船體結構用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)使得船體結構用鋼不斷向高強度、高韌性、易焊接性和良好耐海水腐蝕性能方面發(fā)展。國際上對屈服強度690MPa以上含銅易焊接高強度船體用鋼（HSLA系列）的研究主要集中在實驗室條件下鋼板的成分、組織及性能方面的研究，而對于工業(yè)化鋼板的生產工藝、性能數據等方面很少有報道。從公開的性能數據來看，HSLA100鋼（屈服強度690MPa級）存在屈強比偏高、回火工藝窗口較窄及低溫韌性富裕量較低等不足。本文對實驗室軋制的HSLA

2、100鋼板進行了強韌化熱處理工藝及機理研究并通過工藝優(yōu)化后在武鋼中厚板廠實施了10～30mm鋼板的工業(yè)化大生產試制，對鋼板綜合性能進行了全面研究，鋼板屈強比小于0.9、韌脆轉變溫度達到-100℃，鋼板綜合性能優(yōu)良，填補了我國在該強度級別船體鋼領域的空白。
　　應用Formast-F全自動膨脹儀測定試驗鋼的連續(xù)冷卻轉變曲線（CCT曲線），研究結果表明，由于HSLA100鋼采用超低碳(≤0.06％)的成分設計，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發(fā)生貝氏體轉變，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，當冷速高于臨界冷卻速度時，將得到單一的板條馬氏體。
　　對比研究了常規(guī)調質熱處理工藝(QT)和兩相區(qū)二次淬火熱處理工藝(QLT)對實驗室HSLA100鋼板回火穩(wěn)定性、屈強比及低溫韌性的影響。結果表明:QLT熱處理工藝可顯著降低HSLA100鋼韌脆轉變溫度，增加回火穩(wěn)定性，降低屈強比，具有較明顯的優(yōu)勢。
　　借助于掃描電子顯微

4、鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)、光學顯微鏡(OM)、電子背散射衍射儀(EBSD)及X射線衍射儀(XRD)等分析技術和測試設備，對一次淬火、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)律進行了系統(tǒng)深入的研究。結果表明: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，鋼的組織為板條結構的貝氏體鐵素體(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

5、量增多且變長變粗，同時鐵素體也從單一的板條狀形貌逐漸向多邊形狀過渡且其中的位錯密度降低，當淬火溫度升到820℃時，又恢復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、位錯密度降低且沿晶界分布著少量M島;二次淬火后再進行回火，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)現明顯的逆轉變奧氏體。
　　HSLA100鋼在兩相區(qū)加熱過程中發(fā)生部分奧氏體化。兩相區(qū)二次加熱溫度與奧氏體轉變保持近線性關系

6、，其數量決定著新生馬氏體或貝氏體的數量，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性能。試驗鋼在700℃、720℃、740℃、760℃和820℃保溫時，而鋼中奧氏體轉變量分別為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％。
　　機理研究結果表明:HSLA100鋼兩相區(qū)二次淬火工藝能有效細化有效晶粒尺寸

7、，增加取向差大于15°的大角度晶界數量，有效阻止裂紋擴展的能力，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硬的ε-Cu相混合組織降低了鋼的屈強比，提高了低溫韌性。
　　根據實驗室研究結果，開展了HSLA100工業(yè)化大生產鋼板的研試。采用正交試驗方法對30mm鋼板開展了一次淬火溫度、二次淬火溫度、回火溫度及回火時間對HSLA100鋼

8、板綜合力學性能影響規(guī)律的研究，通過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熱處理工藝進行了10～30mm厚度HSLA100工業(yè)化大生產鋼板的試制，并全面對比分析了QT和QLT工藝處理鋼板的綜合性能。結果表明，同傳統(tǒng)調質(QT)工藝相比，采用QLT工藝處理的HSLA

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