超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的開發(fā)現(xiàn)狀與趨勢

雷玄威，黃繼華，陳樹海，趙興科

(北京科技大學材料科學與工程學院，北京 100083)

船體結(jié)構(gòu)鋼是特指按船級社建造規(guī)范要求生產(chǎn)的用于制造船體結(jié)構(gòu)的鋼材.按照船體結(jié)構(gòu)鋼的最小屈服強度劃分，分為一般強度結(jié)構(gòu)鋼、高強度結(jié)構(gòu)鋼和超高強度結(jié)構(gòu)鋼.超高強度結(jié)構(gòu)鋼是指強度等級大于420 MPa級別且韌性良好的船舶用或海洋平臺用結(jié)構(gòu)鋼.船舶的大型化、高速化以及海洋油氣的開發(fā)，為超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼提供了廣闊的應用前景.超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的使用最直接的效果是減輕船體自重，增加船體的載貨量、提高航速，符合海洋貿(mào)易對船體輕量化的要求，是船體用鋼的發(fā)展趨勢.另一方面，超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的使用也增加了船體自身的安全性，提高了船體抗突發(fā)事件的能力.本文主要針對超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼自身特點，結(jié)合國內(nèi)外超高強度船體結(jié)構(gòu)用鋼的發(fā)展，論述了超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的強韌化方向，為超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展提供思路與技術參考.

1 超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的性能及其提高方式

1.1 強度及其強化方式

中國船級社(CCS)《材料與焊接規(guī)范》對超高強度船體結(jié)構(gòu)用鋼的強度等級劃分如表1所示［1］.鋼的強化方式有5種:固溶強化、析出強化、相變強化、細晶強化和形變強化.其屈服強度大小可用修正的Hall-Petch公式進行估算，

式中:σ0代表純鐵的摩擦應力;σP代表析出強化，σS代表固溶強化，σρ代表相變強化，σD代表形變強化，kHPd－1/2代表細晶強化(kHP為常數(shù)項，d 為晶粒尺寸).可見鋼的屈服強度是各種強化機理的疊加，而事實上高強鋼的各種強化機理只有一種或兩種對鋼屈服強度的貢獻占主導作用［2－3］.

表1 超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的力學性能［1］

超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)通常采用TMCP(Thermo Mechanical Control Process)工藝［4］，此工藝的特點是通過在再結(jié)晶區(qū)的軋制，在晶內(nèi)產(chǎn)生大量位錯，從而有利于再結(jié)晶組織在晶內(nèi)的形核，細化奧氏體晶粒，從而提高超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的強度等級.同時，微合金元素如 Nb、V、Ti等，可以形成微細的夾雜物粒子.這些夾雜物粒子在高溫過程中釘扎奧氏體晶界移動而細化晶粒［5－6］，在中溫相轉(zhuǎn)變時誘發(fā)針狀鐵素體在奧氏體晶內(nèi)的形核，從而細化組織［7－8］，提高超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的強度等級.因而細晶強化是超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的主要強化方式之一.

超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的交貨狀態(tài)通常為回火態(tài)或控制軋制態(tài)［1，4］.回火態(tài)的組織為回火貝氏體加回火索氏體［9］或少量針狀鐵素體加粒狀貝氏體［10］.控制軋制態(tài)以慢速冷卻得到最終組織，其組織以細密的粒狀貝氏體［11］、針狀鐵素體加粒狀貝氏體［12］、粒狀貝氏體加板條貝氏體［13］為主.針狀鐵素體組織本身就具有一定的強韌性，加之其能有效分割晶粒、相互之間保持大角度的晶界［14］，其形成能促進超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼強度提升的同時大幅度提高韌性.在粒狀貝氏體組織中分布著許多細小的M/A小島，這些小島可以起到復相強化作用，使粒狀貝氏體表現(xiàn)出較好的強韌性［15］.板條狀貝氏體中鐵素體貝氏體板條非常細小，且先后長大的貝氏體板條會形成“互索”結(jié)構(gòu)［16］，特別是下貝氏體板條可起到分割奧氏體晶粒作用［17］，表現(xiàn)出良好的強韌性.帶有良好韌性的高強鋼的組織發(fā)展，一般從鐵素體加珠光體為主型轉(zhuǎn)向針狀鐵素體或貝氏體為主型，最后轉(zhuǎn)向雙相組織(如貝氏體加馬氏體)型［18］.不同組織類型表現(xiàn)出的力學性能存在較大差異，超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼隨著強度等級的逐步提高，其組織類型必然發(fā)生較大改變，向貝氏體或雙相組織轉(zhuǎn)型.因而相變強化也是超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的主要強化方式之一.

固溶強化是溶質(zhì)原子溶入基體中引起的強化，析出強化是通過基體高溫時形成的呈細小彌散分布的第二相質(zhì)點引起的強化，形變強化是通過增加內(nèi)應力的方式來引起基體強化.這3種強化方式都會引起基體晶格畸變，阻礙位錯移動.而過多的晶格畸變會造成晶體的應力集中，在經(jīng)受外力沖擊時，更易產(chǎn)生裂紋，即使韌性降低.這3種強化手段在提高強度的同時，對超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼韌性有不利的影響.但一定量的固溶強化元素的加入可以降低相變溫度，起到細化組織的作用，改善韌性，因而固溶強化也是超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的主要強化方式之一.而過多析出相與內(nèi)應力的增加會降低超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的焊接性，使其后期的焊接工藝的實施成為難點之一，因而析出強化與形變強化的引入需綜合考慮超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的自身特點與焊接性.

1.2 韌性及其韌化方式

超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼要求在滿足足夠強度的同時，還要求其具有相應良好的韌性.中國船級社將滿足不同溫度沖擊韌性要求的同一強度級別的船體結(jié)構(gòu)鋼分為A、D、E、F的4個鋼級，高強度船體結(jié)構(gòu)的沖擊性能如表1所示.

相變強化與細晶強化能有效提高超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的韌性.聯(lián)鎖的針狀鐵素體組織、細小的貝氏體板條束與彌散分布的細小M/A島都是具有極好韌性的組織［15，19］.而細化有效晶粒尺寸是提高鋼的韌性的最佳方法之一［20］.通過控制高溫時形成的奧氏體晶粒尺寸，再利用相變細化奧氏體晶粒，同時生成具有良好韌性的細小組織，這種結(jié)合相變韌化與細晶韌化的方法能很大程度地提高超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的韌性.

另外，為提高超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的鋼級，需要降低其韌脆轉(zhuǎn)變溫度.高的潔凈度與合金元素Ni的加入是其中有效方法［20－21］.高的潔凈度可通過降低鋼中S、P的含量，或者使其以細小粒子的形式在鋼中析出而得到.合金元素Ni含量越多越有利于低溫韌性的提高，但Ni的加入量需要考慮鋼中總的合金元素的含量，防止脆性組織生成.

1.3 焊接性要求及其解決方式

根據(jù)中國船級社的標準，超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的焊接接頭的性能需滿足表2的要求［1］.為滿足高強高韌的特點，超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的成分與組織設計有其自身特點.表3是超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼需滿足的一般化學成分要求［1］，表4是幾種超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的化學成分［9，11－12，22］.可見，低C含量、較高的Mn含量、超低S和低P含量、微合金化以及較低的碳當量是超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼成分設計的主要特征.鋼的焊接性常用碳當量或裂紋敏感系數(shù)來衡量［1］.

表2 超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼接頭的力學性能［1］

表3 超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼需滿足的化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)［1］

表4 幾種超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)

超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的碳當量(質(zhì)量分數(shù))通常保持在0.42% ～0.50%.采用低的碳含量顯著降低了碳當量，保證了超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的焊接性.利用微合金化所形成的粒子，如Nb與Ti加入所形成的碳氮化物，這些粒子在經(jīng)歷1 400℃高溫時也不會發(fā)生完全溶解［23］，可釘軋晶界，抑制熱影響區(qū)奧氏體晶粒長大［24］.通過微量元素的加入，抑制晶界鐵素體在奧氏體晶界的析出，有利于良好性能組織的獲得.控制焊接冷卻速度，獲得針狀鐵素體+細小粒狀貝氏體或少量針狀鐵素體+板條狀貝氏體組織，優(yōu)化組織中M－A島形態(tài)與數(shù)量，得到強韌性良好的組織，可以進一步提高熱影響區(qū)性能.超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的成分設計與生產(chǎn)工藝很大程度上決定了其焊接性能，合理優(yōu)化成分與生產(chǎn)工藝，是保證其良好焊接性的關鍵因素.而后期優(yōu)化和改進的焊接工藝只是最大程度的展現(xiàn)了其良好的焊接性能.

2 超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展

2.1 超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)工藝

超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)工藝由傳統(tǒng)的TMCP工藝發(fā)展和演變而來.超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的TMCP工藝的粗軋溫度通?？刂圃? 000～1 050 ℃［9，11］，主要是通過大道次壓下量，使形變充分滲透至板坯心部，以便于奧氏體進行充分的再結(jié)晶.精軋階段的溫度通?？刂圃?00～900 ℃［9，11］，使之形成盡可能多的位錯及變形帶，為后續(xù)相變的組織提供更多的形核位置.

超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)工藝通常有以下幾種，如圖1所示.

1)采用快速冷卻的TMCP工藝.此工藝能較好地控制析出粒子尺寸與轉(zhuǎn)變組織，得到的組織具有較好的綜合性能，適合強度等級不高、低溫韌性較好的超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)，如E420、E460［25，9］.

2)TMCP+AcC工藝.此工藝在加速冷卻階段能形成更為細小的組織，可進一步提高超高強船體結(jié)構(gòu)鋼的強度與韌性，因而適合強度等級較高、低溫韌性良好的超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)，如F460、F550［26，11］.

3)TMCP+QT/DQT工藝.此工藝或是通過TMCP工藝后再經(jīng)過淬火+回火熱處理，或是TMCP工藝直接淬火后回火.該工藝的特點是能通過淬火與回火得到強度與韌性俱佳的組織，結(jié)合細晶強化與相變強化的優(yōu)勢共同提高超高強船體結(jié)構(gòu)鋼的性能，適合強度等級更高的超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)，如 F550、E690［10，27－28］.

4)特殊生產(chǎn)工藝.特殊的生產(chǎn)工藝是在結(jié)合超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的成分設計與性能要求的基礎上，對傳統(tǒng)TMCP工藝進行優(yōu)化與改進而形成的新的生產(chǎn)工藝.圖1(d)是日本JEF公司用于細化高強高韌結(jié)構(gòu)鋼奧氏體晶粒的生產(chǎn)工藝，此工藝的特點是在未再結(jié)晶區(qū)累計下壓率大于40%，然后回溫到Ar3溫度以上，再結(jié)合快速冷卻得到晶粒細小的室溫組織［29］.圖1中FC表示快速冷卻;AcC表示加速冷卻;AC表示空冷.此生產(chǎn)工藝強化了細晶對高強高韌結(jié)構(gòu)鋼強度與韌性的影響，對超高強船體結(jié)構(gòu)鋼新的生產(chǎn)工藝的開發(fā)有借鑒與指導作用.

圖1 超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)工藝

2.2 國外超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼

國外船舶用超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展方向?qū)鴥?nèi)超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展方向具有啟示與指導意義.以美國超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展為例，分析與研究美國開發(fā)的超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的特征，為國內(nèi)超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展提供參考與指導

2.2.1 超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼HY系列

美國研制出的船舶用超高強度船體結(jié)構(gòu)用鋼HY80、HY100 和HY130［30］以及后期開發(fā)的用于取代 HY80 和HY100 的HSLA80 和HSLA100［31－32］，強度等級達到550～890 MPa.HY系超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的最終處理狀態(tài)為淬火+回火態(tài)［33－35］.表5為幾種HY系列超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的化學成分［33－34，36－37］.從化學成分可以看出，為保證 HY 系列超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的高強與高韌的特性，高Ni含量是其特點之一.許多學者提出，在提高高強鋼韌性的過程中，Ni的加入量需受控于鋼中Mn的含量［38－39］.BHOLE等［39］通過對比幾組不同 Mn、Ni含量(質(zhì)量分數(shù))的焊縫性能發(fā)現(xiàn)，當鋼中Mn含量為1.6%時，其Ni的含量為1.02%時，鋼具有更好的韌性.EVANS等［40］提出當 Mn含量為1.4%時，Ni含量應不超過2.25%.究其原因，總量過高的Mn與Ni含量會增加脆性組織的轉(zhuǎn)變，不再利于韌性的改善.國內(nèi)超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼采用的是高Mn與低Ni的成分設計，而HY系列超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼為低Mn高Ni的成分設計.而除Mn、Ni外，HY系列超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼還采用高固溶強化元素Cr的設計.

從表5的化學成分可以計算出HY系列超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的碳當量值約在0.7% ～0.8%，裂紋敏感系數(shù)大約在0.30% ～0.35%，即HY系列超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的焊接性較差.這必然會限制其生產(chǎn)應用.其焊接性的改良在時代背景下也應運而生.

表5 HY系列超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)

2.2.2 超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼HSLA系列

HSLA系列超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的生產(chǎn)工藝為熱機械處理+回火/退火［35，41－42］，表6為幾種 HSLA系列超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的化學成分［35，43－44］.對比同等級的HY系列鋼，改良后的HSLA系列鋼降低了碳當量與裂紋敏感系數(shù).在降低C含量的同時，HSLA80鋼相比HY80鋼增加了Mn、Mo、Cu含量，降低了Ni、Cr含量，總的碳當量和裂紋敏感系數(shù)分別降到大約0.44 ～0.65 和0.2 ～0.3.HSLA100 鋼相比 HY100鋼增加了 Mn、Mo、Ni、Cu 含量，降低了 Cr含量，但其碳當量與裂紋敏感系數(shù)只得到很小的改善.焊接性的改善的同時，HSLA系列鋼的合金元素也進行了優(yōu)化.Cu含量的大幅提高也是HSLA系列超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的特征之一，高的Cu含量可以促進微細Cu粒子在熱機械處理過程中及(或)回火過程中的析出［45－46］.可見HSLA系列超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼增加了其析出強化.

不同的強化方式也使得HSLA系列鋼與國內(nèi)高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的組織類型不同.HSLA80主要為針狀鐵素體組織，HSLA100為板條狀的貝氏體與馬氏體組織［43］.可見HSLA100高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的組織已轉(zhuǎn)變?yōu)殡p相組織.

表6 HSLA系列超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)

2.3 國內(nèi)超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼

以某鋼廠試制的E690和F550為例［47］，探討國內(nèi)超高強船體結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展.E690的生產(chǎn)工藝采用熱機械處理加回火工藝，得到的組織主要為粒狀貝氏體加少量鐵素體.F550的最終處理狀態(tài)為淬火+回火態(tài)，組織為回火馬氏體.其E690和F550 的化學成分見表7［47］，可見高的Cu含量是其特點之一，即加強了析出強化，這也預示著國內(nèi)超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展方向.為減少析出強化對韌性的損失，除較高的Ni含量的設計，微細組織的控制也是此E690和F550鋼的關鍵因素.

表7 超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼E690和F550的化學成分(質(zhì)量分數(shù)/%)［47］

2.4 超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的焊接性

因高效焊接生產(chǎn)的需要，超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的開發(fā)在大線能量焊接思想指導下進行.在大線能量焊接條件下，熱影響粗晶區(qū)具有強烈的長大傾向，且因其較為緩慢的冷卻速度和低的過冷度，易生成晶界鐵素體組織并造成后續(xù)生成的貝氏體組織粗大.微合金化粒子的釘軋及合金成分的優(yōu)化在很大程度上降低了大線能量焊接對超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼焊接性能的影響，使其熱影響區(qū)表現(xiàn)出較為理想的性能.在線能量輸入50 kJ/cm(傳統(tǒng)工藝下對應相變冷卻速度約為5℃/s)下，E690粗晶區(qū)的最大晶粒尺寸控制在約40 μm以內(nèi)，并得到以板條貝氏體及部分粒狀貝氏體為主的組織［48］.同時，圖2是一種超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼F550的SHCCT曲線及其組織轉(zhuǎn)變比例圖，可以看到，在較大的冷卻范圍內(nèi)(＞2～3℃/s)可得到主要為貝氏體的轉(zhuǎn)變組織［6］.超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼因其自身強度設計的富余及生產(chǎn)工藝、成分設計的優(yōu)化、粗晶區(qū)的組織控制，其熱影響區(qū)的強度等級能得到很好的保證，其關鍵問題在于經(jīng)受高溫熱循環(huán)后韌性的下降，因而焊接工藝的實施成為實現(xiàn)其良好焊接性的重要因素.焊前預熱、焊后回火處理及快速冷卻工藝成為實現(xiàn)其良好韌性的重要手段.F550采用焊后回火工藝，使其粗晶區(qū)－60 ℃平均沖擊功從66.7 J增加到180.7 J，且伴隨焊前預熱，其沖擊功的穩(wěn)定性增加［47］.采用快速冷卻的工藝，E690粗晶區(qū)及熱影響區(qū)寬度減小的同時，使粗晶區(qū)的最大晶粒尺寸減小到約25 μm以內(nèi)，貝氏體板條的寬度變小，因而粗晶區(qū)的－40 ℃平均沖擊功提高到120 J［48］.可見當前開發(fā)的高等級超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼具有良好的焊接性.

圖2 超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼F550的SH-CCT曲線(a)及組織轉(zhuǎn)變比例圖(b)［6］

2.5 超高強船體結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展方向

國內(nèi)外超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼在增加強度等級、保證較為理想的碳當量值時，強韌化方式的改善是超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的發(fā)展方向，其中析出強化項貢獻的提高預示著超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的整體發(fā)展方向.

根據(jù)Gladman理論，Ashby-Orowan模型可用來計算析出強化的大小，其表達式為［49］

式中:μ為剪切系數(shù)(對于鐵素體，其值為80.26×103MPa);b為柏氏矢量(取2.5×10－7mm);r為粒子半徑;Ф為析出相體積分數(shù).超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼在完成成分設計后，因鋼中析出元素有一定的固溶度，析出粒子的最大析出量Ф必然是一個定值.由上式可見，Ф一定時，析出粒子尺寸越小(即形核位置越多)，析出強化越大.而粒子在實際析出過程中，先形核后長大，為最有利于析出強化項的增加，需在提高析出粒子形核率的前提下，讓析出粒子具有最大的析出量.

單位時間在單位體積內(nèi)析出粒子的形核數(shù)量N 與下式有關［50］:

式中:ΔG*為臨界形核功;Q為擴散激活能;k為玻爾茲曼常數(shù);T為溫度.可見臨界形核功或激活能越小，N越大.在提高析出粒子形核率的同時，粒子的析出量可以用JMA(Johnson-Mehl-Avrami)方程描述［51］

式中:Ф(t)為析出粒子體積分數(shù);K為反應速度;t為保溫時間;τ為粒子析出的孕育時間;n為與析出粒子形核與長大有關的常數(shù);K0為指前常數(shù).可見，可以通過對析出溫度與時間的控制來控制析出粒子總量.

超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼中引入的析出強化粒子可表現(xiàn)為以下幾種形式.

1)Cu析出粒子的優(yōu)化.目前開發(fā)的超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼引入的析出強化粒子為Cu粒子，前人對Cu粒子的研究比較深入.Cu粒子析出的激活能與鋼的組織類型、變形程度和化學成分有關［52］.滲碳體等具有較高界面的組織能加大Cu在界面的偏聚，降低Cu粒子析出的激活能［52］;熱機械變形或冷變形的加劇為Cu粒子的析出提供了高能位錯與缺陷，也降低其析出的激活能［46，53］.合金元素的影響，如Mn與Ni的加入，可降低Cu粒子的臨界形核功［54－55］.提高這3種因素的影響，最終會增加Cu粒子的形核率，有利于提高Cu粒子的析出強化.含量較高的Cu元素在高強鋼中的加入，也可以同時增加奧氏體的穩(wěn)定性，降低轉(zhuǎn)變溫度，從而細化轉(zhuǎn)變組織，對細晶強化起到一定的貢獻作用.圖3為綜合Ni與Cu元素對鋼的屈服強度的影響示意圖［56］.

2)化合物析出粒子.左龍飛等［57］通過對一種800 MPa級低碳貝氏體鋼熱處理工藝的研究，采取較高的回火溫度時，鋼中會析出大量的Nb、Ti的碳氮化物，這些化合物的尺寸約在10～20 nm，其對析出強化的貢獻可達233 MPa.Nb、Ti的增加不會引起鋼碳當量的增加，細小的Nb、Ti的碳氮化物在經(jīng)受焊接熱循環(huán)過程中起到細化晶粒的作用，且碳化物的形成，阻礙了C原子的擴散，可以降低相轉(zhuǎn)變溫度，同樣起到細化組織的作用.湯浩等［58］采用真空電磁攪拌熔煉，向含氧量一定的低碳低合金鋼液中陸續(xù)溶入一定量的Ti元素，利用電磁攪拌的離心力，使之形成細小的鈦的氧化物粒子向四周擴散，達到較均勻的分布，同時在擴散過程中因鈦的氧化物粒子不易長大，因而冷卻后最終在鋼中形成了細小彌散分布的納米鈦的氧化物粒子(平均尺寸為6.7 nm).此氧化物粒子在高溫時可以抑制奧氏體長大，除析出強化(貢獻約183 MPa)，也極大地起到了細晶強化作用，因而能極大程度地改善力學性能.圖4為析出的納米鈦的氧化物粒子.

3)雙相析出粒子.GUO等［59］研究了回火處理下低碳鋼中Cu與Nb同時加入對析出物的影響，發(fā)現(xiàn)大量的Cu粒子與Nb的碳氮化物粒子各自單獨分布，Cu粒子尺寸約為28 nm，Nb的碳氮化物粒子約為7 nm，同時發(fā)現(xiàn)Nb的加入會促進Cu粒子的析出與粗化，且Nb的碳氮化物粒子對析出強化的貢獻效果占主導地位.圖5顯示了此兩種不同的析出粒子.

圖3 Ni與Cu元素對屈服強度影響的示意圖［56］

圖4 析出的納米鈦的氧化物粒子［58］

圖5 兩種不同的析出粒子(箭頭所示為Nb的碳氮化物析出粒子)［59］

超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼要求高的強度與韌性的結(jié)合，析出強化的引入在一定程度上不利于韌性的提高，而析出粒子對細晶強化與組織轉(zhuǎn)變的優(yōu)化，在一定程度上可以改善其析出粒子對韌性的影響.提高析出強化項帶來的細晶強化效果與組織優(yōu)化效果必然是超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼引入析出強化的發(fā)展與優(yōu)化方向.混合或多相析出強化粒子的引入與優(yōu)化，或是一個重要研究方向.

3 超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼開發(fā)的技術難點

當超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼主導的細晶強化與相變強化達到一個較為理想的狀態(tài)時，等級的繼續(xù)提高則依賴于其他強化項的貢獻，如固溶強化與析出強化.提高固溶強化，意味著合金元素的優(yōu)化和(或)合金總量的增加，但高的合金含量易帶來位錯的偏聚，降低韌性.析出強化的貢獻依賴于強化相的尺寸分布與數(shù)量，其對韌性的影響與其性質(zhì)及其與基體的結(jié)合力等因素有關，但總的來說也造成韌性的降低.雖然繼續(xù)提高超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的潔凈度與提高合金元素Ni的含量等對韌性會起到改善作用，但如何調(diào)節(jié)強化項帶來的韌性損失與改善作用帶來的韌性提高是超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼開發(fā)的技術難點之一.

超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的另一技術難點是滿足高效焊接的需要及優(yōu)質(zhì)接頭的獲得.強化方式的適量調(diào)整也對焊接熱影響區(qū)的韌性造成嚴重影響.因而保持良好的焊接性也是超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼開發(fā)的技術難點之一.

4 結(jié)語

1)低C、較高的Mn含量、超低S和低P含量及微合金化是超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼成分設計的基本原則.超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼的強韌化方式以細晶強化、相變強化和固溶強化為主，析出強化為輔.隨著其強度等級的提高，強化方式的改善以析出強化的提高為明顯特征.

2)細晶強化和相變強化及后續(xù)考慮引入的析出強化與生產(chǎn)工藝的有效結(jié)合是獲得超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼高強度、高韌性的主要技術手段.綜合考慮析出粒子的引入帶來的細晶強化效果、組織優(yōu)化效果與析出強化效果對韌性的影響是超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼開發(fā)的技術難點之一.配合超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼強化方式的調(diào)整，保持良好的焊接性是超高強度船體結(jié)構(gòu)鋼開發(fā)的另一技術難點.

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