440MPa级易焊接高强度船体钢的研制

440MPa级易焊接高强度船体钢的研制
柴锋杨才福苏航薛东妹
（钢铁研究总院结构材料研究所，北京100081）
摘要本文采用超低碳+复合微合金化的方法，结合新一代的TMCP工艺，研制开发了新型的440MPa级易焊接高强度船体钢。

新型440MPa级易焊接高强度船体钢组织形态为细铁素体+少珠光体组织，平均铁素体晶粒尺寸小于7μm，钢的强韧性较传统钢大幅度提高，韧脆转变温度低于-80℃。

铁素体中大量弥散析出的（NbTi）（CN）第二相粒子有利于进一步提高钢的强韧性配合。

开发钢碳含量及碳当量低，焊接性较传统钢大幅度提高，可以实现0℃焊接不预热。

关键词易焊接，船体钢，细晶强化，析出强化
引言
为适应船体结构大型化、高效化以及自动化发展的方向，对船体结构钢提出了高强度、高韧性以及易焊接的要求。

传统高强度船体结构钢均采用Ni-Cr-Mo-V 合金设计，并通过调质热处理以获得高强度、高韧性的配合，这类钢碳含量和碳当量较高，需要焊前预热或焊后热处理。

随着高洁净度冶炼、高效连轧技术、夹杂物控制与改性以及新一代控轧控冷技术的研究与应用，美国海军研制了一种屈服强度更高的HSLA65钢[1-2]，以取代传统HSS（High strength steel）钢。

研究认为，HSLA65钢在提高船体结构安全的同时，可以大幅度降低船体的重量（约2000吨）。

更为重要的是，HSLA65钢具有更为优良的焊接性，能大幅度提高焊接施工效率，显著的降低建造成本。

超低碳、微合金化是高强船体钢的发展方向。

本项目采用超低碳+复合微合金化设计思路，充分利用细晶强化+析出强化方式取代传统固溶强化，研制开发了新一代440MPa级易焊接高强度船体钢，对比研究了新一代易焊接高强度船体钢的组织性能、第二相析出物以及焊接性能。

1.实验材料
实验钢采用150吨转炉+精炼+连铸工艺生产。

其中传统钢采用中板单张轧制，热处理状态为正火+回火。

开发钢采用2150热连轧机组轧制，轧后控制冷却+卷取。

两种试验钢的轧制厚度均为16mm，化学成分示于表1。

表1 试验钢的化学成分（重量分数，%）
2.实验结果及分析
2.1冶金质量分析
与传统钢中杂质元素含量相比，新开发440MPa易焊接钢在炼钢过程中严格控制钢中的杂质元素S、P含量与气体含量，其中S含量≤0.0001，达到超纯净钢水平。

对传统钢与开发钢分别进行表面、截面1/4处以及心部位置的夹杂物观察。

结果表明，开发钢相对较为纯净，钢中未观察到A类硫化物，存在少量B 类氧化物与C类硅酸盐夹杂物。

而传统钢中存在大量B类氧化物夹杂，C类硅酸盐夹杂以及D类球状氧化物夹杂，其夹杂物数量与级别相对较高。

a b c
d e f
（a～c）传统钢表面、1/4处、心部（d～f）开发钢表面、1/4处、心部
图1 试验钢不同位置的夹杂物金相照片
2.2力学性能
两种试验钢的力学性能示于图2。

如图所示，两种试验钢的屈服强度均高于440MPa。

虽然新开发440MPa易焊接钢屈服强度较传统钢高20MPa，但抗拉强度较传统钢高40MPa，屈强比（0.84）高于传统钢（0.75）。

在-80℃～室温条件下，开发钢冲击功均显著高于传统钢，-40℃冲击功是传统钢2倍以上。

传统钢韧脆转变温度约为-40℃，而开发钢韧脆转变温度低于-80℃。

图2 试验钢的力学性能
2.3金相显微组织
两种试验钢的显微组织示于图3。

如图所示，传统钢的显微组织主要为铁素体+珠光体组织，其中铁素体组织含量约为80%，平均铁素体晶粒尺寸约为15μm。

开发钢的显微组织为典型的细铁素体+少珠光体组织，组织中铁素体含量约为96%，平均铁素体晶粒尺寸约为6.5μm。

传统钢由于采用正火+回火的热处理工艺，其表面、心部组织差异相对较小。

开发钢由于采用控轧控冷工艺，心部铁素体晶粒尺寸略高于表面，但均低于7μm。

（a～c）传统钢表面、1/4处、心部（d～f）开发钢表面、1/4处、心部
图3试验钢的显微组织
2.4第二相析出粒子观察统计
对试验钢进行透射分析，结果示于图4。

透射分析表明，传统钢的显微组织
为铁素体＋珠光体＋晶间碳化物。

传统钢组织中的夹杂物较多，尤其是球状夹杂物较多，粒度约为0.5μm。

对比钢中能观察到一定量方形TiN粒子，粒度约为40～50nm。

开发钢的组织为细铁素体＋少珠光体组织，其中晶间有较多的碳化物存在。

开发钢铁素体内观察到大量细小的（NbTi）（CN）复合析出物，粒度约为20nm。

（a～c）传统钢（d～f）开发钢
图4 试验钢的TEM分析
每个样品选择适合的区域，在50000倍连续拍摄10个视场，保证粒子总数超过100个。

定量分析时采用普通的定量金相的方法，在大量的电镜照片上测出每个粒子的平均直径-d和单位面积上的质点数N s，在保证95%的置信度下，粒子平均直径-d的相对误差为8%。

根据Fullman公式，便可以得到第二相粒子的体积分数V f以及单位体积内第二相粒子的颗粒数N v，计算公式如下，计算结果示于表2。

对每个样品，按20nm为区分间隔，统计不同粒径范围的第二相粒子分布，作出直方图（图5）。

如图所示，开发钢第二相粒子粒度主要为20nm以下，而传统钢则主要为40～60nm。

大量细小的（TiNb）（CN）粒子有利于进一步提高钢的强韧性配合。

V f =(π/6)·N s ·-d 2 (1-1) N v =N s /-d (1-2)
表2 试验钢第二相粒子统计数据
图5 试验钢第二相粒子粒度分布图
图6 试验钢模拟焊接粗晶区组织与性能
2.5焊接性
利用焊接热模拟的方法对试验钢进行不同t 8/5（不同线能量）下的焊接热循环试验。

焊接热循环峰值温度为1350℃，高温保温时间1s ，t 8/5分别为7.5s 、10s 、20s 、30s 、60s 、100s ，热循环后进行-40℃冲击试验，试验数据示于图6。

结果表明，开发钢由于具有较低的碳含量和碳当量，其模拟焊接粗晶区的低温韧性显著高于传统钢，在t 8/5＝60s 时其焊接粗晶区的组织为板条状贝氏体+少量粒状贝氏体，-40℃冲击功大于50J ，满足材料焊接接头标准要求。

和开发钢相比，传统钢粗晶区组织主要为粒状贝氏体，焊接性能较差，仅适用于较小线能量焊接（t 8/5≤20s ）。

对试验钢进行斜Y 型坡口裂纹敏感性（小铁研）实验，结果示于表2。

结果表明，传统钢在低温焊接时必须进行约80℃预热才可以避免焊接冷裂纹的形成。

开发钢 传统钢
开发钢在低温（0℃）以及高温高湿条件下均可以实现不预热焊接，冷裂纹敏感性较传统钢显著降低。

表2 试验钢小铁研实验结果
3.结论
1）新型440MPa级易焊接高强度船体钢采用超低碳+复合微合金化设计思路，钢的强度和传统钢相当，低温韧性显著提高，-40℃冲击功约为传统钢2倍以上；2）细铁素体+少珠光体组织是新型440MPa级易焊接高强度船体钢的主要组织特征。

开发钢突破了铁素体珠光体组织钢强度极限，充分利用细晶强化+析出强化取代传统钢固溶强化方式，钢的强韧性大幅度提高；
3）大量细小弥散析出的（NbTi）（CN）复合第二相粒子有利于进一步提高新型440MPa级高强度船体钢的强韧性配合；
3）新型440MPa级高强度船体钢焊接性较传统钢显著提高，可以实现0℃焊接不预热。

t8/5≤60s，开发钢模拟焊接热影响区组织主要为板条状贝氏体，焊接粗晶区低温韧性高于50J，在低温以及高温高湿条件下均可以实现不预热焊接。

参考文献
[1]Kitada T., Fukuda, K. Fukushige N., Weldability of Newly Developed TMCP
Type High Strength Steel Shapes for Hull Structure, Nippon Kokan Tech, 1986, 112:69-74.
[2]Konkol P.J., Warren J.L., et al, Weldability of HSLA-65 Steel for Ship
Structures.,Welding Research, 1998, 8:361s-369s.。