CN101705433A

CN101705433A - -196℃超低温抗震结构钢

Info

Publication number: CN101705433A
Application number: CN200910075654A
Authority: CN
Inventors: 王青峰; 赵希庆; 潘涛; 苏航; 杨才福
Original assignee: Central Iron and Steel Research Institute; Yanshan University
Current assignee: Central Iron and Steel Research Institute; Yanshan University
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2010-05-12
Anticipated expiration: 2029-09-29
Also published as: CN101705433B

Abstract

本发明公开了一种-196℃超低温抗震结构钢。钢的化学成分为(wt％)：C：0.02～0.10、Si：0.10～0.25、Mn：0.3～0.8、Ni：6.5～12.5、Cr+Mo+Cu：≤0.5、Nb+V+Ti：≤0.05、Als：0.02～0.04、S：≤0.005、P：≤0.015、O和N的总量≤0.008，余量为Fe和不可避免的杂质。对具有上述化学成分的钢板采用高温淬火+低温淬火+回火的调质热处理以后，在钢中形成由块状铁素体、回火马氏体和奥氏体等组元构成的多相组织，且各组元的百分含量(％)分别为6～14、65～80、15～20，同时Ni在各组元中的含量(wt％)依次为2～7、4～12、15～20，使钢在-196℃具有低屈强比(0.67～0.80)、高均匀延伸率(17～24％)、高强度(屈服强度830～925MPa)和高韧性(冲击功160～198J)等优异的抗震综合力学性能。本发明工艺简单，易实现工业化生产。

Description

-196℃超低温抗震结构钢

技术领域

本发明属于抗震结构钢领域，特别涉及一种在-196℃超低温服役环境下具有低屈强比、高均匀延伸率、高强度和高韧性等抗震综合力学性能优异的结构钢。

背景技术

我国地震带分布广泛，许多在建和规划的液化天然气(LNG)储罐、LNG输送网管等低温钢结构和液化、气化等低温装备不可避免地建造和运行在地震带上。地震对钢结构带来的主要危害是：当地震水平力超过钢的屈服强度时，在构件中产生较大塑性变形，引起结构失稳甚至失效，从而造成灾难性的破坏。因此，有关低温结构的抗震设计和选材是必须加以高度关注的安全问题。

为了提高结构的抗震性能，一方面，从设计的角度，要求采用抗震耗能设计或塑性设计，如采用强柱弱梁或塑性铰等；另一方面，从选材的角度，相关结构钢标准、设计和建造规范在对钢的强度级别提高不断加以修订的同时，对屈强比、塑性和韧性等延性指标的要求也相应加以严格的限制，原因如下：

大量试验研究与工程实践表明，韧性是表征裂纹或类似缺陷附近发生局部塑性变形、使集中应力得以重新分配或松弛的材料力学特性。屈强比则是表征材料因过载而发生整体均匀塑性变形能力的力学参量，且屈强比还与材料的加工硬化能力密切相关，即较低的屈强比，意味着材料在塑性变形阶段具有较高的加工硬化指数和抗过载能力。因此，钢的屈强比是关系到结构安全性的一个至关重要的力学性能指标。例如，在下述结构设计中，对低屈强比高强度钢的运用具有特殊的考虑。

1)抗震结构安全性。屈强比影响构件的变形能力和极限承载能力。据理论分析，在地震水平力的作用下，构件承受的弯矩沿水平构件长度(L)方向线性变化。当屈强比(YR)降低时，塑性区域的长度(L_y＝(1-YR)L)将会增大，构件的耗能能力随之增强。

2)焊接结构安全性。屈强比影响焊接结构的抗脆断性能。在焊接构件板厚(w)方向可能难于避免地存在一定长度的裂纹或类似焊接缺陷。当采用全截面屈服安全设计时，从断裂力学的角度，裂纹不发生失稳扩展的临界长度(2a)与屈强比(YR)的关系可表示为YR＝(1-2a/w)。当屈强比降低时，构件容许裂纹长度增加，脆断倾向降低，构件的安全性随之增强。

由此可见，低屈强比是从选材角度确保结构具有良好抗震性能和抗脆断性能的关键力性指标。相关结构钢标准或设计建造规范对钢的屈强比有特别规定。如在欧洲，对于420MPa级高强度结构钢，基于多数情况下塑性设计理论仍适用的考虑，欧3标准适当放宽了对屈强比的要求(≤0.91)。美国2008版ASTM A992/992M标准为通用工程结构规定了8个强度级别(260～700MPa)、7种不同用途的结构钢，对于其中强柱弱梁型塑性设计构件的选材，特别规定屈服强度≤480MPa、且屈强比≤0.85。在地震多发且烈度较高的日本，抗震设计是需要特别关注的问题，从抗震耗能设计出发，对结构钢的屈强比限定极为严格，JIS G3106标准要求不同强度级别的SN系列抗震专用钢屈强比均必须≤0.8.在我国，建筑钢标准(GB/T19879-2005)规定的系列强度级别钢(Q235～Q500)，等同于日本SN系列钢，均要求屈强比≤0.80；钢结构设计规范(GB50017-2003)的塑性设计部分，明确规定选材屈强比≤0.83；钢结构抗震设计规范(GB50011-2001)的选材规定，等同于美国钢结构学会(AISC)对抗震结构钢的要求，规定各强度级别钢的屈强比≤0.85.

要使一般抗震结构钢获得低屈强比性能，通常采用双相组织设计思路，使软、硬相在微观硬度和微观形态上适当配合，既充分发挥软相的形变强化潜力，又利用硬相的塑性变形能力，推迟颈缩形成，降低屈强比、提高均匀延伸率。如新日铁采用直接淬火-临界淬火-回火工艺，开发了屈强比≤0.8的HT590和HT780级块状铁素体/回火马氏体双相抗震结构钢。JFE采用TMCP技术，开发了准多边形铁素体/贝氏体和回火贝氏体/M-A岛双相X65、X80和X100系列抗应变管线钢，屈强比均≤0.8。国内东北大学采用TMCP技术，研制了低屈强比X80级针状铁素体/马氏体双相钢厚板，屈强比达到0.66～0.80。

但是，现有双相抗震结构钢还不能满足-196℃超低温结构对抗震性能的要求。据分析，主要原因有二：一是钢中镍含量偏低(一般均低于2wt％)。众所周知，Ni减小低温变形时位错运动的摩擦阻力，增加层错能，有利于低温塑性和韧性。但当钢中镍含量偏低时，软、硬相中的镍含量也均相应偏低，低温变形时软相的形变强化和硬相的塑性变形能力均有限，使屈强比偏高、均匀延伸率偏低；二是钢中缺少热稳定性足以维持到超深冷状态的奥氏体。试验研究和理论分析均表明，稳定奥氏体是钢中重要的塑性相，当它与马氏体和/或贝氏体基体组成多相组织时，可以通过形变诱导奥氏体/马氏体相变而诱发塑性(即TRIP)、释放局部集中应力、净化基体等多种作用机制，提高宏观均匀延伸率和低温韧性、降低屈强比。

因此，为满足-196℃超低温抗震结构对选材的要求，亟待开发超低温抗震结构钢。目前，已检索到国内外-196℃超低温结构钢材料专利技术15篇，它们主要涉及到钢的成分设计、组织结构、TMCP工艺及热处理工艺，其目的是如何提高钢的低温韧性、或降低生产成本、或生产低温钢厚板。而能够满足-196℃超低温服役环境下具有低屈强比、高均匀延伸率、高强度和高韧性等优异抗震综合力学性能要求的结构钢方面的文献及专利技术，几乎没有报导。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，本发明提供一种-196℃超低温抗震结构钢，该发明在-196℃超低温服役环境下具有低屈强比、高均匀延伸率、高强度和高韧性等优异的抗震综合力学性能。

为实现上述目的，本发明涉及的一种-196℃超低温抗震结构钢，其特征是：所述钢的化学成分(wt％)为：C：0.02～0.10、Si：0.10～0.25、Mn：0.3～0.8、Ni：6.5～12.5、Cr+Mo+Cu：≤0.5、Nb+V+Ti：≤0.05、Als：0.02～0.04、S：≤0.005、P：≤0.015、O和N的总量≤0.008，余量为Fe和不可避免的杂质。所述钢对镍含量(wt％)和碳含量(wt％)的限定符合9.25≤Ni+25C≤11.25，且所述钢对镍含量(wt％)和锰含量(wt％)的限定还符合11≤Ni+5Mn≤13。所述钢的微观组织形态是由块状铁素体、回火马氏体和奥氏体构成的多相组织，且各组元的百分含量(％)分别为6～14、65～80、15～20，同时Ni在各组元中的含量(wt％)相应地依次为2～7、4～12、15～20。

所述钢的优选化学成分为(wt％)：：C：0.03～0.07、Si：0.10～0.25、Mn：0.5～0.7、Ni：8.5～9.5、Cr+Mo+Cu：≤0.5、Nb+V+Ti：≤0.05、Als：0.02～0.04、S：≤0.005、P：≤0.010、O和N的总量≤0.007，余量为Fe和不可避免的杂质，从而使所述钢在由块状铁素体、回火马氏体和奥氏体所构成的多相组织中，各组元的优选百分含量(％)分别稳定在8～12、70～75、15～20，同时Ni在各组元中的优选含量(wt％)相应地依次为3～6、6～10、15～20。

为了在具有上述化学成分特征的钢中形成所述的多相组织形态特征，本质上要对具有上述化学成分特征的钢板采用高温淬火+低温淬火+回火的调质热处理。高温淬火的温度需要选择在所述钢的上临界点(Ac₃)以上30～100℃，低温淬火温度需要选择在所述钢的Ac₃以下20～80℃，而回火温度需要选择在所述钢的下临界点(Ac₁)以下0～100℃。

本发明多相组织的形成过程是：经高温淬火处理后，生成均匀细小的一次淬火马氏体组织；再经低温淬火处理后，生成由贫Ni区构成的块状铁素体和富Ni区构成的二次淬火马氏体；最后经回火处理后，块状铁素体保留，二次淬火马氏体一部分回火，形成回火马氏体，另一部分转变成热稳定性高的奥氏体。经上述两次淬火+回火的调质热处理以后，最终在钢中形成由块状铁素体、回火马氏体和奥氏体构成的多相组织，且各组元的体积百分含量可以通过调整低温淬火温度和回火温度来控制。

由于C、Mn、Ni等作为主要合金元素，在本发明钢中奥氏体相内部的富积，经-196℃超低温拉伸变形时，奥氏体因机械失稳而转变成硬度较高的马氏体，在多相组织中发挥硬相作用，降低屈强比，且当奥氏体含量较多时，降低屈强比的效果更为显著。同时，当奥氏体中具有相当高的Ni含量时，对提高硬相的塑性变形能力、推迟颈缩形成、提高均匀延伸率也有利。

本发明的有益效果是：

1、本发明所提供的一种-196℃超低温抗震结构钢，在-196℃下，屈服强度为830～925MPa、抗拉强度为1060～1230MPa、屈强比为0.67～0.80、均匀延伸率为17～24％、冲击功为160～198J，具有优异的抗震综合力学性能。

2、本发明所提供的一种-196℃超低温抗震结构钢的制造方法，工艺简单，易实现工业生产。

附图说明

图1为本发明实施例1经4％硝酸酒精腐蚀以后，在放大倍数为500×的光学显微镜下观察到的多相组织，说明其中含有块状铁素体和回火马氏体；

图2(a)为本发明实施例1在25000×的透射电子显微电镜下观察到的微观组织，基体为板条马氏体，板条边界上存在黑色的相；图2(b)为该相的选区衍射花样；图2(c)为衍射花样的标定结果，确定是面心立方结构，说明本发明钢的多相组织中还含有奥氏体；

图3为本发明比较例1经4％硝酸酒精腐蚀以后，在放大倍数为500×的光学显微镜下观察到的多相组织，说明其中也含有块状铁素体和回火马氏体；

图4(a)为本发明比较例1在10000×的透射电子显微电镜下观察到的微观组织，基体为板条马氏体，板条边界上存在黑色的相；图4(b)为该相的选区衍射花样及标定结果，表明该相为奥氏体。但与本发明实施例1相比，奥氏体的数量明显偏少；

图5为本发明钢实施例1在-196℃下进行拉伸试验的应力-应变曲线，说明具有低屈强比(≤0.80)和高均匀延伸率(17～24％)等超低温力学特性；

图6为与本发明钢比较例1在-196℃下进行拉伸试验的应力-应变曲线，说明与本发明实施例1相比，屈强比偏高(≥0.91)。

具体实施方式

以下结合具体实施例对本发明涉及的-196℃超低温抗震结构钢及制造方法作进一步的详细描述。

按本发明所述一种-196℃超低温抗震结构钢的化学成分炼制了三种不同成分的试验钢。冶炼采用100kg真空感应炉，每炉浇注50kg钢锭2支。从钢水中取样，采用化学方法分析三种不同试验钢的熔炼成分，分析结果见表1。

表1：本发明钢的化学成分(wt.％)

从表1可以看出，三种试验钢的化学成分均符合本发明所述要求。

用锻造方法将试验钢锭锻成尺寸为80×80×L(mm)的坯料，再将坯料加热到1200℃后，轧成20×200×L(mm)的板材。粗轧阶段为二道次轧制，开轧温度为1120℃，粗轧结束温度为1020℃，总变形量为60％；精轧阶段为五道次轧制，开轧温度为875℃，终轧温度为750℃，总变形量为37.5％。对试验钢轧态板按不同的低温淬火温度、相同的高温淬火温度(Ac₃以上80℃±30℃范围内)和回火温度(Ac₁以下50℃±30℃范围内)进行高温淬火+低温淬火+回火的调质热处理。将其中低温淬火温度为Ac₃以下50℃±20℃进行处理的试验钢作为实施例，将低温淬火温度为Ac₃以下0～30℃处理的试验钢作为比较例。

然后，采用定量金相法测试各实施例和比较例试验钢中块状铁素体的百分含量(％)，采用D/MAX-2500/pc X射线衍射仪分析试验钢中的奥氏体含量，采用JEM2010型透射电镜能谱分析状铁素体、回火马氏体和奥氏体等各组元中Ni的含量(wt.％)。

最后，对各实施例和比较例的试验钢板取样，分别按照GB/T13239-2006标准和GB/T 229-2007标准，测试-196℃超低温纵向拉伸性能和横向V型缺口冲击性能。测试拉伸性能时，采用MTS NEW810型拉伸试验机，试样保持浸泡在液氮中，待试样浸泡至少30分钟以上时，再以3mm/min恒定的夹头移动速率进行拉伸，并记录拉伸应力-应变曲线。测试冲击性能时，采用NCS系列500J仪器化摆锤式冲击试验机，试验前将试样在液氮中浸泡至少30分钟以上，为防止温降而影响测试结果的真实性，取出试样后迅速安装和进行冲击性能测试。上述测试是委托国家钢铁材料测试中心进行的。

各试验钢实施例和比较例中块状铁素体、回火马氏体和奥氏体等各组元的百分含量、各组元内部Ni含量、以及力学参量的分析和测试结果，如表2所示.以其中的1号试验钢为例，相应实施例和比较例的显微组织形态分别见图1～图4、拉伸应力应变曲线分别如图5和图6所示.

表2：各试验钢实施例和比较例的-196℃超低温力学性能

注：表中F代表块状铁素体、M代表回火马氏体、A代表奥氏体

从表2所列举的各实施例可以看出，多相组织各组元百分含量和其中Ni含量的实测值均符合本发明所述范围。由于其中的奥氏体含量较高，降低-196℃超低温拉伸屈强比的效果显著，均在0.80以下。同时，本发明实施例还具有较高的均匀延伸率和良好的-196℃低温韧性。说明本发明钢具有优异的-196℃超低温抗震综合力学性能。

从表2所列举的各比较例可以看出，多相组织中奥氏体的含量均远低于本发明所述范围，在-196℃超低温下进行拉伸和冲击试验时，尽管均匀延伸率和冲击功仍较高，但屈强比偏高，均在0.90以上，不适宜作为-196℃超低温抗震结构钢使用。

Claims

1.一种-196℃超低温抗震结构钢，其特征是：所述钢的化学成分为(wt％)：C：0.02～0.10、Si：0.10～0.25、Mn：0.3～0.8、Ni：6.5～12.5、Cr+Mo+Cu：≤0.5、Nb+V+Ti：≤0.05、Als：0.02～0.04、S：≤0.005、P：≤0.015、O和N的总量≤0.008，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的-196℃超低温抗震结构钢，其特征是：所述钢对镍含量(wt％)和碳含量(wt％)的限定符合9.25≤Ni+25C≤11.25，且所述钢对镍含量(wt％)和锰含量(wt％)的限定还符合11≤Ni+5Mn≤13。

3.根据权利要求1或2所述的-196℃超低温抗震结构钢，其特征是：在所述钢中形成由块状铁素体、回火马氏体和奥氏体等组元构成的多相组织，且各组元的百分含量(％)分别为6～14、65～80、15～20，同时Ni在各组元中的含量(wt％)相应地依次为1～7、4～12、15～20。

4.根据权利要求1～3所述的-196℃超低温抗震结构钢，其特征是：所述钢的化学成分为(wt％)：C：0.03～0.07、Si：0.10～0.25、Mn：0.5～0.7、Ni：8.5～9.5、Cr+Mo+Cu：≤0.5、Nb+V+Ti：≤0.05、Als：0.02～0.04、S：≤0.005、P：≤0.010、O和N的总量≤0.007，余量为Fe和不可避免的杂质；在所述钢中形成由块状铁素体、回火马氏体和奥氏体等组元所构成的多相组织中，各组元的百分含量(％)分别为8～12、70～75、15～20，同时Ni在各组元中的含量(wt％)相应地依次为2～6、6～10、15～20。