CN108411188B - 一种高止裂和疲劳强度厚钢板及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出高止裂和疲劳强度厚钢板及其制备方法。该钢板包含化学成分(重量百分比):C 0.05‑0.07％，Si 0.10‑0.20％，Mn 1.40‑1.60％，Nb 0.04‑0.06％，Ti 0.01‑0.02％，Cu 0.30‑0.35％，Cr 0.27‑0.31％，Ni 0.4‑0.5％，Al 0.01‑0.04％，Mo 0.06‑0.11％，P≦0.020％，S≦0.010％以及余量的Fe和杂质。该方法为：将与上述钢组分相同的连铸坯依次进行加热、保温、粗轧、中间坯控制冷却、精轧、成品控制冷却形成成品钢板。本发明的钢板屈服强度不低于500MPa，具有良好的低温冲击韧性，AKV2(‑60℃)大于250J,300MPa应力下钢板止裂温度低于‑35℃，200万次疲劳强度σ0(2×106)大于160MPa。本发明适用于桥梁结构用钢板，特别是对强度和低温韧性要求较高，同时要求具有良好疲劳性能的桥梁板制造中应用。

Description

一种高止裂和疲劳强度厚钢板及其制备方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，涉及一种高止裂和疲劳强度厚钢板及其制备方法，具体涉及具有优良低温(-60℃)韧性和屈服强度级别为500MPa、在300MPa主拉伸应力下止裂温度低于-35℃，拉应力循环200万次疲劳强度大于160MPa、最大厚度为60mm钢板及其制备方法。发明适用于桥梁结构，特别是对强度和低温韧性要求较高，同时要求高疲劳性能的场合。
背景技术
桥梁用钢的发展经历了从低碳钢—低合金钢—高强度钢(High Strength Steel，HSS)—高性能钢(High Performance Steel，HPS)等历程。强度提高的同时，其屈强比相比低碳钢和低合金钢明显提高。铁路桥梁这种动荷载很大的结构，需要提升安全储备。目前，关于高性能钢材疲劳断裂性能、结构构件的稳定性能等方面的研究尚需进一步深入，更需要提出钢的屈强比ReL/Rm、低温韧性、焊接性、以及疲劳性能量化指标。
随着我国桥梁建造技术的发展，目前我国一些新建斜拉桥主跨跨度已达千米级，杆件轴向应力高达上千吨，普通强度钢已无法满足杆件受力要求，需要研制和应用新型的Q500q高性能度桥梁结构钢。由于疲劳强度是钢桥设计的主要控制因素之一，要在桥梁中发挥高性能钢屈服强度高的特点，则需要掌握高性能钢包括焊接接头的疲劳性能。在高性能钢焊接构造的疲劳研究方面，目前还没有完全一致的结论。铁道科学研究院于1999年对板厚44mm的Q370qE对接焊试件进行了疲劳试验，得出其200万次疲劳强度σ0(2×106)＝145(MPa)。
专利CN 105063509A提出一种屈服强度500MPa级桥梁结构钢及其生产方法，其屈服强度级别达到了500MPa级，其冲击吸收能量仅限为-40℃下的测量值，并未涉及止裂和疲劳强度。专利CN106811704A提出一种屈服强度500MPa级桥梁结构钢及其生产方法，其强度级别达到了500MPa级，其冲击吸收能量仅限为-40℃下的测量值，其轧制工艺与本发明不同，其产品性能并未涉及止裂和疲劳强度。专利CN105385955A提出一种屈服强度500MPa级焊接结构钢及其生产方法，其强度级别达到了500MPa级，其冲击吸收能量仅限为-40℃下的测量值，其轧制工艺与本发明不同，其产品性能并未涉及止裂和疲劳强度。专利CN107326304A提出一种屈服强度500MPa级桥梁结构钢及其生产方法，其强度级别达到了500MPa级，其冲击吸收能量仅限为-40℃下的测量值，其轧制工艺与本发明不同，其产品性能并未涉及止裂和疲劳强度。专利CN103014554B提出一种屈服强度500MPa级桥梁结构钢及其生产方法，其强度级别达到了500MPa级，其冲击吸收能量仅限为-60℃下的测量值，其厚度规格仅限于10-25mm，其产品性能并未涉及疲劳强度。
发明内容
本发明提供高止裂和疲劳强度厚钢板及其制备方法，通过采用低C、低S、Nb+Ti微合金化、复合添加Cr、Cu、Ni、Mo的成分设计及控制轧制和控制冷却工艺，生产具有优良低温(-60℃)韧性和屈服强度级别为500MPa、在300MPa主拉伸应力下止裂温度低于-35℃，拉应力循环200万次疲劳强度大于160MPa、最大厚度为60mm钢板。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种高止裂和疲劳强度厚钢板，用于桥梁结构，钢板的化学组成按照重量百分比计包括：C 0.05-0.07％，Si 0.10-0.20％，Mn 1.40-1.60％，Nb 0.04-0.06％，Ti 0.01-0.02％，Cu 0.30-0.35％，Cr 0.27-0.31％，Ni 0.4-0.5％，Al 0.01-0.04％，Mo 0.06-0.11％，P≦0.010％，S≦0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质；钢板的碳当量指数Ceq≤0.44，冷裂纹敏感性指数Pcm≤0.19％；钢板300MPa主拉伸应力下止裂温度低于-35℃，200万次疲劳强度σ0(2×106)大于160MPa，-60℃冲击韧性AKV2(-60℃)大于250J。
对本发明钢所包含化学成分作进一步说明如下：
C：碳是较强的固溶强化元素，是影响高强钢力学性能的主要元素之一，当碳含量低于0.04％时强度低，但含量过高会恶化钢板的塑性、低温韧性和焊接性，本发明碳上限值为0.07％。
Si：硅在炼钢过程中可作为脱氧剂和还原剂，具有一定的固溶强化作用。但含量过高对钢板的低温韧性和焊接性不利，本发明硅含量控制在0.1～0.20％。
Mn：锰元素对提高钢的强度、改善低温韧性、降低钢的韧脆转变温度有重要作用，且成本低廉。但过高的锰易造成铸坯的偏析，使轧后钢板产生不易消除的带状组织，降低钢板的横向性能和抗层状撕裂性能，本发明锰含量控制在1.4～1.6％
Nb：铌是细晶强化的关键元素之一，其通过两种途径来细化晶粒，一是铌对奥氏体再结晶有明显的延迟作用，提高再结晶温度，防止再结晶奥氏体晶粒长大；二是随着轧制温度的降低，铌的碳、氮化物可以在奥氏体向铁素体转变前弥散析出，成为铁素体的形核质点，使铁素体在较小的过冷度下形成，不易长大，从而细化铁素体晶粒。作为非再结晶温度区间扩大的铌元素，通过细化晶粒来提高大角度晶界面积和分数，进而改善钢板的止裂韧性，本发明铌含量控制在0.04～0.06％。
Ti：微量钛与钢中的C、N结合，形成细小稳定的C、N化物颗粒，在板坯加热过程中可有效阻止奥氏体晶粒的粗化，钛的氮化物在焊接时可以抑制焊接热影响区的晶粒粗化，从而改善基体金属和焊接热影响区的低温韧性，本发明钛含量控制在0.01～0.02％。
Ni：镍能有效改善钢的低温韧性和耐腐蚀性能，但随着镍含量的增多，生成成本会显著增加，本发明镍含量控制在0.4～0.5％。
Cu：铜是奥氏体稳定化元素，适量的铜可以提高钢板的强度和耐腐蚀性能，但加入过多易造成钢的热脆，破坏钢板表面质量，本发明铜含量控制在0.10～0.35％。
Cr：铬能显著提高钢的强度，但同时降低钢的塑性和韧性。铬还可提高钢的抗氧化和耐腐蚀性能，本发明铬含量控制在0.27～0.31％。
Al：铝是重要的脱氧元素，微量的铝可有效减少钢中的夹杂物含量，并细化晶粒，但过多的铝会增加铸坯表面产生裂纹的倾向，本发明铝含量控制在0.02～0.05％。
上述高止裂和疲劳强度厚钢板的制备方法，包括铁水预脱硫处理，转炉炼钢，钢包精炼，真空脱气，连铸，连铸板坯再加热、保温、粗轧、中间坯控制冷却、精轧、成品钢板控制冷却，其中：
(1)连铸板坯再加热过程中，加热温度为1150-1200℃，保温120-240min；
(2)粗轧阶段开轧温度为1000-1070℃，中间板坯经水冷，冷却速率不低于10-30℃/min，中间坯上下表面终冷温度不低于800℃；
(3)精轧阶段开轧温度为800-830℃，精轧总压下率≥50％；
(4)成品钢板控制冷却过程中，冷却速率控制在5～30℃/s，终冷温度控制在200-400℃，后空冷至室温。
进一步，所述的高止裂和疲劳强度厚钢板的制备方法制得的钢板的最大厚度为60mm。
与现有技术相比，本发明在于：
(1)合理的成分设计。本发明采用了超低C、Nb+V+Ti微合金化、复合添加Cr、Cu、Ni、Mo的成分设计，并对钢中的有害元素P、S进行上限控制，以提高钢的纯净度，改善钢的韧性。
(2)独特的控轧控冷工艺。不同于已发表文件中提到的控轧控冷工艺，本发明设计中间坯控制冷却技术并给出量化参数，有效控制轧后奥氏体组织，从而获得最优室温显微组织，使其相变后组织以细晶粒铁素体为主要组成，这种细化的铁素体晶粒所具有的大角度晶界能增加裂纹启裂及扩展的阻力，从而实现钢板的高韧性和疲劳性能。
(3)独特的产品性能：屈服强度(大于500MPa)、止裂温度低于-35℃，疲劳强度(大于160MPa)、-60℃冲击韧性(AKV2(-60℃)大于250J)。
附图说明
图1实施例1中60mm钢板厚度中心(t/2)金相组织；
图2实施例1中60mm距离钢板表面t/4处金相组织；
图3实施例1中40mm距离钢板表面t/2处金相组织；
图4实施例1中40mm距离钢板表面t/4处金相组织；
图5实施例1中32mm钢板表面t/2处金相组织；
图6实施例1中32mm钢板表面t/4处金相组织；
图7实施例1中60mm钢板厚度中心(1/2t)EBSD晶粒边界图；
图8实施例1中距离60mm钢板表面1/4t处EBSD晶粒边界图；
图9实施例1和实施例2中用于疲劳试验的试件尺寸图；
图10实施例2中60mm距离钢板表面t/2处金相组织；
图11实施例2中60mm距离钢板表面t/4处金相组织。
具体实施方式
实施例1
本实施例涉及的高强韧钢板的最大厚度为60mm，其包含的组分及其重量百分比为：C 0.06％、Si 0.18％、Mn 1.49％、P 0.008％、S 0.001％、Nb 0.047％、Ti 0.015％、Cu0.30％、Ni 0.41％、Cr 0.30％、Mo 0.11％、Al 0.011％以及余量的Fe及不可避免的杂质元素。
本实施例涉及的高强韧钢板制备工艺如下：
根据上述钢板化学成分配制冶炼原料，经铁水预脱硫处理、转炉炼钢、钢包精炼(LF)、真空脱气(RH)和板坯连铸工序生产320mm厚连铸板坯。
将板坯加热到1160℃，保温240min；钢板的热轧成形是在配备5000mm四辊可逆轧机和MULPIC-AcC加速冷却系统的工业生产线进行的。热轧工艺参数见表1-1，钢板的力学性能列于表1-2和表1-3。
采用梯度温度型双重拉伸止裂试验测定了钢板在最大应力(0.6×名义屈服强度，即300MPa)下的止裂温度，结果如表1-3，所有钢板的止裂温度均低于-35℃，这表明本发明钢具有良好的止裂性能。
焊接接头试板采用表1-4所示焊材和焊工艺进行焊接。对焊接试件进行疲劳性能测试，用于疲劳试验的试件见附图9。疲劳试验结果列于表1-5。
对表1-5试验数据进行回归分析，得到其试验回归曲线为：
lgN＝17.2787-4.7296lgσ，σ0(2×106)＝209.43(MPa)
相关系数γ＝-0.7521，均方差S＝0.2231，取97.7％保证率，减去两个标准差，回归曲线下限为：
lgN＝16.8376-4.7296lgσ，σ0(2×106)＝168.96(MPa)
表1-1实施例热轧工艺参数
Figure BDA0001539243640000051
表1-2实施例中所制得的钢板的力学性能
Figure BDA0001539243640000061
表1-3钢板梯度温度型双重拉伸试验结果
Figure BDA0001539243640000062
表1-4埋弧焊焊接接头的焊接工艺
Figure BDA0001539243640000063
表1-5疲劳试验结果
序号 频率(Hz) 应力幅(MPa) 循环次数(次) 断口位置
1 1.5 325 268024 母材
2 2 300 331323 焊缝
3 3 260 1053921 焊缝
4 2.7 280 322538 焊缝
5 3 270 1187279 母材
7 3.5 240 632525 焊缝
8 3.5 230 2000000 焊缝
9 3.5 250 515982 焊缝
实施例2
本实施例涉及的高强韧钢板的厚度为60mm，其包含的组分及其重量百分比为：C0.06％、Si 0.16％、Mn 1.55％、P 0.006％、S 0.002％、Nb 0.047％、Ti 0.014％、Cu0.32％、Ni 0.50％、Cr 0.24％、Mo 0.06％、Al 0.032％以及余量的Fe及不可避免的杂质元素。
根据上述钢板化学成分配制冶炼原料，经铁水预脱硫处理、转炉炼钢、钢包精炼(LF)、真空脱气(RH)和板坯连铸工序生产320mm厚连铸板坯。
将板坯加热到1200℃，保温120min；钢板的热轧成形是在配备5000mm四辊可逆轧机和MULPIC-AcC加速冷却系统的工业生产线进行的。热轧工艺参数见表2-1，钢板的力学性能列于表2-2和表2-3。
焊接接头试板采用埋弧焊材和埋弧焊工艺进行焊接(同表1-4)，对焊接试件进行疲劳性能测试，用于疲劳试验的试件见附图9。疲劳试验结果列于表2-4。
表2-1实施例热轧工艺参数
Figure BDA0001539243640000071
表2-2实施例中所制得的钢板的力学性能
Figure BDA0001539243640000081
表2-3钢板梯度温度型双重拉伸试验结果
Figure BDA0001539243640000082
表2-4疲劳试验结果
Figure BDA0001539243640000083
对表2-4的试验数据进行回归分析，得到其试验回归曲线为：
lgN＝14.2868-3.5125lgσ，σ0(2×106)＝187.72(MPa)
相关系数γ＝-0.8346，均方差S＝0.1069，取97.7％保证率，减去两个标准差，回归曲线下限为：
lgN＝14.0730-3.5125lgσ，σ0(2×106)＝163.17(MPa)
除上述实例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或者等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种高止裂和疲劳强度厚钢板的制备方法，其特征在于：钢板的化学组成按照重量百分比计包括：C 0.05-0.07％，Si 0.10-0.20％，Mn 1.40-1.60％，Nb 0.04-0.06％，Ti0.01-0.02％，Cu 0.30-0.35％，Cr 0.27-0.31％，Ni 0.4-0.5％，Al 0.01-0.04％，Mo0.06-0.11％，P≦0.010％，S≦0.005％，余量为Fe和不可避免的杂质；钢板的碳当量指数Ceq≤0.44，冷裂纹敏感性指数Pcm≤0.19％；钢板300MPa主拉伸应力下止裂温度低于-35℃，200万次疲劳强度σ0(2×106)大于160MPa，-60℃冲击韧性AKV2(-60℃)大于250J，钢板的最大厚度为60mm；
钢板的制备方法包括铁水预脱硫处理，转炉炼钢，钢包精炼，真空脱气，连铸，连铸板坯再加热、保温、粗轧、中间坯控制冷却、精轧、成品钢板控制冷却；
(1)连铸板坯再加热过程中，加热温度为1150～1200℃，保温120-240min；
(2)粗轧阶段开轧温度为1000-1070℃，中间板坯经水冷，冷却速率不低于10-30℃/min，中间坯上下表面终冷温度不低于800℃；
(3)精轧阶段开轧温度为800-830℃，精轧总压下率≥50％；
(4)成品钢板控制冷却过程中，冷却速率控制在5～30℃/s，终冷温度控制在200-400℃，后空冷至室温。
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