轧制工艺对高强度船板组织及性能
的影响
作者：周贺贺， 王凌宇， 张晓雪
第一作者简介： 周贺贺（1981—），男，学士，高级工程师。研究方向：钢铁冶金。
通讯作者简介： 王凌宇（1994—），男，硕士，助理工程师。研究方向：钢铁冶金及材料连接技术。
摘要：采用不同控轧控冷技术，以不同轧制工艺生产的20 mm厚的钢板进行试验。利用金相显微镜、扫描电镜对其微观组织及夹杂物进行表征分析，拉伸试验机、冲击试验机对力学性能进行分析。结果表明：在不同的控轧控冷条件下，微观组织主要以铁素体为主，并存在少量的珠光体，晶粒度8级左右；强度在432～489 MPa之间，延伸率28.5%～36.5%之间；II开温度、终轧温度、入水温度基本保持不变的情况下，随着入水温度降低，屈服强度和抗拉强度逐渐降低；II开温度、终轧温度、入水温度基本保持不变，随着入返红度降低，抗拉强度逐渐降低，屈服强度先降低，随后增加，冲击功和延伸率逐渐增加；返红温度从622 ℃降低到565 ℃时，珠光体呈现退化趋势。
关键词：轧制工艺；微观组织；力学性能；夹杂物；断口
引 言
近年来，世界各国造船业和海洋石油产业高速发展，海上船舶安全事故频繁发生，为了提高船舶在海上事故中的安全性，一般强度的船板钢已经不能满足要求，高强度船板钢在造船业中的应用比例不断提高［1-2］。国际海事组织（IMO）出台的环保和安全方面的新标准、新规范和新公约的实施，对船舶企业提出了更高的要求，也对船板钢的质量提出了更为严格的标准，船舶工业高端船型用钢占比会逐步增多［3-4］。
此前针对运输LNG（液化天然气）、LPG（液化石油气）的气体运输船及原油油轮触礁或受到撞击后，装载物外泄造成环境污染的问题，通常采用双重船壳等方法从船体结构层面加以应对［5-6］。除此之外，还可以在保证钢板高强度的同时，使用高延性钢板提高撞击时吸收的碰撞能量，以此来提高碰撞的安全性，防止原油泄漏，造成海洋化境污染。研究成果表明，单相组织和单一的强化机制己不适用于发展高强度高延性钢。多相组织在塑性变形过程中，软硬相之间相互配合，软相的铁素体优先发生屈服，保证了材料具有良好的塑性［7-8］；在随后的变形过程中，硬相的珠光体、贝氏体和马氏体又可以起到提高强度的作用［9-10］。
本文针对不同轧制工艺生产的高强度船板，通过优化控轧控冷参数，以及金相显微镜、扫描电镜等分析方法，研究组织及性能演变规律，优化软硬相的体积分数和晶粒尺寸，获得了较好的强塑性匹配。
1 试验材料和方法
试验材料为国内某厂的坯料，其具体化学成分如表1所示。根据钢坯的合金元素成分，通过Jmatpro软件模拟计算出连续冷却转变（CCT）曲线，如图1所示，得到不同冷速下铁素体转变和珠光体转变对应的温度区间，找到产生铁素体 珠光体双相组织的冷速范围，为后续轧后冷却制度的制定提供参考。
表1 高强度高延性船板的化学成分/%
图1 连续冷却转变（CCT）曲线
采用此坯料轧制20 mm厚度的高强度高延性船板，具体的工艺路线为：铁水预处理→转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→连铸→铸坯堆垛缓冷→铸坯加热→除鳞→轧制→冷却→矫直→探伤，其中采用的加热制度如表2所示。为研究轧制工艺对高延性船板组织及性能的影响，设置了不同的轧制工艺，具体轧制工艺参数如表3所示。
表2 加热制度
表3 轧制控冷工艺参数
将金相试样经研磨和抛光后，用4%硝酸酒精溶液腐蚀，采用蔡司Axio Imager M2m显微镜进行金相组织分析，使用JSM-6490扫面电镜进行微观形貌分析，用能谱仪对夹杂物进行成分分析。按照GB/T 228.1—2021《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》，采用机加工的方式，拉伸试样沿横截面方向取全厚度样，如图2所示，进行常温拉伸试验；根据GB/T 229—2020《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》制备V型缺口冲击试样，沿横截面方向取样，试样尺寸为55 mm×10 mm×10 mm，如图3所示，试验前在-40 ℃的冷却箱中保温10 min后进行，为横向冲击试验。
图2 拉伸试样示意图（单位：mm）
图3 冲击试样示意图（单位：mm）
2 试验结果与分析
2.1 微观组织及力学性能分析
不同轧制工艺的钢板力学性能如表4所示，屈服强度在315～361 MPa之间，抗拉强度在432～489 MPa之间，延伸率在28.5%～36.5%之间，冲击韧性在275～343 J之间。从性能可以看出，强度可以满足32级别的钢种，32级别的船板延伸率要求为延伸率＞22%，HD50要求为延伸率＞33%，延伸率满足HD50的要求。
表4 不同轧制工艺的钢板力学性能
在1#，2#，3#试验条件下，力学性能试验结果如图4所示。II开温度、终轧温度、返红温度基本保持不变的情况下，如图4（a），（b）所示，随着入水温度降低，屈服强度和抗拉强度逐渐降低；如图4（c）所示，延伸率和冲击功逐渐增大，达到最大值33%。通过金相显微镜分析，不同轧制工艺下的微观组织如图5所示，选取板厚1/4位置处进行了微观组织分析，其中1#的微观组织主要由铁素体构成，铁素体形态呈现多边形，有明显过冷的特征，内部位错密度高，延伸率较低，但存在较大的块状铁素体，导致冲击韧性较差；2#的微观组织由铁素体和少量的珠光体构成，晶粒度8级左右；3#头部的微观组织由铁素体和少量的珠光体构成，珠光体含量大于多于2#组织，铁素体晶粒呈现等轴晶形态，塑韧性较好。从微观组织可以看出，随着入水温度降低，铁素体形态由长条状向等轴状转变，在1#和2#由于入水温度偏高，在微观组织中存在较多的珠光体和少量的贝氏体，3#在组织转变过程中，入水温度较低，过冷奥氏体全部转化为铁素体和珠光体，导致3#具有较好的延伸率。
图4 1#～3#力学性能试验结果
图5 1#～3#不同轧制工艺下的微观组织
在3#，4#，5#试验条件下，力学性能试验结果如图6所示。II开温度、终轧温度、入水温度基本保持不变，随着返红温度降低，如图6（a），（b）所示，抗拉强度逐渐降低，屈服强度先降低，随后增加；如图6（c）所示，冲击功和延伸率逐渐增加，延伸率可达到36.5%。
图6 3#～5#的力学性能试验结果
3#～5#不同轧制工艺下的微观组织如图7所示。微观组织主要由铁素体和珠光体构成，其中3#的珠光体多于4#和5#中的珠光体含量，导致3#的强度较高。在5#微观组织中，珠光体含量最低，这是因为在轧制的过程中，返红温度为565 ℃，可以看出珠光体有明显的退化特征，致使延伸率和韧性增加。3#，4#，5#的微观组织均为铁素体和珠光体，在相同的组织构成下，铁素体相与珠光体所占比例决定延伸率的大小，铁素体含量越高，表现出来的延伸率越高。从图6可以看出，随着返红温度降低，3#，4#，5#珠光体的含量逐渐降低，致使延伸率逐渐升高。
图7 3#～5#不同轧制工艺下的微观组织
2.2 夹杂物分析
对1#试验钢中的夹杂物通过扫面电镜进行分析，其形貌及能谱分析如图8所示。钢中的夹杂物主要为复合夹杂，由能谱分析结果可知，图8（a1）所示边界弯曲的夹杂物为nFeO·mMnO·pSiO2 CaO·Al2O3的复合夹杂；图8（b1）所示的薄膜片状夹杂物为（Mn，Fe）S TiN MgO CaO·Al2O3的复合夹杂；图8（c1）所示的圆形颗粒夹杂物为FeO CaO Al2O3的复合夹杂。夹杂物为球状，并未出现尖角形，为常规夹杂物，对性能未造成恶劣影响。
2.3 断口形貌分析
如图9所示，显示了3组不同塑性试验钢单轴拉伸试验后的断口形貌。塑性最差的1#试验钢表现出更多的小解理面，虽然孔洞尺寸较小，但有更多的孔洞相连形成微裂纹，失效模式属于比较典型的解理脆性断裂。图9中的3#，5#为延伸率＞33%的高延性试样，在断口处观察到了韧窝和孔洞，这也揭示了孔洞的形核和长大机制，属于典型的完全塑性断裂。3#试验钢断口处的韧窝较小，主要为抛物线状和部分等轴状，并分布有微小的孔洞，而塑性更好的5#试验钢虽然韧窝的尺寸和深度明显增加且基本为等轴状，但微孔也相对较大并伴有微裂纹的存在。图8 中3#，5#的微孔和微裂纹的变化，与弥散分布的M/A岛颗粒和珠光体的占比有关，小尺寸的珠光体在拉伸过程中对裂纹萌生和扩展的抑制作用有限，容易使孔洞扩展形成微裂纹［11］。
图8 夹杂物分析
图9 试验钢的拉伸断口形貌
3 结 论
本文采用了不同轧制工艺的钢板为研究对象，厚度为20 mm，分析轧制工艺对微观组织及力学性能的影响，通过断口形貌分析其断裂机制，主要得到以下结论：
（1）在1#，2#，3#试验条件下， II开温度、终轧温度、入水温度基本保持不变的情况下，随着入水温度降低，屈服强度和抗拉强度逐渐降低；延伸率和冲击功逐渐增大，达到最大值33%。
（2）在3#，4#，5#试验条件下，II开温度、终轧温度、入水温度基本保持不变，随着返红温度降低，抗拉强度逐渐降低，屈服强度先降低，随后增加；冲击功和延伸率逐渐增加，延伸率可达到36.5%。在返红温度为565 ℃时，可以看出珠光体有明显的退化特征，致使延伸率和韧性增加。
（3）根据实验结果，在4#工艺条件下，既有较高延伸率，并且满足HD50的要求，同时具有较高的强度，可确定在本试验中最佳工艺参数为：II开温度920 ℃、终轧温度832 ℃、入水温度749 ℃、返红温度565 ℃。
（4）钢中存在的薄膜片状夹杂物为（Mn，Fe）S TiN MgO CaO·Al2O3的复合夹杂，圆形颗粒夹杂物为FeO CaO Al2O3的复合夹杂。
（5）3#，5#的微孔和微裂纹的变化，与弥散分布的M/A岛颗粒和珠光体的占比有关，小尺寸的珠光体在拉伸过程中对裂纹萌生和扩展的抑制作用有限，容易使孔洞扩展形成微裂纹，降低力学性能。
参考文献：
［1］焦多田. 我国造船业船板供需现状及发展趋势分析［J］. 冶金管理， 2013 （7）：38-40.
［2］王永然， 李召岭， 王兰香. DH36高强度船板钢的开发与试制［J］. 炼钢， 2009， 25（1）：8-10.
［3］Gollasch S ， David M ， Voigt M ， et al. Critical review of the IMO international convention on the management of ships' ballast water and sediments［J］. Harmful Algae， 2007， 6（4）：585-600.
［4］鲍君忠， 张照亿. 国际海事组织成功地将船级社共同结构规范纳入IMO标准监督体系［J］. 世界海运， 2016， 39（6）：43.
［5］段玉龙， 胡以怀. LNG船舶事故分析及风险控制［J］. 船海工程， 2013， 42（3）：191-194.
［6］牛江龙. LPG船船体破损应急修理案例分析［J］. 中国修船， 2014， 27（3）：32-34.
［7］Goritskii V M， Shneyderov G R， Lushkin M A. Nature of anisotropy of impact toughness of structural steels with ferrite-pearlite structure［J］. The Physics of Metals & Metallography， 2013，114：877-883.
［8］Umezawa， Osamu， Kawata， et al. Two step ductile to brittle transition behavior on ferrite plus pearlite structure steel sheet［J］. ISIJ International， 2017， 57（7）：1282-1288.
［9］蔡珍， 黄运华， 张跃，等. 冷却速度对铁素体-珠光体带状组织的影响机制［J］. 钢铁研究学报， 2012， 24（6）：25-30.
［10］郝晓伟， 张伟民， 陈乃录. 一种新的贝氏体/珠光体双相微合金钢的组织与性能［J］. 金属热处理， 2006， 31（5）：1-4.
［11］胡创国. 材料中微孔洞与微裂纹演化及各向异性性质影响的初步研究［D］. 西安：西北工业大学， 2001.
Effect of rolling process on microstructure and properties of high strength ship plate
ZHOU Hehe1, WANG Lingyu1,2,
ZHANG Xiaoxue1,2
（1.Nanjing Iron and Steel Co. Ltd.， Nanjing 210035， China；2.Jiangsu Provincial Key Laboratory of High-end Steel Materials， Nanjing 210035， China）
Abstract: This paper carries out the tests on 20 mm thick steel plates produced by different rolling processes using different controlled rolling and controlled cooling technologies. The microstructure and inclusions are analyzed by metallographic microscope and scanning electron microscope， and the mechanical properties are analyzed by tensile testing machine and impact testing machine. The results show that under different conditions of controlled rolling and controlled cooling， the microstructure is mainly ferrite with a small amount of pearlite， and the grain size is about 8. The strength is between 432 and 489 MPa， and the elongation is 28.5%～36.5%. When the opening temperature II， final rolling temperature and water inlet temperature are basically unchanged， the yield strength and tensile strength gradually decrease with the decrease of water inlet temperature. When the opening temperature， final rolling temperature II and water inlet temperature remain basically unchanged， the tensile strength gradually decreases with the reduction of the inlet redness. The yield strength decreases first， then increases， and the impact energy and elongation gradually increase. When the temperature of reddening decreases from 622 ℃ to 565 ℃， the pearlite shows a degradation trend.
Key words：rolling process；microstructure；mechanical properties；inclusion；fracture
中图分类号: TG335.5；TG142.1
文章编号：2097-017X（2023）01-0043-05
基金项目： 国家重点研发计划项目（2021YFB3401004）
