2025第二届全国海洋工程及船舶材料技术交流会：大厚度EH47低温船板钢多相组织调控及强韧化机理研究

大厚度EH47低温船板钢多相组织调控及强韧化机理研究汇报人：于浩、王子琪单

位

：北京科技大学项目来源：鞍钢股份有限公司、海洋装备用金属材料及其应用国家重点实验室2025年07月19日术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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中冶有色一、

研究背景及意义二、

EH47钢热变形行为三、EH47钢热加工及相变全流程有限元模拟四、EH47钢组织结构表征及强韧化机理五、

主要结论术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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研究背景及意义术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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中冶有色基础支撑海洋运输占国际贸易运量2/3

，

中国进出口货运量90%依赖海运术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有中国海运船队运力世界第二核心需求钢铁材料需满足高强度、

高韧性、

耐蚀性、焊接性等综合性能适应高盐雾、

大负载、

低温高压环境核心地位海洋工程装备（船舶、

平台、

桥梁）

的基础材料

，

占结构重量70%以上色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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中全球趋势全球海洋经济崛起

，海洋工程装备向大型化、轻量化发展台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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1.1选题背景4

1.1选题背景在超高强度(≥980MPa）

、高韧性

（-60℃冲击功≥100J）

、

低屈强比(≤0

.85）

及高附加值产品开发方面仍存在不足。国内材料强化过程中普遍存在的强韧性矛盾问题尚未得到根本解决。

研究现状德国迪林根公司研发的S450钢种

，

通过优化成分设计与轧制工艺，

实现了冲击功≥300J的优异低温韧性。国外

欧洲钢铁企业开发的S690系列高强度海工钢已成为海洋平台建设的主力钢种

，

其高强度、

高韧性及良好耐蚀性的综合性能

，

已成功应用于多个大型海洋工程。术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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中冶有色5研究思路中冶有色技术平台

小结结合热-力耦合有限元模拟手段，

深入研究EH47船板钢热变形时的再结晶及相变行为；依据有限元模拟结果调控组织

，

探究不同终轧温度下EH47船板钢强度和低温韧性的影响规律

，揭示其强韧化机理，达成工艺

-

组织-强韧性一体化调控。中冶有色中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台色技术平台中中冶有色技术平台中冶有色技术平台术平台中冶有中冶有色技术平中冶有色技术平台台中冶有色技术平台1.2研究思路及技术路线6EH47钢热变形行为术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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中冶有色 1200℃0s1200℃300s加热温度T0

(℃)术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有120016.58±0.85晶粒尺寸d0

(μm)105014.34±0.681100

13.77±0.51

加热到1150℃时

，奥氏体晶粒开始长大

115015.10±0.51色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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中

1100℃0s

1100℃300s

1150℃0s1150℃300s台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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2.1原始奥氏体晶粒尺寸 1050℃0s1050℃300s8JMatPro计算EH47钢等温转变曲线(a)铁素体；

(b)珠光体；

(c)贝氏体；

(d)TTT曲线实验钢在奥氏体化后冷却时铁素体（F）开始析出温度为811.3℃；珠光体（P）开始析出温度为680.4℃；贝氏体（B）开始析出温度为597.1℃；马氏体（M）开始转变温度为416.1℃

,转变结束温度为306.5℃。贝氏体“鼻尖”转变温度为516℃

,在此温度保温0.2s后开始析出贝氏体

，保温20.2s后全部转换术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有为贝氏体。色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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2.2热力学计算9术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有冷却速率＜2℃/s

，过冷奥氏体优先在晶界处析出铁素体组织

，剩余奥氏体通过共析反应形成层状珠光体；5℃/s＜冷却速率＜30℃/s

，贝氏体转变量随冷速的增大而增大；冷速达到50℃/s时

，钢板组织以贝氏体为主

，且出现少量的马氏体。色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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2.3连续冷却转变曲线10基于应力应变曲线构建低温船板钢的热变形流变应力方程：皮尔逊相关系数：术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有平均相对误差：R=0.994MRE=3.42%色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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中5s-1台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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2.4热变形流变应力方程流变应力预测值与实验值吻合情况较好

0.1s-11s-111采用0.2%应力补偿法来定量表征静态再结晶体积分数XSRX，

奥氏体再结晶动力学关系遵循Avrami方程：术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有试验钢达到50%的静态再结晶体积分数所需要的时间t0.5为：色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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2.5静态再结晶动力学模型12

通过Gleeble热膨胀仪测定其静态CCT曲线

，

当冷速小于或等于2℃/s时

，组织为铁素体和少量珠光体；冷速5℃/s时

，珠光体消失

，形成铁素体和贝氏体；冷速大于或等于50℃/s时

，组织以贝氏体为主并出现少量马氏体；

试样加热至1150℃保温300s后晶粒尺寸为15.11μm

，

1200℃保温300s后增大至16.57μm，即EH47钢在加热至1150℃时

，原始奥氏体晶粒开始长大；

根据单、双道次热压缩实验回归出实验钢的变形抗力模型、

静态再结晶分数为50%的时间模型

，奥氏体静态再结晶动力学模型；

变形温度和保温时间是关键调控参数。变形温度从1000℃升至1100℃时

，XSRX从22.58%增至51.50%；保温时间延长至10s时

，XSRX可达77.59%。术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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2.6小结13EH47钢热加工及相变全流程有限元模拟术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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中3台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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中冶有色密度/(

g

·cm-3)杨氏模量/MPa热膨胀系数轧辊(mm)轧板(mm)推块(mm)φ550×50004000×300×23005000×500×10表2材料参数术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有7.820.384868图(a)

图(b)0.7环境温度(℃)轧辊温度(℃)热对流系数热传导率203000.0211表3其余基本参数设置色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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中表1模型尺寸台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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中冶有色 3.1三维有限元模型的建立热辐射率泊松比热容15关键道次轧后板坯温度及再结晶分布演变在前三个道次宽展过程中出现完全静态再结晶现象

，从第四个道次开始

，再结晶率开始降低

，此时术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有轧件的平均温度为1120℃。色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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中冶有色3.280mm厚EH47船板钢热轧过程有限元模拟16术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有的复合相

，

这种复合组织在适当的热处理和冷却速率控制下

，能够显著提升钢材的整体性能。模拟与实验结果基本一致

，

证明模拟结果

的准确性该实验钢室温状态下

，

表面组织为58%铁素体和42%贝氏体的复合相

，

心部组织为67%铁素体和33%贝氏体色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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中冶有色 3.380mm厚EH47船板钢冷却过程有限元模拟17

轧板各点的温度对材料的再结晶率及相变行为具有重要影响

，将形变-再结晶-相变相互耦合进行一体化调控

，不仅可以直观到宽厚板各点温度的不均匀性

，还能深入理解材料在实际生产过程中的变形行为；

在实验钢热轧和冷却过程中

，温度分布的不均匀性显著

，轧件上表面与心部位置在快冷结束时温差达到104℃。这种不均匀性直接影响了静态再结晶和组织演变

，导致轧板不同位置相含量存在差异；

轧后快冷阶段

，采用10~30℃/s的冷却速率能够有效促进奥氏体向铁素体和贝氏体转变，减少珠光体和马氏体的转变。

这种复合组织在适当的热处理及冷却速率下

，有望显著改善低碳钢的韧性特性。术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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3.4小结18EH47钢组织结构表征及强韧化机理术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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中冶有色T840T810Tnr

=887

+

464[C]+

890[Ti]+

363[Al]-

357[Si]+6445[Nb]-

644

[Nb]+

732[V]-

230

·

[V]

=

977℃Ms

=

561-

474[C]-17[Ni]-

33[Mn]

-17[Cr]

-

21[Mo]

=

447℃在

精

轧

结

束

后，

先

将

轧

板

缓

冷

至

780℃

,

然

后

以20~30℃/s的冷速冷却至约500℃

,以最大程度地减少珠光体和马氏体组织的转变。本研究设置不同的终轧温度840~880℃和810~840℃

,以揭示EH47船板钢强韧化机理。钢级CMnSiPSNiCrCu+Mo+Nb+Ti+AlEH470.101.570.190.0040.0030.520.21适量术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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中试验钢的化学成分（wt.

%）台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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4.1工艺参数制定20术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有样品-40℃冲击功/JT810T84014530色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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中M-A岛尺寸统计数据

力学性能测试台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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中冶有色T840微观组织晶粒偏大

，

M-A岛尺寸也明显更大。

降低终轧温度 4.2力学性能与微观组织分析能够大大改善材料的强韧性。21几何必须位错密度：术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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中冶有色4.3局部取向差分析22l

T810晶格取向差异较大

，

裂纹在不同晶粒间传播时需要克服较大

的晶界阻力；l

T840晶格取向相近

，

滑移系统在术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有不同晶粒之间的匹配度较高

，

容易发生脆性断裂。色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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4.4取向差与等效晶粒尺寸23术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有T810试样中析出相的平均尺寸约为50nm

，

T840试样中析出相的平均尺寸约为110nm。色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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4.5纳米级析出相结构表征24均匀分布且尺寸较小的块状M-A组元能够在材料变形时有效地阻止位错的运动

，

减小应力集中现象

，

进而抑制裂纹扩展

，

从而提高材料的强度和塑韧性。位错在大尺寸的M-A岛及析出相周围不断积累

，

致使局部应力集中加剧

，

最终引发微裂纹的产生。中冶有色中冶有色技术平台

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M-A岛25发生转折区域均分布小岛状M-A岛

，而粗长条状M-A岛分布区域没有明显的变形

，

断裂路径相对平滑。粗长条状M-A岛临界应力较低

，

容易引发微裂纹

，

从而对断裂韧性不利。术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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中冶有色 4.7强韧化机制及裂纹扩展研究26

EH47钢的强韧性主要由等效晶粒尺寸、M-A岛形貌以及位错密度决定。细小的晶粒可以有效阻碍位错的移动

，从而增强材料强度

，而M-A岛的形态则通过改变界面特征和相互作用影响位错的运动

，三者相互协作

，能够使其保持高强度又确保良好韧性。

钢中添加Nb和Ti

，形成MC型析出相

，

即NbC、

TiC以及复合型Nb-Ti-C-N析出相。这些析出物有效地阻碍了位错运动

，从而显著提高了材料的屈服强度和抗拉强度。

这种析出强化机制与轧制过程的协同作用赋予了EH47钢出色的力学性能。

根据对冲击断口断裂路径观察

，裂纹平滑区域（即脆性断裂区）分布M-A岛组织呈粗大的长条状

，发生转折区域（即韧性断裂区）

均有小岛状M-A岛分布

，说明粗大的长条状M-A岛容易成为诱发裂纹的核心

，细小弥散的M-A岛在断裂时能够消耗更多能量进而提高材料韧性。术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台中冶有色技术平台

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