雷玄威，黃繼華，陳樹海，趙興科

(北京科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京 100083)

船體結(jié)構(gòu)鋼是特指按船級(jí)社建造規(guī)范要求生產(chǎn)的用于制造船體結(jié)構(gòu)的鋼材.按照船體結(jié)構(gòu)鋼的最小屈服強(qiáng)度劃分，分為一般強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼、高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼和超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼.超高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼是指強(qiáng)度等級(jí)大于420 MPa級(jí)別且韌性良好的船舶用或海洋平臺(tái)用結(jié)構(gòu)鋼.船舶的大型化、高速化以及海洋油氣的開發(fā)，為超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼提供了廣闊的應(yīng)用前景.超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的使用最直接的效果是減輕船體自重，增加船體的載貨量、提高航速，符合海洋貿(mào)易對(duì)船體輕量化的要求，是船體用鋼的發(fā)展趨勢.另一方面，超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的使用也增加了船體自身的安全性，提高了船體抗突發(fā)事件的能力.本文主要針對(duì)超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼自身特點(diǎn)，結(jié)合國內(nèi)外超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼的發(fā)展，論述了超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)韌化方向，為超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展提供思路與技術(shù)參考.

1 超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的性能及其提高方式

1.1 強(qiáng)度及其強(qiáng)化方式

中國船級(jí)社(CCS)《材料與焊接規(guī)范》對(duì)超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼的強(qiáng)度等級(jí)劃分如表1所示［1］.鋼的強(qiáng)化方式有5種:固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、相變強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和形變強(qiáng)化.其屈服強(qiáng)度大小可用修正的Hall-Petch公式進(jìn)行估算，

式中:σ0代表純鐵的摩擦應(yīng)力;σP代表析出強(qiáng)化，σS代表固溶強(qiáng)化，σρ代表相變強(qiáng)化，σD代表形變強(qiáng)化，kHPd－1/2代表細(xì)晶強(qiáng)化(kHP為常數(shù)項(xiàng)，d 為晶粒尺寸).可見鋼的屈服強(qiáng)度是各種強(qiáng)化機(jī)理的疊加，而事實(shí)上高強(qiáng)鋼的各種強(qiáng)化機(jī)理只有一種或兩種對(duì)鋼屈服強(qiáng)度的貢獻(xiàn)占主導(dǎo)作用［2－3］.

表1 超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能［1］

超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)通常采用TMCP(Thermo Mechanical Control Process)工藝［4］，此工藝的特點(diǎn)是通過在再結(jié)晶區(qū)的軋制，在晶內(nèi)產(chǎn)生大量位錯(cuò)，從而有利于再結(jié)晶組織在晶內(nèi)的形核，細(xì)化奧氏體晶粒，從而提高超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度等級(jí).同時(shí)，微合金元素如 Nb、V、Ti等，可以形成微細(xì)的夾雜物粒子.這些夾雜物粒子在高溫過程中釘扎奧氏體晶界移動(dòng)而細(xì)化晶粒［5－6］，在中溫相轉(zhuǎn)變時(shí)誘發(fā)針狀鐵素體在奧氏體晶內(nèi)的形核，從而細(xì)化組織［7－8］，提高超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度等級(jí).因而細(xì)晶強(qiáng)化是超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的主要強(qiáng)化方式之一.

超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的交貨狀態(tài)通常為回火態(tài)或控制軋制態(tài)［1，4］.回火態(tài)的組織為回火貝氏體加回火索氏體［9］或少量針狀鐵素體加粒狀貝氏體［10］.控制軋制態(tài)以慢速冷卻得到最終組織，其組織以細(xì)密的粒狀貝氏體［11］、針狀鐵素體加粒狀貝氏體［12］、粒狀貝氏體加板條貝氏體［13］為主.針狀鐵素體組織本身就具有一定的強(qiáng)韌性，加之其能有效分割晶粒、相互之間保持大角度的晶界［14］，其形成能促進(jìn)超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度提升的同時(shí)大幅度提高韌性.在粒狀貝氏體組織中分布著許多細(xì)小的M/A小島，這些小島可以起到復(fù)相強(qiáng)化作用，使粒狀貝氏體表現(xiàn)出較好的強(qiáng)韌性［15］.板條狀貝氏體中鐵素體貝氏體板條非常細(xì)小，且先后長大的貝氏體板條會(huì)形成“互索”結(jié)構(gòu)［16］，特別是下貝氏體板條可起到分割?yuàn)W氏體晶粒作用［17］，表現(xiàn)出良好的強(qiáng)韌性.帶有良好韌性的高強(qiáng)鋼的組織發(fā)展，一般從鐵素體加珠光體為主型轉(zhuǎn)向針狀鐵素體或貝氏體為主型，最后轉(zhuǎn)向雙相組織(如貝氏體加馬氏體)型［18］.不同組織類型表現(xiàn)出的力學(xué)性能存在較大差異，超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼隨著強(qiáng)度等級(jí)的逐步提高，其組織類型必然發(fā)生較大改變，向貝氏體或雙相組織轉(zhuǎn)型.因而相變強(qiáng)化也是超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的主要強(qiáng)化方式之一.

固溶強(qiáng)化是溶質(zhì)原子溶入基體中引起的強(qiáng)化，析出強(qiáng)化是通過基體高溫時(shí)形成的呈細(xì)小彌散分布的第二相質(zhì)點(diǎn)引起的強(qiáng)化，形變強(qiáng)化是通過增加內(nèi)應(yīng)力的方式來引起基體強(qiáng)化.這3種強(qiáng)化方式都會(huì)引起基體晶格畸變，阻礙位錯(cuò)移動(dòng).而過多的晶格畸變會(huì)造成晶體的應(yīng)力集中，在經(jīng)受外力沖擊時(shí)，更易產(chǎn)生裂紋，即使韌性降低.這3種強(qiáng)化手段在提高強(qiáng)度的同時(shí)，對(duì)超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼韌性有不利的影響.但一定量的固溶強(qiáng)化元素的加入可以降低相變溫度，起到細(xì)化組織的作用，改善韌性，因而固溶強(qiáng)化也是超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的主要強(qiáng)化方式之一.而過多析出相與內(nèi)應(yīng)力的增加會(huì)降低超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的焊接性，使其后期的焊接工藝的實(shí)施成為難點(diǎn)之一，因而析出強(qiáng)化與形變強(qiáng)化的引入需綜合考慮超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的自身特點(diǎn)與焊接性.

1.2 韌性及其韌化方式

超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼要求在滿足足夠強(qiáng)度的同時(shí)，還要求其具有相應(yīng)良好的韌性.中國船級(jí)社將滿足不同溫度沖擊韌性要求的同一強(qiáng)度級(jí)別的船體結(jié)構(gòu)鋼分為A、D、E、F的4個(gè)鋼級(jí)，高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)的沖擊性能如表1所示.

相變強(qiáng)化與細(xì)晶強(qiáng)化能有效提高超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的韌性.聯(lián)鎖的針狀鐵素體組織、細(xì)小的貝氏體板條束與彌散分布的細(xì)小M/A島都是具有極好韌性的組織［15，19］.而細(xì)化有效晶粒尺寸是提高鋼的韌性的最佳方法之一［20］.通過控制高溫時(shí)形成的奧氏體晶粒尺寸，再利用相變細(xì)化奧氏體晶粒，同時(shí)生成具有良好韌性的細(xì)小組織，這種結(jié)合相變韌化與細(xì)晶韌化的方法能很大程度地提高超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的韌性.

另外，為提高超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的鋼級(jí)，需要降低其韌脆轉(zhuǎn)變溫度.高的潔凈度與合金元素Ni的加入是其中有效方法［20－21］.高的潔凈度可通過降低鋼中S、P的含量，或者使其以細(xì)小粒子的形式在鋼中析出而得到.合金元素Ni含量越多越有利于低溫韌性的提高，但Ni的加入量需要考慮鋼中總的合金元素的含量，防止脆性組織生成.

1.3 焊接性要求及其解決方式

根據(jù)中國船級(jí)社的標(biāo)準(zhǔn)，超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的焊接接頭的性能需滿足表2的要求［1］.為滿足高強(qiáng)高韌的特點(diǎn)，超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的成分與組織設(shè)計(jì)有其自身特點(diǎn).表3是超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼需滿足的一般化學(xué)成分要求［1］，表4是幾種超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分［9，11－12，22］.可見，低C含量、較高的Mn含量、超低S和低P含量、微合金化以及較低的碳當(dāng)量是超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼成分設(shè)計(jì)的主要特征.鋼的焊接性常用碳當(dāng)量或裂紋敏感系數(shù)來衡量［1］.

表2 超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼接頭的力學(xué)性能［1］

表3 超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼需滿足的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)［1］

表4 幾種超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的碳當(dāng)量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))通常保持在0.42% ～0.50%.采用低的碳含量顯著降低了碳當(dāng)量，保證了超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的焊接性.利用微合金化所形成的粒子，如Nb與Ti加入所形成的碳氮化物，這些粒子在經(jīng)歷1 400℃高溫時(shí)也不會(huì)發(fā)生完全溶解［23］，可釘軋晶界，抑制熱影響區(qū)奧氏體晶粒長大［24］.通過微量元素的加入，抑制晶界鐵素體在奧氏體晶界的析出，有利于良好性能組織的獲得.控制焊接冷卻速度，獲得針狀鐵素體+細(xì)小粒狀貝氏體或少量針狀鐵素體+板條狀貝氏體組織，優(yōu)化組織中M－A島形態(tài)與數(shù)量，得到強(qiáng)韌性良好的組織，可以進(jìn)一步提高熱影響區(qū)性能.超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的成分設(shè)計(jì)與生產(chǎn)工藝很大程度上決定了其焊接性能，合理優(yōu)化成分與生產(chǎn)工藝，是保證其良好焊接性的關(guān)鍵因素.而后期優(yōu)化和改進(jìn)的焊接工藝只是最大程度的展現(xiàn)了其良好的焊接性能.

2 超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展

2.1 超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)工藝

超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)工藝由傳統(tǒng)的TMCP工藝發(fā)展和演變而來.超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的TMCP工藝的粗軋溫度通?？刂圃? 000～1 050 ℃［9，11］，主要是通過大道次壓下量，使形變充分滲透至板坯心部，以便于奧氏體進(jìn)行充分的再結(jié)晶.精軋階段的溫度通?？刂圃?00～900 ℃［9，11］，使之形成盡可能多的位錯(cuò)及變形帶，為后續(xù)相變的組織提供更多的形核位置.

超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)工藝通常有以下幾種，如圖1所示.

1)采用快速冷卻的TMCP工藝.此工藝能較好地控制析出粒子尺寸與轉(zhuǎn)變組織，得到的組織具有較好的綜合性能，適合強(qiáng)度等級(jí)不高、低溫韌性較好的超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)，如E420、E460［25，9］.

2)TMCP+AcC工藝.此工藝在加速冷卻階段能形成更為細(xì)小的組織，可進(jìn)一步提高超高強(qiáng)船體結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度與韌性，因而適合強(qiáng)度等級(jí)較高、低溫韌性良好的超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)，如F460、F550［26，11］.

3)TMCP+QT/DQT工藝.此工藝或是通過TMCP工藝后再經(jīng)過淬火+回火熱處理，或是TMCP工藝直接淬火后回火.該工藝的特點(diǎn)是能通過淬火與回火得到強(qiáng)度與韌性俱佳的組織，結(jié)合細(xì)晶強(qiáng)化與相變強(qiáng)化的優(yōu)勢共同提高超高強(qiáng)船體結(jié)構(gòu)鋼的性能，適合強(qiáng)度等級(jí)更高的超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)，如 F550、E690［10，27－28］.

4)特殊生產(chǎn)工藝.特殊的生產(chǎn)工藝是在結(jié)合超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的成分設(shè)計(jì)與性能要求的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)TMCP工藝進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)而形成的新的生產(chǎn)工藝.圖1(d)是日本JEF公司用于細(xì)化高強(qiáng)高韌結(jié)構(gòu)鋼奧氏體晶粒的生產(chǎn)工藝，此工藝的特點(diǎn)是在未再結(jié)晶區(qū)累計(jì)下壓率大于40%，然后回溫到Ar3溫度以上，再結(jié)合快速冷卻得到晶粒細(xì)小的室溫組織［29］.圖1中FC表示快速冷卻;AcC表示加速冷卻;AC表示空冷.此生產(chǎn)工藝強(qiáng)化了細(xì)晶對(duì)高強(qiáng)高韌結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度與韌性的影響，對(duì)超高強(qiáng)船體結(jié)構(gòu)鋼新的生產(chǎn)工藝的開發(fā)有借鑒與指導(dǎo)作用.

圖1 超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)工藝

2.2 國外超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼

國外船舶用超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展方向?qū)鴥?nèi)超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展方向具有啟示與指導(dǎo)意義.以美國超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展為例，分析與研究美國開發(fā)的超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的特征，為國內(nèi)超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展提供參考與指導(dǎo)

2.2.1 超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼HY系列

美國研制出的船舶用超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)用鋼HY80、HY100 和HY130［30］以及后期開發(fā)的用于取代 HY80 和HY100 的HSLA80 和HSLA100［31－32］，強(qiáng)度等級(jí)達(dá)到550～890 MPa.HY系超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的最終處理狀態(tài)為淬火+回火態(tài)［33－35］.表5為幾種HY系列超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分［33－34，36－37］.從化學(xué)成分可以看出，為保證 HY 系列超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的高強(qiáng)與高韌的特性，高Ni含量是其特點(diǎn)之一.許多學(xué)者提出，在提高高強(qiáng)鋼韌性的過程中，Ni的加入量需受控于鋼中Mn的含量［38－39］.BHOLE等［39］通過對(duì)比幾組不同 Mn、Ni含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的焊縫性能發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋼中Mn含量為1.6%時(shí)，其Ni的含量為1.02%時(shí)，鋼具有更好的韌性.EVANS等［40］提出當(dāng) Mn含量為1.4%時(shí)，Ni含量應(yīng)不超過2.25%.究其原因，總量過高的Mn與Ni含量會(huì)增加脆性組織的轉(zhuǎn)變，不再利于韌性的改善.國內(nèi)超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼采用的是高M(jìn)n與低Ni的成分設(shè)計(jì)，而HY系列超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼為低Mn高Ni的成分設(shè)計(jì).而除Mn、Ni外，HY系列超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼還采用高固溶強(qiáng)化元素Cr的設(shè)計(jì).

從表5的化學(xué)成分可以計(jì)算出HY系列超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的碳當(dāng)量值約在0.7% ～0.8%，裂紋敏感系數(shù)大約在0.30% ～0.35%，即HY系列超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的焊接性較差.這必然會(huì)限制其生產(chǎn)應(yīng)用.其焊接性的改良在時(shí)代背景下也應(yīng)運(yùn)而生.

表5 HY系列超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

2.2.2 超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼HSLA系列

HSLA系列超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)工藝為熱機(jī)械處理+回火/退火［35，41－42］，表6為幾種 HSLA系列超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分［35，43－44］.對(duì)比同等級(jí)的HY系列鋼，改良后的HSLA系列鋼降低了碳當(dāng)量與裂紋敏感系數(shù).在降低C含量的同時(shí)，HSLA80鋼相比HY80鋼增加了Mn、Mo、Cu含量，降低了Ni、Cr含量，總的碳當(dāng)量和裂紋敏感系數(shù)分別降到大約0.44 ～0.65 和0.2 ～0.3.HSLA100 鋼相比 HY100鋼增加了 Mn、Mo、Ni、Cu 含量，降低了 Cr含量，但其碳當(dāng)量與裂紋敏感系數(shù)只得到很小的改善.焊接性的改善的同時(shí)，HSLA系列鋼的合金元素也進(jìn)行了優(yōu)化.Cu含量的大幅提高也是HSLA系列超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的特征之一，高的Cu含量可以促進(jìn)微細(xì)Cu粒子在熱機(jī)械處理過程中及(或)回火過程中的析出［45－46］.可見HSLA系列超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼增加了其析出強(qiáng)化.

不同的強(qiáng)化方式也使得HSLA系列鋼與國內(nèi)高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的組織類型不同.HSLA80主要為針狀鐵素體組織，HSLA100為板條狀的貝氏體與馬氏體組織［43］.可見HSLA100高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的組織已轉(zhuǎn)變?yōu)殡p相組織.

表6 HSLA系列超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

2.3 國內(nèi)超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼

以某鋼廠試制的E690和F550為例［47］，探討國內(nèi)超高強(qiáng)船體結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展.E690的生產(chǎn)工藝采用熱機(jī)械處理加回火工藝，得到的組織主要為粒狀貝氏體加少量鐵素體.F550的最終處理狀態(tài)為淬火+回火態(tài)，組織為回火馬氏體.其E690和F550 的化學(xué)成分見表7［47］，可見高的Cu含量是其特點(diǎn)之一，即加強(qiáng)了析出強(qiáng)化，這也預(yù)示著國內(nèi)超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展方向.為減少析出強(qiáng)化對(duì)韌性的損失，除較高的Ni含量的設(shè)計(jì)，微細(xì)組織的控制也是此E690和F550鋼的關(guān)鍵因素.

表7 超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼E690和F550的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)［47］

2.4 超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的焊接性

因高效焊接生產(chǎn)的需要，超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的開發(fā)在大線能量焊接思想指導(dǎo)下進(jìn)行.在大線能量焊接條件下，熱影響粗晶區(qū)具有強(qiáng)烈的長大傾向，且因其較為緩慢的冷卻速度和低的過冷度，易生成晶界鐵素體組織并造成后續(xù)生成的貝氏體組織粗大.微合金化粒子的釘軋及合金成分的優(yōu)化在很大程度上降低了大線能量焊接對(duì)超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼焊接性能的影響，使其熱影響區(qū)表現(xiàn)出較為理想的性能.在線能量輸入50 kJ/cm(傳統(tǒng)工藝下對(duì)應(yīng)相變冷卻速度約為5℃/s)下，E690粗晶區(qū)的最大晶粒尺寸控制在約40 μm以內(nèi)，并得到以板條貝氏體及部分粒狀貝氏體為主的組織［48］.同時(shí)，圖2是一種超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼F550的SHCCT曲線及其組織轉(zhuǎn)變比例圖，可以看到，在較大的冷卻范圍內(nèi)(＞2～3℃/s)可得到主要為貝氏體的轉(zhuǎn)變組織［6］.超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼因其自身強(qiáng)度設(shè)計(jì)的富余及生產(chǎn)工藝、成分設(shè)計(jì)的優(yōu)化、粗晶區(qū)的組織控制，其熱影響區(qū)的強(qiáng)度等級(jí)能得到很好的保證，其關(guān)鍵問題在于經(jīng)受高溫?zé)嵫h(huán)后韌性的下降，因而焊接工藝的實(shí)施成為實(shí)現(xiàn)其良好焊接性的重要因素.焊前預(yù)熱、焊后回火處理及快速冷卻工藝成為實(shí)現(xiàn)其良好韌性的重要手段.F550采用焊后回火工藝，使其粗晶區(qū)－60 ℃平均沖擊功從66.7 J增加到180.7 J，且伴隨焊前預(yù)熱，其沖擊功的穩(wěn)定性增加［47］.采用快速冷卻的工藝，E690粗晶區(qū)及熱影響區(qū)寬度減小的同時(shí)，使粗晶區(qū)的最大晶粒尺寸減小到約25 μm以內(nèi)，貝氏體板條的寬度變小，因而粗晶區(qū)的－40 ℃平均沖擊功提高到120 J［48］.可見當(dāng)前開發(fā)的高等級(jí)超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼具有良好的焊接性.

圖2 超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼F550的SH-CCT曲線(a)及組織轉(zhuǎn)變比例圖(b)［6］

2.5 超高強(qiáng)船體結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展方向

國內(nèi)外超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼在增加強(qiáng)度等級(jí)、保證較為理想的碳當(dāng)量值時(shí)，強(qiáng)韌化方式的改善是超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展方向，其中析出強(qiáng)化項(xiàng)貢獻(xiàn)的提高預(yù)示著超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的整體發(fā)展方向.

根據(jù)Gladman理論，Ashby-Orowan模型可用來計(jì)算析出強(qiáng)化的大小，其表達(dá)式為［49］

式中:μ為剪切系數(shù)(對(duì)于鐵素體，其值為80.26×103MPa);b為柏氏矢量(取2.5×10－7mm);r為粒子半徑;Ф為析出相體積分?jǐn)?shù).超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼在完成成分設(shè)計(jì)后，因鋼中析出元素有一定的固溶度，析出粒子的最大析出量Ф必然是一個(gè)定值.由上式可見，Ф一定時(shí)，析出粒子尺寸越小(即形核位置越多)，析出強(qiáng)化越大.而粒子在實(shí)際析出過程中，先形核后長大，為最有利于析出強(qiáng)化項(xiàng)的增加，需在提高析出粒子形核率的前提下，讓析出粒子具有最大的析出量.

單位時(shí)間在單位體積內(nèi)析出粒子的形核數(shù)量N 與下式有關(guān)［50］:

式中:ΔG*為臨界形核功;Q為擴(kuò)散激活能;k為玻爾茲曼常數(shù);T為溫度.可見臨界形核功或激活能越小，N越大.在提高析出粒子形核率的同時(shí)，粒子的析出量可以用JMA(Johnson-Mehl-Avrami)方程描述［51］

式中:Ф(t)為析出粒子體積分?jǐn)?shù);K為反應(yīng)速度;t為保溫時(shí)間;τ為粒子析出的孕育時(shí)間;n為與析出粒子形核與長大有關(guān)的常數(shù);K0為指前常數(shù).可見，可以通過對(duì)析出溫度與時(shí)間的控制來控制析出粒子總量.

超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼中引入的析出強(qiáng)化粒子可表現(xiàn)為以下幾種形式.

1)Cu析出粒子的優(yōu)化.目前開發(fā)的超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼引入的析出強(qiáng)化粒子為Cu粒子，前人對(duì)Cu粒子的研究比較深入.Cu粒子析出的激活能與鋼的組織類型、變形程度和化學(xué)成分有關(guān)［52］.滲碳體等具有較高界面的組織能加大Cu在界面的偏聚，降低Cu粒子析出的激活能［52］;熱機(jī)械變形或冷變形的加劇為Cu粒子的析出提供了高能位錯(cuò)與缺陷，也降低其析出的激活能［46，53］.合金元素的影響，如Mn與Ni的加入，可降低Cu粒子的臨界形核功［54－55］.提高這3種因素的影響，最終會(huì)增加Cu粒子的形核率，有利于提高Cu粒子的析出強(qiáng)化.含量較高的Cu元素在高強(qiáng)鋼中的加入，也可以同時(shí)增加奧氏體的穩(wěn)定性，降低轉(zhuǎn)變溫度，從而細(xì)化轉(zhuǎn)變組織，對(duì)細(xì)晶強(qiáng)化起到一定的貢獻(xiàn)作用.圖3為綜合Ni與Cu元素對(duì)鋼的屈服強(qiáng)度的影響示意圖［56］.

2)化合物析出粒子.左龍飛等［57］通過對(duì)一種800 MPa級(jí)低碳貝氏體鋼熱處理工藝的研究，采取較高的回火溫度時(shí)，鋼中會(huì)析出大量的Nb、Ti的碳氮化物，這些化合物的尺寸約在10～20 nm，其對(duì)析出強(qiáng)化的貢獻(xiàn)可達(dá)233 MPa.Nb、Ti的增加不會(huì)引起鋼碳當(dāng)量的增加，細(xì)小的Nb、Ti的碳氮化物在經(jīng)受焊接熱循環(huán)過程中起到細(xì)化晶粒的作用，且碳化物的形成，阻礙了C原子的擴(kuò)散，可以降低相轉(zhuǎn)變溫度，同樣起到細(xì)化組織的作用.湯浩等［58］采用真空電磁攪拌熔煉，向含氧量一定的低碳低合金鋼液中陸續(xù)溶入一定量的Ti元素，利用電磁攪拌的離心力，使之形成細(xì)小的鈦的氧化物粒子向四周擴(kuò)散，達(dá)到較均勻的分布，同時(shí)在擴(kuò)散過程中因鈦的氧化物粒子不易長大，因而冷卻后最終在鋼中形成了細(xì)小彌散分布的納米鈦的氧化物粒子(平均尺寸為6.7 nm).此氧化物粒子在高溫時(shí)可以抑制奧氏體長大，除析出強(qiáng)化(貢獻(xiàn)約183 MPa)，也極大地起到了細(xì)晶強(qiáng)化作用，因而能極大程度地改善力學(xué)性能.圖4為析出的納米鈦的氧化物粒子.

3)雙相析出粒子.GUO等［59］研究了回火處理下低碳鋼中Cu與Nb同時(shí)加入對(duì)析出物的影響，發(fā)現(xiàn)大量的Cu粒子與Nb的碳氮化物粒子各自單獨(dú)分布，Cu粒子尺寸約為28 nm，Nb的碳氮化物粒子約為7 nm，同時(shí)發(fā)現(xiàn)Nb的加入會(huì)促進(jìn)Cu粒子的析出與粗化，且Nb的碳氮化物粒子對(duì)析出強(qiáng)化的貢獻(xiàn)效果占主導(dǎo)地位.圖5顯示了此兩種不同的析出粒子.

圖3 Ni與Cu元素對(duì)屈服強(qiáng)度影響的示意圖［56］

圖4 析出的納米鈦的氧化物粒子［58］

圖5 兩種不同的析出粒子(箭頭所示為Nb的碳氮化物析出粒子)［59］

超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼要求高的強(qiáng)度與韌性的結(jié)合，析出強(qiáng)化的引入在一定程度上不利于韌性的提高，而析出粒子對(duì)細(xì)晶強(qiáng)化與組織轉(zhuǎn)變的優(yōu)化，在一定程度上可以改善其析出粒子對(duì)韌性的影響.提高析出強(qiáng)化項(xiàng)帶來的細(xì)晶強(qiáng)化效果與組織優(yōu)化效果必然是超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼引入析出強(qiáng)化的發(fā)展與優(yōu)化方向.混合或多相析出強(qiáng)化粒子的引入與優(yōu)化，或是一個(gè)重要研究方向.

3 超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼開發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)

當(dāng)超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼主導(dǎo)的細(xì)晶強(qiáng)化與相變強(qiáng)化達(dá)到一個(gè)較為理想的狀態(tài)時(shí)，等級(jí)的繼續(xù)提高則依賴于其他強(qiáng)化項(xiàng)的貢獻(xiàn)，如固溶強(qiáng)化與析出強(qiáng)化.提高固溶強(qiáng)化，意味著合金元素的優(yōu)化和(或)合金總量的增加，但高的合金含量易帶來位錯(cuò)的偏聚，降低韌性.析出強(qiáng)化的貢獻(xiàn)依賴于強(qiáng)化相的尺寸分布與數(shù)量，其對(duì)韌性的影響與其性質(zhì)及其與基體的結(jié)合力等因素有關(guān)，但總的來說也造成韌性的降低.雖然繼續(xù)提高超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的潔凈度與提高合金元素Ni的含量等對(duì)韌性會(huì)起到改善作用，但如何調(diào)節(jié)強(qiáng)化項(xiàng)帶來的韌性損失與改善作用帶來的韌性提高是超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼開發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)之一.

超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的另一技術(shù)難點(diǎn)是滿足高效焊接的需要及優(yōu)質(zhì)接頭的獲得.強(qiáng)化方式的適量調(diào)整也對(duì)焊接熱影響區(qū)的韌性造成嚴(yán)重影響.因而保持良好的焊接性也是超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼開發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)之一.

4 結(jié)語

1)低C、較高的Mn含量、超低S和低P含量及微合金化是超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼成分設(shè)計(jì)的基本原則.超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)韌化方式以細(xì)晶強(qiáng)化、相變強(qiáng)化和固溶強(qiáng)化為主，析出強(qiáng)化為輔.隨著其強(qiáng)度等級(jí)的提高，強(qiáng)化方式的改善以析出強(qiáng)化的提高為明顯特征.

2)細(xì)晶強(qiáng)化和相變強(qiáng)化及后續(xù)考慮引入的析出強(qiáng)化與生產(chǎn)工藝的有效結(jié)合是獲得超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼高強(qiáng)度、高韌性的主要技術(shù)手段.綜合考慮析出粒子的引入帶來的細(xì)晶強(qiáng)化效果、組織優(yōu)化效果與析出強(qiáng)化效果對(duì)韌性的影響是超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼開發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)之一.配合超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)化方式的調(diào)整，保持良好的焊接性是超高強(qiáng)度船體結(jié)構(gòu)鋼開發(fā)的另一技術(shù)難點(diǎn).

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