周二的作业止裂钢的发展和研究

止裂钢的发展和研究

摘要:上世纪50、60 年代大量发生的船舶结构断裂事故掀起了断裂评定研究热潮。为避免船体结构脆性断裂事故的发生研究人员提出了“止裂”的概念，并相继发展了多种钢板止裂性能评价技术，但研究对象仅限于薄板和中厚板，近年来随着超大型集装箱船的发展，对50 mm 以上厚板止裂性能的评价技术研究又成为热点。

关键字：船用钢；止裂性能；性能研究

abstract：

1引言

上世纪50、60 年代大量发生的船舶断裂事故引起了人们对于船舶结构断裂评定的重视，从保证船舶安全性，防止脆性断裂的角度，要求船舶用钢具有某种级别以上的断裂韧性值。在预计会产生裂纹的部位和有可能发生大规模断裂的重要部位，都采用 E 级钢这类韧性优良的钢材，并且在造船时，严格管理加工和焊接作业。因此，可以说产生脆性裂纹的可能性是非常小的。但是一旦发生脆性裂纹，也要有能力使裂纹的传播停止。关于抑制钢材脆性裂纹传播的性能（止裂性能）已经进行了很多的研究，规定了抑制大型裂纹传播所必需的钢材的Kca （脆性裂纹传播止裂韧性）值为4 000～6 000 N/mm1.5。另外，由于焊接残留应力的作用，从焊接区产生的裂纹会向母材一侧扩展。因此，须通过母材的止裂性能来保证船舶的安全性。但是，这些研究主要针对厚度为50 mm以下钢板，对厚度为60～80 mm[1,2]的船用厚钢板止裂性问题，研究得很少。

我们对船体钢板的两个要求是: 一是应具有一定的抗开裂性能，二是应具有较好的止裂性能，即一旦裂纹产生，材料应具有将其止住的能力。因为绝大多数工程结构要经过焊接, 在焊接区不可避免会存在许多缺陷, 很容易引起裂纹起裂扩展。构件在服役过程中, 这种裂纹以很高的速度进入母材这时再用母材的静态裂纹起裂韧性K Ic来评价结构的断裂风险就不合适了。在这种裂纹起裂不可预测的情况下, 要求母材能够阻止住快速扩展的裂纹。这作为灾难性破坏的第二道防线, 对确保工程结构的安全是十分必要的。因此, 对焊接结构用钢, 止裂性能是

最重要的断裂性能参数, 通常用裂纹止裂韧性K Ia来表示。

从近十年中国造船业占世界造船市场份额的变化可以看出，中国造船业在全球市场上所占的比重正在明显上升，中国已经成为全球重要的造船中心之一。船舶工业是为航运业、海洋开发及国防建设提供技术装备的综合性产业，对钢铁产业的发展起到了带动作用。造船行业主要消费的中厚板和型材钢材等品种，国内钢企基本上可以满足我国造船行业钢材消费的要求。随着今后造船用钢材品种需求的变化，钢铁企业应该对大线能量焊接船板钢、耐腐蚀钢、高强度钢、高止裂性钢板、低温钢、双相不锈钢等品种进行重点关注。近年, 海上运输量的增加推动了船舶向大型化发展, 特别是对于集装箱船来说, 目前正在建造装载量超万箱的超大型集装箱船。随着船舶的大型化，造船用钢板也向厚板化的方向发展。特别是集装箱船，由于其船体结构的要求，在舱口围板、上甲板等部位已经使用厚度达到60～80mm的厚板作为高强度部件。舱口部件的组合已经采用大线能量焊接技术，但是，伴随着钢板的厚板化，要求钢板进一步适应更大的线能量焊接。通常建造中型集装箱船的钢板强度要求能承受355 MPa的应力，而大型集装箱船要求能用于焊接热量输入约40 kJ／mm的1次电渣焊接，板厚约60 mm，能承受470 MPa张力的极厚钢板。极厚钢板在焊接时需要大量的热量，但是热量过高又会对钢板的组织产生影响，损害钢板本身的强度。在大型集装箱船上，随着极厚板的大量应用，脆性裂纹产生的风险也越来越大。一旦在极厚板中出现裂纹，该裂纹将会沿着焊缝不断传播并使裂纹转向母材。另一方面，在满足使用要求的同时，高强度和大厚度使得钢板的受力状态易由平面应力状态转为平面应变状态，材料的抗开裂性能下降。因此，不论是为了阻止焊接熔合区和热影响区产生的脆性裂纹扩展，还是应力状态转变导致的抗开裂性能下降都对材料的止裂性能提出了更高的要求。这就要求开发大型集装箱船用高强度止裂厚板关键技术，同时对材料的止裂性能评价方法进行研究。从保证船舶安全性，防止脆性断裂的角度，要求船舶用钢具有某种级别以上的断裂韧性值。在预计会产生裂纹的部位和有可能发生大规模断裂的重要部位，必须采用韧性优良和止裂性能好的钢材。钢材的止裂韧性是表示材料自身阻止裂纹高速扩展的能力。当构件存在潜在的缺陷或裂纹, 在受到动载及冲击载荷作用时, 裂纹发生高速扩展, 如果材料能在小范围内阻止裂纹的扩展, 就可能防止重大事故的发生, 所以它是靠材料自身阻止裂

纹扩展的能力。

2. 研究内容

1.1成分设计和热机械控制工艺对高强止裂韧性厚板显微结构演变的影响研究

高强度止裂韧性厚板的成分设计及工艺路线必须兼顾防止出现使焊接热影响区韧性变差的粗大奥氏体以及岛状马氏体，同时兼顾止裂性能。因此, 为了开发出确保焊接时热影响区的韧性、同时具有优良脆性断裂止裂性能，要求低碳含量和较低的碳当量。为了降低碳当量和制备成本要求钢中合金元素尽可能低。从确保焊接热影响区韧性并确保止裂特性的观点出发, 作为不依赖添加合金元素的方法, 提高钢止裂性能的有效方法是通过微观组织微细化使韧性提高。热机械控制轧制工艺是制造高韧性高强度钢板的有效方法。通过热机械控制处理等工艺引入位错等相变核心来细化晶粒。为了研究成分设计和热处理工艺对高强止裂韧性厚板性能的影响，并最终确定成分设计方案和优化工艺路线必须对成分设计和热处理工艺对高强止裂韧性厚板显微结构演变的影响进行研究。

1.2织构组织对厚板止裂性能的影响评估

已有研究认为，织构组织不同可使夏氏冲击韧性相同的钢材止裂性能产生很大的差异，具有发达的铁素体加工织构和相变织构的钢板，其止裂性能会有进一步的提高。为了优化高强度止裂厚板的成分设计及工艺路线有必要对织构组织对厚板止裂性能的影响进行评估。热机械控制轧制工艺是制造高韧性高强度钢板的有效方法，可以有效地细化晶粒并控制钢板中的织构组织。但是对厚板来说, 钢板内部的轧制温度不均匀，不能简单按传统的热机械控制轧制的道次设定仅考虑通过表面温度控制终轧道次实现。为了实现高强度止裂韧性厚板的工艺路线进行优化首先要对织构组织对厚板止裂性能的影响进行详细的评估。因为形成发达的织构组织需要更高精度的控制轧制和低温轧制，通过控制轧制条件的最佳化，即奥氏体再结晶区、未结晶区以及更低温度区的轧制分配和严格的轧制管理来获得晶粒细化并控制晶粒取向差为15°以上的大角晶界，使厚钢材的止裂性能得到提高。另外，为了使高强度和高止裂性能兼备，采用了轧后加速冷却工艺。

日本钢管公司( NKK) 最近开发出具有高强度和良好焊接性能的高张力厚钢