高強船板強度性能穩定性影響因素分析

宋繼強，李 偉，萬福哲，李振興，張德勇

（日鋼營口中板有限公司遼寧省中厚板專業技術創新中心，遼寧 營口 115000）

1 前言

隨著我國國民經濟的快速發展，我國正從船舶制造大國向船舶制造強國邁進［1］。根據船舶用途以及使用環境的多變性、復雜性，船舶制造領域對鋼鐵材料提出了高強度、高韌性、易焊接、長壽命和低成本的要求。隨著船舶逐漸向大型化、高速化、自動化的趨勢發展，高強船板在造船業中的使用比例不斷升高，船殼鋼材耗量占全船重量的60%左右，其中高強度船體結構用鋼占15%～18%，且比例還在不斷提高［2］。本文主要通過對某鋼廠的12～50 mm的A級、D級32 kg及36 kg船板強度性能不合問題進行分析，找出高強船板強度性能穩定性的關鍵影響因素，并予以改善，以提高高強船板的性能穩定性。

2 化學成分與軋制工藝

2.1 成分設計

12～50 mm的A級、D級32 kg及36 kg船板對強度、低溫韌性及焊接性能要求較高，通常采用低C、高Mn以及添加Nb、Ti微合金化元素的成分設計思路［3］。綜合分析C、Mn、Nb、Ti等合金元素的強化作用，以及對低溫韌性、焊接性能的影響，結合裝備水平與控制精度，某鋼廠12～50 mm的A級、D級32 kg及36 kg船板成分設計見表1（Ti、Nb適量）。

表1 化學成分設計（質量分數）%

2.2 軋制工藝設計

近幾年，水紋缺陷是用戶反映較多且改善訴求較為強烈的缺陷問題。為改善船板水紋問題，通過對船板水紋產生機理的研究，并結合大量生產實踐發現，軋制工藝采用“高終軋、低終冷”思路進行設計，能夠顯著改善船板的水紋問題［4］，即提高軋制階段終止溫度，減少鋼板在軋制過程中的待溫時間，抑制二次氧化鐵皮的產生，從而減少水紋缺陷的產生。

同時，為避免在軋制階段因未再結晶區變形量小可能導致的強度余量不足問題，在水冷工序采用低終冷工藝設計。一方面通過細晶強化和析出強化作用，對強度進行補充［5］；另一方面針對部分厚度規格，在一定冷速條件下，將返紅溫度下降至臨近Bs溫度或以下，通過產生少量比例的過冷組織（貝氏體等），對組織進行進一步強化，從而保證強度余量適宜，性能穩定2。

3 強度性能不合影響因素分析

某鋼廠2021年上半年12～50 mm的A級、D級32 kg及36 kg船板共出現的強度性能不合情況中，屈服強度低占27.12%，抗拉強度高或抗拉強度高、斷后伸長率低占72.88%。

3.1 屈服強度低

對2021年上半年屈服強度低性能不合批次進行工藝追溯發現，工藝異常主要為返紅溫度高于標準要求，以及精軋終軋溫度高于標準要求。針對以上工藝異常批次進行金相檢驗，并結合工藝設計分析如下。

3.1.1 返紅溫度高于標準要求

典型批次顯微組織如圖1所示，鐵素體占比65%、珠光體占比35%，晶粒度8.0級，無貝氏體組織。結合軋制工藝設計思路分析，采用高終軋的軋制溫度設計，將于Tnr溫度的20～50℃以下結束軋制，軋制階段僅有3～7道次是在未再結晶區軋制，晶粒細化不足，Nb等合金元素的強化作用未得到充分釋放，導致軋制階段強度儲備不足，需后續水冷工序進行補充。當返紅溫度高于標準要求時，在影響細晶強化和析出強化效果的同時，過冷度不足導致了無過冷組織或過冷組織所占比例較小，從而無法在水冷工序對強度進行補充，導致屈服強度低性能不合。

圖1 返紅溫度高于標準要求導致屈服強度低的顯微組織

3.1.2 精軋終軋溫度高于標準要求

典型批次顯微組織如圖2所示，鐵素體占比65%、珠光體占比35%。存在混晶現象，最大晶粒度為8.0級，最小晶粒度為9.5級。

圖2 精軋終軋溫度高于標準導致屈服強度低的顯微組織

精軋階段的控軋，主要目的為在未再結晶區進行大壓下量軋制，在鋼板內部生成大量的變形帶、亞晶、位錯等晶體結構，作為鐵素體形核的核心，從而實現增加晶粒數量，實現細晶強化。如精軋階段在Tnr溫度以上結束軋制，或在未再結晶區壓下量較少（未再結晶區軋制道次數量＜3道次），則會導致組織細化不足，晶粒粗大且均勻性不佳，影響鋼板的韌性，從而導致屈服強度低或沖擊性能不佳。

3.2 抗拉強度高或抗拉強度高、伸長低性能不合分析

對2021年上半年抗拉強度高或抗拉強度高、伸長低性能不合批次進行工藝追溯發現，工藝異常主要為返紅溫度低于標準要求，以及冷速異常。針對以上工藝異常批次進行金相檢驗，并結合工藝設計進行分析。

3.2.1 水冷溫度低

如圖3所示，鐵素體占比15%、貝氏體占比75%、魏氏組織占比10%，鋼板厚度的近表、1/4位置及1/2位置均出現大量的貝氏體、魏氏組織。

圖3 水冷溫度低導致抗拉強度高的顯微組織

當水冷溫度低于標準要求時，鋼板內產生了大量的貝氏體、魏氏體等過冷組織，導致組織內強度積累高于標準要求，同時惡化了組織的塑性與韌性，導致抗拉高或抗拉高、伸長低性能不合。

3.2.2 冷速過大

典型批次顯微組織見圖4，鐵素體占比45%、珠光體15%、貝氏體20%、魏氏組織20%，鋼板厚度的近表、1/4位置及1/2位置出現大量的貝氏體、魏氏組織。

圖4 冷速過大導致抗拉強度高的顯微組織

典型批次實際冷速為18.04℃/s，2021年上半年同鋼種、同規格平均冷速約為3.04℃/s，冷速過大導致產生了大量過冷組織，影響組織的塑性與韌性，導致抗拉高或抗拉高、伸長低性能不合。

3.3 分析小結

采用“高終軋、低終冷”的軋制工藝設計，對軋制階段強度儲備不足進行補充，水冷過程以快速冷卻方式，通過細晶強化、析出強化以及相變強化提升材料強度。然而，通過快速冷卻過程實現組織的強化，水冷過程需在30～40 s內將溫度下降150～200℃，對水冷設備能力要求嚴苛。水冷效果即工藝命中情況、冷速以及水冷均勻性，又受到環境溫度、測溫裝置準確性、水冷設備穩定性、輥道速度、水量、水溫等因素影響，不易于穩定控制，從而成為影響高強船板性能穩定性的突出因素。

4 改進思路與效果

綜合以上分析發現，水冷效果為高強船板強度性能穩定性的主要影響因素，需予以改進優化。

（1）改進思路。根據目前船板水紋缺陷整體情況，在各產線逐步推進降終軋、提終冷工藝試驗，并跟蹤性能變化趨勢與水紋缺陷情況，尋找強度性能穩定性與水紋缺陷控制的最佳節點，在提升性能穩定性的同時，控制水紋缺陷產生。

（2）改進效果。在某鋼廠一條產線進行工藝試驗，將12～50 mm的A級，D級32、36 kg船板終軋溫度降低約20℃，水冷溫度提升約20℃。從試驗結果來看，調整后屈服強度無明顯變化，抗拉強度降低約10 MPa，斷后伸長率提升約2%，沖擊功提升約15 J，強度性能過程能力水平CPK由1.14提升至1.34，水紋缺陷發生率未有升高，后續將在其他產線逐步推廣。

5 結語

（1）12～50 mm的A級，D級32、36 kg船板強度性能穩定性的主要影響因素是精軋階段控軋效果、水冷效果，以及成分的符合性，其中水冷效果為主要影響因素。

（2）水冷效果，受人員操作水平、水冷設備控制精度、環境溫度、冷卻水水溫與水量、測溫裝置準確性等多因素影響，不易于穩定控制。某鋼廠當前執行的“高終軋、低終冷”工藝設計，存在一定質量風險，需進一步優化、細化。

（3）優化“高終軋、低終冷”工藝設計，尋找強度性能穩定性與水紋缺陷控制的最佳節點，是提升高強船板強度性能穩定性的可行方式之一。從試驗結果來看，強度過程能力水平CPK由1.14提升至1.34，水紋缺陷發生率無明顯變化，可在其他產線進一步推廣。