齊祥羽，嚴(yán)玲，杜林秀，張鵬

（1. 海洋裝備用金屬材料及其應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 鞍山 114009；2. 鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009；3. 東北大學(xué)軋制技術(shù)及連軋自動化國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，遼寧 沈陽 110819）

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展， 對能源的需求日益增加，對石油、天然氣等能源的開采也由陸地和淺海逐漸向深海和極地地區(qū)發(fā)展[1]。 根據(jù)我國海洋石油與天然氣等資源開發(fā)的長遠(yuǎn)規(guī)劃，海洋工程用鋼的需求量將逐年增加，其中高強(qiáng)韌鋼的需求量將達(dá)到100～115 萬t/a[2]。 但目前國內(nèi)高強(qiáng)度、高韌性鋼材還不能滿足未來海洋平臺對鋼材強(qiáng)度、韌性等綜合性能的要求，大部分高端產(chǎn)品還需要進(jìn)口，特別是極地環(huán)境下（空氣溫度低于-50 °C）能夠經(jīng)受海洋冰塊隨機(jī)撞擊的海洋平臺用鋼還處于空白狀態(tài)[3]。

近年來， 熱軋中錳鋼因其優(yōu)異的強(qiáng)韌性能而受到越來越多的關(guān)注[4-6]。淬火態(tài)中錳鋼經(jīng)鐵素體/奧氏體（α+γ）兩相區(qū)回火熱處理后，室溫下得到回火馬氏體+逆轉(zhuǎn)變奧氏體的復(fù)合層狀組織，回火馬氏體提高了中錳鋼的強(qiáng)度， 逆轉(zhuǎn)變奧氏體改善了中錳鋼的韌性和塑性，從而實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)度、高韌性和高延伸率的良好匹配[7]。 此外，還可通過逆轉(zhuǎn)變奧氏體含量和穩(wěn)定性的控制來調(diào)節(jié)中錳鋼的屈強(qiáng)比， 從而解決了傳統(tǒng)高強(qiáng)度海洋平臺用鋼屈強(qiáng)比過高這一難題[8-9]。 因此，高強(qiáng)韌中錳鋼中厚板/厚板能夠滿足海洋平臺用鋼對強(qiáng)度和韌性的要求，是海洋平臺用鋼的重要發(fā)展方向。

1 690 MPa 級海洋平臺用鋼的研究現(xiàn)狀

690 MPa 級高強(qiáng)鋼具有高強(qiáng)度、 高塑性和優(yōu)良低溫沖擊韌性的特點(diǎn)，其產(chǎn)品主要以中厚板/厚板為主，廣泛應(yīng)用于船體結(jié)構(gòu)、工程機(jī)械、橋梁、艦艇、建筑、壓力容器和海洋平臺等諸多領(lǐng)域[10-11]。現(xiàn)階段常規(guī)使用的690 MPa 級高強(qiáng)鋼主要有熱機(jī)械控制工藝 （Thermo-mechanical Control Process，TMCP） 生產(chǎn)的貝氏體鋼和淬火-回火（Quenching and Tempering，Q&T） 工藝生產(chǎn)的低碳調(diào)質(zhì)鋼[12]。TMCP 工藝生產(chǎn)的低合金高強(qiáng) （High Strength Low Alloy，HSLA）鋼在各個領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用，但對于某些大厚度以及組織性能穩(wěn)定性要求較高的關(guān)鍵部件用鋼，仍然以Q&T 工藝生產(chǎn)的低碳調(diào)質(zhì)鋼為主。 以海洋平臺用鋼為例，用于制造樁腿、半圓板和齒條的500～800 MPa級高強(qiáng)鋼中厚板/厚板，其交貨狀態(tài)均為調(diào)質(zhì)態(tài)[13-14]。690 MPa 級海洋平臺用高強(qiáng)鋼的主要生產(chǎn)工藝如圖1 所示[15]，熱軋態(tài)鋼板冷卻至預(yù)定溫度（室溫～400 °C）后，需重新加熱至淬火溫度（900～950 °C），保溫一段時間后，淬火至室溫，再將淬火態(tài)鋼板加熱至回火溫度（600～650 °C），進(jìn)行回火熱處理，隨后將調(diào)質(zhì)處理后的鋼板空冷至室溫。

圖1 690 MPa 級海洋平臺用鋼的生產(chǎn)工藝Fig. 1 Production Process of 690 MPa Grade Steel for Offshore Platform

表1 總結(jié)了690 MPa 級海洋平臺用鋼的化學(xué)成分[14-17]。 由表1 可知，現(xiàn)有690 MPa 級海洋平臺用鋼主要在低C、低Mn 的成分設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，復(fù)合添加昂貴的Ni、Cr、Mo 和Cu 等合金元素。Mn 元素可以通過固溶強(qiáng)化提高鋼的強(qiáng)度，但當(dāng)鋼中的Mn 含量低于0.8%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，全文下同）時，則無法起到固溶強(qiáng)化的作用。 因此，現(xiàn)有690 MPa級海洋平臺用鋼中的Mn 含量均高于0.8%。 國內(nèi)鋼鐵領(lǐng)域開發(fā)的高強(qiáng)度海洋平臺用鋼主要采用低C、低Mn（≤2.0%）的成分體系，國外鋼鐵企業(yè)采用Mn 含量上限為3.0%的成分體系。 由于海洋平臺在低溫環(huán)境下服役，為保證鋼板的低溫沖擊韌性，往往需要添加超過2.0%的Ni 元素。 而JFE公司生產(chǎn)的某些低溫用鋼產(chǎn)品中，Ni 元素含量甚至可達(dá)到4.0%。

表1 690 MPa 級海洋平臺用鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical Compositions in 690 MPa Grade Steel for Offshore Platform（Mass Fraction） %

淬火態(tài)鋼板的顯微組織通常為板條馬氏體，但在厚板/特厚板心部可能會存在少量的貝氏體組織。 淬火態(tài)鋼板的強(qiáng)度較高，但韌塑性能較差。在高溫回火過程中， 板條馬氏體中過飽和的C 原子發(fā)生偏聚，最終形成滲碳體，位錯發(fā)生滑移和攀移，位錯密度大幅度降低，多邊形的亞結(jié)構(gòu)發(fā)生再結(jié)晶，最終形成以回火索氏體為主的強(qiáng)韌化組織，從而獲得了強(qiáng)韌性能的良好匹配。

2 690 MPa 級海洋平臺用鋼存在的問題

目前，690 MPa 級海洋平臺用鋼主要采用低C、低Mn 的成分設(shè)計(jì)，復(fù)合添加大量的Ni、Cr、Mo和Cu 等合金元素， 采用Q&T 工藝獲得以回火索氏體為主的強(qiáng)韌化顯微組織[18]。 這類傳統(tǒng)的調(diào)質(zhì)鋼在生產(chǎn)和應(yīng)用中存在著合金成本高、 制備工藝復(fù)雜、屈強(qiáng)比高和焊接性能差等諸多問題。 此外，顯微組織中的滲碳體極易成為脆性裂紋源， 惡化鋼材的沖擊韌性。

Ni、Cr、Mo 和Cu 等合金元素的價(jià)格昂貴，增加了高強(qiáng)鋼的生產(chǎn)成本。此外，添加過多合金元素會提高高強(qiáng)鋼的碳當(dāng)量 （Equivalent Carbon Content, Ceq）， 從而惡化焊接性能。 國際焊接學(xué)會（IIW）給出的Ceq計(jì)算公式如式（1）所示[14]：

式中，各元素符號為該元素在鋼中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

由式（1）可知，當(dāng)鋼中合金元素含量越高時，其Ceq越大，產(chǎn)生焊接冷裂紋的傾向越大，可焊性越差。 HSLA 鋼中C 含量與Ceq和可焊性之間的關(guān)系如圖2 所示[19]，當(dāng)鋼中C 含量在0.1%以下時，Ceq對鋼材的可焊性影響不大； 當(dāng)鋼中C 含量在0.1%以上時，隨著Ceq增加，鋼材的可焊性不斷惡化。傳統(tǒng)690 MPa 級海洋平臺用鋼的Ceq通常不低于0.55%，因而其可焊性較差。

圖2 碳含量與碳當(dāng)量對HSLA 鋼焊接裂紋敏感性的影響Fig. 2 Effect of Carbon Content and Carbon Equivalent on Welding Crack Sensitivity of HSLA Steel

高強(qiáng)度海洋平臺用鋼以中厚板/厚板為主，當(dāng)鋼板的淬透性較差時， 為改善其厚度方向的組織性能均勻性，往往需要采用多階段淬火+長時間回火的熱處理工藝。 在淬火時，中厚板/厚板表面的冷卻速度快， 生成板條馬氏體， 心部的冷卻速度慢， 可能會轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體+貝氏體的混合組織，從而在鋼板厚度方向上產(chǎn)生組織和性能的差異。圖3為80 mm 厚高強(qiáng)鋼厚板厚度方向的硬度分布曲線[20]，當(dāng)Ceq=0.70%時，鋼中的合金含量高，淬透性強(qiáng)，淬火態(tài)鋼板厚度方向的硬度差異較小，回火態(tài)鋼板厚度方向硬度均勻性較好； 當(dāng)Ceq=0.55%時，鋼中的合金含量低，淬透性差，淬火態(tài)鋼板厚度方向的硬度差異大， 鋼板表面與心部的硬度差值約為170 HB，回火態(tài)鋼板表面與心部的硬度差值約為50～55 HB。當(dāng)鋼中的C、Mn、Mo 和Cr 等合金含量高時，會顯著增強(qiáng)鋼板的淬透性，縮小厚度方向組織和性能的差異，但同時會增大Ceq，惡化焊接性能。因此，不能為了改善淬透性而添加過多的合金元素。

圖3 80 mm 厚高強(qiáng)鋼厚板厚度方向的硬度分布曲線Fig. 3 Hardness Distribution Curves of 80 mm Thick High Strength Steel Plates along Thickness-direction

圖4 為海洋平臺用鋼屈強(qiáng)比與屈服強(qiáng)度之間的關(guān)系，隨著屈服強(qiáng)度升高，屈強(qiáng)比逐漸增大[18，21]。從安全設(shè)計(jì)的角度考慮， 海洋平臺用鋼的屈強(qiáng)比應(yīng)控制在0.85 以下， 以確保在塑性失效前有足夠的延展性來防止脆性斷裂的發(fā)生。 目前，500 MPa級以下的海洋平臺用鋼勉強(qiáng)滿足低屈強(qiáng)比的要求，而690 MPa 級海洋平臺用鋼的屈強(qiáng)比則高達(dá)0.90～0.95[16]。 因此，高屈強(qiáng)比已成為限制傳統(tǒng)690 MPa級調(diào)質(zhì)鋼在海洋平臺建造領(lǐng)域推廣應(yīng)用的最大障礙。 此外，350～450 MPa 級海洋平臺用鋼的延伸率一般在20%～35%，而690 MPa 級海洋平臺用鋼的延伸率一般在14%～18%，塑性相對較差。

圖4 海洋平臺用鋼屈強(qiáng)比與屈服強(qiáng)度的關(guān)系Fig. 4 Relationship between Yield Strength and Yield-to-strength Ratio of Offshore Platform Steel

3 690 MPa 級高強(qiáng)韌海洋平臺用中錳鋼的強(qiáng)韌化機(jī)理

由于傳統(tǒng)690 MPa 級HSLA 鋼在海洋平臺領(lǐng)域的推廣應(yīng)用受到限制，因此，必須創(chuàng)新鋼鐵材料產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)思路。 近年來，在納米晶貝氏體鋼[22]、淬火配分（Quenching and Partitioning,Q&P）鋼[23]和9Ni 鋼[24]等新型高強(qiáng)鋼中同時實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)韌性的良好結(jié)合。 但納米晶貝氏體鋼的低溫?zé)崽幚頃r間長，增加了能耗[25]；Q&P 鋼需要精確的淬火溫度，工業(yè)化生產(chǎn)時難以準(zhǔn)確地將淬火溫度控制在馬氏體相變開始溫度（Ms）和結(jié)束溫度（Mf）之間，且Q&P 鋼主要應(yīng)用在汽車鋼領(lǐng)域，其產(chǎn)品以薄板為主[26]；9Ni 鋼中的Ni 元素含量高，價(jià)格昂貴，增加了生產(chǎn)成本，故9Ni 鋼在海洋平臺用鋼領(lǐng)域的推廣應(yīng)用受到限制[24，27]。

3.1 690 MPa 級中錳鋼的成分設(shè)計(jì)

Mn 對鋼顯微組織和相變行為的影響與Ni 有著相似的作用，且價(jià)格低廉，成本只有Ni 的1/10～1/5[18，28]。 此外，Mn 是先進(jìn)高強(qiáng)鋼成分設(shè)計(jì)中重要的合金元素。 Mn 會提高鋼的淬透性，增強(qiáng)奧氏體的穩(wěn)定性，降低奧氏體的相變溫度，并對相變動力學(xué)有一定的影響[29]。 早在20 世紀(jì)70 年代，Miller等[30]將Mn 元素含量在3%～10%的鋼定義為中錳鋼。 近年來，Mn 含量為5%～10%的相變誘導(dǎo)塑性（Transformation-induced Plasticity, TRIP） 鋼受到越來越多的關(guān)注[28,31]。 研究表明，當(dāng)組織中含有體積分?jǐn)?shù)為20%～40%的逆轉(zhuǎn)變奧氏體時，中錳鋼的強(qiáng)塑性能優(yōu)異[32]。 究其原因，在塑性變形過程中，逆轉(zhuǎn)變奧氏體發(fā)生了TRIP 效應(yīng)。 此外，逆轉(zhuǎn)變奧氏體可顯著提高中錳鋼的沖擊韌性[10]。因此，中錳鋼中厚板/厚板可用于建造海洋平臺。

目前，690 MPa 級中錳鋼中厚板/厚板主要采用Mn/C 合金化代替Ni、Mo 合金化成分設(shè)計(jì)思路，利用廉價(jià)的Mn 代替昂貴的Ni、Mo 合金[9-10,27,33-34]。低C、超低C 的成分設(shè)計(jì)可改善中錳鋼鋼板的焊接性能； 添加4%～6%的Mn 可顯著提高鋼板的淬透性，使特厚規(guī)格鋼板厚度方向具有良好的組織均勻性，從而解決了厚規(guī)格、高強(qiáng)度海洋平臺用鋼厚度方向組織性能不均勻的問題；添加0.3%～0.8%的Si可有效抑制滲碳體的形成； 添加0.2%～0.4%的Cu可提高鋼板的耐腐蝕性能；Cr 可提高淬透性，Mo可防止馬氏體回火脆性。因此通過適當(dāng)添加Cr、Mo和Cu 等元素可拓寬工藝窗口， 提高中錳鋼的綜合力學(xué)性能。

3.2 690 MPa 級中錳鋼的軋制及熱處理工藝

考慮到高強(qiáng)鋼板厚度方向組織性能均勻性的問題，工業(yè)化軋制中錳鋼中厚板/厚板時主要采用兩階段控制軋制[3]。第一階段采用奧氏體再結(jié)晶區(qū)軋制技術(shù)，在軋制過程中，奧氏體發(fā)生動態(tài)再結(jié)晶，利用再結(jié)晶細(xì)化原奧氏體晶粒，降低軋制力。 第二階段采用低溫大壓下軋制技術(shù)，即在奧氏體未再結(jié)晶區(qū)軋制， 軋制過程中不發(fā)生奧氏體再結(jié)晶現(xiàn)象，塑性變形導(dǎo)致奧氏體晶粒被拉長， 通過提高亞晶界、變形帶、位錯和空位密度等缺陷來增加冷卻過程中的相變形核點(diǎn)，從而細(xì)化顯微組織。終軋后，將處于奧氏體區(qū)或兩相區(qū)的鋼板直接淬火（Direct Quenching，DQ）至室溫。 與再加熱淬火技術(shù)相比，DQ 工藝省去了鋼板的再加熱過程， 簡化了工藝流程，節(jié)約了生產(chǎn)成本，提高了設(shè)備利用率[35]。中錳鋼中Mn 含量約為5%時能顯著提高鋼板的淬透性，從而使淬火態(tài)鋼板在全厚度方向上獲得均勻細(xì)小的板條馬氏體組織。

淬火態(tài)中錳鋼的強(qiáng)度較高， 但韌性和塑性較差， 因而采用兩相區(qū)回火熱處理技術(shù)改善中錳鋼的韌性和塑性。 將中錳鋼加熱至Ac1（奧氏體轉(zhuǎn)變起始溫度）～Ac3（奧氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度）溫度區(qū)間內(nèi)進(jìn)行保溫配分處理，隨后空冷至室溫。在回火過程中，板條馬氏體發(fā)生回復(fù)，位錯密度降低，轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗瘃R氏體， 回火馬氏體板條邊界和原奧氏體晶界生成一定數(shù)量的逆轉(zhuǎn)變奧氏體，C、Mn 原子向逆轉(zhuǎn)變奧氏體中富集， 增強(qiáng)了逆轉(zhuǎn)變奧氏體的穩(wěn)定性，最終保留至室溫，從而獲得了亞微米尺度的回火馬氏體+逆轉(zhuǎn)變奧氏體復(fù)合層狀組織[7,9,27,36]。 回火馬氏體保證了鋼板的強(qiáng)度， 逆轉(zhuǎn)變奧氏體通過TRIP 效應(yīng)提高了鋼板的韌性和塑性[33]。

3.3 中錳鋼組織中逆轉(zhuǎn)變奧氏體穩(wěn)定性對TRIP效應(yīng)的影響

高強(qiáng)韌中錳鋼受力發(fā)生塑性變形時，逆轉(zhuǎn)變奧氏體會發(fā)生TRIP 效應(yīng)，轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體。 TRIP 效應(yīng)的作用主要取決于逆轉(zhuǎn)變奧氏體的體積分?jǐn)?shù)和穩(wěn)定性， 而逆轉(zhuǎn)變奧氏體的穩(wěn)定性主要受其化學(xué)成分、形態(tài)和等效晶粒尺寸等因素的影響[7，27，37]。 研究表明[9，38]，逆轉(zhuǎn)變奧氏體的機(jī)械穩(wěn)定性主要是由化學(xué)成分和形態(tài)決定的；逆轉(zhuǎn)變奧氏體的熱穩(wěn)定性則主要是由等效晶粒尺寸決定的， 等效晶粒尺寸越小， 逆轉(zhuǎn)變奧氏體的熱穩(wěn)定性越高。 Sun 等[36]對0.05C-5.42Mn 鋼的臨界區(qū)回火工藝進(jìn)行了研究，當(dāng)回火溫度由570 °C 升高至665 °C 時，顯微組織中逆轉(zhuǎn)變奧氏體的體積分?jǐn)?shù)不斷增加，逆轉(zhuǎn)變奧氏體的形態(tài)由薄膜狀轉(zhuǎn)變?yōu)榘鍡l狀；當(dāng)回火溫度升高至700 °C 時， 室溫組織中逆轉(zhuǎn)變奧氏體的體積分?jǐn)?shù)減少，生成部分孿晶馬氏體。隨著回火溫度升高，逆轉(zhuǎn)變奧氏體的體積分?jǐn)?shù)增加， 等效晶粒尺寸增大，富集的C、Mn 元素含量減少，穩(wěn)定性逐漸降低。

通過對中錳鋼顯微組織中逆轉(zhuǎn)變奧氏體機(jī)械穩(wěn)定性和塑性變形的關(guān)系研究可知， 高機(jī)械穩(wěn)定性的逆轉(zhuǎn)變奧氏體對應(yīng)變硬化行為的貢獻(xiàn)較小，但會顯著改善中錳鋼的低溫沖擊韌性； 而高體積分?jǐn)?shù)、 低機(jī)械穩(wěn)定性的逆轉(zhuǎn)變奧氏體具有較強(qiáng)的加工硬化能力[39]。逆轉(zhuǎn)變奧氏體發(fā)生TRIP 效應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，產(chǎn)生相變強(qiáng)化，這是中錳鋼主要的強(qiáng)化機(jī)制。逆轉(zhuǎn)變奧氏體通過TRIP 效應(yīng)可顯著提高中錳鋼的韌性和塑性，但TRIP 效應(yīng)對中錳鋼韌性和塑性的改善是不同步的， 只有當(dāng)逆轉(zhuǎn)變奧氏體的體積分?jǐn)?shù)和機(jī)械穩(wěn)定性適中時， 對中錳鋼塑性的提高最有利[3]。 當(dāng)中錳鋼受到拉伸載荷時，逆轉(zhuǎn)變奧氏體發(fā)生TRIP 效應(yīng)，吸收大量應(yīng)變能，松弛應(yīng)力集中，并伴隨著體積膨脹，有效地延緩了裂紋的萌生，推遲頸縮，增加均勻延伸率，這是中錳鋼主要的增塑機(jī)制[40]。中錳鋼受到?jīng)_擊載荷作用時，逆轉(zhuǎn)變奧氏體發(fā)生TRIP 效應(yīng)，吸收大量應(yīng)變能，釋放微裂紋尖端的應(yīng)力集中， 降低裂紋擴(kuò)展速率，這是中錳鋼主要的韌化機(jī)制[41-42]。 Su 等[43]對0.05C-5.4Mn 鋼進(jìn)行了一系列的回火實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明高強(qiáng)韌中錳鋼的屈強(qiáng)比可在0.50～0.96 的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)控。

綜上所述，以“Mn 代Ni”的成分設(shè)計(jì)思路，配合合適的軋制和熱處理工藝， 可生產(chǎn)出強(qiáng)韌性能優(yōu)異、屈強(qiáng)比可控的690 MPa 級中錳鋼鋼板，在海洋平臺建造領(lǐng)域?qū)⒂兄鴱V闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

為滿足國家快速發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)的需求， 突破我國高強(qiáng)度海洋平臺用鋼原材料限制瓶頸， 分析了國內(nèi)外690 MPa 級海洋平臺用鋼的研究現(xiàn)狀，指出了傳統(tǒng)690 MPa 級高強(qiáng)度鋼板在海洋平臺建造領(lǐng)域推廣應(yīng)用所受到的制約。在成分設(shè)計(jì)上，采用Mn/C 合金化代替Ni、Mo 合金化； 在微觀組織控制上，回火馬氏體+逆轉(zhuǎn)變奧氏體的復(fù)合層狀組織在保證鋼材高強(qiáng)韌的同時， 能夠通過奧氏體的含量和穩(wěn)定性的控制來調(diào)控屈強(qiáng)比， 從而開發(fā)出高強(qiáng)韌海洋平臺用中錳鋼， 實(shí)現(xiàn)了海洋平臺建造中關(guān)鍵材料的國產(chǎn)化。