船體結(jié)構(gòu)用HSLA100鋼熱處理工藝、組織及性能研究.pdf

1、大型化、高速化及多海域作業(yè)使得船體結(jié)構(gòu)用鋼不斷向高強(qiáng)度、高韌性、易焊接性和良好耐海水腐蝕性能方面發(fā)展。國(guó)際上對(duì)屈服強(qiáng)度690MPa以上含銅易焊接高強(qiáng)度船體用鋼（HSLA系列）的研究主要集中在實(shí)驗(yàn)室條件下鋼板的成分、組織及性能方面的研究，而對(duì)于工業(yè)化鋼板的生產(chǎn)工藝、性能數(shù)據(jù)等方面很少有報(bào)道。從公開(kāi)的性能數(shù)據(jù)來(lái)看，HSLA100鋼（屈服強(qiáng)度690MPa級(jí)）存在屈強(qiáng)比偏高、回火工藝窗口較窄及低溫韌性富裕量較低等不足。本文對(duì)實(shí)驗(yàn)室軋制的HSLA

2、100鋼板進(jìn)行了強(qiáng)韌化熱處理工藝及機(jī)理研究并通過(guò)工藝優(yōu)化后在武鋼中厚板廠實(shí)施了10～30mm鋼板的工業(yè)化大生產(chǎn)試制，對(duì)鋼板綜合性能進(jìn)行了全面研究，鋼板屈強(qiáng)比小于0.9、韌脆轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到-100℃，鋼板綜合性能優(yōu)良，填補(bǔ)了我國(guó)在該強(qiáng)度級(jí)別船體鋼領(lǐng)域的空白。
　　應(yīng)用Formast-F全自動(dòng)膨脹儀測(cè)定試驗(yàn)鋼的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT曲線），研究結(jié)果表明，由于HSLA100鋼采用超低碳(≤0.06％)的成分設(shè)計(jì)，鋼的淬透性受到較大程度影

3、響，在很寬的冷卻速度范圍內(nèi)發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，隨著冷卻速度的降低，貝氏體形態(tài)依次為典型貝氏體和粒狀貝氏體，當(dāng)冷速高于臨界冷卻速度時(shí)，將得到單一的板條馬氏體。
　　對(duì)比研究了常規(guī)調(diào)質(zhì)熱處理工藝(QT)和兩相區(qū)二次淬火熱處理工藝(QLT)對(duì)實(shí)驗(yàn)室HSLA100鋼板回火穩(wěn)定性、屈強(qiáng)比及低溫韌性的影響。結(jié)果表明:QLT熱處理工藝可顯著降低HSLA100鋼韌脆轉(zhuǎn)變溫度，增加回火穩(wěn)定性，降低屈強(qiáng)比，具有較明顯的優(yōu)勢(shì)。
　　借助于掃描電子顯微

4、鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、光學(xué)顯微鏡(OM)、電子背散射衍射儀(EBSD)及X射線衍射儀(XRD)等分析技術(shù)和測(cè)試設(shè)備，對(duì)一次淬火、兩相區(qū)二次淬火、回火等熱處理狀態(tài)下HSLA100鋼的組織演變規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。結(jié)果表明:HSLA100鋼在淬火后獲得典型的板條貝氏體組織;在兩相區(qū)二次淬火條件下，鋼的組織為板條結(jié)構(gòu)的貝氏體鐵素體(BF)+馬氏體島(M)的混合組織，隨著二次淬火溫度的升高，沿板條狀鐵素體分布的顆粒狀M島數(shù)

5、量增多且變長(zhǎng)變粗，同時(shí)鐵素體也從單一的板條狀形貌逐漸向多邊形狀過(guò)渡且其中的位錯(cuò)密度降低，當(dāng)淬火溫度升到820℃時(shí)，又恢復(fù)到板條貝氏體組織形貌，但與一次淬火組織相比，板條貝氏體明顯粗化、位錯(cuò)密度降低且沿晶界分布著少量M島;二次淬火后再進(jìn)行回火，鋼中獲得板條狀的回火貝氏體組織，并沉淀析出大量顆粒狀ε-Cu相，未發(fā)現(xiàn)明顯的逆轉(zhuǎn)變奧氏體。
　　HSLA100鋼在兩相區(qū)加熱過(guò)程中發(fā)生部分奧氏體化。兩相區(qū)二次加熱溫度與奧氏體轉(zhuǎn)變保持近線性關(guān)系

6、，其數(shù)量決定著新生馬氏體或貝氏體的數(shù)量，而新生奧氏體中的碳含量決定著奧氏體的穩(wěn)定性及其演變組織的形態(tài)，從而最終決定了鋼材的力學(xué)性能。試驗(yàn)鋼在700℃、720℃、740℃、760℃和820℃保溫時(shí)，而鋼中奧氏體轉(zhuǎn)變量分別為10％、24％、38％、60％和100％，奧氏體中的碳含量分別為0.345％、0.293％、0.243％、0.193％和0.045％。
　　機(jī)理研究結(jié)果表明:HSLA100鋼兩相區(qū)二次淬火工藝能有效細(xì)化有效晶粒尺寸

7、，增加取向差大于15°的大角度晶界數(shù)量，有效阻止裂紋擴(kuò)展的能力，這是QLT處理鋼低溫韌性大幅度提高的主要原因;QLT處理后最終形成貝氏體鐵素體與ε-Cu相的混合組織，具有雙相鋼的組織特征，這種軟的鐵素體與相對(duì)硬的ε-Cu相混合組織降低了鋼的屈強(qiáng)比，提高了低溫韌性。
　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)室研究結(jié)果，開(kāi)展了HSLA100工業(yè)化大生產(chǎn)鋼板的研試。采用正交試驗(yàn)方法對(duì)30mm鋼板開(kāi)展了一次淬火溫度、二次淬火溫度、回火溫度及回火時(shí)間對(duì)HSLA100鋼

8、板綜合力學(xué)性能影響規(guī)律的研究，通過(guò)極差分析及方差分析優(yōu)化出最佳的熱處理工藝組合為:一次淬火溫度860℃～880℃、二次淬火溫度750℃～780℃、回火溫度530℃～560℃、回火時(shí)間80min。
　　分別采用傳統(tǒng)的QT熱處理工藝和優(yōu)化后的QLT熱處理工藝進(jìn)行了10～30mm厚度HSLA100工業(yè)化大生產(chǎn)鋼板的試制，并全面對(duì)比分析了QT和QLT工藝處理鋼板的綜合性能。結(jié)果表明，同傳統(tǒng)調(diào)質(zhì)(QT)工藝相比，采用QLT工藝處理的HSLA

9、100鋼各項(xiàng)性能滿足技術(shù)指標(biāo)的要求并具有較大的裕量，鋼的屈強(qiáng)比和韌脆轉(zhuǎn)變溫度顯著降低，具有優(yōu)良的綜合性能;同時(shí)，鋼板具有較低屈強(qiáng)比(0.90以下)、較低的韌脆性轉(zhuǎn)變溫度(-100℃)、較好的抗裂紋啟裂性能（-40℃溫度CTOD特征值δu最大達(dá)0.72mm）、較高的抗裂紋擴(kuò)張性能(DT上平臺(tái)能2140～2360J，-40℃DT能達(dá)1080J)。
　　采用QLT工藝生產(chǎn)的工業(yè)試板具有良好的焊接試驗(yàn)。在熱輸入為17 KJ/cm,預(yù)熱80