張躍飛,王 坤,張學(xué)峰,鄒 揚(yáng),杜群超
(1.首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司,河北 唐山 063200;2.首鋼集團(tuán)有限公司 技術(shù)研究院,北京 100043)
隨著鋼鐵材料向高強(qiáng)度、輕量化方向發(fā)展,在采用各種強(qiáng)化機(jī)制提高鋼板強(qiáng)度的同時(shí),其屈強(qiáng)比將不可避免地上升,但對(duì)于儲(chǔ)油罐、橋梁、建筑、管線、海洋平臺(tái)等具有特殊用途的工程結(jié)構(gòu),出于安全考慮對(duì)鋼板的屈強(qiáng)比有嚴(yán)格要求[1-3]。屈強(qiáng)比越低,表征鋼材在受力超過(guò)屈服點(diǎn)工作時(shí)的可靠性越大,鋼結(jié)構(gòu)的安全性越高[4-5]。例如,近期中石油儲(chǔ)油罐鋼板采購(gòu)技術(shù)條件已經(jīng)明確提出屈強(qiáng)比≤0.90。對(duì)于調(diào)質(zhì)交貨狀態(tài)12MnNiVR儲(chǔ)油罐鋼板,通常生產(chǎn)工藝是淬火+回火工藝路線,鋼板淬火后可獲得板條狀馬氏體硬相組織,再通過(guò)高溫回火使板條狀鐵素體再結(jié)晶和碳化物析出獲得回火索氏體軟相組織[6-9]。作者對(duì)1089批12MnNiVR鋼板生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),鋼板屈強(qiáng)比隨厚度增加而呈下降趨勢(shì),厚度≥20 mm厚規(guī)格鋼板屈強(qiáng)比基本能夠滿足≤0.90,而厚度<20 mm薄規(guī)格鋼板屈強(qiáng)比一般在0.90~0.94,不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。本文通過(guò)梳理12MnNiVR儲(chǔ)罐鋼屈強(qiáng)比現(xiàn)狀,對(duì)影響屈強(qiáng)比的因素分析,提出了薄規(guī)格鋼板低屈強(qiáng)比的控制措施。
試驗(yàn)鋼板為某鋼廠生產(chǎn)的高強(qiáng)度儲(chǔ)罐鋼板12MnNiVR,板坯厚度為300 mm。生產(chǎn)工藝:轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→VD處理→連鑄→軋制→冷卻→調(diào)質(zhì)熱處理。試驗(yàn)鋼板的化學(xué)成分及力學(xué)性能要求如表1、表2所示。
表1 12MnNiVR鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%)Table 1 Chemical composition of the 12MnNiVR steel(mass fraction,%)
表2 12MnNiVR鋼的力學(xué)性能要求Table 2 Mechanical properties requirement of the 12MnNiVR steel
采用300 mm厚鋼坯軋制18 mm和33.5 mm兩個(gè)厚度規(guī)格的鋼板,軋制過(guò)程采用兩階段軋制方式。粗軋階段開(kāi)軋溫度>1050℃,采用低速大壓下軋制方式,充分利用高溫軋制階段使奧氏體晶粒發(fā)生再結(jié)晶,細(xì)化奧氏體晶粒[10]。鋼板待溫厚度為2.5倍成品厚度,待鋼板溫降到890℃時(shí)進(jìn)行精軋階段軋制,經(jīng)過(guò)奧氏體未再結(jié)晶區(qū)軋制,形變奧氏體晶粒內(nèi)形成大量的變形帶和位錯(cuò),增加了相變形核位置和相變驅(qū)動(dòng)力,有利于進(jìn)一步細(xì)化晶粒[11]。鋼板軋制完成后,經(jīng)過(guò)ACC(Accelerated cooling)水冷冷卻到650℃。從軋態(tài)鋼板尾部寬度1/4處取樣,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行890、910、930、950、970℃系列淬火試驗(yàn)以及在淬火態(tài)鋼板取樣進(jìn)行600、620、640、650、660、680℃小爐回火試驗(yàn)。分別按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫試驗(yàn)方法》對(duì)淬火態(tài)和回火態(tài)試樣進(jìn)行橫向拉伸試驗(yàn),并進(jìn)行顯微組織觀察。
18 mm和33.5 mm規(guī)格鋼板經(jīng)過(guò)不同溫度淬火并在650℃回火后,其力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表3所示。從表3中的數(shù)據(jù)可以看出,兩個(gè)厚度規(guī)格鋼板隨著淬火溫度升高,屈強(qiáng)比均為上升趨勢(shì),但是18 mm薄規(guī)格鋼板的變化趨勢(shì)明顯高于33.5 mm厚規(guī)格鋼板。970℃淬火時(shí),18 mm厚鋼板屈強(qiáng)比達(dá)到0.95,而33.5 mm厚鋼板屈強(qiáng)比只有0.90。
表3 不同厚度12MnNiVR鋼板不同溫度淬火并650℃回火后的拉伸性能對(duì)比Table 3 Comparison of tensile properties of different thickness 33.5 mm 12MnNiVR steel plates quenched at different temperatures and tempered at 650℃
18 mm和33.5 mm規(guī)格鋼板經(jīng)過(guò)900℃淬火后,再經(jīng)過(guò)600~680℃不同溫度回火后,力學(xué)性能數(shù)據(jù)如表4所示。從表4中的數(shù)據(jù)可以看出,兩個(gè)厚度規(guī)格鋼板隨著回火溫度升高,屈強(qiáng)比均呈下降趨勢(shì)。18 mm厚鋼板在600~650℃回火時(shí),屈強(qiáng)比≤0.92;回火溫度從650℃提升至680℃,鋼板強(qiáng)度急劇下降,抗拉強(qiáng)度無(wú)法達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求(610 MPa),屈強(qiáng)比也隨之從0.92下跌至0.81。
表4 不同厚度12MnNiVR鋼板經(jīng)900℃淬火并不同溫度回火后的拉伸性能對(duì)比Table 4 Comparison of tensile properties of the 12MnNiVR steel plates with different thickness quenched at 900℃and tempered at different temperatures
不同厚度規(guī)格鋼板淬、回火后典型的顯微組織見(jiàn)圖1和圖2。從圖1可以看出,鋼板淬火后主要組織為馬氏體(M)+部分針狀鐵素體(AF)/貝氏體鐵素體(BF),其中18 mm薄規(guī)格鋼板的針狀鐵素體體積分?jǐn)?shù)在10%~15%,而33.5 mm厚規(guī)格鋼板的針狀鐵素體體積分?jǐn)?shù)可以達(dá)到40%以上。從圖2可以看出回火后馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w,針狀鐵素體在回火過(guò)程中內(nèi)部過(guò)飽和的碳擴(kuò)散至鐵素體針的界面上形成滲碳體,在針狀鐵素體內(nèi)部基本沒(méi)有碳化物析出。
圖1 不同厚度12MnNiVR鋼板900℃淬火后典型的顯微組織Fig.1 Typical microstructure of the 12MnNiVR steel plates with different thickness quenched at 900℃
圖2 不同厚度12MnNiVR鋼板900℃淬火并630℃回火后典型的顯微組織Fig.2 Typical microstructure of the 12MnNiVR steel plates with different thickness quenched at 900℃and tempered at 630℃
因此,屈強(qiáng)比隨厚度規(guī)格變化的主要原因是厚規(guī)格鋼板中存在較多的針狀鐵素體組織,其回火后形成干凈的鐵素體,這部分鐵素體在變形過(guò)程中,由于沒(méi)有碳化物的阻礙,位錯(cuò)更容易移動(dòng)及發(fā)生屈服,屈強(qiáng)比相對(duì)較低[12];相比之下,回火索氏體組織,其基體內(nèi)密布著細(xì)小的碳化物,屈服強(qiáng)度高,加工硬化能力較弱,導(dǎo)致屈強(qiáng)比相對(duì)較高[13]。
采用12 mm和18 mm規(guī)格12MnNiVR鋼板在某鋼廠淬火機(jī)上進(jìn)行淬火冷卻試驗(yàn),方案1采用大冷速淬火,方案2采用小冷速淬火,方案1及方案2冷卻集管的流量及輥道設(shè)定如表5所示。12、18 mm鋼板按方案1采用大水量及低輥道速度淬火,其CCT曲線和鋼板心部冷卻曲線繪制如圖3(a)所示。從圖3(a)可知,方案1兩個(gè)規(guī)格鋼板的心部冷速均大于鐵素體和貝氏體的臨界冷速[14-16],說(shuō)明了薄規(guī)格鋼板淬火后易獲得完全的馬氏體組織。為了獲得20%~40%以上的針狀鐵素體/貝氏體鐵素體組織,方案2采用小水量及大輥道速度淬火,將12 mm、18 mm鋼板的冷卻曲線與CCT曲線繪制如圖3(b)所示,可以看出,兩個(gè)規(guī)格鋼板的冷速均有不同程度的降低。同時(shí)可以看出鋼板冷卻曲線穿過(guò)生成針狀鐵素體/貝氏體鐵素體的理想?yún)^(qū)域,方案2可使薄規(guī)格鋼板獲得20%~40%以上的針狀鐵素體/貝氏體鐵素體組織。
圖3 12MnNiVR鋼CCT曲線及12 mm、18 mm鋼板心部的淬火冷速Fig.3 CCT curves of the 12MnNiVR steel and quenching cooling rate in the core of the 12 mm and 18 mm steel plates
表5 薄規(guī)格鋼板淬火水量和輥速設(shè)置Table 5 Setting of quenching water volume and roller speed for the thin sheet steel
對(duì)150批18 mm厚鋼板抗拉強(qiáng)度與屈強(qiáng)比關(guān)系統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出,屈強(qiáng)比與抗拉強(qiáng)度存在線性關(guān)系變化,抗拉強(qiáng)度≤660 MPa時(shí),屈強(qiáng)比≤0.90??估瓘?qiáng)度>660 MPa時(shí),屈強(qiáng)比>0.90。因此,對(duì)于薄規(guī)格12MnNiVR儲(chǔ)罐鋼,抗拉強(qiáng)度控制在610~660 MPa,有利于控制鋼板屈強(qiáng)比≤0.90。
圖4 12MnNiVR鋼屈強(qiáng)比與抗拉強(qiáng)度的關(guān)系Fig.4 Relationship between yield ratio and tensile strength of the 12MnNiVR steel
1)<20 mm薄規(guī)格12MnNiVR鋼屈強(qiáng)比高,主要是由于內(nèi)部微觀組織差異導(dǎo)致。薄規(guī)格鋼板淬火后的針狀鐵素體體積分?jǐn)?shù)在10%~15%,而厚規(guī)格鋼板的針狀鐵素體體積分?jǐn)?shù)可以達(dá)到40%以上。針狀鐵素體組織回火后其內(nèi)部不會(huì)形成大量、彌散的滲碳體,降低整體屈服強(qiáng)度,從而降低了鋼板的屈強(qiáng)比。
2)<20 mm薄規(guī)格鋼板通過(guò)降低淬火機(jī)冷卻水量及提高輥道速度,降低薄規(guī)格鋼板心部冷卻能力,使薄規(guī)格鋼板進(jìn)入針狀鐵素體相變區(qū)域,提高淬火態(tài)針狀鐵素體相組織體積分?jǐn)?shù),降低鋼板屈強(qiáng)比。
3)回火溫度從600℃逐步升高到680℃,鋼板屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度均呈下降趨勢(shì),鋼板屈強(qiáng)比降低。當(dāng)回火溫度達(dá)到680℃時(shí),屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度急劇下降,導(dǎo)致強(qiáng)度不滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。
4)抗拉強(qiáng)度與屈強(qiáng)比呈線性關(guān)系變化,<20 mm薄規(guī)格鋼板抗拉強(qiáng)度控制在610~660 MPa區(qū)間內(nèi),基本可以控制屈強(qiáng)比≤0.90。