抗疲劳裂纹扩展优良钢板及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及抗疲劳裂纹扩展优良钢板及其制造方法，钢板屈服强度彡385MPa、抗 拉强度520?630MPa、-40°C的夏比冲击功（单个值）多80J、焊接性优良的抗疲劳裂纹扩 展钢板（在 Δ K = 8MPa · m1/2条件下，da/dN 彡 3. 0 X KT8)。
【背景技术】
[0002] 众所周知，低碳（高强度）低合金钢是最重要工程结构材料之一，广泛应用于石油 天然气管线、海洋平台、船舶制造、桥梁结构、锅炉压力容器、建筑结构、汽车工业、铁路运输 及机械制造之中。低碳（高强度）低合金钢性能取决于其化学成分、制造过程的工艺制度， 其中强度、韧性和焊接性是低碳（高强度）低合金钢最重要的性能，它最终决定于成品钢材 的显微组织状态。随着科技不断地向前发展，人们对钢的强韧性、焊接性提出更高的要求， 即在维持较低制造成本的同时大幅度地提高钢板的综合机械性能和使用性能，以减少钢材 的用量而节约成本，减轻钢构件自身重量、稳定性和安全性。目前世界范围内掀起了发展新 一代高性能钢铁材料的研宄高潮，通过合金组合设计、革新控轧/TMCP技术及热处理工艺 获得更好的显微组织匹配，从而使钢板得到更优良强韧性、强塑性匹配、耐海水腐蚀性、更 优良的焊接性及抗疲劳性能；本发明钢板正是采用上述技术，低成本地开发出强韧性、强塑 形匹配、焊接优良的抗疲劳裂纹扩展厚钢板。
[0003] 现有屈服强度彡415MPa的厚钢板显微组织主要是铁素体+珠光体，或铁素体+珠 光体（包括变态珠光体）+少量贝氏体，生产工艺有正火、正火轧制、热机械轧制及TMCPjH 板强度、（超）低温韧性、焊接性、冷热加工特性均比较优良，广泛适用于建筑结构、桥梁结 构、船体结构及海洋平台等大型重钢结构（The Firth (1986) international Symposium and Exhibit on Offshore Mechanics and Arctic Engineering，1986,Tokyo,Japan，354 ;''冰 海地区使用的海洋平台结构用钢板"（日文），钢铁研宄，1984,第314号，19?43 ;美国专 利4629505, WO 01/59167A1)，但钢板未涉及到抗疲劳裂纹扩展性能。
[0004] 日本住友金属成功开发焊接性优良、抗疲劳裂纹扩展、屈服强度355MPa级别的厚 钢板FCA(如日本专利特许第3298544号公开的"具有抑制疲劳裂纹裂纹扩展钢板"；日本 专利特开平10-60575号公开的"优良疲劳裂纹抑制特性的厚钢板"），取得了良好的实用效 果，并实现批量供货，但钢板开发未涉及更高强度级别的厚钢板。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种抗疲劳裂纹扩展优良钢板及其制造方法，钢板屈服强 度彡385MPa、抗拉强度520?630MPa、-40°c的夏比冲击功（单个值）彡80J、焊接性优良 的抗疲劳裂纹扩展钢板（在ΔΚ = 8MPa · m1/2条件下，da/dN彡3. OX 10 _8)，成品钢板的显 微组织为铁素体+均匀弥散分布贝氏体的双相组织，显微组织平均晶粒尺寸在10 μ m以下。 在获得高强度、高韧性、优良焊接性及抗疲劳裂纹扩展特性，特别适用于冰海地区的船体结 构、海洋平台、桥梁结构、建筑结构、海洋风塔结构及海工机械等，并且能够实现低成本稳定 批量工业化生产。
[0006] 抗疲劳裂纹扩展钢板是厚板产品中难度很大的品种之一，就其原因是该类钢板不 仅要求超低C、低碳当量Ceq、高强度及优良的低温韧性，而且钢板还要具有优良的抗疲劳 特性，尤其钢板能够抵抗疲劳裂纹扩展，实现疲劳裂纹折弯与钝化，提高钢板抗疲劳特性， 这就要求具有一定数量、硬度比（贝氏体/铁素体）及均匀分布的贝氏体；如何实现铁素 体+贝氏体（F+B)两相组织，并控制贝氏体数量、硬度、形貌与分布，达到超低C、低碳当量 Ceq与高强度、优良的低温韧性及优良的抗疲劳特性之间的平衡是本发明产品最大的难点 之一，也是关键核心技术；因此在关键技术路线、成分和工艺设计上，本发明综合了影响钢 板的强度、低温韧性、焊接性尤其抗疲劳裂纹扩展特性等关键因素，并成功地避开了住友金 属公司专利的技术封锁，从合金成分设计入手，创造性地采用超低碳C 一高Si -中Mn - Nb系低合金钢作为基础，控制[%C] X [% Si]在0.022?0.042之间、{([%C]+3.33[% Nb]) X [% Si]} XV冷速/T停冷在I. 15X KT4?2· 2X KT3之间，Ca处理且Ca/S比控制在 1.0?3.0之间及（％Ca) X (% S)°_28彡1.0ΧΚΓ3,优化TMCP工艺，使成品钢板的显微组织 为铁素体+均匀弥散分布贝氏体的双相组织，显微组织平均晶粒尺寸在10 μm以下。
[0007] 为达到上述目的，本发明的技术方案是：
[0008] 一种抗疲劳裂纹扩展优良钢板，其成分重量百分比为：C :0. 040%?0. 070%，Si : 0· 40 % ?0· 70 %，Mn : L 30 % ?L 60 %，P 彡 0· 013 %，S 彡 0· 003 %，Cu :彡 0· 30 %，Ni : 彡 0· 30%，M〇 :彡 0· 10%，Ti :0· 008%?0· 018%，Nb :0· 015%?0· 030%，N :彡 0· 0040%， Ca :0. 0010%?0. 0040%，其余为Fe和不可避免的夹杂；且上述元素含量必须同时满足如 下关系：
[0009] [% C] X [% Si]控制在0. 022?0. 042, A)扩大中温相变温度区域，促进铁素体+ 贝氏体复相组织形成；B)控制凝固过程板坯偏析而确保钢板内质"三性"（健全性、均质性 及纯净性）；C)抑制奥氏体向铁素体相变过程中的碳化物析出、促进铁素体+贝氏体（F+B) 两相分离型相变，形成双相组织铁素体+贝氏体；以上三点均可提高疲劳裂纹扩展抑制能 力。（其中，在计算时，[% C]、[% Si]表示直接代入数值，如C取0.04、Si取0.70, [% C] X [% Si] = 0· 04X0. 70 = 0· 028。下同）
[0010] {([% C]+3. 33[% Nb]) X [% Si]} XV冷速 /T停冷控制在 1. 15X KT4?2. 2X KT3间 的范围内，其中Vm4为控轧控冷（TMCP)工艺加速冷却的平均速度，单位为K/s 为控轧 控冷（TMCP)工艺加速冷却的停止温度，单位为K ;保证TMCP工艺过程中，形成铁素体+贝 氏体（F+B)两相组织；更为重要的是贝氏体数量、尺寸、形貌及硬度均满足抑制疲劳裂纹扩 展特性：
[0011] A)疲劳裂纹扩展至贝氏体处发生拐弯、变向，迫使疲劳裂纹扩展过程中消耗更多 的能量，提高疲劳裂纹扩展抑制能力；
[0012] B)疲劳裂纹扩展至贝氏体处，裂纹尖端塑性区的位错与贝氏体中的位错发生反应 (位错的对消与重组），降低疲劳裂纹尖端应力场强度因子，促进疲劳裂纹尖端发生钝化， 抑制疲劳裂纹进一步扩展。
[0013] Ca处理且Ca/S比控制在I. 0?3. 0之间及CaXSa28彡I. OX 10 _3:确保硫化球化 且夹杂物对低温韧性、焊接性影响降低到最小的同时，Ca(0，S)粒子均匀细小分布在钢中， 细化钢板晶粒尺寸、改善钢板抗疲劳裂纹扩展特性，抑制焊接热影响区奥氏体晶粒长大，改 善钢板焊接性。
[0014] 在本发明钢板成分体系设计中：
[0015] C作为钢中重要的合金元素，对提高钢板强度、促进第二相贝氏体形成具有重要作 用，因而钢中必须含有一定数量的C ;但是当钢中C含量过高时，恶化钢板内部偏析（尤其 高Si含量情况下）、降低钢板低温韧性、焊接性，不利于第二相贝氏体硬度、形貌、数量及分 布的控制，严重恶化钢板的焊接性、低温韧性及抗疲劳裂纹扩展特性；因此C适宜的含量范 围控制在0· 040 %?0· 070%。
[0016] Si不仅具有提高钢板强度，更为重要的是Si扩大中温相变区、抑制碳化物析出、 促进铁素体+贝氏体（F+B)两相形成、有利于控制贝氏体数量、形貌、硬度及分布，因而Si 是抗疲劳裂纹扩展钢板不可或缺的合金元素；但是钢中Si含量过高时，严重恶化钢板偏 析、低温韧性与焊接性；因此适宜Si含量范围控制在0. 40%?0. 70%。
[0017] Mn作为最重要的合金元素在钢中除提高钢板的强度外，还具有扩大奥氏体相区、 降低Ar3点温度、细化TMCP钢板贝氏体晶团而改善钢板低温韧性的作用、促进贝氏体形成； 但是Mn在钢水凝固过程中容易发生偏析，尤其Mn含量较高时，不仅会造成浇铸操作困难， 而且容易与C、P、S等元素发生共轭偏析现象，尤其钢中C含量较高时，加重铸坯中心部位的 偏析与疏松，严重的铸坯中心区域偏析在后续的轧制、热处理及焊接过程中易形成异常组 织，导致钢板低温韧性劣化、焊接接头出现裂纹及抗疲劳裂纹扩展能力低下；因此适合Mn 含量为L 30%?L 60%。
[0018] P作为钢中有害夹杂对钢的低温冲击韧性、延伸率、焊接性及抗疲劳裂纹扩展特性 具有巨大的损害作用，理论上要求越低越好；但考虑到炼钢可操作性和炼钢成本，P含量控 制在彡0· 013%。
[0019] S作为钢中有害夹杂对钢的低温韧性、抗疲劳裂纹扩展特性（主要长条状硫化物） 具有很大的损害作用，更重要的是S在钢中与Mn结合，形成MnS夹杂物，在热轧过程中，MnS 的可塑性使MnS沿轧向延伸，形成沿轧向MnS夹杂物带，严重损害钢板的低温冲击韧性、抗 疲劳裂纹扩展特性、延伸率、Z向性能及焊接性，同时S还是热轧过程中产生热脆性的主要 元素，理论上要求越低越好；但考虑到炼钢可操作性、炼钢成本和物流顺畅原则，S含量控 制在< 0· 0030%。
[0020] 本发明可以根据钢板厚度，适量添加彡0. 30% Cu、彡0. 30% Ni及彡0. 10% Mo， 促进TMCP工艺过程中贝氏体形成，控制贝氏体数量、形貌、分布状况及硬度，以提高钢板强 度、低温韧性及抗疲劳裂纹扩展特性。
[0021] Ti与N亲合力很大，少量添加 Ti时，N优先与Ti结合，生成弥散分布的TiN粒子， 抑制板坯加热和热轧过程中奥氏体晶粒过分长大，改善钢板低温韧性；更重要的是在一定 程度上抑制大热输入焊接过程中热影响区（距离熔合线较远区域）晶粒长大，改善热影响 区韧性；添加 Ti含量过少（0. 008% )所起作用不大，当Ti含量添加量超过0. 018%，再进 一步增加钢中Ti含量对钢板细化晶粒与改善钢板焊接性作用均不大，甚至当Ti/N过大时， 不利于钢板细化晶粒甚至恶化钢板焊接性；因此适宜的Ti含量范围为0. 008%?0. 018%。
[0022] 钢中添加微量的Nb元素目的是进行未再结晶控