高强船板强度性能稳定性影响因素分析

宋继强，李 伟，万福哲，李振兴，张德勇

（日钢营口中板有限公司辽宁省中厚板专业技术创新中心，辽宁 营口 115000）

随着我国国民经济的快速发展，我国正从船舶制造大国向船舶制造强国迈进［1］。根据船舶用途以及使用环境的多变性、复杂性，船舶制造领域对钢铁材料提出了高强度、高韧性、易焊接、长寿命和低成本的要求。随着船舶逐渐向大型化、高速化、自动化的趋势发展，高强船板在造船业中的使用比例不断升高，船壳钢材耗量占全船重量的60%左右，其中高强度船体结构用钢占15%～18%，且比例还在不断提高［2］。本文主要通过对某钢厂的12～50 mm的A级、D级32 kg及36 kg船板强度性能不合问题进行分析，找出高强船板强度性能稳定性的关键影响因素，并予以改善，以提高高强船板的性能稳定性。

2.1 成分设计

12～50 mm的A级、D级32 kg及36 kg船板对强度、低温韧性及焊接性能要求较高，通常采用低C、高Mn以及添加Nb、Ti微合金化元素的成分设计思路［3］。综合分析C、Mn、Nb、Ti等合金元素的强化作用，以及对低温韧性、焊接性能的影响，结合装备水平与控制精度，某钢厂12～50 mm的A级、D级32 kg及36 kg船板成分设计见表1（Ti、Nb适量）。

表1 化学成分设计（质量分数）%

2.2 轧制工艺设计

近几年，水纹缺陷是用户反映较多且改善诉求较为强烈的缺陷问题。为改善船板水纹问题，通过对船板水纹产生机理的研究，并结合大量生产实践发现，轧制工艺采用“高终轧、低终冷”思路进行设计，能够显著改善船板的水纹问题［4］，即提高轧制阶段终止温度，减少钢板在轧制过程中的待温时间，抑制二次氧化铁皮的产生，从而减少水纹缺陷的产生。

同时，为避免在轧制阶段因未再结晶区变形量小可能导致的强度余量不足问题，在水冷工序采用低终冷工艺设计。一方面通过细晶强化和析出强化作用，对强度进行补充［5］；
另一方面针对部分厚度规格，在一定冷速条件下，将返红温度下降至临近Bs温度或以下，通过产生少量比例的过冷组织（贝氏体等），对组织进行进一步强化，从而保证强度余量适宜，性能稳定2。

某钢厂2021年上半年12～50 mm的A级、D级32 kg及36 kg船板共出现的强度性能不合情况中，屈服强度低占27.12%，抗拉强度高或抗拉强度高、断后伸长率低占72.88%。

3.1 屈服强度低

对2021年上半年屈服强度低性能不合批次进行工艺追溯发现，工艺异常主要为返红温度高于标准要求，以及精轧终轧温度高于标准要求。针对以上工艺异常批次进行金相检验，并结合工艺设计分析如下。

3.1.1 返红温度高于标准要求

典型批次显微组织如图1所示，铁素体占比65%、珠光体占比35%，晶粒度8.0级，无贝氏体组织。结合轧制工艺设计思路分析，采用高终轧的轧制温度设计，将于Tnr温度的20～50℃以下结束轧制，轧制阶段仅有3～7道次是在未再结晶区轧制，晶粒细化不足，Nb等合金元素的强化作用未得到充分释放，导致轧制阶段强度储备不足，需后续水冷工序进行补充。当返红温度高于标准要求时，在影响细晶强化和析出强化效果的同时，过冷度不足导致了无过冷组织或过冷组织所占比例较小，从而无法在水冷工序对强度进行补充，导致屈服强度低性能不合。

图1 返红温度高于标准要求导致屈服强度低的显微组织

3.1.2 精轧终轧温度高于标准要求

典型批次显微组织如图2所示，铁素体占比65%、珠光体占比35%。存在混晶现象，最大晶粒度为8.0级，最小晶粒度为9.5级。

图2 精轧终轧温度高于标准导致屈服强度低的显微组织

精轧阶段的控轧，主要目的为在未再结晶区进行大压下量轧制，在钢板内部生成大量的变形带、亚晶、位错等晶体结构，作为铁素体形核的核心，从而实现增加晶粒数量，实现细晶强化。如精轧阶段在Tnr温度以上结束轧制，或在未再结晶区压下量较少（未再结晶区轧制道次数量＜3道次），则会导致组织细化不足，晶粒粗大且均匀性不佳，影响钢板的韧性，从而导致屈服强度低或冲击性能不佳。

3.2 抗拉强度高或抗拉强度高、伸长低性能不合分析

对2021年上半年抗拉强度高或抗拉强度高、伸长低性能不合批次进行工艺追溯发现，工艺异常主要为返红温度低于标准要求，以及冷速异常。针对以上工艺异常批次进行金相检验，并结合工艺设计进行分析。

3.2.1 水冷温度低

如图3所示，铁素体占比15%、贝氏体占比75%、魏氏组织占比10%，钢板厚度的近表、1/4位置及1/2位置均出现大量的贝氏体、魏氏组织。

图3 水冷温度低导致抗拉强度高的显微组织

当水冷温度低于标准要求时，钢板内产生了大量的贝氏体、魏氏体等过冷组织，导致组织内强度积累高于标准要求，同时恶化了组织的塑性与韧性，导致抗拉高或抗拉高、伸长低性能不合。

3.2.2 冷速过大

典型批次显微组织见图4，铁素体占比45%、珠光体15%、贝氏体20%、魏氏组织20%，钢板厚度的近表、1/4位置及1/2位置出现大量的贝氏体、魏氏组织。

图4 冷速过大导致抗拉强度高的显微组织

典型批次实际冷速为18.04℃/s，2021年上半年同钢种、同规格平均冷速约为3.04℃/s，冷速过大导致产生了大量过冷组织，影响组织的塑性与韧性，导致抗拉高或抗拉高、伸长低性能不合。

3.3 分析小结

采用“高终轧、低终冷”的轧制工艺设计，对轧制阶段强度储备不足进行补充，水冷过程以快速冷却方式，通过细晶强化、析出强化以及相变强化提升材料强度。然而，通过快速冷却过程实现组织的强化，水冷过程需在30～40 s内将温度下降150～200℃，对水冷设备能力要求严苛。水冷效果即工艺命中情况、冷速以及水冷均匀性，又受到环境温度、测温装置准确性、水冷设备稳定性、辊道速度、水量、水温等因素影响，不易于稳定控制，从而成为影响高强船板性能稳定性的突出因素。

综合以上分析发现，水冷效果为高强船板强度性能稳定性的主要影响因素，需予以改进优化。

（1）改进思路。根据目前船板水纹缺陷整体情况，在各产线逐步推进降终轧、提终冷工艺试验，并跟踪性能变化趋势与水纹缺陷情况，寻找强度性能稳定性与水纹缺陷控制的最佳节点，在提升性能稳定性的同时，控制水纹缺陷产生。

（2）改进效果。在某钢厂一条产线进行工艺试验，将12～50 mm的A级，D级32、36 kg船板终轧温度降低约20℃，水冷温度提升约20℃。从试验结果来看，调整后屈服强度无明显变化，抗拉强度降低约10 MPa，断后伸长率提升约2%，冲击功提升约15 J，强度性能过程能力水平CPK由1.14提升至1.34，水纹缺陷发生率未有升高，后续将在其他产线逐步推广。

（1）12～50 mm的A级，D级32、36 kg船板强度性能稳定性的主要影响因素是精轧阶段控轧效果、水冷效果，以及成分的符合性，其中水冷效果为主要影响因素。

（2）水冷效果，受人员操作水平、水冷设备控制精度、环境温度、冷却水水温与水量、测温装置准确性等多因素影响，不易于稳定控制。某钢厂当前执行的“高终轧、低终冷”工艺设计，存在一定质量风险，需进一步优化、细化。

（3）优化“高终轧、低终冷”工艺设计，寻找强度性能稳定性与水纹缺陷控制的最佳节点，是提升高强船板强度性能稳定性的可行方式之一。从试验结果来看，强度过程能力水平CPK由1.14提升至1.34，水纹缺陷发生率无明显变化，可在其他产线进一步推广。