Table 1. 420 MPa級海洋牧場用鋼的化學成分
| 項目 | 質量分數 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | Al | Nb | V | Ti | |
| 實測值 | ≤0.12 | ≤0.35 | ≤1.60 | ≤0.015 | ≤0.002 | 0.02~0.05 | ≤0.04 | - | ≤0.020 |
分享：420 MPa級高強海洋牧場用鋼的研發及其綜合性能
隨著海洋經濟的快速發展，海洋牧場作為一種新型的海洋資源開發利用模式，正在全球范圍內得到廣泛關注和推廣。隨著海洋漁業逐漸向深遠海發展，需要提高鋼材的強度，以滿足海洋牧場裝備向大型化、輕量化方向發展的需求[1]。
目前，國內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的需求。國外海洋牧場用鋼多為調質態高強鋼，雖然其強度和耐腐蝕性較高，但生產工藝復雜、成本高。近年來，國內外學者在高強海洋用鋼的開發方面取得了一系列進展。日本學者開發了具有優異耐腐蝕性能的Mariloy G系列高強鋼，廣泛應用于海洋平臺建設中。國內研究人員也相繼開發出多種海洋工程用高強鋼，但該鋼在海洋牧場領域的應用研究相對較少。筆者開發了一種適用于海洋牧場建設的高強鋼，并系統研究了其組織性能及焊接性能，為其在海洋牧場建設中的應用提供了理論依據和技術支持。近期某研究機構測算，在不改變原始海洋牧場結構的前提下，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 化學成分設計
該鋼種的設計思路為采用低碳設計，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 工藝設計
針對該鋼種的主要生產路徑為：KR預處理脫硫→轉爐吹煉→LF（鋼包精煉爐）+RH（耐火加熱）真空處理→動態輕壓下連鑄→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→表面質量和外觀尺寸標識→出廠。重點關注工序主要為煉鋼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，保證進轉爐的S元素含量。
（2）轉爐工序采用頂底復吹模式去除鋼液中的有害雜質元素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靜時間，以保證鋼水中夾雜物充分上浮；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晶區域進行軋制，待溫度降低至部分再結晶區域，停止軋制進行待溫，直到鋼板溫度達到完全未再結晶區，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 ℃，避免出現混晶，在保證鋼板入水前組織全部奧氏體化的基礎上，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. 性能測試與結果分析
采用上述工藝生產厚度為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良。
2.1 拉伸試驗
按照中國船級社《材料與焊接規范》（2024）進行拉伸試驗，結果如表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果
| 項目 | 抗拉強度/MPa | 屈服強度/MPa | 斷后伸長率/% | 斷面收縮率/% |
|---|---|---|---|---|
| 實測值 | 540~600 | 440~500 | 22~30 | 65~80 |
| 標準值 | 520~680 | ≥420 | ≥19 | ≥35 |
2.2 沖擊性能測試
按照中國船級社《材料與焊接規范》（2024）進行沖擊性能測試，結果如表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果
| 溫度/℃ | 沖擊吸收能量/J | 纖維率/% | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 測試值1 | 測試值2 | 測試值3 | 均值 | 測試值1 | 測試值2 | 測試值3 | 均值 | |
| 0 | 291 | 289 | 286 | 289 | 95 | 100 | 99 | 98 |
| -20 | 216 | 260 | 256 | 244 | 100 | 99 | 100 | 100 |
| -40 | 268 | 245 | 228 | 247 | 92 | 93 | 98 | 94 |
| -60 | 212 | 210 | 199 | 207 | 92 | 85 | 93 | 90 |
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 1 75 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BS ISO 12135：2021(E) 《金屬材料 準靜態斷裂韌性測定的統一試驗方法》，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瞬間載荷迅速下降、位移增加很小的“突進”現象，說明試制鋼板的止裂性能優異[4]。
Table 4. CTOD試驗結果
| a0/mm | 位移控制加載速率/（mm·min−1） | vp/mm | Fm/N | δm/mm |
|---|---|---|---|---|
| 37.94 | 1.2 | 7.317 | 303 219 | 2.028 |
| 37.15 | 1.2 | 7.301 | 316 209 | 2.023 |
| 37.35 | 1.2 | 7.011 | 306 056 | 1.984 |
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
| 焊速/(mm·min−1) | 電流/A | 電壓/V | 熱輸入/(kJ·cm−1) |
|---|---|---|---|
| 320 | 695~710 | 37~39 | 48~52 |
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《材料與焊接規范》（2024）的要求。焊接后鋼板的拉伸試驗結果如表6所示。彎曲試驗結果顯示鋼板的正面和側面均無裂紋。焊接后鋼板的沖擊試驗結果如表7所示。
Table 6. 焊接后鋼板的拉伸試驗結果
| 斷裂位置 | 屈服強度/MPa | 抗拉強度/MPa | 斷后伸長率/% |
|---|---|---|---|
| 母材 | 459.9 | 583.6 | 21.6 |
| 母材 | 462.3 | 585.8 | 22.2 |
Table 7. 焊接后鋼板的沖擊試驗結果
| 位置 | 缺口位置/mm | 沖擊吸收能量/J | 纖維率/% | ||
|---|---|---|---|---|---|
| 實測值 | 均值 | 實測值 | 均值 | ||
| 近表面 | 焊縫 | 257，256，250 | 254 | 95，100，95 | 97 |
| 熔合線 | 160，118，161 | 146 | 100，100，100 | 100 | |
| 熔合線+2 | 259，271，251 | 260 | 93，100，100 | 98 | |
| 熔合線+5 | 277，283，273 | 278 | 100，100，100 | 100 | |
| 熔合線+10 | 267，274，283 | 275 | 100，100，100 | 100 | |
| 熔合線+20 | 264，262，241 | 256 | 100，100，100 | 100 | |
| 根部 | 焊縫 | 251，192，205 | 216 | 96，92，90 | 93 |
| 熔合線 | 254，253，207 | 238 | 99，100，100 | 100 | |
| 熔合線+2 | 265，253，272 | 263 | 100，100，96 | 99 | |
| 熔合線+5 | 252，259，267 | 259 | 100，100，100 | 100 | |
| 熔合線+10 | 264，281，266 | 271 | 100，100，100 | 100 | |
| 熔合線+20 | 240，232，268 | 247 | 100，100，100 | 100 | |
3. 結語
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，該鋼還具有優異的止裂性能和焊接性能。
文章來源——材料與測試網
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