超快冷工藝對高強(qiáng)船板力學(xué)性能和組織的影響

超快冷工藝對高強(qiáng)船板力學(xué)性能和組織的影響

控制切割和冷卻（tcp）技術(shù)充分利用了控制致密裂紋（cr）對非再結(jié)晶區(qū)（i）上的累積和變形，并進(jìn)一步顯示了鋼的微結(jié)構(gòu)。鞍鋼4300mm厚板生產(chǎn)線自1999年建成層流冷卻(AcC)裝備后生產(chǎn)了大量的TMCP管線鋼和船用鋼產(chǎn)品1制備工藝及熱模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)鋼在轉(zhuǎn)爐和LF爐外精煉后澆鑄成230mm厚連鑄板坯,其化學(xué)成分如表1。實(shí)驗(yàn)鋼化學(xué)成分除C、Si、Mn和微量Nb、Ti、Al外,沒有添加其它合金元素,為典型的工業(yè)生產(chǎn)AH32高強(qiáng)船板成分。同一爐鋼的兩塊連鑄坯加熱到1150~1200℃保溫5h后出爐,經(jīng)高壓水除鱗后采用奧氏體再結(jié)晶區(qū)和非再結(jié)晶區(qū)兩階段控制軋制到厚度30mm。軋制后分別采用工藝A(A鋼)進(jìn)行UFC冷卻和工藝B(B鋼)進(jìn)行AcC冷卻,具體控軋控冷工藝如表2所示。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T2975、GB/T228.1和GB/T229,從鋼板取樣進(jìn)行全厚度橫向拉伸性能檢驗(yàn)和橫縱向10mm×10mm×55mmV型缺口試樣的系列溫度夏比沖擊檢驗(yàn)。焊接熱模擬實(shí)驗(yàn)在Gleeble-3800機(jī)上進(jìn)行,峰值溫度分別為1250℃和950℃,線能量分別設(shè)為15kJ/cm和50kJ/cm,熱模擬HAZ試樣進(jìn)行-40℃夏比沖擊試驗(yàn)。從鋼板取金相試樣經(jīng)拋光和4%硝酸酒精溶液腐蝕后在ZEISSAxiovert200MAT光學(xué)顯微鏡和FEIQUANTA400掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察顯微組織,并采用截線法分別統(tǒng)計(jì)了A鋼和B鋼不同厚度位置的約200個鐵素體晶粒尺寸。2結(jié)果2.1力學(xué)能力表3顯示了A鋼和B鋼拉伸性能和-40℃橫縱向沖擊功,并與船級社規(guī)范2.2晶粒尺寸特征圖2和圖3對比了A鋼和B鋼近表面、1/4厚度和1/2厚度處的顯微組織。A鋼組織由多邊形鐵素體+少量針狀鐵素體+粒狀貝氏體+少量珠光體組成,鐵素體平均晶粒尺寸在10μm以下,晶粒度為11.5級,貝氏體分布均勻,珠光體尺寸細(xì)小。而B鋼組織為多邊形鐵素體+珠光體,鐵素體晶粒粗大,平均晶粒尺寸在15μm至25μm之間,晶粒度為9.5級,珠光體較粗呈塊狀分布。圖4顯示了兩種鋼厚度方向上鐵素體晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)對比情況,A鋼鐵素體晶粒尺寸細(xì)小均勻,且厚度方向差異小,而B鋼鐵素體晶粒尺寸粗大且分布不均勻,厚度方向差異較大,心部晶粒明顯粗大。從圖5的SEM顯微照片可以清楚地看出A鋼奧氏體快速冷卻轉(zhuǎn)變的粒狀貝氏體和針狀鐵素體形貌特征,幾微米的細(xì)小珠光體和貝氏體均勻分布于鐵素體之間,鐵素體體積分量約78%。而B鋼鐵素體和珠光體均很粗大,珠光體尺寸可達(dá)20μm,鐵素體含量約85.5%,這是因?yàn)榈屠渌贄l件下鐵素體和珠光體得以充分長大。2.3沖擊韌性測定表4對比了A鋼和B鋼的焊接熱模擬試樣-40℃沖擊功。峰值溫度為1250℃時,兩者沖擊功沒有明顯差別,線能量15kJ/cm的試樣沖擊功均高于50kJ/cm,但值仍然較低。在峰值溫度950℃條件下,線能量從15kJ/cm提高到50kJ/cm時,A鋼和B鋼的沖擊韌性均急劇降低,但15kJ/cm線能量的A鋼沖擊功比B鋼沖擊功低一些。這種差異是否顯著可用如圖6所示的效應(yīng)正態(tài)圖來分析。以焊接熱模擬試樣沖擊功為響應(yīng),以峰值溫度、線能量和實(shí)驗(yàn)鋼冷卻工藝為因子進(jìn)行正態(tài)概率圖分析,可以看出對沖擊功影響顯著的因子是峰值溫度和線能量,表明在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下UFC和AcC對熱影響區(qū)沖擊韌性的影響沒有顯著差異。3尺寸對的影響鋼板軋后冷卻過程中先發(fā)生γ→α轉(zhuǎn)變,α在γ晶界和高位錯密度變形帶形核并向周圍γ基體長大γ→α轉(zhuǎn)變過程中,C、Mn等元素富集到剩余γ相中。如果轉(zhuǎn)變時冷速足夠大,將促進(jìn)滲碳體析出并抑制其長大。此時將產(chǎn)生類似晶界釘扎效果,進(jìn)一步減小α晶粒尺寸。軋后加速冷卻更容易生成細(xì)小的珠光體甚至貝氏體組織顯微組織尺寸決定了鋼的性能,其強(qiáng)度與晶粒尺寸關(guān)系可用Hall-Petch關(guān)系公式(2)表示其中σ將平均晶粒尺寸代入公式可計(jì)算得出A鋼的ITT比B鋼低約42℃,此外A鋼珠光體含量減少也會進(jìn)一步降低ITT,這與圖1中的系列沖擊曲線結(jié)果相符。焊接熱模擬實(shí)驗(yàn)初步結(jié)果表明與峰值溫度和輸入線能量兩個因素相比,UFC和AcC對焊接熱影響區(qū)的韌性影響的差異很小。在高的峰值溫度和線能量條件下,熱影響區(qū)沖擊韌性均很差,這可能與AH32鋼中Ti等微合金含量不合理有關(guān)。在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)條件下,與AcC鋼相比,UFC鋼晶粒還未細(xì)化到導(dǎo)致其熱影響區(qū)晶粒粗化出現(xiàn)明顯差異的程度,但足以顯著提高鋼的強(qiáng)度和韌性。在采用UFC進(jìn)行產(chǎn)品性能升級和合金減量化時,需考慮到焊接材料和工藝的匹配性。若簡單將AH32升級為EH36,常規(guī)力學(xué)性能固然可以提升,但其焊接性能未必滿足EH36要求。因此還需對UFC鋼焊接性能進(jìn)一步研究。4ufc與acc工藝的比較1)與AcC相比,軋后采用UFC工藝極大細(xì)化鋼的顯微組織并提高了其在厚度方向的均勻性,使α晶粒度提高到11.5級,并細(xì)化了貝氏體和珠光體;2)與AcC相比,軋后采用UFC工藝使鋼板屈服強(qiáng)度提高54MPa,-40℃沖擊功提高100J以上,大幅降低鋼板韌脆轉(zhuǎn)變溫度,同時明顯改善了橫縱向沖擊韌性