特殊钢冶金学

2015级研究生《特殊钢冶金学》作业姓名：学号：专业：冶金工程学院：冶金与生态工程学院成绩：__________________2015年1月22日高强度船板钢的性能发展方向研究（北京科技大学，北京100083）摘要：概述了近年来高强度船板钢的重点研发领域一低温韧性、优良耐腐蚀性、大线能量焊接性、疲劳性能等研究,介绍了最新高强度船板钢的研究和开发特点,生产典型高强度船板钢的关键技术。当前船板钢的开发趋势为通过低、高、复合微合金化、控轧控冷工艺和表面技术生产高强度、高韧性、耐腐蚀和制造工艺性能优良的船用钢板。关键词：特殊钢；船板钢；性能PerformancedevelopmentdirectionofhighstrengthshipplatesteelresearchSunXiao(TheUniversityofScienceandTechnologyBeijing,Beijing10083)Abstract:Thestudyofalow-temperaturetoughness,excellentcorrosionresistance,highheatinputwelding,fatigueperformanceandotherkeyareasofresearchanddevelopmentinrecentyears,high-strengthshipplatesteel,introducesthefeaturesofthelatestresearchanddevelopmentofhigh-strengthshipplatesteelproductionthekeytechniquestypicallyhighstrengthshipplatesteel.Currentdevelopmenttrendshullsteelthroughlow,high,complexmicro-alloying,controlledrollingandcoolingtechnologyandsurfacetechnologytoproducehigh-strength,hightoughness,corrosionresistanceandexcellentperformanceofthemanufacturingprocessofshipbuildingsheetmetal.Keywords:specialsteel;shipbuildingsteel;performance1.引言船舶的大型化、高速化以及海洋油气田的开发,为高强度船用钢的应用提供了广阔的前景,同时,为了保证船舶的安全航行和使用的可靠性,从强度、韧性、疲劳性能、焊接性以及耐腐蚀性能方面,也对船用钢提出了更高的要求。因此,世界各大钢铁企业也在不断地进行满足不同性能要求船板钢的研发。本文主要对年公开的高强度船用钢专利进行分析,揭示其研发现状和发展趋势。2013年，中国国家海洋局发布了《国家海洋事业发展“十二五”规划》［1］。在规划中明确提出:作为发展中的海洋大国，我国在海洋有着广泛的战略利益。随着经济全球化的发展和开放型经济的形成与深化，海洋作为国际贸易与合作交流的纽带作用日益显现，在提供资源保障和拓展发展空间方面的战略地位更为突出。“十二五”期间是我国海洋事业发展的关键时期，未来将向深海和远海发展。着力提升海洋开发、控制和综合管理能力，统筹海洋事业全面发展，是保障国家“走出去”战略实施的重大举措，对于促进沿海地区经济社会发展、国民经济发展方式转变，具有重大的战略意义。以国际海事组织制定的性能标准为主导，世界各国围绕海洋耐蚀钢开展了腐蚀机理、腐蚀过程的研究，其中油船货油舱用耐蚀钢是近10年来国际上研究和开发的重要钢铁新品种。在该领域，日本走在世界前列，乌克兰与俄罗斯有其技术特色海洋，中国对海洋耐蚀钢的研究应用相对滞后。随着海洋耐腐蚀钢替代标准不断得到认可，将逐渐取代涂层钢成为海洋腐蚀保护方式的主流。本文重点分析了油船货油舱用耐蚀钢和耐海水腐蚀钢这2大类低合金高强度钢的发展现状及需求，不涉及不锈钢、特种合金等钢铁材料。[2]2.高强度船板钢开发工艺2.1提高抗断裂性能为了适应提高抗断裂可靠性的要求，各钢厂花费很长时间开发出了高强度高韧性钢，并对其制造工艺进行了改进，特别是从20世纪60年代开始，开发了控制轧制法。到1980年，日本借助实用化的契机，采用世界上推广的加速冷却技术（以下将控制轧制法与加速冷却法合并简称为TMCP），使厚板基体的强度、韧性得到大幅提高。另外，根据TMCP工艺，同级别强度的厚板，由于碳当量的降低，可进行免预热焊接，从而改善钢的焊接性，使船舶制造的生产效率大为提高。碳当量的降低，也使焊接热影响区（HAZ）的韧性大幅提高[3]。另外，通过化学成分和TMCP工艺的组合控制，钢厂还开发出了适用于大线能量焊接的高HAZ韧性钢。尽管不同钢厂采用不同的HAZ韧性改善技术，但通常的做法是改善TMCP条件，降低碳当量，细化母材组织，使HAZ中的氮化物、氧化物、硫化物等弥散分布，使其组织细化。从应用方面来说，该工艺方法也适用于大线能量焊接的焊接材料和造船用外板沿纵向高效焊接的装置。因为脆性裂纹大部分发生在焊接接头，所以防止裂纹沿焊接接头向外扩展非常重要。过去，在板厚40毫米以下的造船用钢上进行的焊接接头大型止裂性能试验中，受焊接残余应力的影响等因素，可使沿焊接接头扩展的脆性裂纹向母材一侧的扩展停止。然而，与薄钢板的情况不同，对于板厚超过40毫米的厚钢板，进行同等大型试验后发现，裂纹沿焊接部位向基体内扩展，裂纹传播并未停止。另外，对没有焊接部的基体部分进行试验，也发现有裂纹传播的发生。为了阻止脆性裂纹的传播，板厚越大，要求钢材具有越高的夏比冲击功。据研究对于具有很高止裂性能的造船用钢材，其表面晶粒尺寸为2微米的细晶粒厚板（HIAREST钢）已实现商用化。这种钢材具有在-10℃温度下超过10000N/mm1.5（板厚25mm）夏比冲击功的超高止裂性能。采用特殊的制造工艺，可以制造最大板厚为50mm的造船板。对于超大型集装箱船的制造，有必要开发高强度大板厚的高止裂性钢。为了适应这种需求，屈服强度（YP）达到460N/mm2，具有高止裂性能的造船用钢EH47已实现商用化。这样，采用TMCP技术实现母材组织细化的同时，采用HAZ组织控制技术，可以对超过50mm板厚的钢板进行一次性大线能量焊接。这样的厚板是在钢铁企业和造船企业合作的基础上开发的。[4]2.2提高抗疲劳性能疲劳裂纹大多发生在焊接接头。如果焊接接头存在与屈服强度相当的残余拉应力，那么焊缝末端就会成为应力容易集中的区域。因此，即使实现了母材的高强度，由于焊接接头疲劳强度很低，也存在很多无法达到高强度效果的情况。虽然也曾进行了很多有关抑制焊接接头疲劳裂纹的研究，但是到现在还未找到有效的办法。相反，关于通过改善焊接材料和对焊接接头进行焊后处理，从而有效抑制裂纹发生的研究却比较多。通过TIG（钨极氩弧）焊，改善焊缝端面形状，来抑制裂纹发生的方法已被广泛采用。另外，控制焊接材料的相变温度，在焊接状态下施加残余压应力，使疲劳极限的提高成为可能。焊接接头的焊后处理法可通过采用机械碾压，改善焊缝端面形状，从而降低应力集中的方法[5]。如锤击等是对焊缝施加残余压应力的方法。其中值得注意的是将27kHZ左右的超声波通过转锤交替机械震动击打在钢材试样表面的方法，即通过实施与机械碾压等效的处理，改善了焊缝端面形状，从而获得与锤击处理相当的残余压应力。击打的方法可以改善表面层的金属组织等，从而提高疲劳强度。疲劳裂纹的扩展，可根据钢材的不同，采用不同方法加以抑制。例如，YP为36kg/m2（1kg/m2=98.1kPa）级别的厚板已经实现商用化[6]。另外还有采用TMCP工艺进行细化组织控制的研究，如贝氏体在铁素体中的粒状分布，以及铁素体和珠光体的细粒弥散分布。此外，使铁素体中的马氏体呈条状分布也是一个有效的方法。硬质的马氏体能够作为裂纹扩展的障碍物，可以使裂纹不分向、不绕回，这样，裂纹在板厚方向的扩展速度就可降低到普通钢材的五分之一。2.3提高耐腐蚀性能耐腐蚀性能的提高也是确保安全性的重要因素。调查研究表明，高船龄的船舶损伤一般来说是腐蚀损耗所致。腐蚀是材料与环境相互作用的结果，特别受到货物种类和构造以及运输环境等复杂因素的影响。很多情况下，在船舶的内部环境中，腐蚀现象的发生还没有从技术上得到明确。根据多项研究结果，船舶天井部甲板后部的腐蚀损耗事实上是因原油中硫化氢气体和防爆气体中含有的水蒸气、氧气、二氧化碳以及因昼夜温度变化引起的干湿交替所致，实际腐蚀情况比较轻微，腐蚀速度约为0.1毫米/年[7]。另外，还因大量污泥腐蚀产物以及对现场情况产生误解而引发了一些问题。后来，明确了这种污泥实际上是由于原油中含有的硫化氢析出固态硫而产生。另一方面，底部发生的腐蚀，如以最大的4毫米/年速度发生的局部腐蚀，以及近年来出现的双室（DH）化等也成为显著问题。原油油槽（COT）底部形成了较厚的油覆盖层，这种被油覆盖的钢材不易发生腐蚀。然而，由于原油油轮定期采用COT内部的高压原油清洗，从而损伤了油覆盖层。特别是，由于在COT底部，DH底板部因直接被高压原油冲刷而产生的损伤部位较多，可以预见，会有明显的腐蚀发生。另外，COT内的原油中，由于油井中存在的高浓度岩盐和溶解的地下水混合在一起，这些岩盐在原油输送过程中析出后滞留在底部，成为底板部腐蚀的主要原因。以上述研究为基础，在各钢厂形成了对耐腐蚀成分的多种探讨结果，从而拓展了原油储罐用耐腐蚀钢的品种。这种耐腐蚀钢在实际船舶上的使用结果也已公开。适用于30万吨级VLCC的COT底板全体，在全部的15个储罐内部及6个储罐中被无涂装使用[8]。航行2～3年后发现，与传统钢材中需要修补较多的4毫米～10毫米深的局部腐蚀坑相比，本次使用的耐腐蚀钢中没有明显需要修补的局部腐蚀部分。根据其他相关研究，可以推定，在整个船龄寿命期间，无须进行钢板修补。除此之外，各钢厂也在进行对新开发耐腐蚀钢在实际船舶中的使用。可以预见，耐腐蚀钢的各种应用优势会逐渐明朗化。有关船舶腐蚀问题的对策在IMO被采用，并且正在逐步规范化[9]。去年，压舱水箱的涂装标准已得到批准。另外，油轮的原油储罐的强制性涂装也正在讨论中。伴随与油轮防腐蚀相关的技术选择的增加，如果耐腐蚀钢的应用成为可能，那么提高船舶制造的生产率，降低成本以及减轻环境压力等就可能实现[10-11]。3.结语海洋耐蚀钢研究与开发的关键技术包括:中厚板与特厚板的纯净度控制技术(尤其是超低S的控制)、腐蚀性夹杂物(MnS和nCaOmAl2O3等)控制技术、铸坯中心偏析控制技术、特厚板的轧制技术与工艺、中厚板与特厚板的焊接性评定与焊接工艺、以及配套焊接材料的研究与开发等。海洋耐蚀钢研究与开发的核心科学问题主要包括:新型易焊接海洋耐蚀钢厚板与特厚板的设计理论与原理，海洋耐蚀钢厚板与特厚板均质化、细晶化、高韧化机理，海洋耐蚀钢厚板与特厚板高效高可靠性焊接冶金原理，海洋工程厚板与特厚板以及焊接接头的耐蚀机理，包括在我国南海高湿热和海洋微生物等特殊环境下的腐蚀机理等。参考文献[1]中国市场情报中心．2008年中国造船业市场研究报告［R］．北京：2008[2]龚维幂，杨才福，张永权．钒氮钢中的晶粒细化研究［J］．钢铁研究学报，2006，19（10）：49[3]沈伯雄，吴春飞，史展亮，周元驰，梁材，郭宾彬，王瑞.船板钢应用性能分析[J]材料进展，2007，26(1)：82-85.[4]王乔力.船板钢力学性能的研究：[硕士学位论文]，天津：天津大学，2007[5]蔡文娟，刘耀鑫，杨天华，李润东．钢材高温下性能研究［J］．沈阳航空工业学院学报，2010，27(3):71-76．[6］靳利娥，刘岗，鲍卫仁，曹青．船板钢耐腐蚀性能研究［J］．材料化学学报，2007，35(5):534-538．[7]贺宏奎，王文亮，常建民.TG-FTIR研究钢材在海水中腐蚀特性[J].材料化学学报，2014，42（7）：80