500MPa级海洋平台用钢热轧工艺及析出物研究

关键词：工艺参数；析出物；组织性能

中图分类号：TG142．4 文献标识码：A 文章编号：1003—9996(2008)03—0003—04

海洋平台是开发海洋资源的超大型焊接钢结构，海洋平台用钢所处环境恶劣，在波浪、海潮、风暴及寒冷流冰等严峻的海洋环境中工作，支撑总重量超过数百吨的钻井设备，因而决定了海洋平台用厚板必须具有高强度、高韧性、抗疲劳、耐海水腐蚀、抗层状撕裂及良好的可焊性。

在C—M n钢的基础上，实验利用Ni、Cr具有良好的耐海水腐蚀性能，Cu、Al具有较好的耐候性能，并充分利用Nb、Ti的细晶强化和析出强化作用，开发了500MPa级耐蚀性海洋平台用厚钢板。

本文通过热轧实验分析了热轧工艺参数对海洋平台用钢力学性能的影响，并研究了第二相粒子的形貌、成分，探讨了N b、T i复合添加时的析出过程。

1 实验材料及方法

在50kg实验室真空感应炉上冶炼海洋平台用钢，钢锭经开坯后尺寸为80mm×80mm×100mm，化学成分见表1。

加热温度设定为1200℃，保温时间1h。轧制工艺为两阶段轧制，再结晶区轧制时道次压下量为20％左右，保证了再结晶的充分进行。为了避免在部分再结晶区轧制，未再结晶区轧制温度控制在900℃以下，共轧制7道次，各道次钢板厚度为80一64—51—41—33—28—23－20mm。终轧温度控制在A r₃ (50～l00)℃，分别设定为850、800℃。根据实验的冷却条件，终冷温度设定为700℃和535℃左右，冷却速率为3 0℃·s^-1。

轧后板材按GB228—2002加工成标准拉伸试样，在SANSCMT5105电子万能试验机进行拉伸试验，测量屈服强度、抗拉强度和伸长率。纵向取样加工成10mm×10mm×55mm冲击试样，用摆锤式冲击实验机测定冲击功。轧制试样经粗磨抛光后用4％硝酸酒精腐蚀，利用LEICAQ5501IW)匕学显微镜观察试样组织。电解液采用8％的高氯酸和乙醇，电压为50V，电流为25mA，双喷后试样经离子减薄仪清洗后用透射电镜TECNAI G2 F30观察，点分辨率为0．20nm，线分辨率为0．10nm。

2 实验结果及讨论

2．1 力学性能

实验钢工艺参数及力学性能见表2。由表2可见，试样屈服强度在550MPa以上，抗拉强度在850MPa以上，屈强比在0．8以下，伸长率均超过20％，一40℃低温冲击功在70J以上，C_2—2试样的冲击功达到300J。随着终轧温度和终冷温度降低，试样的屈服强度由588MPa提高至618MPa，抗拉强度由862MPa提高至875MPa，而伸长率略有降低。

2．2 显微组织观察

试样金相组织见图1，TE M观察组织见图2。

由图1可以看出，实验钢C_2—1和C_2—2金相组织主要为针状铁素体组织。对C_2—1试样进行透射电镜观察，如图2所示。图2 a为针状铁素体板条，并有大量由高密度位错构成的位错缠结；图2b为残余奥氏体，宽度为200nm；图2 c为孪晶马氏体。这是由于C_2—1试样终冷温度过高(700℃)，铁素体相变后碳扩散充分，剩余奥氏体碳浓度提高，当冷却至室温时，发生马氏体相变，发生孪晶切变。金相组织观察发现C_2—2试样中针状铁素体含量较高，M／A岛数量较少。这是因为降低终轧温度，变形中的变形带为针状铁素相变提供了更多的形核点，加速了铁素体相变，产生了更多的针状铁素体，M／A岛大量减少，提高了低温韧性^[1]。粒状贝氏体中的M／A岛本身为硬而脆的高碳颗粒，不仅在基体中产生应力集中，而且在断裂时成为裂纹的萌生源和裂纹的低能量扩散通道，可降低钢的低温韧性^[2,3]。M／A岛数量越少，小岛弦长越小，岛状间距越大，钢的韧性越好^[4]。因此通过调整工艺参数，可以改善钢的低温韧性。

2．3 析出物观察及讨论

微合金元素N b—T i的作用主要是高温下未溶解的Ti N在奥氏体加热过程中阻止奥氏体晶粒长大，形变诱导析出的碳氮化铌延迟奥氏体再结晶，相变后析出物抑制晶粒长大，起到细晶强化．和析出强化的作用。透射电镜观察C_2—1试样的析出物形貌如图3所示。图3 a为方形，长52nm，宽为40nm。图3b为方形，上部开始有帽状物出现，析出物尺寸内核长为50nm，宽为38nm，帽状物高度为9 nm。图3 c为2个析出物，上部析出物内核为方形，外部有析出物覆盖且上部出现帽状、物，内核尺寸为38nm，经析出物覆盖后宽度为77nm；下部析出物内侧长31nm，宽37nm，覆盖后长为36nm，宽为42nm。

为了分析内核和覆盖物的成分，对图3 c中的2个析出物进行了能谱分析，图3 c中下部方型析出物为富钛的(Ti、Nb)(C、N)；上部方形物为富钛的(Ti、Nb)(C、N)；帽状物EDX分析为富N b的(Nb、Ti)(C、N)。

微合金元素N b、T i属于过渡元素，具有相似的物理和化学性质，析出物结构相似，FiN、TiC、NbN、NbC均为面心立方结构，且晶格常数相近，可以互溶，容易形成复杂析出物^[5]。由于不同温度的碳氮化物的溶解度不同，析出物的形貌、成分也不同。加热温度为1200℃时，凝固析出的方形广FiN粒子未溶解，这些粒子在加热过程中能够钉扎原始奥氏体晶界，有效地阻止奥氏体晶粒长大。随着温度的降低以及形变诱导析出，固溶Nb达到过饱和，Nb(C、N)优先在已形成的TiN颗粒上复合析出，均匀覆盖方形析出物，保持了，FiN粒

子的方形特征，见图3 c下部方形析出物。随着析出的进行，形貌上出现如图3 b和图3 c所示的帽状物。析出物的成分由富Ti转向富N b。由此可以推断，图3中不同形貌的析出物处于N b、Ti复合析出时的不同阶段，析出物表示为Nb_x Ti(1一x)(C、N)，表征微合金含量变化的32值分别为0．30、0．33、0．89，可以看出，析出物由富N b向富Ti转移。文献[6]得出，Nb—Ti钢在1250℃淬火，未溶析出物是N b_0.3T i_0.7(C，N)，与本实验结果相似，均为加热未溶的析出物。析出过程是形核和长大的过程。析出物成核自由能变化包含两部分，即驱动力和能量壁垒。成核驱动力包含固溶元素过饱和化学自由能；阻力会增加基体、析出物界面能和应变能。由于复合析出时点阵参数接近，应变能增加较小，而(N b，Ti)(C，N)和(Nb，Ti)C之间界面能大幅度下降，成核阻力降低^[7]，所以富N b的(N b，Ti)(C，N)在已存在的富Ti的(Ti，Nb)(C、N)析出物上析出更加容易实现，未溶解析出物一定程度上加速了析出。吴新朗^[8]等指出，析出物除了以原有粒子为形核基体析出以外，还可在位错、晶界等处析出，形成新的球形析

3 结论

(1)通过合理的成分设计和TMCP工艺控制，可以得到屈服强度为550MPa，抗拉强度为850MPa，伸长率为20％的高强度海洋平台用钢。

(2)调整热轧工艺参数可以改变针状铁素体中M／A岛数量，从而提高冲击性能。

(3)微合金元素Nb、Ti复合添加的海洋平台用钢，富Nb的(Nb、Ti)(C、N)析出物以方形的TiN为核心形成帽状物