Table 1.420 MPa級海洋牧場用鋼的化學成分
隨著海洋經(jīng)濟的快速發(fā)展，海洋牧場作為一種新型的海洋資源開發(fā)利用模式，正在全球范圍內(nèi)得到廣泛關(guān)注和推廣。隨著海洋漁業(yè)逐漸向深遠海發(fā)展，需要提高鋼材的強度，以滿足海洋牧場裝備向大型化、輕量化方向發(fā)展的需求[1]。
目前，國內(nèi)海洋牧場用鋼主要用于普通船板和高強船板，其強度和焊接性能難以滿足深遠海海洋牧場建設(shè)的需求。國外海洋牧場用鋼多為調(diào)質(zhì)態(tài)高強鋼，雖然其強度和耐腐蝕性較高，但生產(chǎn)工藝復雜、成本高。近年來，國內(nèi)外學者在高強海洋用鋼的開發(fā)方面取得了一系列進展。日本學者開發(fā)了具有優(yōu)異耐腐蝕性能的Mariloy G系列高強鋼，廣泛應用于海洋平臺建設(shè)中。國內(nèi)研究人員也相繼開發(fā)出多種海洋工程用高強鋼，但該鋼在海洋牧場領(lǐng)域的應用研究相對較少。筆者開發(fā)了一種適用于海洋牧場建設(shè)的高強鋼，并系統(tǒng)研究了其組織性能及焊接性能，為其在海洋牧場建設(shè)中的應用提供了理論依據(jù)和技術(shù)支持。近期某研究機構(gòu)測算，在不改變原始海洋牧場結(jié)構(gòu)的前提下，強度為420 MPa鋼材的用鋼量比強度為355 MPa鋼材減少了12.5%左右。
1. 試驗材料及方法
1.1 化學成分設(shè)計
該鋼種的設(shè)計思路為采用低碳設(shè)計，主要目的是降低冷裂紋的敏感性，提升其焊接性能。需要嚴格控制該鋼中P、S元素的含量，保證鋼材的潔凈度及韌性。在后續(xù)軋制及冷卻工藝中添加Nb、Ti微合金元素，可以達到細晶強化[2]、析出強化[3]的目的。420 MPa級海洋牧場用鋼的化學成分如表1所示。
1.2 工藝設(shè)計
針對該鋼種的主要生產(chǎn)路徑為：KR預處理脫硫→轉(zhuǎn)爐吹煉→LF（鋼包精煉爐）+RH（耐火加熱）真空處理→動態(tài)輕壓下連鑄→板坯二切→板坯加熱→控軋控冷→緩冷→無損檢測→剪切→取樣性能檢驗→表面質(zhì)量和外觀尺寸標識→出廠。重點關(guān)注工序主要為煉鋼P、S元素控制及鋼種冶煉過程中夾雜物的控制、加熱溫度、控軋控冷，以及最終的表面處理。
1.3 煉鋼工序
（1）在來料鐵水中加入石灰石等脫硫劑，進行KR攪拌，去除鐵水中的S元素及夾雜物，保證進轉(zhuǎn)爐的S元素含量。
（2）轉(zhuǎn)爐工序采用頂?shù)讖痛的Ｊ饺コ撘褐械挠泻﹄s質(zhì)元素P及氣體元素，保證鋼液溫度和停吹氧含量。
（3）爐外精煉采用LF+RH真空處理，保證最終鋼水中S元素及氣體元素的去除。
（4）連鑄工序需要具有一定的鎮(zhèn)靜時間，以保證鋼水中夾雜物充分上??；配合輕壓和合適均勻的澆鑄速度，可以保證鋼坯的純凈度。
1.4 加熱及軋制工序
（1）加熱工藝，為保證該成分中加入的Nb、Ti等微量合金元素充分發(fā)揮作用，確保Nb元素充分固溶，將該鋼種的加熱溫度控制為1 120~1 180 ℃。
（2）軋制工藝采用兩個階段軋制，對于粗軋階段，一般在奧氏體完全再結(jié)晶區(qū)域進行軋制，待溫度降低至部分再結(jié)晶區(qū)域，停止軋制進行待溫，直到鋼板溫度達到完全未再結(jié)晶區(qū)，進一步進行精軋階段的軋制。粗軋階段溫度一般控制為1 050~1 130 ℃，原始奧氏體將變形并滲透到鋼的心部，精軋開軋溫度控制為850~950 ℃，避免出現(xiàn)混晶，在保證鋼板入水前組織全部奧氏體化的基礎(chǔ)上，盡可能將終軋溫度降低，從而達到細晶效果。
（3）加速冷卻的主要目的是獲得以貝氏體為主的多相組織，并兼顧材料的強度與韌性，根據(jù)該鋼種厚度的不同，將開冷溫度控制為780~830 ℃，冷卻速率控制為14~25 ℃/s，終冷溫度控制為450~600 ℃。
2. 性能測試與結(jié)果分析
采用上述工藝生產(chǎn)厚度為75 mm 的420 MPa級高強海洋牧場用鋼，對該鋼進行拉伸試驗、沖擊試驗、晶粒度測試、止裂性能和焊接性能試驗。該鋼材的屈服強度為440~500 MPa，抗拉強度不小于540 MPa，延伸率不小于20%，-60 ℃沖擊吸收能量不小于180 J，止裂性能及焊接性能優(yōu)良。
2.1 拉伸試驗
按照中國船級社《材料與焊接規(guī)范》（2024）進行拉伸試驗，結(jié)果如表2所示。由表2可知：鋼板的抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率、斷面收縮率均符合該標準要求。
Table 2.鋼板的力學性能測試結(jié)果
2.2 沖擊性能測試
按照中國船級社《材料與焊接規(guī)范》（2024）進行沖擊性能測試，結(jié)果如表3所示。由表3可知：在-60~0 ℃條件下，鋼板的沖擊吸收能量均滿足該標準的要求（-40 ℃條件下沖擊吸收能量不小于42 J），且纖維率不小于85%。
Table 3.鋼板的沖擊性能測試結(jié)果
2.3 金相檢驗
用光學顯微鏡觀察厚度為75 mm的高強海洋牧場用鋼的顯微組織，結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：該鋼的組織為貝氏體加少量鐵素體，晶粒度級別為11~12 級，晶粒組織細小均勻。
圖 175 mm厚高強海洋牧場用鋼的顯微組織形貌
2.4 止裂性能
根據(jù)BS ISO 12135：2021(E) 《金屬材料 準靜態(tài)斷裂韌性測定的統(tǒng)一試驗方法》，在溫度為-10 ℃條件下對試制420 MPa級海洋牧場用鋼進行CTOD（裂紋尖端張開位移）試驗，結(jié)果如表4所示（其中a0為初始裂紋長度，vp為缺口張開位移塑性分量，Fm為最大力，δm為CTOD 特征值）。由表4可知：鋼板在溫度為-10 ℃時的δm不小于1.984 mm，且試驗過程中未出現(xiàn)瞬間載荷迅速下降、位移增加很小的“突進”現(xiàn)象，說明試制鋼板的止裂性能優(yōu)異[4]。
Table 4.CTOD試驗結(jié)果
2.5 焊接性能
75 mm 厚420 MPa級海洋牧場用鋼采用埋弧焊的方式焊接，坡口尺寸如圖2所示，焊接工藝參數(shù)如表5所示。
圖 2焊接試板坡口尺寸示意
Table 5.焊接工藝參數(shù)
對焊接接頭進行橫向拉伸試驗、彎曲試驗及夏比（V型缺口）沖擊試驗，該板焊接性能良好[5]，滿足中國船級社《材料與焊接規(guī)范》（2024）的要求。焊接后鋼板的拉伸試驗結(jié)果如表6所示。彎曲試驗結(jié)果顯示鋼板的正面和側(cè)面均無裂紋。焊接后鋼板的沖擊試驗結(jié)果如表7所示。
Table 6.焊接后鋼板的拉伸試驗結(jié)果
Table 7.焊接后鋼板的沖擊試驗結(jié)果
3. 結(jié)語
在較低碳、磷、硫元素含量的鋼中添加了適量的Nb、Ti微合金元素，并配合合適的控軋控冷工藝，成功開發(fā)了厚度為75 mm的420 MPa級高強海洋牧場用鋼。試驗鋼材的屈服強度達到440~500 MPa，抗拉強度不小于540 MPa，延伸率不小于20%，-60 ℃條件下的沖擊吸收能量不小于180 J，同時，該鋼還具有優(yōu)異的止裂性能和焊接性能。
文章來源——材料與測試網(wǎng)