D0I:10.13374/1.issnl00103.2008.07.045 第30卷第7期 北京科技大学学报 Vol.30 No.7 2008年7月 Journal of University of Science and Technology Beijing J.2008 F40级船板低温韧性机理 温永红唐荻武会宾郭振 北京科技大学高效轧制国家工程研究中心，北京100083 摘要通过OM,SEM、TEM、EBSD等手段研究了F40级船板的组织特征以及组织结构对低温韧性的影响，并探讨了低温 韧性的机理·结果表明：基体组织为针状铁素体十准多边形铁素体的复合组织，该复合组织具有较高的强度和优异的低温韧 性：两种组织之间的界面以及针状铁素体条束之间的界面均为大角晶界，能够对裂纹的扩展起到有效的阻碍作用，增加裂纹 扩展功，使得F40级船板具有良好的低温韧性，一80℃的冲击功都可以达到138J以上. 关键词船板钢：针状铁素体：准多边形铁素体；大角晶界；低温韧性 分类号TG142.1 Low-temperature toughness characteristics of F40 hull structure steel WEN Yonghong,TANG Di,WU Huibing.GUO Zhen National Engineering Research Center for Advanced Rolling Technology.University of Science and Technology of Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACT The microstructure characteristics of F40 type hull structure steel and the effect of microstructure on its low-tempera- ture toughness were studied by OM,SEM,TEM,and EBSD.The mechanism of low-temperature toughness was also analyzed.It is shown that the micro-alloyed steel possesses high strength and excellent low-temperature toughness due to a mixed microstructure of acicular ferrite and quasi"polygonal ferrite.The grain boundaries between the two microstructures and the grain boundaries between acicular ferrites are the large boundary,which is pronounced to inhibit cleavage crack propagation and improve the crack propagation energy.The mixed microstructure shows the capability to attain such an excellent low-temperature toughness that the Charpy-V im- pact energy can reach 138J at -80C. KEY WORDS hull structure steel;acicular ferrite:quasi"polygonal ferrite:large boundary:low temperature toughness 船板钢早期主要采用碳含量较高的碳素钢，提 裂纹的扩展起到有效的阻碍作用，使得组织具有良 高钢的强度是通过提高碳含量来达到的，随着对船 好的低温韧性.本文基于这一思路成功试制了F40 板钢要求的进一步提高，获得较高强度的同时还要 级高强韧船板，并探讨了低温韧性的可能机理. 有较高的韧性，开发了低碳含量采用TMCP技术生 产的高强度低合金钢]，其组织也由铁素体、珠光 1实验材料和方法 体向针状铁素体和贝氏体方向发展，通过TMCP 采用低碳含铌钒钛的成分（质量分数）设计方案 技术生产的针状铁素体组织是一种复合组织，由针 见表1，实验钢在真空感应炉中冶炼，浇铸成25kg 状铁素体、准多边形铁素体组成，针状铁素体的高 钢锭，锻造成厚为l00mm的板坯，热模拟实验试样 密度位错及其良好的位错组态是构成针状铁素体有 在板坯上截取，制备成8mm×15mm样品，用 较高强韧性的内在因素，同时高密度的位错亚结构 Gleeble 1500热模拟机测定了实验钢的连续冷却曲 又为第2相Nb(CN)的沉淀形核提供了必要的位置 线，实验工艺如图1所示.在1200℃奥氏体化 条件，准多边形铁素体内含有一定密度的位错和亚 300s,以3℃·s-1冷却到1080℃变形30%，再以 结构，甚至有M/A组元，具有较高的强度和优异的 3℃s冷却到840℃变形30%后分别以1,5,10， 延性·这种复合组织之间的界面均为大角晶界，对 20℃s1的冷却速度冷却到室温. 收稿日期：2007-05-26修回日期：2007-10-30 作者简介：温永红(1979一)，男，博士研究生；唐获(l955一)，男，教授，博士生导师，E-mail:tangdi@nerear-ustb-edu-cn
F40级船板低温韧性机理 温永红 唐 荻 武会宾 郭 振 北京科技大学高效轧制国家工程研究中心北京100083 摘 要 通过 OM、SEM、T EM、EBSD 等手段研究了 F40级船板的组织特征以及组织结构对低温韧性的影响并探讨了低温 韧性的机理．结果表明：基体组织为针状铁素体＋准多边形铁素体的复合组织该复合组织具有较高的强度和优异的低温韧 性；两种组织之间的界面以及针状铁素体条束之间的界面均为大角晶界能够对裂纹的扩展起到有效的阻碍作用增加裂纹 扩展功使得 F40级船板具有良好的低温韧性－80℃的冲击功都可以达到138J 以上． 关键词 船板钢；针状铁素体；准多边形铁素体；大角晶界；低温韧性 分类号 TG142∙1 Low-temperature toughness characteristics of F40hull structure steel W EN YonghongT A NG DiW U HuibingGUO Zhen National Engineering Research Center for Advanced Rolling TechnologyUniversity of Science and Technology of BeijingBeijing100083China ABSTRACT T he microstructure characteristics of F40type hull structure steel and the effect of microstructure on its low-temperature toughness were studied by OMSEMT EMand EBSD．T he mechanism of low-temperature toughness was also analyzed．It is shown that the micro-alloyed steel possesses high strength and excellent low-temperature toughness due to a mixed microstructure of acicular ferrite and quas-i polygonal ferrite．T he grain boundaries between the two microstructures and the grain boundaries between acicular ferrites are the large boundarywhich is pronounced to inhibit cleavage crack propagation and improve the crack propagation energy．T he mixed microstructure shows the capability to attain such an excellent low-temperature toughness that the Charpy-V impact energy can reach138J at －80℃． KEY WORDS hull structure steel；acicular ferrite；quas-i polygonal ferrite；large boundary；low temperature toughness 收稿日期：2007-05-26 修回日期：2007-10-30 作者简介：温永红（1979－）男博士研究生；唐 荻（1955－）男教授博士生导师E-mail：tangdi＠nercar．ustb．edu．cn 船板钢早期主要采用碳含量较高的碳素钢提 高钢的强度是通过提高碳含量来达到的．随着对船 板钢要求的进一步提高获得较高强度的同时还要 有较高的韧性开发了低碳含量采用 T MCP 技术生 产的高强度低合金钢［1－2］其组织也由铁素体、珠光 体向针状铁素体和贝氏体方向发展．通过 T MCP 技术生产的针状铁素体组织是一种复合组织由针 状铁素体、准多边形铁素体组成．针状铁素体的高 密度位错及其良好的位错组态是构成针状铁素体有 较高强韧性的内在因素同时高密度的位错亚结构 又为第2相 Nb（CN）的沉淀形核提供了必要的位置 条件．准多边形铁素体内含有一定密度的位错和亚 结构甚至有 M／A 组元具有较高的强度和优异的 延性．这种复合组织之间的界面均为大角晶界对 裂纹的扩展起到有效的阻碍作用使得组织具有良 好的低温韧性．本文基于这一思路成功试制了 F40 级高强韧船板并探讨了低温韧性的可能机理． 1 实验材料和方法 采用低碳含铌钒钛的成分（质量分数）设计方案 见表1．实验钢在真空感应炉中冶炼浇铸成25kg 钢锭锻造成厚为100mm 的板坯热模拟实验试样 在板坯上截取制备成●8mm ×15mm 样品用 Gleeble1500热模拟机测定了实验钢的连续冷却曲 线实验工艺如图1所示．在1200℃奥氏体化 300s以3℃·s －1冷却到1080℃变形30％再以 3℃·s －1冷却到840℃变形30％后分别以1510 20℃·s －1的冷却速度冷却到室温． 第30卷 第7期 2008年 7月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．30No．7 Jul．2008 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2008．07．045
第7期 张延玲等：Fe0Ca0SiO2一AzO5渣系中锌及其氯化物的饱和蒸气压测试 .725. 表1实验钢的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of experimental steels % 钢种 分 Mn Als Nb 的 碳当量 船板规格 0.16 ≤0.500.90-1.600.025 0.025 0.0150.02-0.050.05-0.10 0.02 0.40 目标规格 0.074 0.24 1.56 0.008 0.004 0.021 0.034 0.052 0.015 0.17 控冷，冷却速度为8~12℃·s-1,返红温度500~ 1200℃，300s 600℃. 3℃.s 1080℃，30% W 800 3℃，5 840℃.30% PF+P OFAAF 600 GB+AF+BF+RE 1℃·s-20℃·s1 400- 时间/s 吕 200- 云 图1实验钢的热模拟实验工艺 Fig.I Thermo simulation test process for the experimental steel L 10 100 1000 时间s 根据测定的实验结果（图2和图3）制定控轧控 冷工艺如下：锻造后的板坯加热到1200℃，均匀化 图2实验钢的连续冷却转变曲线 1.5h后，经过1150~1050℃再结晶温度区轧制，累 Fig.2 Continuous cooling transformation curves of the experimental steel.PF-polygonal ferrite:P-pearlite:GB-granular bainite: 计变形50%；再经过920~820℃累计变形68%（未 QF-quasi-polygonal ferrite:AF-acicular ferrite:BF-bainite fer- 再结晶温度区轧制)，轧成16mm的板材，轧后进行 rite 204m 20m (d) 204m 20m 图3不同冷却速率下实验钢的显微组织.(a)1℃s;(b)5℃s-；(c)10℃s1:(d)20℃s1 Fig.3 Microstructures of the steel cooled at different cooling rates:(a)1Cs(b)5Cs (e)10C.s;(d)20Cs
表1 实验钢的化学成分（质量分数） Table1 Chemical composition of experimental steels ％ 钢种 C Si Mn P S Als Nb V Ti 碳当量 船板规格 ≤0∙16 ≤0∙50 0∙90～1∙60 ≤0∙025 ≤0∙025 ≥0∙015 0∙02～0∙05 0∙05～0∙10 ≤0∙02 ≤0∙40 目标规格 0∙074 0∙24 1∙56 0∙008 0∙004 0∙021 0∙034 0∙052 0∙015 0∙17 图1 实验钢的热模拟实验工艺 Fig．1 Thermo-simulation test process for the experimental steel 根据测定的实验结果（图2和图3）制定控轧控 冷工艺如下：锻造后的板坯加热到1200℃均匀化 1∙5h 后经过1150～1050℃再结晶温度区轧制累 计变形50％；再经过920～820℃累计变形68％（未 再结晶温度区轧制）轧成16mm 的板材轧后进行 控冷冷却速度为8～12℃·s －1返红温度500～ 600℃． 图2 实验钢的连续冷却转变曲线 Fig．2 Continuous cooling transformation curves of the experimental steel．PF－polygonal ferrite；P－pearlite；GB－granular bainite； QF－quas-i polygonal ferrite；AF－acicular ferrite；BF－bainite ferrite 图3 不同冷却速率下实验钢的显微组织．（a）1℃·s －1；（b）5℃·s －1；（c）10℃·s －1；（d）20℃·s －1 Fig．3 Microstructures of the steel cooled at different cooling rates：（a）1℃·s －1；（b）5℃·s －1；（c）10℃·s －1；（d）20℃·s －1 第7期 张延玲等： FeO－CaO－SiO2－Al2O3 渣系中锌及其氯化物的饱和蒸气压测试 ·725·
.726 北京科技大学学报 第30卷 钢板金相试样沿板侧面取全厚度试样，经打磨 较为粗大.当以5℃s1或10℃s1冷却时，基体 抛光后，用5%硝酸酒精侵蚀后进行金相观察和 组织是针状铁素体(AF)和准多边形铁素体(QF)及 SEM观察，透射电镜样品采用5%高氯酸无水乙醇 多边形铁素体的复合组织，在这种复合组织中，随 溶液为电解液，在一20℃，50V下电解双喷减薄至 冷却速度增加，多边形铁素体的体积含量逐渐减少 穿孔，所用电镜为H800,工作电压为175kV 当冷却速度为20℃·s1,组织主要是板条贝氏体 2实验结果 (BF)、针状铁素体及粒状贝氏体(GB),并且随着冷 却速度的不断增加，贝氏体板条明显变细，束的边界 2.1实验钢的连续冷却转变曲线及其组织类型 变的更为明显 图2为实验钢的连续冷却转变曲线，从图中可 2.2实验钢的显微组织分析 以观察到，在以8~10℃s1的冷却速度，终冷温度 实验钢的金相组织如图4所示，钢板的组织为 在510521℃的范围，会得到以准多边形和针状铁 一定数量的形状不规则的准多边形铁素体和针状铁 素体为主的复合组织 素体；在该类组织中甚至可见弥散的细小的珠光体， 图3为冷却速度分别为1,5,10,20℃s1的组 它们位于少数多边形铁素体的边缘；各类组织均匀 织形貌.当冷却速度相对慢时(1℃s1),转变产物 分布；这些组织均是在较高冷却速度(8~ 为多边形铁素体(P℉)和珠光体(P)组织，铁素体在 12℃s-1)下转变形成的 晶界形核并长大，由于温度高，冷却速度较小，组织 (a) 20m 204m 图4实验钢的金相组织照片.(a)试样F1;(b)试样F2 Fig.4 The microstructures of the experimental steel:(a)Specimen F1:(b)Specimen F2 通过扫描电镜可以进一步观察细化后的针状铁 制.准多边形铁素体如图5(b)所示具有海湾状不规 素体和准多边形铁素体组织.图5(a)所示，针状铁 则边界.准多边形铁素体和针状铁素体是在一定的 素体的特征是晶粒为细小的非等轴晶，具有独特的 温度范围内形成，针状铁素体的出现同时能有效地 不规则的结构，即大小不等的晶粒有着杂乱的顺序 抑制准多边形铁素体的长大，从而细化了复合组织， 和随意的方向，细小的板条之间互相交割、互相牵 (a) 2μm 2 um 图5针状铁素体(a)和准多边形铁素体(b)的SEM照片 Fig.5 SEM micrographs showing acicular ferrite (a)and quasi-polygonal ferrite (b)
钢板金相试样沿板侧面取全厚度试样经打磨 抛光后用5％硝酸酒精侵蚀后进行金相观察和 SEM 观察透射电镜样品采用5％高氯酸无水乙醇 溶液为电解液在－20℃50V 下电解双喷减薄至 穿孔所用电镜为 H－800工作电压为175kV． 2 实验结果 2∙1 实验钢的连续冷却转变曲线及其组织类型 图2为实验钢的连续冷却转变曲线．从图中可 以观察到在以8～10℃·s －1的冷却速度终冷温度 在510～521℃的范围会得到以准多边形和针状铁 素体为主的复合组织． 图3为冷却速度分别为151020℃·s －1的组 织形貌．当冷却速度相对慢时（1℃·s －1）转变产物 为多边形铁素体（PF）和珠光体（P）组织铁素体在 晶界形核并长大由于温度高冷却速度较小组织 较为粗大．当以5℃·s －1或10℃·s －1冷却时基体 组织是针状铁素体（AF）和准多边形铁素体（QF）及 多边形铁素体的复合组织．在这种复合组织中随 冷却速度增加多边形铁素体的体积含量逐渐减少． 当冷却速度为20℃·s －1组织主要是板条贝氏体 （BF）、针状铁素体及粒状贝氏体（GB）并且随着冷 却速度的不断增加贝氏体板条明显变细束的边界 变的更为明显． 2∙2 实验钢的显微组织分析 实验钢的金相组织如图4所示．钢板的组织为 一定数量的形状不规则的准多边形铁素体和针状铁 素体；在该类组织中甚至可见弥散的细小的珠光体 它们位于少数多边形铁素体的边缘；各类组织均匀 分布；这 些 组 织 均 是 在 较 高 冷 却 速 度 （8～ 12℃·s －1）下转变形成的． 图4 实验钢的金相组织照片．（a） 试样 F1；（b） 试样 F2 Fig．4 The microstructures of the experimental steel：（a） Specimen F1；（b） Specimen F2 通过扫描电镜可以进一步观察细化后的针状铁 素体和准多边形铁素体组织．图5（a）所示针状铁 素体的特征是晶粒为细小的非等轴晶具有独特的 不规则的结构即大小不等的晶粒有着杂乱的顺序 和随意的方向细小的板条之间互相交割、互相牵 制．准多边形铁素体如图5（b）所示具有海湾状不规 则边界．准多边形铁素体和针状铁素体是在一定的 温度范围内形成针状铁素体的出现同时能有效地 抑制准多边形铁素体的长大从而细化了复合组织． 图5 针状铁素体（a）和准多边形铁素体（b）的 SEM 照片 Fig．5 SEM micrographs showing acicular ferrite （a） and quas-i polygonal ferrite （b） ·726· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第7期 温永红等：F40级船板低温韧性机理 .727. 图6(a)为准多边形铁素体的TEM形貌，与多 在原奥氏体晶粒内，针状铁素体板条的（长短）轴比 边形铁素体不同，在准多边形铁素体内含有较高密 为3：1（板条状）或5：1（板片状），晶内具有较高密度 度的位错和一些亚结构.连续冷却的低碳钢中若含 的位错，位错呈缠结或网格组态，这种缠结或存在节 有准多边形铁素体，则表现出极佳的韧性和强度的 点的位错网格组态有利于使位错稳定而保持较高的 配合[).针状铁素体在透射电镜下（图6(b)是一 位错密度. 种非常细小而有互相“联锁”的板条状组成物，分布 (b) 500nm 500m 图6准多边形铁素体(a)和针状铁素体(b)的透射形貌 Fig.6 TEM micrographs showing quasi polygonal ferrite (a)and acicular ferrite (b) 利用背散射电子衍射技术对针状铁素体复合组 织的微观取向进行分析（图7），图8为扫描区域的 取向图，图中黑色线为大角晶界(>15°)，红色线为 小角晶界(<15°).由图可见，准多边形体素体存在 较多的亚结构，图9为利用背散射电子衍射技术对 针状铁素体的微观取向角分布的分析结果，数据显 示了在组织中45°取向角时出现了峰值 20 um:Map6:Step-0 5 um:Grid120x100 图8实验钢的取向分析图 Fig.8 Orientation map of the experimental steel 0.048 0.040 口相邻取向 0.032 一任意取向（理论值） 10μm g.边O0w0.7e量A。Et 0.024 0.016 图7实验钢的扫面区域形貌 0.008 Fig.7 Scanning electron micrograph of the experimental steel 51015202530354045505560 2.3实验钢的力学性能 取向角() 表2为实验钢的拉伸和冲击性能，结果表明， 图9实验钢相邻晶粒的取向角分布 采用控轧、控冷工艺及微合金化技术，屈服强度可达 Fig.Distribution of misorientation between neighboring crystallo 到500MPa以上，相应的温度一冲击功曲线如图10 graphic grains in the experimental steel
图6（a）为准多边形铁素体的 TEM 形貌．与多 边形铁素体不同在准多边形铁素体内含有较高密 度的位错和一些亚结构．连续冷却的低碳钢中若含 有准多边形铁素体则表现出极佳的韧性和强度的 配合［3］．针状铁素体在透射电镜下（图6（b））是一 种非常细小而有互相“联锁”的板条状组成物分布 在原奥氏体晶粒内针状铁素体板条的（长短）轴比 为3∶1（板条状）或5∶1（板片状）晶内具有较高密度 的位错位错呈缠结或网格组态这种缠结或存在节 点的位错网格组态有利于使位错稳定而保持较高的 位错密度［4］． 图6 准多边形铁素体（a）和针状铁素体（b）的透射形貌 Fig．6 TEM micrographs showing quas-i polygonal ferrite （a） and acicular ferrite （b） 利用背散射电子衍射技术对针状铁素体复合组 织的微观取向进行分析（图7）．图8为扫描区域的 取向图图中黑色线为大角晶界（＞15°）红色线为 小角晶界（＜15°）．由图可见准多边形体素体存在 较多的亚结构．图9为利用背散射电子衍射技术对 针状铁素体的微观取向角分布的分析结果数据显 示了在组织中45°取向角时出现了峰值． 图7 实验钢的扫面区域形貌 Fig．7 Scanning electron micrograph of the experimental steel 2∙3 实验钢的力学性能 表2为实验钢的拉伸和冲击性能．结果表明 采用控轧、控冷工艺及微合金化技术屈服强度可达 到500MPa以上相应的温度－冲击功曲线如图10 图8 实验钢的取向分析图 Fig．8 Orientation map of the experimental steel 图9 实验钢相邻晶粒的取向角分布 Fig．9 Distribution of misorientation between neighboring crystallographic grains in the experimental steel 第7期 温永红等： F40级船板低温韧性机理 ·727·
.728 北京科技大学学报 第30卷 所示，钢板无明显冲击功急剧下降区，并且一80℃ 体未再结晶变形产生的[】，这就要求终轧快冷前 的冲击功可以达到138J以上，力学性能都已达到了 必须有一定的变形量（钢板在920~820℃累计变形 F40船板要求， 68%(未再结晶温度区轧制)，只有发生变形的奥氏 表2实验钢的力学性能 体晶粒内积累位错和形变带形成亚晶，才能经贝氏 Table 2 Mechanical properties of the experimental steel 体转变后成为针状铁素体，如果变形量不够，那么 试样 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa 延伸率/% 变形只能发生在取向有利的部分奥氏体晶粒内，而 FI 520 605 25.0 未变形的奥氏体和变形不够的奥氏体仍转变为传统 F2 515 605 22.5 的粒状贝氏体而非针状铁素体.因此要得到尽量多 的针状铁素体，必须满足一定变形量和快速冷却（实 250 验中冷却速度大于8℃s1)·这样针状铁素体形核 率越高，晶粒也越细小 200 准多边形铁素体是在较低温度下通过块状转变 尽 150 得到的，准多边形铁素体转变的特点是当新相和母 相成分相同，合金在过冷至新相、母相自由能相同的 100 -F2 温度To以下时发生的).这类转变不需要长程扩 散，只要新相原子越过界面即可生长，且新相与母相 5900 -80 60 -40 -20 温度/℃ 的界面在所有方向都是非共格的大角度晶界，所以 转变速度特别快，由于原子的置换和迁移发生在界 图10实验钢的冲击韧性随温度变化 面上，导致不规则生长和锯齿形界面且超出了原奥 Fig.10 Relations of the Charpy-V impact energy of the experimen- 氏体晶界，呈高度的不规则，犹如一块无特征的碎片 tal steel with temperature (图6(b),准多边形铁素体具有较高的位错密度、 3讨论 位错亚结构，有时还有马氏体/奥氏体(M/A)成分， 使得钢具有较低的屈强比、较高的强度和优异的延 3.1针状铁素体体和准多边形铁素体组织的控制 性 等温研究结果表明，对于低碳贝氏体钢，在不同 通过前述分析可知，采用控轧控冷工艺获得的 温度范围内会发生不同类型的组织转变，如：在 基体组织为针状铁素体十准多边形铁素体的复合组 630℃左右，会有利于发生准多边形铁素体的转变； 织，能够获得良好的性能匹配，满足F40级船板的 在580℃以下，550~530℃之间会发生针状铁素体 性能要求， 的等温转变.因此控制冷却速度会影响在不同温度 3.2大角晶界的对韧性的影响 区的经历时间，从而影响各类组织的转变份额可]. 脆性断裂的裂纹源一般是夹杂和第2相粒子存 针状铁素体组织是微合金化钢在控轧控冷过程 在的地方，但对裂纹抑制的研究相对较少，贝氏体 中，在稍高于上贝氏体形成温度范围，通过切变相变 组织中脆性断裂过程见图11，表明亚晶界是裂纹扩 和扩散相变而形成的具有高密度位错的非等轴贝氏 展的障碍11.在图11中，微裂纹形核于板条上的 体铁素体，针状铁素体是中温(650550℃)转变的 碳化物，开始时裂纹扩展限制在有效晶粒内，被亚晶 产物)].针状铁素体组织中位错强化、亚晶强化对 界所抑制，当应力增加到一定程度时，裂纹迅速长 其强度具有较大的贡献，其中位错和亚晶是由奥氏 大穿过许多晶粒，造成宏观断裂 图11脆断过程示意图.(a)微裂纹的产生；(b)裂纹的扩展；(c)宏观断裂 Fig-11 Schematic representation of fracture:(a)creation of micro-cracks:(b)cleavage crack propagation across one packet diameter:(c)final sample failure
所示钢板无明显冲击功急剧下降区并且－80℃ 的冲击功可以达到138J 以上力学性能都已达到了 F40船板要求． 表2 实验钢的力学性能 Table2 Mechanical properties of the experimental steel 试样 屈服强度／MPa 抗拉强度／MPa 延伸率／％ F1 520 605 25∙0 F2 515 605 22∙5 图10 实验钢的冲击韧性随温度变化 Fig．10 Relations of the Charpy-V impact energy of the experimental steel with temperature 3 讨论 3∙1 针状铁素体体和准多边形铁素体组织的控制 等温研究结果表明对于低碳贝氏体钢在不同 温度范围内会发生不同类型的组织转变如：在 630℃左右会有利于发生准多边形铁素体的转变； 在580℃以下550～530℃之间会发生针状铁素体 的等温转变．因此控制冷却速度会影响在不同温度 区的经历时间从而影响各类组织的转变份额［5］． 针状铁素体组织是微合金化钢在控轧控冷过程 中在稍高于上贝氏体形成温度范围通过切变相变 和扩散相变而形成的具有高密度位错的非等轴贝氏 体铁素体．针状铁素体是中温（650～550℃）转变的 产物［6］．针状铁素体组织中位错强化、亚晶强化对 其强度具有较大的贡献其中位错和亚晶是由奥氏 体未再结晶变形产生的［7－8］．这就要求终轧快冷前 必须有一定的变形量（钢板在920～820℃累计变形 68％（未再结晶温度区轧制））只有发生变形的奥氏 体晶粒内积累位错和形变带形成亚晶才能经贝氏 体转变后成为针状铁素体．如果变形量不够那么 变形只能发生在取向有利的部分奥氏体晶粒内而 未变形的奥氏体和变形不够的奥氏体仍转变为传统 的粒状贝氏体而非针状铁素体．因此要得到尽量多 的针状铁素体必须满足一定变形量和快速冷却（实 验中冷却速度大于8℃·s －1）．这样针状铁素体形核 率越高晶粒也越细小． 准多边形铁素体是在较低温度下通过块状转变 得到的．准多边形铁素体转变的特点是当新相和母 相成分相同合金在过冷至新相、母相自由能相同的 温度 T0 以下时发生的［9］．这类转变不需要长程扩 散只要新相原子越过界面即可生长且新相与母相 的界面在所有方向都是非共格的大角度晶界所以 转变速度特别快．由于原子的置换和迁移发生在界 面上导致不规则生长和锯齿形界面且超出了原奥 氏体晶界呈高度的不规则犹如一块无特征的碎片 （图6（b））．准多边形铁素体具有较高的位错密度、 位错亚结构有时还有马氏体／奥氏体（M／A）成分 使得钢具有较低的屈强比、较高的强度和优异的延 性． 通过前述分析可知采用控轧控冷工艺获得的 基体组织为针状铁素体＋准多边形铁素体的复合组 织能够获得良好的性能匹配满足 F40级船板的 性能要求． 3∙2 大角晶界的对韧性的影响 脆性断裂的裂纹源一般是夹杂和第2相粒子存 在的地方但对裂纹抑制的研究相对较少．贝氏体 组织中脆性断裂过程见图11表明亚晶界是裂纹扩 展的障碍［10］．在图11中微裂纹形核于板条上的 碳化物开始时裂纹扩展限制在有效晶粒内被亚晶 界所抑制．当应力增加到一定程度时裂纹迅速长 大穿过许多晶粒造成宏观断裂． 图11 脆断过程示意图．（a） 微裂纹的产生；（b） 裂纹的扩展；（c） 宏观断裂 Fig．11 Schematic representation of fracture：（a） creation of micro-cracks；（b） cleavage crack propagation across one packet diameter；（c） final sample failure ·728· 北 京 科 技 大 学 学 报 第30卷
第7期 温永红等：F40级船板低温韧性机理 .729. 从图8和图9可以看出，在针状铁素体中大角 [2]Czyryca E J,Kihl D P.DeNale R.Meeting the challenge of high 晶界所占的比例很大，只有很少一部分小角晶界 er strength.lighter warships.A MPTIAC Q.2003.7(3):63 [3]Ohtani H.Okaguchi S,Fujisro Y.et al.Morphology and proper 大角晶界对于解理裂纹传播是一个很大的障 碍].要使相邻晶粒错排解理面连结起来，就必 ties of low-carbon Bainite.Metall Trans A.1990.21A:877 [4]Zhao MC.Xiao F Y,Shan YY,et al.Microstructure character- 须形成一些大尺寸台阶，这是总的断面面积，因而也 istic and toughness of an ultralow carbon acicular ferrite pipeline 就使Griffith方程中有效表面能数值增加相当多 steel.Acta Metall Sin.2002.38(3):283 如果取向差足够大，实际上有可能使裂纹在晶界处 (赵明纯，肖福仁，单以银，等.超低碳针状铁素体管线钢的显微 特征及强韧性行为.金属学报，2002,38(3).283) 突然停止，然后又得在相邻晶粒内重新生核，因此， [5]LI J.Shang C J.He X L,et al.Effect of carbon on microstrue- 在针状铁素体中，裂纹扩展强烈地受到彼此咬合、互 ture and properties of high performance bridge steel.Iron Steel. 相交错分布的细小的针状铁素体条束（大角晶界）的 2006,41(12):64 阻碍，从而有效地提高了其低温性能 (李静，尚成嘉，贺信莱，等，碳含量对高性能桥梁组织结构和性 能的影响.钢铁，2006,41(12)：64) 4结论 [6]Bhadeshia H K D H.Bainite in Steels.2nd Ed.London:The Institute of Materials.2001 (1)通过控制轧制和控制冷却得到细化的针状 [7]Zhao M C.Shan YY,Xiao F R,et al.Acicular ferrite formation 铁素体和准多边形铁素体的复合组织，这种复合组 during hot plate rolling for pipeline steels.Mater Sci Technol, 织具有优良的综合力学性能，可满足F40级船体结 2003,19,355 构用钢的要求， [8]Zhao M C.Yang K.Shan YY.Comparison on strength and (2)在获得的复合组织中，高密度位错的针状 toughness behaviors of microalloyed pipeline steels with acicular ferrite and ultrafine ferrite.Mater Lett,2003.57:1496 铁素体组织以及彼此咬合、互相交错分布的细小的 [9]Weng Y Q.Kong L H.Wang G D.et al.Ultrafine Grained 针状铁素体条束对裂纹扩展的阻碍，有效地提高了 Steel:The Refinement Theory and Controlled Technology of 其低温韧性 Steel.Beijing:Metallurgical Industry Press.2003 (③)针状铁素体和准多边形铁素体的复合组织 (翁宇庆，孔令航，王国栋，等.超细晶钢：钢的组织细化理论与 之间的界面均为大角晶界，大角晶界对于解理裂纹 控制技术.北京：冶金工业出版社，2003) 传播是个很大的障碍，能有效抑制裂纹的扩展，改善 [10]Zhang XZ.Knott JF.Cleavage fracture in Bainitic and Marten- sitic microstructures.Acta Mater.1999.47(12):3483 钢的低温韧性， [11]Qiao Y,Argon A S.Cleavage crack resistance of high angle grain boundaries in Fe-3%Si alloy.Mech Mater.2003.35; 参考文献 313 [1]Wang H.Production current situation and development tactics of [12]Qiao Y,Argon A S.Cleavage crackgrowth resistance of grain ship plate in China.Steel rolling.2001,18(15):21 boundaries in polycrystalline Fe-2%Si alloy:experiments and (王华.我国造船钢板的生产现状及发展对策.轧钢，2001,18 modeling.Mech Mater.2003.35:129 (15):21)
从图8和图9可以看出在针状铁素体中大角 晶界所占的比例很大只有很少一部分小角晶界． 大 角 晶 界 对 于 解 理 裂 纹 传 播 是 一 个 很 大 的 障 碍［11－12］．要使相邻晶粒错排解理面连结起来就必 须形成一些大尺寸台阶这是总的断面面积因而也 就使 Griffith 方程中有效表面能数值增加相当多． 如果取向差足够大实际上有可能使裂纹在晶界处 突然停止然后又得在相邻晶粒内重新生核．因此 在针状铁素体中裂纹扩展强烈地受到彼此咬合、互 相交错分布的细小的针状铁素体条束（大角晶界）的 阻碍从而有效地提高了其低温性能． 4 结论 （1） 通过控制轧制和控制冷却得到细化的针状 铁素体和准多边形铁素体的复合组织这种复合组 织具有优良的综合力学性能可满足 F40级船体结 构用钢的要求． （2） 在获得的复合组织中高密度位错的针状 铁素体组织以及彼此咬合、互相交错分布的细小的 针状铁素体条束对裂纹扩展的阻碍有效地提高了 其低温韧性． （3） 针状铁素体和准多边形铁素体的复合组织 之间的界面均为大角晶界大角晶界对于解理裂纹 传播是个很大的障碍能有效抑制裂纹的扩展改善 钢的低温韧性． 参 考 文 献 ［1］ Wang H．Production current situation and development tactics of ship plate in China．Steel rolling200118（15）：21 （王华．我国造船钢板的生产现状及发展对策．轧钢200118 （15）：21） ［2］ Czyryca E JKihl D PDeNale R．Meeting the challenge of higher strengthlighter warships．A MPTIAC Q20037（3）：63 ［3］ Ohtani HOkaguchi SFujisro Yet al．Morphology and properties of low-carbon Bainite．Metall T rans A199021A：877 ［4］ Zhao M CXiao F YShan Y Yet al．Microstructure characteristic and toughness of an ultralow carbon acicular ferrite pipeline steel．Acta Metall Sin200238（3）：283 （赵明纯肖福仁单以银等．超低碳针状铁素体管线钢的显微 特征及强韧性行为．金属学报200238（3）：283） ［5］ LI JShang C JHe X Let al．Effect of carbon on microstructure and properties of high performance bridge steel．Iron Steel 200641（12） ：64 （李静尚成嘉贺信莱等．碳含量对高性能桥梁组织结构和性 能的影响．钢铁200641（12） ：64） ［6］ Bhadeshia H K D H．Bainite in Steels．2nd Ed．London：The Institute of Materials2001 ［7］ Zhao M CShan Y YXiao F Ret al．Acicular ferrite formation during hot plate rolling for pipeline steels． Mater Sci Technol 200319：355 ［8］ Zhao M CYang KShan Y Y．Comparison on strength and toughness behaviors of microalloyed pipeline steels with acicular ferrite and ultrafine ferrite．Mater Lett200357：1496 ［9］ Weng Y QKong L HWang G Det al．Ultrafine Grained Steel： The Refinement Theory and Controlled Technology of Steel．Beijing：Metallurgical Industry Press2003 （翁宇庆孔令航王国栋等．超细晶钢：钢的组织细化理论与 控制技术．北京：冶金工业出版社2003） ［10］ Zhang X ZKnott J F．Cleavage fracture in Bainitic and Martensitic microstructures．Acta Mater199947（12）：3483 ［11］ Qiao YArgon A S．Cleavage crack resistance of high angle grain boundaries in Fe-3％Si alloy． Mech Mater200335： 313 ［12］ Qiao YArgon A S．Cleavage crack-growth-resistance of grain boundaries in polycrystalline Fe-2％ Si alloy：experiments and modeling．Mech Mater200335：129 第7期 温永红等： F40级船板低温韧性机理 ·729·