分享：420 MPa级高强海洋牧场用钢的研发及其综合性能

随着海洋经济的快速发展，海洋牧场作为一种新型的海洋资源开发利用模式，正在全球范围内得到广泛关注和推广。随着海洋渔业逐渐向深远海发展，需要提高钢材的强度，以满足海洋牧场装备向大型化、轻量化方向发展的需求[1]。 

目前，国内海洋牧场用钢主要用于普通船板和高强船板，其强度和焊接性能难以满足深远海海洋牧场建设的需求。国外海洋牧场用钢多为调质态高强钢，虽然其强度和耐腐蚀性较高，但生产工艺复杂、成本高。近年来，国内外学者在高强海洋用钢的开发方面取得了一系列进展。日本学者开发了具有优异耐腐蚀性能的Mariloy G系列高强钢，广泛应用于海洋平台建设中。国内研究人员也相继开发出多种海洋工程用高强钢，但该钢在海洋牧场领域的应用研究相对较少。笔者开发了一种适用于海洋牧场建设的高强钢，并系统研究了其组织性能及焊接性能，为其在海洋牧场建设中的应用提供了理论依据和技术支持。近期某研究机构测算，在不改变原始海洋牧场结构的前提下，强度为420 MPa钢材的用钢量比强度为355 MPa钢材减少了12.5%左右。 

1.   试验材料及方法

1.1   化学成分设计

该钢种的设计思路为采用低碳设计，主要目的是降低冷裂纹的敏感性，提升其焊接性能。需要严格控制该钢中P、S元素的含量，保证钢材的洁净度及韧性。在后续轧制及冷却工艺中添加Nb、Ti微合金元素，可以达到细晶强化[2]、析出强化[3]的目的。420 MPa级海洋牧场用钢的化学成分如表1所示。 

1.2   工艺设计

针对该钢种的主要生产路径为：KR预处理脱硫→转炉吹炼→LF（钢包精炼炉）+RH（耐火加热）真空处理→动态轻压下连铸→板坯二切→板坯加热→控轧控冷→缓冷→无损检测→剪切→取样性能检验→表面质量和外观尺寸标识→出厂。重点关注工序主要为炼钢P、S元素控制及钢种冶炼过程中夹杂物的控制、加热温度、控轧控冷，以及最终的表面处理。 

1.3   炼钢工序

（1）在来料铁水中加入石灰石等脱硫剂，进行KR搅拌，去除铁水中的S元素及夹杂物，保证进转炉的S元素含量。 

（2）转炉工序采用顶底复吹模式去除钢液中的有害杂质元素P及气体元素，保证钢液温度和停吹氧含量。 

（3）炉外精炼采用LF+RH真空处理，保证最终钢水中S元素及气体元素的去除。 

（4）连铸工序需要具有一定的镇静时间，以保证钢水中夹杂物充分上浮；配合轻压和合适均匀的浇铸速度，可以保证钢坯的纯净度。 

1.4   加热及轧制工序

（1）加热工艺，为保证该成分中加入的Nb、Ti等微量合金元素充分发挥作用，确保Nb元素充分固溶，将该钢种的加热温度控制为1 120~1 180 ℃。 

（2）轧制工艺采用两个阶段轧制，对于粗轧阶段，一般在奥氏体完全再结晶区域进行轧制，待温度降低至部分再结晶区域，停止轧制进行待温，直到钢板温度达到完全未再结晶区，进一步进行精轧阶段的轧制。粗轧阶段温度一般控制为1 050~1 130 ℃，原始奥氏体将变形并渗透到钢的心部，精轧开轧温度控制为850~950 ℃，避免出现混晶，在保证钢板入水前组织全部奥氏体化的基础上，尽可能将终轧温度降低，从而达到细晶效果。 

（3）加速冷却的主要目的是获得以贝氏体为主的多相组织，并兼顾材料的强度与韧性，根据该钢种厚度的不同，将开冷温度控制为780~830 ℃，冷却速率控制为14~25 ℃/s，终冷温度控制为450~600 ℃。 

2.   性能测试与结果分析

采用上述工艺生产厚度为75 mm 的420 MPa级高强海洋牧场用钢，对该钢进行拉伸试验、冲击试验、晶粒度测试、止裂性能和焊接性能试验。该钢材的屈服强度为440~500 MPa，抗拉强度不小于540 MPa，延伸率不小于20%，-60 ℃冲击吸收能量不小于180 J，止裂性能及焊接性能优良。 

2.1   拉伸试验

按照中国船级社《材料与焊接规范》（2024）进行拉伸试验，结果如表2所示。由表2可知：钢板的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、断面收缩率均符合该标准要求。 

2.2   冲击性能测试

按照中国船级社《材料与焊接规范》（2024）进行冲击性能测试，结果如表3所示。由表3可知：在-60~0 ℃条件下，钢板的冲击吸收能量均满足该标准的要求（-40 ℃条件下冲击吸收能量不小于42 J），且纤维率不小于85%。 

2.3   金相检验

用光学显微镜观察厚度为75 mm的高强海洋牧场用钢的显微组织，结果如图1所示。由图1可知：该钢的组织为贝氏体加少量铁素体，晶粒度级别为11~12 级，晶粒组织细小均匀。 

图  1  75 mm厚高强海洋牧场用钢的显微组织形貌

2.4   止裂性能

根据BS ISO 12135：2021(E) 《金属材料 准静态断裂韧性测定的统一试验方法》，在温度为-10 ℃条件下对试制420 MPa级海洋牧场用钢进行CTOD（裂纹尖端张开位移）试验，结果如表4所示（其中a0为初始裂纹长度，vp为缺口张开位移塑性分量，Fm为最大力，δm为CTOD 特征值）。由表4可知：钢板在温度为-10 ℃时的δm不小于1.984 mm，且试验过程中未出现瞬间载荷迅速下降、位移增加很小的“突进”现象，说明试制钢板的止裂性能优异[4]。 

2.5   焊接性能

75 mm 厚420 MPa级海洋牧场用钢采用埋弧焊的方式焊接，坡口尺寸如图2所示，焊接工艺参数如表5所示。 

图  2  焊接试板坡口尺寸示意

对焊接接头进行横向拉伸试验、弯曲试验及夏比（V型缺口）冲击试验，该板焊接性能良好[5]，满足中国船级社《材料与焊接规范》（2024）的要求。焊接后钢板的拉伸试验结果如表6所示。弯曲试验结果显示钢板的正面和侧面均无裂纹。焊接后钢板的冲击试验结果如表7所示。 

3.   结语

在较低碳、磷、硫元素含量的钢中添加了适量的Nb、Ti微合金元素，并配合合适的控轧控冷工艺，成功开发了厚度为75 mm的420 MPa级高强海洋牧场用钢。试验钢材的屈服强度达到440~500 MPa，抗拉强度不小于540 MPa，延伸率不小于20%，-60 ℃条件下的冲击吸收能量不小于180 J，同时，该钢还具有优异的止裂性能和焊接性能。 

文章来源——材料与测试网