一种具有高止裂性能的钢板及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种钢板及其制造方法，尤其涉及一种合金钢板及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，对于船舶、海洋工程结构的安全性以及由于安全性而引起环境保护问题 的意识正在逐步提高。对于大型焊接结构，例如船舶和海洋工程结构中的焊接结构，在发生 事故时，尤其是在事故的碰撞过程中，这些焊接结构不可避免地会起裂，因这些结构所存在 着裂缝、局部脆性区，或者由于结构的几何应力集中、具有焊接残余应力，因此这些结构都 有可能发生裂纹起裂。由于船舶、海洋工程结构中的焊接结构数量很多，以使得在此类工 程结构中进行100%的探伤检测是不可能的，此时，就需要考虑到在工程结构中有可能已经 预先存在的疲劳裂纹。对于厚板来说，在焊缝处所产生的脆性裂纹通常是沿着焊缝传播的， 并不发生偏转，即便是裂纹进入母材中也很难止住，同时塑性变形也降低了钢材的止裂能 力。由此可知，虽然起裂韧性对于焊缝及焊接热影响区非常重要，但是更为重要的是基料能 够止住从焊缝起裂而快速扩展的裂纹，即止裂韧性也是提高钢板使用安全性的重要指标之 O
[0003] 为了提高船舶、海洋等工程结构的安全性和可靠性，出于避免因钢板脆性断裂而 引发的结构断裂事故的目的，需要在确保结构的起裂韧性的前提下，来提高钢板的止裂性 能。
[0004][0005][0006]
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种具有高止裂性能的钢板，其具有较高的强度和较好 的低温冲击韧性，其屈服强度彡400Mpa，-40°C夏比V型缺口冲击功彡64J。另外，较之于 现有技术中的钢板，其具备了优良的止裂性能，其无塑性转变温度（NDTT，Nil-Ductility Transition Temperature) < -70°C，特别适合应用于船舶、海洋工程结构等制造领域。
[0008] 为了实现上述目的，本发明提出了一种具有高止裂性能的钢板，其化学元素质量 百分比含量为：
[0009] 0. 04%^ C^O. 12% ；
[0010] 0. 10%^ Si ^ 0. 30% ；
[0011] 0. 60%^ Mn ^ 1. 90% ；
[0012] P 彡 0.015%;
[0013] S 彡 0.0040%;
[0014] 0. 01%^ Cr ^ 0. 40% ；
[0015] 0. 10%^ Ni ^ 0. 70% ；
[0016] 0. 001%^ Mo ^ 0. 40% ；
[0017] 0. 001%^ Cu ^ 0. 50% ；
[0018] 0. 01%^ Al ^ 0. 06% ；
[0019] 0. 01%^ Nb ^ 0. 06% ；
[0020] 0. 01%^ Ti ^ 0. 06% ；
[0021] N 彡 0.007%;
[0022] 0.0001%彡〇&彡 0.0045%;且1.0彡〇&/5彡2.0;
[0023] 余量为Fe和其他不可避免的杂质。
[0024] 本技术方案中的各化学元素的设计原理为：
[0025] 碳：C是最基本的强化元素。C溶解于钢中可以形成间隙固溶体，以起到固溶强化 的作用，另外，C还可以与强碳化物的形成元素结合而生成碳化物析出，起到了沉淀强化的 作用。与此同时，C还能够提高钢的淬透性。不过，对于本技术方案来说，含量太高的C对 于钢板的延性、韧性、止裂性能和焊接性能均会产生不利影响，并且还会降低Nb、V等微合 金化元素的固溶，从而影响析出强化效果。鉴于此，本发明所述的具有高止裂性能的钢板中 的C元素的含量控制在0. 04?0. 12%之间。
[0026] 硅：Si作为还原剂和脱氧剂，可以消除FeO夹杂对钢的不良影响。Si以固溶态存 在于铁素体或奥氏体中，可以提高铁素体或奥氏体的硬度和强度，缩小奥氏体相区。但随着 硅含量的增加，会降低钢的焊接性能。因此，本发明将Si控制在0. Si < 0. 30%。
[0027] 锰：Mn对于低合金高强钢种来说是最基本的合金元素之一。通过Mn的固溶强化 作用来提高钢板的强度，以补偿钢板中由于C含量的降低而引起钢板强度的损失。Mn还是 扩大γ相区的元素，其可以降低钢的γ - α相变温度，有助于在钢板中获得细小的相变 产物，用以提高钢板的韧性及止裂性能。可是，当Mn含量过高时，对于特厚钢板而言，容易 在钢板中心位置产生偏析，从而降低钢板中心部位的低温韧性。因此，本发明的具有高止裂 性能的钢板中的Mn的质量百分比含量为0. 60?1. 90%。
[0028] 铬：Cr是提高钢板的淬透性的重要元素之一。对于特厚规格的钢板来说，需要通 过添加较多的Cr元素来提高钢板的淬透性以弥补厚度带来的强度损失，在提高钢板强度 的同时，并改善钢板在厚度方向上的性能的均匀性。Cr还可以抑制先共析铁素体及珠光 体的转变，有利于获得针状铁素体组织。一旦含量过高的Cr和Mn同时加入钢板中，就会 导致低熔点的Cr-Mn复合氧化物的形成，这样会使得钢板在热加工过程中形成表面裂纹， 并且还会严重恶化钢板的焊接性能。为此，本发明的技术方案中的Cr的含量应该限定在 0· 01%?0· 40%范围之间。
[0029] 镍：Ni是提高材料的低温韧性的元素。加入适量的Ni能够降低晶体的层错能，有 利于位错的滑移运动，改善材料的冲击韧性，尤其能够改善特厚板中心部位的冲击韧性。同 时，本技术方案添加 Ni元素还可以提高钢板的止裂性能。此外，Ni还可以提升Mo的淬透 性效果。不过，如果Ni含量太高的话，板坯表面容易生成黏性较高的氧化铁皮，在后序的加 工制造过程中难以去除，从而影响钢板的表面质量和疲劳性能。另外，当Ni含量太高时，不 利于特厚钢板的焊接性能。鉴于此，本发明所述的具有高止裂性能的钢板中的Ni含量需要 控制为0· 10%?0· 70%。
[0030] 钼：Mo是提高钢板的淬透性的元素，其作用仅次于Mn元素。Mo不仅能够有效地提 高钢板的强度，还能够抑制先共析铁素体及珠光体的转变，以有助于钢板获得针状铁素体 组织。但是，随着Mo含量的增加，钢板的屈服强度逐渐提高，而钢板的塑性却会逐渐降低。 对于本发明的具有高止裂性能的钢板来说，Mo的质量百分比含量应当设定为0.001%? 0· 40%〇
[0031] 铜：Cu能够适当地提高钢板的淬透性，并且Cu还可以提高钢板的抗大气腐蚀能 力。然而，向钢中添加含量过高的Cu元素会恶化钢板的焊接性能，所以将本发明所述的具 有高止裂性能的钢板中的Cu元素的含量控制为0. 001 %?0. 50%。
[0032] 铝：Al是为了脱氧而加入钢中的元素。在脱氧完全后，Al降低了钢板中的0的 含量，以改善钢板的时效性能。此外，添加适量的Al还有利于细化晶粒，从而改善钢材的 强韧性能。因此，将本发明中的具有高止裂性能的钢板中的Al元素的含量限定为0. 01? 0· 06%〇
[0033] 铌：在微合金钢中，Nb是提高再结晶终止温度最有效的元素之一。Nb能够有效地 降低轧机载荷，对晶粒细化的作用十分明显。对于本发明所述的钢板而言，乳制变形在再结 晶及非再结晶轧制阶段完成，在此阶段Nb通过应变诱导析出以阻碍形变奥氏体的回复、再 结晶，从而起到细化晶粒尺寸的效果。但是受到C含量的限制及加热温度的影响，含量太高 的Nb无法固溶，同样也不能发挥Nb的有利作用。同时，Nb还是一种昂贵的金属元素，添加 较多的Nb也会相应地增加生产制造成本。因而，在本发明的具有高止裂性能的钢板中的Nb 含量应当控制在0. Ol %?0. 06%。
[0034] 钛：Ti是较强的固N元素。由于Ti/N比为3. 42,因此，利用很少量的Ti就可以固 定一定含量的N元素，例如，0. 02wt. %左右的Ti就可以固定钢中质量百分比含量为60ppm 以下的N。在板坯连铸时，所加入的Ti可以和N形成细小的高温稳定的TiN析出相。这种 细小的TiN粒子能够有效地阻碍板坯再加热时的奥氏体晶粒的长大，有助于提高Nb在奥氏 体中的固溶度。对于特厚钢板而言，添加适当的Ti含量，有利于形成稳定的TiN粒子，在焊 接时起到抑制热影响区晶粒长大的作用，以改善焊接热影响区的冲击韧性。基于本发明的 技术方案，需要将钢板中的Ti含量限定在0. 01 %?0. 06%范围之间。