f40高强度船板钢的tmcp工艺及低温韧性研究

F40高强度船板钢的TMCP工艺及低温韧性研究山东大学硕士学位论文姓名徐洪庆申请学位级别硕士专业材料工程指导教师李胜利孙卫华20091012山东大学硕士学位论文摘要针对济钢集团有限公司粗、精轧机的能力及特点，探索了批量生产船板钢的工艺，首先用济钢生产的连铸坯在中厚板厂进行试验轧制，通过分析轧制工艺与组织性能的关系优化了钢的成分和生产工艺，在初步掌握待开发钢组织、性能与生产工艺参数关系的基础上进行船板钢小批量试产，进一步完善工艺，重点解决了试产中的工艺稳定性及性能合格率。另外，还深入研究了不同工艺条件下船板钢组织与低温韧性之间的关系。通过系统研究得出以下结果（）根据测定的再结晶曲线及曲线结合济钢其他级别船板钢的试制经验优化出钢成分和轧制方案控制轧制时的开轧温度为左右，终轧温度左右，未再结晶区总的压下率左右，轧后采用冷速旭左右控冷，终冷温度左右，控冷后的终冷段采取直接堆垛缓冷。（）用优化后的工艺轧制船板钢，可以获得针状铁素体多边形铁素体混合组织，这种混合组织是一种稳定的组织，在（左右）以下小时回火或长时间时效，组织改变不显著。微合金碳化物对位错及晶界的钉扎是组织稳定性的主要原因，时效过程中碳氮化物的进一步析出将提高材料的强度和硬度。（）用优化轧制工艺批量生产的三种厚度规格船板钢的强度、塑性、低温冲击韧性、冷弯性能和焊接性等性能均达到国标要求，这些数据证明本研究确定的船板钢成分、工艺是合理可行的，可以用于大批量工业生产。（）影响船板钢低温韧性的最主要因素是铁素体和珠光体的晶粒尺寸。终冷阶段采用直接堆垛冷却时，较快的冷速导致晶粒长大被抑制，从而形成极细小针状铁素体加准多边形铁素体的复合组织，其韧脆转变温度达到；终冷阶段加盖保温罩时，较缓的冷速导致铁素体得以充分生长，最终得到尺寸相对较大的等轴铁素体晶粒加片状珠光体组织，韧脆转变温度远高于。关键词船板钢，微合金化，控制轧制，控制冷却，低温韧性山东大学硕士学位论文诵，（），（，（），（），（），山东大学硕士学位论文（），、，。；，、历，原创性声明本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名么金星叁日期暨丝竺关于学位论文使用授权的声明本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。（保密论文在解密后应遵守此规定）论文作者签名燃导师签名期鼍哑托山东大学硕士学位论文第一章绪论船板钢的技术要求和技术现状船板钢的技术要求船体结构用钢又称船板钢，主要用于制造远洋、沿海和内河航运船舶的船体、甲板等。自上世纪年代起，船舶向大型化、高速化、自动化方向发展。仅以船体而言，船壳耗用钢材量占全船重量的左右【。船舶工作环境恶劣，船体外壳要承受海水的化学腐蚀、电化学腐蚀和海生物、微生物的腐蚀；还要承受较大的风浪冲击和交变负荷作用；再加上船舶加工成型复杂等原因，所以对船体结构用钢要求严格。对船板钢的技术要求集中在以下几点（）为适应船体的大型化和高参数化，首先应尽量减少壁厚和质量，要求提供强度更高的钢板；为尽量减少船体焊缝长度，要求钢厂提供长度和宽度更大的钢板。（）为确保船体的安全可靠性，防止脆断产生，要求提供韧性更好的钢板。（）要求提供纯度更高（硫、磷及其它有害元素含量更低），偏析更小，非金属夹杂物更少的钢板。（）要求提供焊接性好，抗裂性好，不预热或预热温度低的钢板，以适应低成本自动化焊接的要求。（）要求钢板尺寸精确，厚度均匀，耐蚀性好。船板钢分类我国船板钢分为一般强度船体结构用钢和高强度船体结构用钢，一般强度船体结构用钢主要应用于建造沿海、内河和万吨级以下的海洋航区的船舶壳体，高强度船体结构用钢一般用于万吨级以上的船舶壳体。一般强度船体结构用钢分为，四个等级，其物理意义分别为不要求冲击韧性和在、下船板钢应达到的冲击韧性标准。高强度船体结构用钢按最小屈服应力划分级别分为、三个等级，其中又按其缺口韧性的不同，每个强度级再分为、四个级别，即，和共个等级【训。山东大学硕士学位论文高强度船板钢的技术要求由于船舶运行环境恶劣，一旦发生事故后损失巨大，因此船东、船级社、造船厂对船板的要求较高。船级社的规范中对船板的成分、性能、交货状态等各种技术参数都做了严格的要求。是船板中的高级别产品，其技术要求尤为严格。规范对船板的成分要求见表【，】。除表中的常规成分外，还对、等残余元素的量做了要求，、。表、船板的成分要求钢级对于以工艺生产的船板，船级社规范还对钢的碳当量进行了规定，要求弋以下厚度的钢板碳当量要低于，而的钢板碳当量应低于。船级社规范对各级船板的交货状态有严格的要求，并根据不同的成分和细化晶粒元素，对船板的交货状态有详细的规定。在国际船级社协会的规范中，船板的交货状态主要分为（常规热轧）、（正火）、（控轧）、（淬火加回火）和等五种，各种交货状态的工艺示意图如图【，对于船板，各国船级社规范规定了三种交货状态、和。帕柚俺（憾姆奎）、专斛帅奢专强毫毛舞飞叁备努垒挚妻簟空重蛾。憎畦图国际船级社对船板交货状态的工艺示意图山东大学硕士学位论文表船板的力学性能要求钢级屈服强度（）抗拉强度（）伸长率（）一冲击功（）纵向横向表是船级社规范对船板的性能要求，从表中可看出，规范对船板的低温韧性要求很高。国外船板钢生产及技术现状基础理论研究的突破是新一代船板钢发展的关键，在国际第三次低合金高强度钢会议上，在基础理论方面取得的新进展有两个一是日本的对极低碳钢中的金相组织分类及特征做了系统论述，为识别低合金高强度钢中的显微组织提供了理论依据；二是英国的阐明了晶粒强化与脱溶强化、固溶强化及其他强化的统一位错机制，为低合金高强度钢的合金设计和工艺探索提供了理论依据。早在世纪年代，和发现当钢中的含量接近零时，钢的连续冷却转变曲线中贝氏体鼻子就会左移以至于在很宽范围的冷却速率下形成贝氏体组织，而且在该条件下马氏体和贝氏体组织两者之间的强度差异达到可以忽略的程度，等人给出贝氏体开始转变温度与强度的线性关系。由于缺少的强化作用，可以通过固溶强化获得超过的高屈服强度。美国海军为了降低高屈服强度钢（、等系列钢）的焊接制造成本，从世纪年代以来开始开发新的高强度微合金钢（，等系列钢）作为系列钢的替代钢种，新钢种主要是低碳、析出强化钢或超低碳贝氏体（）钢，既满足了系列钢的强度和韧性要求并且易于焊接，在焊接施工中无需预热，所以制造和维修成本都得到降低。等人强调钢的洁净度同超低碳一样能改善轧制钢板的韧性（这也是新一代钢铁材料的高强韧性的理论基础）。等人认为去掉间隙元素能消除材料夏比冲击转变温度对晶粒尺寸的依赖性。虽然早在多年前就认识到钢的重要性，然而由于当时冶炼超低碳钢（）在工艺上存在许多困难而未能实现，现在最新的冶炼技术已为生产钢提供了条件。目前，日本、德国、美国、法国、英国、意大利及俄罗斯等国均大力提高中厚板生产技术，实现了原料连铸化、品种高级化、价格低廉化、板厚精度化。产山东大学硕士学位论文品具有平直度高、平面板形准确、成材率高和物耗低等优点。我国船板生产与发展状况上世纪九十年代之前我国各中厚板厂装备水平和质量控制能力较低，大多仅能生产一般强度级别的船板，高强度船板不能满足要求，形成了“造出口船，用进口板的局面。近年来，各钢厂对原有中厚板生产线进行改建、扩建，并新建了许多装备先进的生产线，我国船板供应能力大幅度提高。不仅满足了国内船舶制造业的需求，还能够大量出口。各大钢厂能够生产的船板牌号、厚度、获得认可的船级社数量大大增加。如宝钢集团的浦钢和舞阳钢厂能够生产以下的、船板，鞍钢的、级船板能够生产到，宝钢以下的级船板通过了九国船级社的工厂认可，湘潭、新余、济钢等企业的、船板也具备了生产资格。目前，较大的中厚板生产企业均在开发厚度更大、级别更高的船板，以适应我国造大船、造高附加值船和海洋采油平台的需要。近年来各钢厂船板产销量见表】。表我国主要船板生产企业近年来的产量产量，万吨序号钢厂鞍钢浦钢济钢新余重钢南钢韶钢宝钢股份上述各钢合计全国产量年年年年四年合计八家钢厂船板产量占全国的比例，由于高强度船板强度高于一般强度船板，船体设计时，能够降低整船自重，提高运输效率，一般大型船舶采用高强度钢可使钢材节省，因此高强度船板的需求量越来越大【】。上世纪末，我国各中厚板厂生产高强度船板的能力不能满足造船业的需求，船体设计时高强度船板的用量较少，一般高强度船板的山东大学硕士学位论文使用量占全部船板的左右，丽当时日本高强度船板的使用比例达到左右。近年来，随着我国冶金企业能力的提高，高强度船板的使用比例不断扩大，使用的级别也越来越高。以济钢船板为例，尽管济钢的、船板于年就通过了九国船级社的工厂认可，但在年之前产销量很少，年的产量不足万吨，占所有船板的比例不到，但到年高强度船板的产销量就达到了万吨，比例达到了，年高强度船板的产量又提高到万吨，比例提高到。工艺评述自上世纪五十年代起，国际上高质量钢板的生产工艺经历了热轧（）、热轧正火（）、控轧（）、控轧控冷（）工艺的不断提高与完善。世纪年代以后，人们对厚板的强度、低温韧性和焊接性能提出了更高要求，进而研究开发了通过轧制后的快速冷却来控制钢相变组织【】的生产工艺，并发展成为控轧控冷技术。热机械控制工艺（）简称为或工艺。以艺生产的钢的特点是强度、韧性和可焊性的良好组合，良好的强度和韧性的结合不是单一的热处理可以达到的效果，而低的碳含量不仅有利于焊接还益于冷成型【。所谓工艺就是热轧过程中，在控制加热温度、轧制温度和压下量的控制轧制（）基础上，再实施空冷或控制冷却（加速冷却）的技术总称，也称热机轧制。技术是通过控制轧制温度和轧后冷却速度、冷却的开始温度和终止温度，来控制钢材高温的奥氏体组织形态以及控制相变过程，最终控制钢材的组织类型、形态和分布，提高钢材的组织和力学性能。针状和多边形铁素体微结构，拥有高密度位错的优良铁素体，小的或者及其细微的脱溶相以及很薄的马氏体层是低碳微合金钢的主要特征【】。控轧控冷工艺具有节约能耗、简化生产工序、提高钢材综合力学性能等优点，所以国内外生产高强度船体结构用钢板均采用剖】。近二十年来，控制轧制与控制冷却技术将细化晶粒、沉淀强化、亚晶强化等规律应用于热轧钢材生产，通过调整轧制工艺参数来控制钢的晶粒度，第二相沉淀以及亚晶的尺寸与数量。控轧可细化晶粒，提高强度和韧性，而控冷则可降低合金元素和碳当量，提高焊接性，且放宽其控轧条件，提高终轧温度，使性能的各向异性减轻。水冷型山东大学硕士学位论文将控轧与控冷有效地相结合，使钢板性能大大改善，生产成本明显降低，节约了贵重合金元素。由于将热轧与热处理有机地结合在一起，所以获得了强度和韧性都很好的钢材。控轧控冷已成为世纪钢铁工业标志性进步，它和氧气转炉炼钢精炼、连续铸钢一起并列为推动钢铁工业进步的三大技术钔。控制轧制的类型及工艺要求控制轧制的类型控制冷却钢的强韧性取决于轧制条件和控制冷却条件。控制冷却实施之前钢的组织状态又取决于控制轧制工艺参数、奥氏体状态、晶粒大小、碳化物析出状态，这些都将直接影响钢相变后的组织结构和形态。熔融金属在连铸之后经过轧制成为所需的钢件、钢坯或钢锭。轧制过程，尤其是平板轧制中已经应用了复杂的控制体系，这有效促进了高品质，高效率，高收益率和低能源消耗生产【】。控制轧制是在热轧过程中通过对金属加热制度、变形制度和温度制度的合理控制，使热塑性变形与固态相变结合，以获得细小晶粒组织，使钢材具有优异的综合力学性能的新工艺。对于低碳钢、低合金钢来说，采用控制轧制工艺主要是通过控制轧制工艺参数，细化变形奥氏体晶粒使之形成细化的铁素体晶粒和较为细小的珠光体球团，从而达到提高钢的强度、韧性和焊接性能的目的。为了达到上述目的，对控轧过程中的工艺参数应该给予控制，其中主要参数是再加热温度，形变量和形变温度。这些参数的作用机制及组织变化如图【、图【】所示。再热淫疰韧始品较大小再结矗矗较纯纯鑫粒缀佬一强震台盒元幂阻止再结晶謦壁曩度彤蹙量童次谬鬈日篱癸托盘鹰震蠡形成形变诱发况淀门燃图控制轧制工艺参数示意图山东大学硕士学位论文图微合金钢控制轧制晶粒变化示意图关于控制轧制的分类目前尚未统一，但大部分学者将控制轧制分为种，即奥氏体再结晶区控制轧制（型控轧）、奥氏体未再结晶区控制轧制（型控轧）和（）两相区控制轧制，如图【丌。也有人将这三种方式称为控制轧制的三个阶段，奥氏体再结晶区控制轧制为第一阶段，奥氏体未再结晶区控制轧制为第二阶段，（）两相区控制轧制为第三阶段。在实际的控轧过程中，根据钢的化学成分、使用要求、轧机和冷却设备能力等的不同，既可以采用单一的控轧工艺，也可以两种或者三种混合使用。型蹊时间（）奥氏体再结晶区轧制；（）奥氏体未再结晶区轧制；（）（）两相区轧制图控制轧制方式示意图山东大学硕士学位论文（）奥氏体再结晶区控制轧制再结晶型控制轧制，是将钢加热到奥氏体化温度，然后进行塑性变形（形变温度一般为以上），在每道次的变形过程中或者在两道次之间发生动态或静态再结晶，并完成其再结晶过程。这种轧制过程的基本特点是，只要道次变形量大于奥氏体再结晶（静态）临界变形量，每轧一道可自发产生奥氏体再结晶】。原始奥氏体晶粒的大小影响轧制的临界变形量，当轧制温度一定时，奥氏体晶粒较粗大者，其要求的临界变形量也较大，反之亦然。经多道次轧制后，奥氏体晶粒通过反复形变一再结晶而逐渐得到细化，而且由于温度的不断下降，再结晶后的晶粒长大速度降低，故相变后得到的铁素体晶粒也较细小。这种控轧方式主要适用于低碳优质钢和普通碳素钢及低合金高强度钢。（）奥氏体未再结晶区控制轧制将钢加热到奥氏体化温度后，在奥氏体再结晶温度以下发生塑性变形（一般为再结晶温度以下至。之间），奥氏体变形后不发生再结晶（即不发生动态或静态再结晶）。在奥氏体未再结晶区控轧后，奥氏体晶粒沿轧制方向被拉长，最终成为扁平状，且在晶粒内部形成大量变形带。奥氏体晶粒被拉长，阻碍铁素体晶粒的生长，随着变形量的增加，奥氏体晶粒内部变形带增加且分布逐渐均匀，而这些变形带则为相变时铁素体的形成提供形核位置，故奥氏体未再结晶区控轧能有效细化铁素体晶粒，对提高钢的强度和韧性起重要作用。（）（）两相区控制轧制两相区控制轧制是指钢加热到奥氏体化温度后，经过一定变形，然后冷却到奥氏体铁素体两相区再继续进行塑性变形（即在之间进行），使得奥氏体和铁素体均受到变形的轧制。它是加工硬化与继续相变阶段，可进一步提高钢板的强韧性【】。该过程中形变奥氏体向铁素体转变，未相变的奥氏体晶粒经形变被拉长，内部产生大量变形带，而也相变的铁素体晶粒受到压下，内部产生大量亚晶组织，随着变形量增加，亚晶更细小，数量更多。对于微合金钢，内部的、等元素更是能促使碳氮化物的析出。由于亚晶强化和沉淀强化的共同作用，达到了细化晶粒的效果，因此两相区控制轧制能进一步提高钢的强度和韧性。山东大学硕士学位论文控制轧制的工艺要求控锘是通过控制轧制过程中的主要参数来达到大幅度提高热轧钢材综合性能的目的。对轧制过程中主要参数的控制如下（）控制加热温度我国中厚板厂、板带连轧厂的生产一般皆采用常规轧制，其板坯在连续式加热炉内的加热温度为。左右【。而在控制轧制中，在加热含铌钢时，当加热温度达时铌的化合物（，）开始分解和固溶，因而奥氏体品粒开始长大，至晶粒长大还比较均匀，但达到（晶粒就开始粗化。为了使加工后钢材具有细小而均匀的晶粒，加热温度应以为宜。从节能的角度而言，对于不含特殊元素的普通钢，人们认为采用普通低温加热制度即可，由于不含有和元素，不存在这些元素的固溶问题。所以，可以把钢坯的加热温度下降到细晶粒区的以下。（）控制轧制温度对于奥氏体再结晶区控制轧制，终轧温度越高，奥氏体晶粒越粗大，转变后的铁素体晶粒亦越粗大，因此一般要求其终轧温度尽可能接近奥氏体转变温度。当采用（十）两相区控制轧制时，要根据对钢材性能的不同要求来选择轧制温度。（）控制变形程度不同的轧制温度下，铁素体晶粒的尺寸均随着变形量的增加而减小，但减小的程度逐渐变慢。在细化铁素体晶粒方面，压下率与原始奥氏体晶粒尺寸有较强的交互关系，原始晶粒越细，相同压下率引起的细化效果就越明显。在奥氏体再结晶区进行轧制时要求压下量必须大于临界压下量，且最好连续，以保证再结晶的充分进行，得到细小的奥氏体晶粒，否则容易出现混晶。在奥氏体未再结晶区轧制含钢时不必过分强调道次变形量，只要总变形量足够即可。一般要求总变形量大于，最好接近。但也有人认为增加道次变形量可增加奥氏体内部的为错密度和滑移带，为铁素体相变时行可提高有利条件，便于形成细小的铁素体组织。而在（十）两相区轧制时，随着变形量的增加，铁素体晶粒变细，为错密度增大，亚晶增多，使得钢材强度增强，低温韧性得到改善，因此变形量的的大小应根据产品的性能要求和生产条件来决定。控制冷却工艺控制冷却是通过控制轧后钢材的开冷温度、冷却速度和终冷温度以达到控制相变类型，细化晶粒和控制析出，改善钢材的组织性能，提高钢材的强度和韧性。山东大学硕士学位论文控轧控冷钢的强韧性主要取决于轧制条件和控制冷却条件。实施控冷之前钢的性能又取决于控轧的工艺参数以及钢的化学成分和冶炼条件等，这些都影响到控轧后钢的组织形态和结构【引，并且进一步影响控冷后钢的性能。而控制冷却条件（开始控冷温度、冷却速度、控冷停止温度）对变形后、相变前的组织也有影响，对相变机制、析出行为、相变产物更有直接影响。因此，控制冷却工艺参数对获得理想的钢板组织和性能是极其重要的。根据控制冷却过程中不同阶段冷却的三个主要工艺参数，可以将控冷分为三个阶段，分别为一次冷却、二次冷却和三次冷却。一次冷却是指从终轧温度到奥氏体向铁素体开始转变温度。之间的冷却。一次冷却的目的是控制热变形后的奥氏体状态，阻止奥氏体晶粒长大或碳化物析出，固定由于变形而引起的位错，加大过冷度，降低相变温度，为相变做组织上的准备。一次冷却的开始快冷温度越接近终轧温度，细化奥氏体和增大有效晶界面积的效果越明显。一次冷却主要控制开冷温度、冷却速度和终冷温度。二次冷却是一次冷却结束后进入由奥氏体向铁素体转变和碳化物析出的相变阶段。二次冷却通过控制开冷温度、冷却速度（快冷、慢冷、等温相变等）和终冷温度来控制相变过程，得到理想的相变产物形态、组织。三次冷却是指相变之后直到室温这一温度区间之间的冷却。对于一般钢板，相变完成，形成铁素体和珠光体。相变后多采用空冷，使钢板冷却均匀、不发生因冷却不均匀而造成的弯曲变形，确保板形质量。另外，固溶在铁素体中的过饱和碳化物在空冷中不断弥散析出，产生沉淀强化【。在中厚板生产中，主要的控制冷却方式主要有压力喷射冷却、层流冷却、水幕冷却、雾化冷却、喷淋冷却、板湍冷却、水一气喷雾法加速冷却、直接淬火等几种方式【。根据控制冷却手段不同，有不同的控制冷却装置。如日本住友金属开发的动态加速冷却技术（开发的在线加速冷却技术（，）【】；日本，），特点是能够灵活调节冷却速度，满足不同钢种对冷却速度范围的要求；日本神户制钢开发的工艺；国内开发的高密度管层流技术等等。不同的冷却方式所能达到的钢板冷却速度、均匀性有所不同。当轧制后进行水冷时，必须保证良好的温度均匀性、平整度和形状控制，以保证冷却均匀。我国控制冷却设备和技术同国山东大学硕士学位论文外先进水平相比差距相当大。控轧控冷的国内外发展状况由于工艺具有常规轧制、正火、控轧等工艺不可比拟的优势，早在上世纪八十年代，国际上技术已经发展成熟。由于日本的中厚板轧机轧制压力大、刚度高，轧后基本装备了加速冷却设施，因此日本的技术处于世界领先水平。本世纪初，日本的钢已占全部中厚板数量的。尤其是，在抗拉强度以上的高强度钢中，钢的占有量实际上达到左右，钢的市场占有率已越来越大。而且，今后随着用户对钢的强度和韧性要求的进一步提高，还将对钢的新功能提出要求，因此将会得到进一步的发展】。技术已经成功应用于船板、海洋结构钢板、建筑和桥梁钢板、管线钢板、压力水管用钢、油罐钢板的生产【。在日本，技术的利用率已经达到了以上【。而在我国，由于中厚板轧机长期以来存在的一大问题是未装备轧后水冷设备或水冷能力不足，被认为世界上最“干旱的轧机。只有酒钢在九十年代引进了法国的汽雾冷却装置，可采用控轧控冷工艺。过去为了得到需要的材料性能，常用的方法是增加材料的合金含量【。国内工艺一般只在北京钢铁研究总院、东北大学、北京科技大学等科研院所的实验室中进行，实际应用很少。而在近年来，由于国民经济的发展，中厚板价格持续高涨，吸引大量投资流向中厚板制造领域，自年起开始兴建的宝钢米、沙钢米、湘潭米、新余米等十多条中厚板生产线已经建成投产，并有包钢米、莱钢米等十几条生产线正在建设。这些新建的中厚板生产线单位辊面宽轧制力达到，单位辊面宽的轧制力矩达到，单位辊面宽的轧制功率达到，轧机刚度达到的高水平，多数配备了先进的轧后加速冷却装置，具备实施工艺的能力。近年来各中厚板企业对工艺的研究和产品开发也大大加强。微合金钢低温韧性研究状况微合金钢的韧脆转变温度建造船舶的船板钢在使用过程中，受到各种载荷的综合作用，包括冲击、扭山东大学硕士学位论文转、疲劳以及腐蚀等，另外由于船舶的特殊结构型式，加上局部联结处受到波浪、风力等冲击所造成的应力集中，使得联结处比船体更易发生脆性破坏。因此，如果钢材的韧性不足，在遭遇突然冲击或者过载的情况下，由于不能发生相应的外型变形来松弛所受到的应力而发生断裂。历史上曾发生过多起因韧性不足导致的重大事故，造成重大损失。例如二战时因需大量船只，战争结束前大约建造了超过艘不同种类的船只，但是到年这些船中已有超过的出现了脆性断裂，一些严重的甚至直接断裂为两部分】。因此，必须要求钢材具有良好的韧性，特别是在寒冷的环境中，更需要有良好的低温韧性。体心立方晶体金属及合金或某些密排六方金属及合金，特别是一些工程中使用的中、低强度结构钢，在常温下具有良好的冲击韧性，但是当使用温度低于某一温度时，其冲击韧性会显著下降，断口特征由纤维状变为结晶状，断裂机理由微孔聚集型变为穿晶解理型。转变温度称为韧脆转变温度，也称为冷脆转变温度。面心立方金属及合金一般没有冷脆现象。这是因为，体心立方晶体的金属及合金或某些密排六方晶体的金属及合金，当温度降低时，材料的屈服强度。升高，而材料的断裂强度。却变化很小，因此在某一温度时两曲线相交于一点（如图）【引。温度高于时，材料受载后先屈服后断裂，为韧性断裂；当温度低于时，材料表现为脆性断裂。而对于面心立方晶体的金属及合金而言，由于其屈服强度。随温度的变化很小，在很低的温度下仍未与。相交，因此其脆性断裂现象不明显。不同金属的韧脆转变温度【不同，越低，说明其脆性断裂倾向越小，在低温下使用的危险性越小。因此，对于在寒冷环境下使用的材料，需测定其韧脆转变温度【来保证安全性。【是从韧性角度选用金属材料的重要依据之一。由于钢材的韧脆转变温度并不是一个温度，而是个温度区间。目前尚无简单判据求韧脆转变温度，通常就根据能量、塑性变形或端口形貌随温度的变化定义【。一般采用标准夏比型缺口冲击试样来测定，需要在不同温度下做大量冲击弯曲试验，根据试验结果作冲击吸收功温度曲线、断口形貌中各区所占面积与温度的曲线、试验断裂后塑性变形量与温度的曲线等，根据这些曲线来确定韧脆转变温度。材料的冲击韧性是金属材料对冲击负荷的抵抗能力，即材料在冲击载荷作用山东大学硕士学位论文下吸收塑性变形功和断裂功的能力。冲击韧性的数值随试样缺口形式和使用试验机的不用而异。年越国家标准局发布了新的国家标准碳素结构钢（），规定采用夏比型缺口试件，在夏比试验机上进行，结果以所消耗的功表示，单位，结果不除以缺口处的截面面积。另外一种表示方法为，即采用梅氏试件在梅氏试验机上进行，为单位截面积上所消耗的冲击功，单位为。冲击韧性目前仍是衡量材料力学性能的一个重要指标，但是其作为一个衡量材料韧性指标时却存在着不足之处。用此值估计材料的韧性大小时往往是偏高的【。图。、。、。随温度变化示意图微合金钢韧脆转变温度的影响因素材料韧脆转变温度对材料的内部结构、宏观缺陷和试验条件等都比较敏感，影响的主要因素有以下几个方面（）材料的化学成分固溶强化是提高钢材强度的最经济、最有效的方式，但是加入基体中的间隙溶质原子会引起点阵发生畸变，使钢中裂纹形成和扩展直至断裂所需的能量降低，韧脆转变温度上升（和一定量的除外）。各合金元素对【的影响如图所示【】。固溶元素中，【】对值的提高十分不利，而【】和【】对丸值的影响较为复杂，它们在不同的温度范围内对冲击韧性的影响趋势不同，常温下它们综合起来对冲击韧性影响甚小，低温下对改善韧性表现为有利趋势【。山东大学硕士学位论文蜊赠制簿罄器合金元素质量分数（）图合金元素对韧脆转变温度的影响（）晶体点阵体心和密排六方晶体的金属及合金比较容易发生冷脆现象，而面心立方晶体的金属及合金的韧脆转变温度一般较低。（）晶粒大小细化晶粒能提高钢材韧性，降低韧脆转变温度。铁素体晶粒直径与。的关系可用方程描述。庀式中、，常数；与；有关；为裂纹扩展阻力的度量；，常数；，铁素体晶粒直径。研究发现，不仅铁素体晶粒的大小与韧脆转变温度呈线性关系，马氏体板条束宽度，上贝氏体铁素体板条束宽度以及原始奥氏体晶粒尺寸均与。之间也呈线性关系。（）显微组织钢的组织类型、相对数量和形貌对钢材的韧性有很大影响。提高微合金钢中铁素体的体积分数，并使其细化，可提高钢材的韧性。珠光体量一定时，减小珠光体片层间距，使其达到最佳值，可提高钢的强度和韧性。当材料中出现混晶时，混晶越严重，某一低温下变脆的部位就越多，宏观表现为材料的冲击功就越低【】。因此要尽量避免混晶的出现。缺陷、钢中夹杂物、白点、带状组织等一般都会降低钢材韧性，提高韧脆转变温度，因此净化钢液，减少夹杂物等是十分必要的。（）第二相铌、钒、钛的碳氮化物均为脆性第二相，它们的析出均会降低钢的韧性，但是在不同的成分和工艺条件下对韧性的影响不同，制定和执行工艺制度来减小对韧性的不利影响。因此只能通过正确山东大学硕士学位论文微合金元素铌、钒、钛等在钢中的作用船板钢是高强度低合金钢，在确定化学成分时主要考虑其强度、韧性和焊接性能，其良好的综合性能是轧制过程中固溶强化、位错强化、沉淀强化、晶界强化、亚晶强化和相变强化等机制共同作用的效果。高强度低合金钢的首要优点就是高强度和高韧性的充分结合，焊接性能也很优异。通常，根据所添加的合金元素可以考虑两条路径来获得要求的机械性能奥氏体晶粒大小控制和沉淀强化【】高强度船板钢的成分主要有以下几类微合金元素铌（）、钒（）、钛（），硼（）等；置换元素硅（）、锰（）、钼（）、镍（）、铬（）等；夹杂物及硫化物形状控制的添加元素磷（）、硫（）、钙（）、稀土元素（）等。目前生产高强度结构钢板的主要途径之一是在普通钢或钢基础上添加少量合金元素（如铌、钒、钛等）而形成的，通过微合金元素控轧控冷工艺的有机结合，控制微合金元素的析出行为，如控制其沉淀析出量，沉淀析出相的形状、大小及分布，达到最大程度细化晶粒的目的，从而有效地改善钢材的组织与性能。各种合金元素在钢中的作用是十分复杂的，在不同的过程中起到的作用也不相同，且各合金元素之间还存在着交互作用。控轧钢中加入微合金元素，其主要目的是为了与控制轧制相配合，最大程度地细化晶粒。，和是最常用的细化晶粒的元素，它们能在钢中形成碳化物、氮化物或碳氮化物，这些析出物的细小质点可以钉扎晶界，具有强烈阻碍晶粒长大的作用。以上三种元素的析出物对晶界的钉扎作用是依次降低的，在微合金钢中，复合微合金化的作用大于单独加入某种元素的总和。，和这三种元素都可以在奥氏体或铁素体中沉淀，因为在奥氏体中的溶解度大而扩散率小，故在奥氏体中沉淀比在铁素体中缓慢。形变加速了沉淀的过程，而沉淀钉扎了晶界抑制了再结晶。一般应使在奥氏体中的沉淀减至最少，在固溶体中保持较多的合金元素而留到铁素体中沉淀。含微合金钢引起人们的极大关注是因为加入少量的即可引起机械性能的剧烈提高。的这种效果主要与在奥氏体和铁素体或者在相变过程中细小的的碳氮化物的形成有关。能产生显著的晶粒细化和中等的沉淀强化作用，铌细化晶粒的强烈效果与在轧制时碳氮化铌析出延迟奥氏体的再结晶有关系，在再结晶温度以上，铌元素对再结晶的影响为溶质拖曳机制，在再结晶山东大学硕士学位论文温度以下为钉扎作用。铌的另一个重要影响是在低碳钢中降低转变温度促使贝氏体组织形成。铌有增加焊接热影响区再热裂纹的倾向，焊缝中单独加入铌时，使韧性显著变坏，但当共存时会呈现良好的韧性。铌在微合金钢中起到的强韧化效果的机理如下铌在钢中的存在形式主要有以置换溶质原子的形式固溶于铁基体中或者形成碳氮化铌第二相。当铌以溶质原子形式存在时，对再结晶的抑制作用与其和铁原子尺寸及电负性差异有关，即所谓的溶质拖曳机制【】。铌对再结晶的阻碍作用要大于、，更是、阻碍作用的几十倍甚至上百倍。铌是强碳氮化物形成元素，在钢中可形成、（）等多种中间相。在约以下，铌的碳氮化物在轧钢时可以起到明显的钉扎作用，抑制晶粒长大。是钢中的强化元素，由于、（）的沉淀强化，可使钢的强度明显提高。但是提高韧脆转变温度，其含量一般控制在以下【”】。钒能显著地改善低碳合金钢的焊接性能，一般焊缝中含左右的钒可以固定氮，例如钢。在、共存的情况下，适当的钒含量对提高和焊缝韧性具有良好的作用。资料表明，当含有时，最佳含钒量为。与和相比，的主要性能是（）（，）的溶解度很大，在高温下更显著，这意味着（，）的溶解温度较低，或者说在给定温度下，大量的钒都能溶解。（）钒的碳化物和氮化物的溶解度有较大的差异，这一点与相反，与相近。的溶解度比的约低两个数量级，这表明氮在钒微合金化钢中作为一种微合金化元素起着决定性作用，特别是氮促进析出强化的作用【。钒微合金钢的强韧化机理主要有细晶强化、沉淀强化和固溶强化。在钒微合金化钢中，般采用再结晶区控制轧制，使得钢在奥氏体中充分获得再结晶，从而获得较细的奥氏体晶粒。一般来说，钒在细化晶粒方面起的作用较弱，在含氮较高的情况下才可起到一定的细化作用【。在所有微合金化元素中，钒是最适合产生稳定而强烈的沉淀强化元素，主要是因为其碳氮化物溶解度积大，导致了较低的固溶温度和高温下较大的溶解能力。能产生强烈的沉淀强化作用，使钢的强度提高，还能阻止奥氏体再结晶。它能产生晶粒细化作用，提高钢材屈服强度，但对韧性的贡献不大。对焊接热影响区处的硬度也有好的影响作用。作为一种重要的微合金元素，与形成山东大学硕士学位论文的碳化物结合力很稳定、不易分解，只有当加热温度达以上时，才开始缓慢地溶入固溶体中，而在未溶入前，微粒有阻止钢晶粒长大粗化的作用，从而得到较为细小的奥氏体显微组织。另外，钛的氮化物颗粒的存在可抑制焊接热影响区的晶粒粗化。当铝含量较低时（低于约），钛可形成一种氧化物，可细化焊接热影响区的显微组织。的含量一般控制在以下，过多的钛含量会引起钛的氮化物的粗化，对低温韧性不利。钛微合金钢的强韧化机理主要是细晶强化和沉淀强化。钛的氮化物在抑制奥氏体晶粒长大，细化晶粒方面起到重要作用。在钢中加入铌、钒、钛等合金元素时，必须配合采用控冷控轧工艺才能充分发挥各元素的细化晶粒和沉淀强化等作用，提高钢材的强度和韧性，获得良好的综合机械性能。研究目的和主要内容本研究目的（）在济钢集团有限公司现有粗轧机、精轧机及工装条件下优化出批量生产船板钢的工艺，要求工艺稳定性及性能合格率高；（）研究不同工艺条件下船板钢组织与低温韧性之间的关系，给出影响韧脆转变温度的主要因素。主要研究内容（）测定钢板的再结晶曲线和曲线，制定和优化控轧和控冷工艺参数；（）通过分析轧制工艺与