个强 度级别，和a h 、d h 、e l i 、f h 四个质量级别，其中常用的有a h 、d h 、e h 三个级别。 一般强度的船板钢主要用于建造沿海、内河和万吨级以下的海洋航区的船舶壳体；赢强 度船板钢由于具有强度好、综合性能好、能够减轻船体自重、提高载荷的优点，适用于 建造远洋万吨级以上的船舶壳体i “。 1 2 2 国内船板钢的成分、力学性能要求 为保证船舶的安全性和可靠性，各国船级社对不同牌号船板的化学成分、机械性能 和交货状态作了严格的规定。有的在要求船板钢强度达到定水平的基础上，还要求具 有良好的低温冲击韧性的配合，同时还要求各牌号的船板具有良好的焊接性能和耐海水 腐蚀性能。 综合考虑各船级社规范，我国制定了满足各国船级社对船体用结构钢的化学成分、 机械性能国家标准g b 7 1 2 n 。要求如表1 3 和表l4 所示。 机械性能国家标准g b 7 1 2 1 ”，要求如表1 3 和表1 4 所示。 表1 3 化学成分( 主要元素的要求) t a b l e13t h ec h e m i s t r yc o m p o n e n to f s h i pp l a t e s c d ns ips a 1 。n bv a02 225 d c01 0 o0 4 0 0 0 4 0 一一 b02 106 0 0 3 5 一 1 0 0 do2 】06 0 0 0 1 5 一 一 11 0 e01 8 0 7 0 0 0 1 5 一一 i 2 0 a h 3 2o 1 80 7 0 01 0 00 4 0 0 0 4 0 00 1 5 l6 005 0 d h 3 20 9 0 一一 1 6 0 e h 3 2090，一 1 6 0 a 1 3 60 7 0 一 一 1 6 0 i ) h 3 6 0，90001500 3 0 1印00 5 0 0 1 0 e i l 3 60 9 0 l6 0 东靶大学硕士学饺论文第一章绪论 袭1 4 扳誊| 性毵要求 t a b l e1 4t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f s h i pp l a t e s 钢材等厚魔屈服点抗拉强伸长率v 型冲击实验j冷弯 级 ”“ 吒 o h 嗔 温度 平均冲击功窄冷弯宽冷弯 a k v t jb = 2 ab = s a n x ；n m 对 毅两疆蠢1 8 0 。1 2 0 。 不小予不，l 、予不小于 a 5 0 2 3 54 4 0 2 2 一一一d = 2 a b 4 9 0 0 2 72 0d = 3 a d102 72 0 e402 7 2 0 a h 3 2 3 1 54 4 02 20 3 12 2d = 3 a d h 3 2 5 9 0 - - 2 03 1 2 2 e h 3 2 - - 4 03 1 2 2 一 a h 3 65 03 5 5 4 9 02 10 3 42 4d = 3 a d h 3 662020 3 42 4 e h 3 6 - - 4 03 42 4 。_h_ 高强度船板钢的碳含量均o 1 8 ，而m n 含量一般在0 6 1 6 。a h 3 6 、d h 3 6 和e h 3 6 高强度钢加入0 0 1 5 - 0 0 5 5 n b 和0 0 3 0 - 0 1 0 v 。 d 级钢板可以采用控制轧制和控制冷却工艺生产，但是厚度大于3 5 i r o n 的钢板一般要 求进行j 下火处理。e 级钢板的交货状态要求进行正火处理。 控轧后采用控制冷却，降低相变温度将会进一步提高钢板的综合力学性能，在保持 韧性条件下可以进一步提高钢板强度。 目前，国外一些中厚板轧机生产大于2 5 r a m 厚的d 级船板、e 级船板钢要求热处理 状态供货时，仍采用控制轧制和控制冷却工艺，以改善热处理前的钢板组织状态，提供 更细的热处理前的原始组织，进一步改善热处理的效果和提高钢板性能。 1 3 挪威( n v ) 船级社高强度船板船规 国际船级协会( i a c s ) 由世界主要验船机构组成，现有1 1 个正式会员社和2 个联系会 员社。正式会员社即美国船级社( a b s ) 、法国船级社( b v ) 、中国船级社( c c s ) 、挪威船级 社( d n v ) 、德国劳式船级社( g l ) 、韩国船级社( k r ) 、英国劳式船级社( l r ) 、日本海事协 会( n k ) 、波兰船舶登记局( p r s ) 、意大利船舶登记局( r i n a ) 、俄罗斯船舶登记局( r s ) ； 联系会员社即印度船级社( i r s ) 、克罗地亚船舶登记局( c r s ) 。全世界商船总吨位的9 5 以上均已接受i a c s 授权船级社的法定认可检验。 结合生产线的装备情况，在合理设计合金成分的基础上，利用控制轧制与控制冷却 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 技术，以e h 3 6 级高强度船板钢为研究对象，开发出相匹配的t m c p 工艺技术，生产出 能够满足挪威船级社认可的高强度船板。 由于本次船板钢品种欲通过挪威船级社认证，现将部分船级社船规列于下表，如表 1 5 、1 6 、1 7 所示。 表1 5 高强度船板钢化学成分( 挪威船级社标准) t a b l e15t h ec h e m i s t r yc o m p o n e n to f h i g hs t r e n g t hs h i pp l a t es t e e l ( n v ) n v a 2 7 s 、n v d 2 7 s 、n v e 2 7 s 、 一 n 、，a 3 2 、n v d 3 2 、n v e 3 2 、 等级n v f 3 2 、n v f 3 6 、n v f 4 0 n v a 3 6 、n v d 3 6 、n v e 3 6 、 n v a 4 0 、n v d 4 0 、n v e 4 0 脱氧方法 镇静和细化晶粒处理” 化学成分( 桶样分析) c 最大值( ) 0 1 8 0 1 6 si()010-050 0 1 0 0 5 0 mn()09160”09162) p最大值()0,0350 0 2 5 s 最大值( )0 0 3 5 0 0 2 5 cu最大值()035 o 3 5 c r 最大值( ) 0 2 0 o 2 0 n i 最大值( )o 4 0o 8 0 m o 最大值( )o 0 8 o 0 8 a l 酸溶( )o 0 1 5 - 0 0 8 3 ) o 0 1 5 0 0 8 3 ) a l 总量( )0 0 2 0 ，0 0 8 5 3 ) o 0 1 5 0 0 8 5 3 ) n b ( )o 0 2 0 ，0 5 3 ) o ，0 2 0 。0 5 3 ) v ( )o 0 5 0 1 0 3 0 0 5 0 1 0 3 ) t i ( )o ，0 2 o 0 2 n ( ) - o 0 0 9 ( 女l j 有a l 则为o 0 1 2 1 1 ) 、板厚小于或等于2 5 m m 的未经细化晶粒处理半镇静或镇静的n v 2 7 s 钢材可予接受。 2 ) 、对厚度小于和等于1 2 5 r a m 的钢，最低含m n 量可降低至o 。7 0 对n v a 2 7 s 和n v e 2 7 s 级钢，不论板厚如何，其最低含m n 量均可降至0 7 0 3 ) 、钢材应含有a l 、n b 、v 或其他合适的细化晶粒元素，不论是单独加入或混合加入。如单 独加入，钢应含有规定最低含量的该种细化晶粒元素。如混合加入，至少应有一种细化晶粒 元素达到规定的最低含量。 6 表1 6 高强度船板钢碳当量的要求( 板厚t 一 1 5 0 r a m ) t a b l e1 6r e q u i r eo f h i g hs t r e n g t hs h i pp l a t es t e e lc a r b o ne q u i v a l e n t ( t h i n c k n e s so f p l a t et 1 5 0 m m ) 碳当量，最大值( ) n v a 2 7 s 、d 2 7 s 、e 2 7 s n v a 3 2 、d 3 2 、e 3 2 n v 3 6 、d 3 6 、e 3 6 t 5 0 r a m5 0 t 1 0 0 r a m - o 3 6 0 3 8 o _ 3 8 0 4 0 一一l ，o o 一t 一一1 5 0 m m 一一 _ 0 4 0 o 4 2 n v a 4 0 、d 4 0 、e 4 00 4 0 一 - 表1 7 高强度钢船板钢的机械性能( 挪威船级社标准) 婴! ! ! ：! ! 跑墨! ! 些! ! 翌罂型! ! ! ! 望业竺! 鲤：坐2 1 苎! 墨：! 型2 一 等级 n 2 7 s n v d 2 7 s n v e 2 7 s n v & 3 2 n v d 3 2 n v e 3 2 n v f 3 2 n 3 6 n v d 3 6 n v e 3 6 n v f 3 6 n v a 4 0 n v d 4 0 n 、以弭0 n v f 4 0 翟藉抗拉强度 ( n m m 2 ( n ，f n m 2 ) j 伸长率 最小值 ( ) 2 6 54 0 0 - 5 3 02 2 3 1 54 4 0 5 9 02 2 ” 3 5 54 9 0 6 2 02 1 1 3 9 05 1 0 6 5 02 0 1 平均冲击功 实验温j 最小值 度 5 0 t 7 0 ( t t 5 0 7 01 5 0 ( ) ，纵横 纵横 纵向横向 向蒿高高 o 2 0 - 4 0 0 2 0 - 4 0 6 0 o 2 0 4 0 - 6 0 0 - 2 0 - 4 0 6 0 2 7 2 2 03 42 44 12 7 3 1 2 2 23 82 64 63 1 3 42 44 l2 75 03 4 4 12 7 4 5 3 05 53 7 1 ) 、宽度为2 5 r a m ，标距长为2 0 0 m m 的全厚度平板试样，其伸长率应符台下列最小值： 2 ) 、对a 2 7 s ，a 3 2 和a 3 6 级，经本社特许，可允许对为验收而进行的冲击实验数量放宽要求， 但随机抽查实验时，均应获得良好的结果。 。 t 5 t ， 1 5 t 2 0 t 2 5 t 3 0 t4 0 t 厚度，m m1 0 t 1 5 7 一 东北大学硕士学位论文第一章绪论 伸长率 a 2 7 s ，d 2 7 s ，e 2 7 s a 3 2 ，d 3 2 ，e 3 2 ， f 3 2 a 3 6 ，d 3 6 ，e 3 6 ， f 3 6 a 4 0 ，d 4 0 ，e 4 0 ， f 4 0 1 5 1 4 1 3 1 2 1 6 1 6 1 5 1 4 t 7 1 7 1 6 1 5 1 8 1 8 1 7 1 6 1 9 1 9 1 8 1 7 2 0 2 0 1 9 1 8 2 l 2 1 2 0 1 9 2 2 2 2 2 1 2 0 1 ) 对厚度小于和等于1 2 5 m m 的钢，最低含m n 量可降低至o ，7 0 。n v a 2 7 s 和 n v e 2 7 s 级钢，不论板厚如何，其最低含m n 量均可降至o 7 0 。 2 ) 钢材应含有a 1 、n b 、v 或其他合适的细化晶粒元素，不论是单独加入或混合加 入。如单独加入，钢应含有规定最低含量的该种细化晶粒元素。如混合加入，至少应有 一种细化晶粒元素达到规定的最低含量。 1 4 微合金化钢的强韧化机制 合金结构钢作为机械工业、工程技术上大量使用的基础材料，为适应工业技术各领 域发展的需要，必须能够适应产品更新发展中对材料不断提出的力学性能和使用安全性 要求。因此，要求新型的高强度微合金结构钢，不仅要具有高的强度和良好的塑性、 韧性、可焊性，还要具有低的韧脆转变温度，和优异的冷成形能力。 对于微合金钢而言，屈服强度a 。( 或条件屈服强度口。：) 、抗拉强度和冲击韧性转 折温度t c 是关键的力学性能指标，钢的屈服强度取决于位错等缺陷在塑性变形早期阶段 运动的难度，微观组织结构或位锗本身的相互干扰等阻碍位错运动的因素会增加钢的强 度。韧性是材料抗断裂和耐疲劳能力的标志，也是达到断裂为止所吸收能量的亮度。凡 有利于位错运动和增大断裂过程所吸收能量的因素都能提高钢的韧性。 随着工程应用对材料高性能需求的提高，仃。和t c 是设计选材的最基本指标，因此， 一直把提高钢的盯。和降低t c 作为研究和开发的重点。了解影响o 。和t c 的微观组织因素， 将在理论上指导新型高强度、高韧性钢的研究和开发。 通常，钢的强化机制包括了细晶强化、固溶强化( 置换强化和闻隙强化) 、析出强化、 相变强化和位错强化等。对于不同种类的钢，其强化方式各有特色，既可以是单一的强 化方式，也可以是多种强化方式的复合。根据修正的h a l l - p e t c h 公式可表示为： o - y = 仃o + 1 3 阳+ 仃n + 盯印f + 仃耐+ 了d i s l + k y d ( 1 - 1 ) d 。晶格摩擦力( 阻碍位错运动的力和晶格阻力) ； 东北大学硕士学位论文第一章绪论 d 0 置换强化增量； 仃h 间隙强化增量； o 赢析出强化增量； 叮，一相变强化增量； 盯。位错及亚结构强化增量； 世。晶界强化因子； d 晶粒直径。 细化晶粒是能够同时提高钢的强度和韧性的极其有效的，也是应用比较广泛的强韧 化途径【1 1 1 2 】。新的高强度微合金结构钢强度主要是由通过超细化晶粒来方法取得的，同 时微合金钢中细小弥散的微合金碳、氮化物的析出强化对强度也有很大贡献。原始奥氏 体晶粒、等效晶粒、奥氏体转变产生的组织组成物的细化都使单位体积内界面密度增高， 相应地提高强化和韧化的幅度。由控轧控冷工艺可以使晶粒细化、控制微合金元素碳、 氮化物的析出行为。因此，在新型高强度微合金结构钢开发中，应集中研究晶粒细化的 方法以及控制析出的发生，从而得到具有优良综合性能的新型钢材。 通过合金化、塑性变形和热处理等手段提高金属强度的方法称为金属的强化。提高 钢的强度首先要提高屈服强度，这是钢材使用的计算基础。金属的屈服过程是一种塑性 变形过程，它是在结晶学的优先平面上产生一种间断的滑移步骤，从而形成了位错运动。 因此增加位错运动的困难就意味着屈服强度的提高。根据金属点阵中阻碍位错运动的障 碍物的类别，在金属学方面可应用的强化机制有如下几方面【2 0 1 。 1 4 1 固溶强化 固溶强化也是人们最早研究的强化方式之一，圆溶强化可分为间隙固溶强化和置换 固溶强化。对于间隙固溶强化，碳原子的间隙固溶强化是钢中最经济、最有效的强化方 式；置换圃溶强化在很多合金钢中也是相当重要的强化方式。合金元素以置换或间隙的 形式溶入基体金属的晶格中，由于原子尺寸效应、弹性模量效应和固溶体有序化的作用 而导致钢的强化，其强化效应随元素的含量而增高。 要提高金属的强度可使金属与另一种金属( 或菲金属) 形成固溶体合金。固溶体合 金或以固溶体为基的合金( 如碳钢等) 一般具有较纯金属高的强度。这种采用添加溶质 元素使固溶体强度升高的现象称为固溶强化。固溶强化的金属学基础是由于运动的位错 与异质原子之间的相互作用，是通过改变金属化学成分的办法来提高金属强度的( 晶格 中铁索体的组织状态没有发生变化) 。 东北大擘硕士学位论丈 第一章绪论 固溶强化的效果决定于很多因素，根据实验结果有如下规律： ( 1 ) 溶质元素溶解量增加固溶体的强度也增加。对于无限固溶体，当溶质原子溶 度为5 0 时的强度最大。对于有限固溶体( 如碳钢) 其强度随溶质元素溶解量增加而增 大； ( 2 ) 溶质元素在溶剂中的饱和溶解度愈小其固溶强化的效果愈好； ( 3 ) 形成间隙固溶体的溶质元素( 如c 、n 、b 等元素在f e 中) 其强化作用大于 形成置换固溶体( m n 、s i 、p 等元素在f e 中) 的溶质元素； ( 4 ) 溶质与基体的原子大小差别愈大，强化效果也愈显著。 一般的置换固溶强化效果都很弱( p 除外) ，添j j f i i 的合金元素仅能得到数十兆帕的 强度增量，而且随着添加量的增加，强化效果还要减弱。因此置换固溶强化成本很高。 此外置换固溶强化效果大的元素( 如p ，s i 等) 对韧性危害作用也很大，为此一般微合金钢 并不有意采用固溶强化方式。 1 4 2 位错强化 众所周知，实际晶体的强度比理想晶体小得多，但同时随着晶内缺陷或晶格畸变的 程度的增加而使强度提高。塑性变形意味着在位错运动之外还不断形成新的位错，因此 位错密度值随着变形而不断增高，一直可达到1 0 1 2 c m 2 。如果要继续塑性变形就要提高 应力值，也就是说材料被加工硬化了。 通过位错增加实现了加工硬化，使强化值增加d 。，可用下式表示 冱仃、= b 6 g “。 ( 卜2 ) 其中： b 是一个无量纲系数，数量级为l ，其中他还包括了位错的排列 b 是柏氏矢量； 卜是抗剪摸数； f 是位错密度。 冷变形的加工硬化机制再实践中是完全可以利用的。如冷拔线材、冷拔钢材、预应 力钢筋、深冲薄板异形件等都是通过冷加工后使材料的强度得到提高的。奥氏体钢不同 于铁紊体或铁索体一珠光体钢，它的冷变形强化能力特别高。这是因为奥氏体变形导致 位错密度增加较大。如果奥氏体亚稳定区塑性变形后再转变成马氏体，这将导致强化系 数的进一步提高。 1 4 3 沉淀强化 在含有n b 、v 、t i 的低合金钢以及含有c r 、m o 、w 的高合金钢中，从奥氏体向 一l o 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 铁素体( v 一) 相变的铁素体形成过程中和形成后，极其细小的合金碳化物能以不同形 态发生形变，而y o 【相界则是合金碳化物优先沉淀的位置。以这种相问沉淀的形式析出 碳化物形态大致有平面相间沉淀、弯曲相间沉淀、纤维状碳化物长大和过饱和铁索体的 析出等四种【”。4 1 。这些微合金元素可以形成碳的化合物、氮的化合物或碳氮化合物，碳 化物在奥氏体孪晶界和位错线上形核而产生显著细化了的相间沉淀【”j ，这种沉淀使碳化 物颗粒达到了高度细化。在轧制中或冷却时它们可以析出，起到第二相沉淀强化作用。 例如，加热到1 2 5 0 。c 的n b 钢，沉淀强化的作用平均每0 0 1 n b 可提高屈服强度 1 9 6 m p a 。 合金钢的强韧性主要取决于基体的韧性和析出相弥散强化的效果。故常常以获得超 细晶粒以及高度细化和弥散分布的析出相作为依据设计强韧化热处理新工艺，并以析出 相颗粒在y 和仪相互转变中所起的特殊作用为理论基础。 微合金碳、氮化物在奥氏体中的溶解度是不同的：t i n ，n b n ，t i c ，v n ，n b c ， v c ，依次序递增，在铁素体中的溶解度也依照同样的次序。一般来说，微合金碳、氮 化物的析出强化潜能随在奥氏体中溶解度的提高而增强。在其它的条件相同时，析出强 化的强度随析出物体积分数增加和质点尺寸减小而增高。 众所周知，析出相颗粒在塑性变形中会导致位错的增殖而获得高的位错密度【。第 二相的沉淀过程亦即是过饱和固溶体的分解过程。第二相能沉淀析出的必要条件是固溶 体合金的溶解度随着温度的降低而减小，因此加热后的到的过饱和固溶体将随着温度的 降低而析出。第二相析出的动力学、析出的形态、部位等将随加工工艺，其中包括冷却 条件而异。 沉淀强化的机制是位错和颗粒之间的相互作用，可以通过两种机制来描述： ( 1 ) 对提高强度有积极作用的绕过过程；( 2 ) 对提高强度作用较小的剪切过程。 沉淀强化的效果如何取决于以下条件： ( 1 ) 第二相强化引起的强化效果与质点的平均直径成反比，