CN114107812B - 一种高断裂韧性420MPa级海工平台用热处理态钢板及制备方法 - Google Patents

一种高断裂韧性420MPa级海工平台用热处理态钢板及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高断裂韧性420MPa级海工平台用热处理态钢板及制备方法，属于钢铁材料生产的技术领域，解决了现有钢板NDT、CTOD、焊接热影响区CTOD等断裂韧性不足的问题。本发明的钢板的成分按质量百分比计，包括C：0.07％～0.15％，Si：0.10％～0.50％，Mn：1.00％～1.55％，P：≤0.011％，S：≤0.003％，Cr：0.01％～0.65％，Mo：0.01％～0.50％，Ni：0.01％～2.00％，Cu：0.01％～0.45％，Nb：0.005％～0.04％，V：0.02％～0.06％，Al：0.04％～0.12％，N：≤0.012％，Ti：0.007％～0.015％，余量为Fe及其他不可避免的杂质；钢板厚度t为20～150mm。本发明提供的420MPa级海工平台用钢板，其母材和焊接热影响区均具有高断裂韧性，可应用于海工平台结构建造，特别应用于超过2万吨以上规模的深水导管架平台建造。

Description

一种高断裂韧性420MPa级海工平台用热处理态钢板及制备 方法
技术领域
本发明涉及钢铁材料生产的技术领域，尤其涉及一种母材和焊接热影响区均具有高断裂韧性的420MPa级海工平台用热处理态钢板及制备方法，本发明的钢板能够应用于大单重深水导管架平台及极区环境导管架平台。
背景技术
海洋产业发展和海洋石油工业装备国产化的需求对高性能海洋工程结构用钢提出了新的需求。目前，大部分海工装备结构用钢仍然以屈服强度355MPa级别的DH36、EH36高强钢为主，例如我国的主流导管架平台均为15000吨以上的大型导管架，每个平台的DH36高强钢使用量都超过万吨，交货状态主要为正火和热机械轧制(TMCP)，厚度主要为16～80mm为主，少量达到100mm。
随着我国海洋油气勘探与开发向深水、超深水和极区环境推进，处于整体设计合理性和安全性综合考虑，对海工平台结构用钢的要求愈发严苛。一方面，平台规模大型化要求结构钢的等级提高，钢板厚度加大。例如，我国南海流花11-1油田，作业海域水深达到300-400米，建设的深水导管架结构若全部采用355MPa级别钢板，导管架设计总重达到38000吨以上，无法满足现有装备的下水能力。若关键结构和部件采用更高级别高强钢板，导管架总重可节省几千吨，结构钢板的最大厚度可有效降低，满足结构设计和钢板生产规格的极限要求。另一方面，我国油气勘探和开采领域向两极的发展，适应极寒地区海工平台的需求迫切，由此带来的对结构钢更高韧性需求。总之，海工平台及装备所需的高强钢板性能要求正逐步提高，尤其是对装备建造影响较大的应用性能，如钢板NDT、钢板CTOD、焊接热影响区CTOD等断裂韧性，近年来受到越来越多的关注，也成为钢板能否良好应用的关键因素。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种高断裂韧性420MPa级海工平台用热处理态钢板及制备方法，以解决现有海工平台用钢板NDT、CTOD、焊接热影响区CTOD等断裂韧性不足的问题。
一方面，本发明提供了一种高断裂韧性420MPa级海工平台用热处理态钢板，按质量百分比计，所述钢板的成分包括C：0.07％～0.15％，Si：0.10％～0.50％，Mn：1.00％～1.55％，P：≤0.011％，S：≤0.003％，Cr：0.01％～0.65％，Mo：0.01％～0.50％，Ni：0.01％～2.00％，Cu：0.01％～0.45％，Nb：0.005％～0.04％，V：0.02％～0.06％，Al：0.04％～0.12％，N：≤0.012％，Ti：0.007％～0.015％，余量为Fe及其他不可避免的杂质；钢板厚度t为20～150mm。
进一步的，所述钢板的Ni含量与钢板厚度t还应满足：当t≤100mm时，100Ni≥0.3(t/50)+0.05(t/50)2-0.15；当100mm＜t≤150mm时，100Ni≥1.5(t/100)-0.6；其中，Ni指的是Ni元素的质量百分比。
进一步的，钢板中N含量≥0.0030％时，100Ti(14/48)/a1+100Al(14/27)/a2≥100N-0.0005，其中a1＝1，a2＝3，Ti、Al、N代表的是Ti、Al、N元素的质量百分比。
进一步的，按质量百分比计，所述钢板的成分包括C：0.08％～0.13％，Si：0.15％～0.40％，Mn：1.10％～1.45％，P：≤0.011％，S：≤0.003％，Cr：0.05％～0.35％，Mo：0.03％～0.30％，Ni：0.35％～1.25％，Cu：0.05％～0.38％，Nb：0.01％～0.032％，V：0.035％～0.055％，Al：0.05％～0.074％，N：0.004％～0.007％，Ti：0.008％～0.012％，余量为Fe及其他不可避免的杂质；钢板厚度t为50-120mm。
进一步的，按质量百分比计，所述钢板的成分包括C：0.11％～0.15％，Si：0.15％～0.40％，Mn：1.20％～1.50％，P：≤0.011％，S：≤0.003％，Cr：0.25％～0.60％，Mo：0.25％～0.40％，Ni：0.90％～1.80％，Cu：0.15％～0.42％，Nb：0.015％～0.035％，V：0.040％～0.06％，Al：0.05％～0.065％，N：0.004％～0.007％，Ti：0.008％～0.014％，余量为Fe及其他不可避免的杂质；钢板厚度t为100～150mm。
进一步的，所述钢板的金相组织为回火马氏体+少量粒状贝氏体，钢板的厚度1/4处的金相组织全部为马氏体组织，钢板的厚度1/2处的金相组织中，马氏体组织含量为85％～100％，钢板的厚度1/2处的粒状贝氏体中马奥岛的尺寸为0.2～3μm，马奥岛的平均尺寸≤1.1μm。
本发明还提供了一种高断裂韧性420MPa级海工平台用热处理态钢板的制备方法，用于制备上述的钢板，包括以下步骤：
步骤1、将钢坯加热至1100～1200℃，并保温均匀化；
步骤2、进行两阶段轧制后冷却；
步骤3、对步骤2得到的钢板进行调质处理。
进一步的，所述步骤2中，两阶段轧制工艺中，第一阶段为再结晶控轧，轧制温度不低于950℃；第二阶段为未再结晶控轧，终轧温度不高于(830-0.25×t)℃。
进一步的，所述步骤3中，调质处理包括淬火+高温回火，所述淬火保温温度为890～940℃，采用辊压式淬火方式，高压段淬火喷嘴水压0.7～1.0MPa，低压段淬火喷嘴水压0.35～0.5MPa；高温回火温度为630～680℃。
进一步的，所述步骤3中，钢板经淬火后的原始奥氏体晶粒尺寸充分细化，100mm及以下厚度的钢板的厚度1/4处的原始奥氏体晶粒尺寸为7.5～9级，厚度1/2处的原始奥氏体晶粒尺寸为7～8.5级；厚度大于100mm的钢板的厚度1/4处的原始奥氏体晶粒尺寸为7～9级，钢板的厚度1/2处的原始奥氏体晶粒尺寸为6.5～8.5级。
进一步的，上述热处理态钢板的断裂韧性-10℃CTOD值1.35mm以上；NDT温度-50～-90℃；焊接热影响区-10℃CTOD值为0.50mm以上，-20℃CTOD值为0.36mm以上。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
(1)本发明提供的高断裂韧性420MPa级海工平台用热处理态钢板，通过成分和轧制工艺配合，为后续的调质热处理提供细化的显微组织准备。具体的，配合0.005％～0.04％含量的Nb元素加入，使钢的未再结晶区显著上移，抑制钢板轧制过程的奥氏体再结晶，钢材在较低温度轧制不发生奥氏体再结晶，从而使钢材在轧制过程中奥氏体扁平化，增加形变奥氏体的面积，增加奥氏体面积提高非均质相变的面积，奥氏体的形变储能增加相变的驱动力，从而提高γ→α相变的形核核心，促进铁素体相变发生及其相变比率，细化相变的铁素体晶粒尺寸，为后续的淬火过程提供了细化的显微组织准备；同时Nb微合金化也促进Nb(C,N)第二相粒子的析出，钉扎奥氏体晶界，阻止晶粒长大；同时在钢中加入一定量的Cu、Ni、Cr、Mo元素，也有利于轧制过程铁素体相变的细化，并在淬火过程中将钢的相变CCT曲线右移，推迟钢的高温转变，提高钢的淬透性，使钢尽可能获得马氏体组织；Ni元素的加入，还有利于钢板整个厚度截面的组织和性能均匀化，Ni含量越高，可实现组织和性能均匀化的钢板厚度越大。
(2)本发明提供的钢板，其中大部分Ti均为析出形式存在，且固定了钢中的大部分N元素；稍过量添加的Al含量也具有固定N含量的作用，且析出的AlN第二相由于析出温度较低，细小弥散；大部分Nb也以析出物Nb(CN)的形式存在，起到奥氏体细化作用和部分析出强化作用。与现有技术比，本发明通过Ti、Al、N等元素的控制得到第二相析出物，本发明中的第二相析出物起到了阻止粗晶区奥氏体晶粒长大的作用，是改善焊接热影响区CTOD韧性的重要原因。
(3)本发明通过和成分相适配的淬火加热工艺，获得较为细化的原始奥氏体组织，原始奥氏体晶粒度总体6.5～9级，且1/4处和1/2处差异不大。随厚度增加原始奥氏体晶粒尺寸增加不显著，即使厚度至150mm，钢板心部的原始奥氏体晶粒度也可达到6.5～7.5级。例如，100mm及以下厚度的钢板的厚度1/4处的原始奥氏体晶粒尺寸为7.5～9级，厚度1/2处的原始奥氏体晶粒尺寸为7～8.5级；100mm以上厚度钢板的厚度1/4处的原始奥氏体晶粒尺寸为7～9级，厚度1/2处的原始奥氏体晶粒尺寸为6.5～8.5级。
(4)本发明调质后的钢板的显微组织以马氏体组织为主，钢板厚度1/4处全部为马氏体组织，厚度1/2处马氏体组织含量为85％～100％，厚度1/2处的粒状贝氏体中马奥岛尺寸0.2～3μm，平均尺寸≤1.1μm。焊接热影响区的显微组织中粒状贝氏体含量不高于25％。
(5)本发明得到的钢板的强韧性良好，组织和性能均匀性好。例如板厚度1/4处力学性能为：屈服强度455MPa以上，抗拉强度Rm 550MPa以上，延伸率A 24％以上，-40℃冲击功KV2 267J以上。钢板的板厚度1/2处力学性能为：屈服强度436MPa以上，抗拉强度Rm545MPa以上，延伸率A 25％以上，-40℃冲击功KV2 245J以上。钢板厚度方向1/4处和1/2处的屈服强度差异不高于(15+0.20×t)MPa；钢板的断裂韧性-10℃的CTOD值不低于1.35mm，裂纹扩展和断裂均为稳态方式；钢板的NDT温度为-50～-90℃范围，具有较高的断裂韧性水平；尤其具有良好的低温冲击功水平，-60℃冲击功也均高于160J以上。
(6)本发明得到的钢板焊接后的焊接热影响区-10℃的CTOD值为0.50mm以上，-20℃的CTOD值为0.36mm以上，和EN10225-2019标准规定的极区用高强钢技术指标相比，也同样具有良好的断裂韧性水平。本发明的钢板可应用于海工平台结构建造，特别应用于超过2万吨以上规模的深水导管架平台建造。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1a为实施例3第二相析出的热力学计算结果；
图1b为实施例4第二相析出的热力学计算结果；
图2a为实施例3钢板厚度1/4处的金相组织；
图2b为实施例3钢板厚度1/2处的金相组织；
图2c为实施例3钢板焊接热影响区的金相组织。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
一方面，本发明公开了一种高断裂韧性420MPa级海工平台用热处理态钢板，按质量百分比计，其成分包括C：0.07％～0.15％，Si：0.10％～0.50％，Mn：1.00％～1.55％，P：≤0.011％，S：≤0.003％，Cr：0.01％～0.65％，Mo：0.01％～0.50％，Ni：0.01％～2.00％，Cu：0.01％～0.45％，Nb：0.005％～0.04％，V：0.02％～0.06％，Al：0.04％～0.12％，N：≤0.012％，Ti：0.007％～0.015％，余量为Fe及其他不可避免的杂质；钢板厚度t为20～150mm。
需要说明的是，采用较低的C含量和较高的Mn含量，既保证了良好的低温韧性和焊接性，也促进了钢的淬透性改善；配合0.005％～0.04％含量的Nb元素加入，抑制钢板轧制过程的奥氏体再结晶，使钢材在轧制过程中奥氏体扁平化，增加形变奥氏体的面积，促进γ→α相变，为调质热处理提供良好的原始组织准备。同时Nb微合金化也起到一定的析出强化作用。在钢中加入少量的Cu、Ni、Cr、Mo元素，也有利于提高钢的淬透性。Ni元素的加入，还有利于钢板整个厚度截面的组织和性能均匀化，Ni含量越高，可实现组织和性能均匀化的钢板厚度越大。
发明人经过深入研究发现，50mm是在线轧制实现均匀化的重要临界钢板厚度t，为了实现钢板的组织均匀化和整个厚度截面的良好韧性，本发明中，当t≤100mm时，100Ni≥0.3(t/50)+0.05(t/50)2-0.15；当100＜t≤150mm时，100Ni≥1.5(t/100)-0.6，其中，Ni指的是Ni元素的质量百分比。
优选的，当钢中N含量≥0.0030％时，Ti、Al、N元素含量应满足100Ti(14/48)/a1+100Al(14/27)/a2≥100N-0.0005，式子中，a1＝1，a2＝3，Ti、Al、N代表的是Ti、Al、N元素的质量百分比。
需要说明的是，为了获得钢板良好的热影响区断裂韧性，还需要形成有利的热影响区显微组织，尤其是粗晶区应阻止奥氏体晶粒过分长大。
本发明通过加入Ti、Al等固N元素，形成TiN和AlN等第二相粒子，且防止自由N对热影响区的韧性破坏作用。发明人经过研究发现，当Ti、Al、N元素满足100Ti(14/48)/a1+100Al(14/27)/a2≥100N-0.0005关系时，钢中具有良好的固N效果，且形成的TiN、AlN第二相粒子具有较好的阻止奥氏体晶粒长大作用。其中，a1和a2分别为Ti和Al的固N系数。由于Ti和N的析出温度高达1350℃以上，固N效果好，a1系数低，所需要的额外Ti含量少；Al和N的析出温度为1100℃左右，a2系数相对高于Ti的a1系数，需要更多的Al含量实现固N效果。加入稍过量的Al含量，促进AlN第二相析出，和TiN相配合，细化粗晶区奥氏体晶粒，提高热影响区的韧性水平。
为了进一步提高本发明的海工平台用钢板的性能，优选地，按质量百分比计，成分包括C：0.08％～0.13％，Si：0.15％～0.40％，Mn：1.10％～1.45％，P：≤0.011％，S：≤0.003％，Cr：0.05％～0.35％，Mo：0.03％～0.30％，Ni：0.35％～1.25％，Cu：0.05％～0.38％，Nb：0.01％～0.032％，V：0.035％～0.055％，Al：0.05％～0.074％，N：0.004％～0.007％，Ti：0.008％～0.012％，余量为Fe及其他不可避免的杂质；钢板厚度t为50～120mm。
或者，优选地，成分包括C：0.11％～0.15％，Si：0.15％～0.40％，Mn：1.20％～1.50％，P：≤0.011％，S：≤0.003％，Cr：0.25％～0.60％，Mo：0.25％～0.40％，Ni：0.90％～1.80％，Cu：0.15％～0.42％，Nb：0.015％～0.035％，V：0.040％～0.06％，Al：0.05％～0.065％，N：0.004％～0.007％，Ti：0.008％～0.014％，余量为Fe及其他不可避免的杂质；钢板厚度t为100～150mm。
对本发明中420MPa级海工平台用钢板的成分限定理由进行说明，以下仅用％表示组成中的质量百分比。
C：碳是提高强度的必要元素，也是降低材料焊接性的元素。当碳含量低于0.07％时，将会降低钢板的屈服强度，但过高的碳含量将对钢板的焊接性和低温韧性造成不利影响。综合两方面考虑，C含量应控制在0.07％～0.15％。
Si：硅作为脱氧元素，也是固溶强化元素，同时在淬火时起到辅助提高淬透性的作用，能提高钢的强度。当硅的含量大于0.6％时，会使钢的低温韧性降低，焊接性变差。因此，Si含量控制在0.10％～0.50％。
Mn：锰是保证钢的强度和韧性的必要元素，提高钢的淬透性效果明显，还可以与S结合生成MnS，避免在晶界处形成FeS，进而避免热裂纹的产生。当锰含量过高时，将会引起中心偏析，降低韧性及焊接性。因此，Mn含量控制在1.00％～1.55％。
Cu：铜是非碳化物形成元素，可用来提高钢的强度和耐蚀性。在焊接过程中，还可以减小TiN在δ区固溶，增加高温钉轧效果，减小奥氏体晶粒尺寸。Cu含量过少时，效果不明显；含量过多时，容易引起铜的偏聚，使加工性和焊接性恶化。因此，Cu含量控制在0.01％～0.45％。
Ni：Ni元素的加入可提高钢的韧性，尤其对厚板，Ni的加入能有效改善钢的心部韧性水平。为了保证钢的截面均匀性和心部良好的韧性水平，Ni含量与厚度t还应满足当t≤100时，100Ni≥0.3(t/50)+0.05(t/50)2-0.15；当100＜t≤150时，100Ni≥1.5(t/100)-0.6，如此含量控制是实现组织均匀化和整个厚度截面良好韧性的重要保障。
Nb：Nb元素加入，能够抑制钢板轧制过程的奥氏体再结晶，使钢材在轧制过程中奥氏体扁平化，增加形变奥氏体的面积，促进γ→α相变，这一细化过程为钢板的调质热处理提供良好的显微组织准备。同时Nb微合金化也起到一定的析出强化作用。因此，Nb含量控制在0.005％～0.04％的范围。
Al：加入Al元素促进AlN第二相析出，和TiN相配合，细化粗晶区奥氏体晶粒，从而提高热影响区的韧性水平。因此，Al含量范围控制在0.04％～0.12％的范围。
Ti：加入微量Ti元素，和N元素结合，一方面固定钢中的自由N，降低钢的时效敏感性，提高钢的韧性水平；另一方面，形成的TiN起到改善焊接性的作用。因此，Ti含量控制范围0.007％～0.015％。
N：一定含量的N能够与Ti形成TiN，提高钢板和焊接热影响区的韧性，并与Ti、Al等形成碳氮化物提高强度，但N含量过高将影响材料的低温韧性，因此，N含量控制在≤0.0120％；当钢中N含量≥0.0030％时，Ti、Al、N元素含量应满足100Ti(14/48)/a1+100Al(14/27)/a2≥100N-0.0005，其中a1＝1，a2＝3，以优化焊接热影响粗晶区的组织和晶粒尺寸。
P：磷是钢中杂质元素，会损害钢板和焊接热影响区的韧性。因此，P含量控制在0.011％以下。
S：硫是钢中杂质元素，会形成硫化物夹杂，成为裂纹源。因此S含量控制在0.003％以下。
另一方面，本发明还提供了一种高断裂韧性420MPa级海工平台用热处理态钢板的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、加热：将钢坯加热至1100～1200℃，并保温均匀化；
步骤2、轧制：进行热机械控制工艺(TMCP)，为后续热处理提供显微组织准备；
步骤3、调质热处理：对步骤2得到的钢板进行调质热处理。
具体地，上述步骤1中的钢坯经钢水纯净化冶炼—LF精炼—真空处理—连铸坯流程制得。
具体地，上述步骤2中，TMCP工艺包括如下步骤：
S21、进行两阶段轧制，第一阶段为再结晶控轧，轧制温度不低于950℃(例如950～1060℃)，轧制中，至少两道次的单道次变形量不低于18％，轧制辊速不高于1.5m/s；第二阶段为未再结晶控轧，终轧温度不高于(830-0.25×t)℃(例如800～845℃)，轧制中，至少三道次的单道次变形量不低于12％，其中两道次的单道次变形量达到15％以上；
S22、轧制后的钢板入水冷却，冷却速度5～15℃/s，返红温度480～600℃，自然冷却至400℃后缓冷。
具体地，上述步骤2中，采用TMCP工艺，通过控制轧制和控制冷却，获得均匀细化的铁素体组织，为调质热处理提供良好的组织准备。
具体地，上述步骤3中，调质热处理包括淬火+高温回火。
具体地，上述步骤3中，淬火工艺参数：淬火保温温度为890～940℃，保温时间1～5h；采用辊压式淬火方式，高压段淬火喷嘴水压0.7～1.0MPa，低压段淬火喷嘴水压0.35～0.5MPa；高温回火温度为630～680℃，高温回火保温时间2～10h。
具体地，上述步骤3中，通过和成分相适配的淬火加热工艺，获得较为细化的原始奥氏体组织，在淬火过程中，通过喷嘴水压等参数相配合，保证钢板沿整个厚度截面获得良好的淬透效果，获得以马氏体为主的显微组织，并通过适当的高温回火获得良好的强韧性匹配。
具体地，按照上述制备方法得到的钢板厚度为20～150mm，上述步骤3中，钢板经淬火后的原始奥氏体晶粒尺寸充分细化，100mm及以下厚度的钢板的厚度1/4处的原始奥氏体晶粒尺寸为7.5～9级，厚度1/2处的原始奥氏体晶粒尺寸为7～8.5级；厚度大于100mm的钢板的厚度1/4处的原始奥氏体晶粒尺寸为7～9级，钢板的厚度1/2处的原始奥氏体晶粒尺寸为6.5～8.5级。
具体地，上述步骤3中，调质热处理后的钢板的金相组织包括回火马氏体+少量粒状贝氏体，钢板的厚度1/4处全部为马氏体组织，钢板的厚度1/2处的马氏体组织含量为85％～100％，钢板的厚度1/2处的粒状贝氏体中的马奥岛尺寸0.2～3μm，平均尺寸≤1.1μm。
本发明的高断裂韧性420MPa级海工平台用热处理态钢板的厚度1/4处力学性能为：屈服强度455MPa以上(例如455～475MPa)，抗拉强度Rm 550MPa以上(例如550～582MPa)，延伸率A 24％以上(例如24％～28.5％)，-40℃冲击功KV2 267J以上(例如267～326J)，-60℃冲击功KV2 243J以上(例如243～263J)。钢板的厚度1/2处力学性能为：屈服强度436MPa以上(例如436～486MPa)，抗拉强度Rm545MPa以上(例如545～579MPa)，延伸率A25％以上(例如25％～26.5％)，-40℃冲击功KV2 245J以上(例如245～319J)，-60℃冲击功KV2 177J以上(例如177～236J)。钢板厚度方向1/4处和1/2处的屈服强度差异为0～15+0.20×t)MPa，例如，钢板厚度方向1/4处和1/2处的屈服强度差异小于40MPa(例如差异为7～29MPa)；钢板的断裂韧性-10℃的CTOD值不低于1.35mm，NDT温度-50～-90℃(例如，-55～-80℃)。
具体地，采用药芯焊丝气保焊和埋弧自动焊两种方式对制得的钢板进行焊接，焊接线能量分别为7～10kJ/cm(气保焊)和35～50kJ/cm(埋弧焊)，焊接后对焊接熔合线/粗晶区(CGHAZ)进行-10℃全厚度CTOD测试试验，并选取部分焊接接头进行-20℃CTOD测试：经7～10kJ/cm气保焊接和35～50kJ/cm埋弧焊接后，焊接热影响区-10℃的CTOD值0.50～1.55mm，-20℃的CTOD值0.36～0.87mm(例如，0.38～0.73mm)，焊接热影响区的显微组织中粒状贝氏体含量≤25％(例如，8％～16％)。
需要说明的是，根据最新版的船级社规范，船舶及海洋工程用钢，一般要求钢板焊接热影响区-10℃的CTOD值不低于0.15mm或0.25mm；在一些超大型结构件中，要求CTOD值不低于0.38mm；在我国一些海工用户的技术协议中，甚至要求材料认证的CTOD值不低于0.46mm；据最新版(2019年)的欧洲标准EN10225中，已规定了极区用钢板，焊接热影响区CTOD试验要求在不高于-20℃的环境下进行。综上，本发明的钢板性能优异，满足上述各个规范中对焊接热影响区CTOD试验要求。
本发明通过原始奥氏体晶粒细化和马氏体组织韧化，同时提高钢板的强度性能和韧性水平；特殊的第二相粒子钉扎在焊接热影响区位置，阻止晶粒长大，改善焊接热影响区的断裂韧性水平。本发明在成分设计和热处理工艺上，采用多重技术实现晶粒细化和析出强化以及热影响区韧化的效果。
本发明采用低C和高Mn的成分，辅以少量Cu、Ni、Cr、Mo元素，降低钢的相变温度，推迟钢的相变临界冷速，优化钢的冷却特性，从而提高钢的淬透性，改善热处理后的钢板显微组织；采用Nb微合金化与未再结晶区轧制配合，通过扁平奥氏体化及相变细化途径，在轧制后获得均匀细化的铁素体组织，为热处理提供良好的组织准备；Nb微合金化也是析出强化的主要方式；通过Ti、Al、N等元素配合，控制第二相的析出行为，起到晶粒的钉扎作用，不仅对钢板晶粒细化有明显的效果，也是本发明控制焊接热影响区高断裂韧性的主要技术手段之一。
本发明提供的高断裂韧性420MPa级海工平台用热处理态钢板，采用本发明提供的制备方法得到，符合上述各个规范中对焊接热影响区CTOD试验要求。
本发明提供的高断裂韧性420MPa级海工平台用热处理态钢板，可应用于海工平台结构建造，特别应用于超过2万吨以上规模的深水导管架平台建造。
本发明提供的高断裂韧性420MPa级海工平台用热处理态钢板，可应用于极寒地区及极圈区域环境的海工平台建造。
实施例1
本实施例提供了一种高断裂韧性420MPa级海工平台用热处理态钢板及制备方法，具体细节如下：
本实施例的钢坯通过钢水纯净化冶炼—LF精炼—真空处理—连铸坯等流程得到。
步骤1、加热：将钢坯加热至1150℃，并保温均匀化；
步骤2、轧制：进行热机械控制工艺(TMCP)，为后续热处理提供显微组织准备；
步骤3、调质热处理：上述钢板采用调质热处理(淬火+高温回火)工艺生产，淬火保温温度为930℃，保温时间100min，采用辊压式淬火方式，高压段淬火喷嘴水压0.75MPa，低压段淬火喷嘴水压0.38MPa，回火温度为660℃，回火保温时间160min。
实施例1得到的钢板厚度为32mm，按质量分数百分比计，化学成分包括C：0.08％，Si：0.25％，Mn：1.15％，Cr：0.05％，Mo：0.02％，Ni：0.27％，Cu：0.08％，Nb：0.013％，V：0.043％，Al：0.068％，N：0.0048％，Ti：0.009％，P：≤0.011％，S：≤0.003％，余量为Fe及其他不可避免的杂质。
实施例2
本实施例提供了一种高断裂韧性420MPa级海工平台用热处理态钢板及制备方法，具体细节如下：
本实施例的钢坯通过钢水纯净化冶炼—LF精炼—真空处理—连铸坯等流程得到。
步骤1、加热：将钢坯加热至1180℃，并保温均匀化；
步骤2、轧制：进行热机械控制工艺(TMCP)，为后续热处理提供显微组织准备；
步骤3、调质热处理：上述钢板采用调质热处理(淬火+高温回火)工艺生产，淬火保温温度为910℃，保温时间165min，采用辊压式淬火方式，高压段淬火喷嘴水压0.8MPa，低压段淬火喷嘴水压0.4MPa，回火温度为655℃，回火保温时间300min。
实施例2得到的钢板厚度为55mm，按质量分数百分比计，化学成分包括C：0.10％，Si：0.29％，Mn：1.23％，Cr：0.11％，Mo：0.08％，Ni：0.45％，Cu：0.16％，Nb：0.024％，V：0.039％，Al：0.074％，N：0.0054％，Ti：0.011％，P：≤0.011％，S：≤0.003％，余量为Fe及其他不可避免的杂质。
实施例3
本实施例提供了一种高断裂韧性420MPa级海工平台用热处理态钢板及制备方法，具体细节如下：
本实施例的钢坯通过钢水纯净化冶炼—LF精炼—真空处理—连铸坯等流程得到。
步骤1、加热：将钢坯加热至1140℃，并保温均匀化；
步骤2、轧制：进行热机械控制工艺(TMCP)，为后续热处理提供显微组织准备；
步骤3、调质热处理：上述钢板采用调质热处理(淬火+高温回火)工艺生产，淬火保温温度为900℃，保温时间250min，采用辊压式淬火方式，高压段淬火喷嘴水压0.8MPa，低压段淬火喷嘴水压0.4MPa，回火温度为655℃，回火保温时间450min。
实施例3得到的钢板厚度为90mm，按质量分数百分比计，化学成分包括C：0.13％，Si：0.21％，Mn：1.42％，Cr：0.28％，Mo：0.27％，Ni：0.73％，Cu：0.38％，Nb：0.032％，V：0.052％，Al：0.057％，N：0.0049％，Ti：0.012％，P：≤0.011％，S：≤0.003％，余量为Fe及其他不可避免的杂质。
实施例4
本实施例提供了一种高断裂韧性420MPa级海工平台用热处理态钢板及制备方法，具体细节如下：
本实施例的钢坯通过钢水纯净化冶炼—LF精炼—真空处理—连铸坯等流程得到。
步骤1、加热：将钢坯加热至1130℃，并保温均匀化；
步骤2、轧制：进行热机械控制工艺(TMCP)，为后续热处理提供显微组织准备；
步骤3、调质热处理：上述钢板采用调质热处理(淬火+高温回火)工艺生产，淬火保温温度为895℃，保温时间270min，采用辊压式淬火方式，高压段淬火喷嘴水压0.9MPa，低压段淬火喷嘴水压0.45MPa，回火温度为655℃，回火保温时间560min。
实施例4得到的钢板厚度为115mm，按质量分数百分比计，化学成分包括C：0.14％，Si：0.34％，Mn：1.53％，Cr：0.37％，Mo：0.29％，Ni：1.32％，Cu：0.42％，Nb：0.028％，V：0.058％，Al：0.064％，N：0.0063％，Ti：0.014％，P：≤0.011％，S：≤0.003％，余量为Fe及其他不可避免的杂质。
对于实施例3和实施例4，利用电化学萃取方法，提取钢中的AlN、TiN和NbCN、VCN析出物，并进行定量统计，按质量分数百分比计，实施例3和实施例4中TiN析出物含量分别为0.0134％和0.0157％，表明钢中大部分Ti均为析出形式存在，且固定了钢中的大部分N元素。实施例3和实施例4中AlN析出物分别为0.0024％和0.0035％，说明稍过量添加的Al含量也具有固定N含量的作用，且析出的AlN第二相由于析出温度较低，细小弥散。化学相分析结果也显示，实施例3和实施例4中还存在一定量的NbCN和VCN析出物，起到析出强化作用。通过Ti、Al、N等元素的控制，本发明中的第二相析出物起到了阻止粗晶区奥氏体晶粒长大的作用，是改善焊接热影响区CTOD韧性的重要原因。图1a和图1b的热力学计算结果和化学相分析结果相吻合，更好的验证了析出相在本发明中的作用。
本发明实施例的化学成分分析，实施例1-4均以C-Mn合金体系为基础，加入少量Cr、Mo、Ni、Cu、V等元素，Ni含量随设计产品厚度的增加而提高，进行微Ti和Al合金化处理。
表1本发明的实施例1-4的主要化学成分(wt％)
Figure BDA0003357320770000181
表2为本发明实施例的力学性能结果，从结果可以看出，实施例1-4均获得了良好的强韧性匹配，满足420MPa级钢板的性能要求，尤其具有良好的低温冲击功水平，-60℃冲击功也均高于160J以上。全部钢板的母材-10℃CTOD值均高于1.3mm，裂纹扩展和断裂均为稳态方式(δm)。钢板的NDT温度为-50～-90℃范围，具有较高的断裂韧性水平。
表2本发明的实施例1-4的力学性能
Figure BDA0003357320770000182
Figure BDA0003357320770000191
表3为本发明实施例1-4的显微组织特征。从结果可以看出，钢板经淬火后的原始奥氏体晶粒尺寸充分细化，100mm厚度及以下的钢板1/4处的原始奥氏体晶粒尺寸为7.5～9级，1/2处为7～8.5级；100mm以上厚度钢板1/4处原始奥氏体晶粒尺寸为7～9级，1/2处原始奥氏体晶粒尺寸为6.5～8.5级。钢板的金相组织以回火马氏体为主，1/4处全部为马氏体组织，1/2处马氏体组织含量为85～100％，焊接热影响区(粗晶区)的粒状贝氏体组织含量不高于25％。图2a和图2b分别为实施例3的钢板厚度1/4处和1/2处显微组织，图2c为焊接热影响粗晶区的显微组织。
表3本发明的实施例1-4的显微组织特征
Figure BDA0003357320770000192
采用药芯焊丝气保焊和埋弧自动焊两种方式对本发明实施例钢板进行焊接，焊接线能量分别为7kJ/cm(气保焊)和45kJ/cm(埋弧焊)，焊接后对焊接熔合线/粗晶区(CGHAZ)进行-10℃全厚度CTOD测试试验，并选取实施例3的45kJ/cm埋弧焊接头进行-20℃的CTOD测试。从测试的CTOD结果看，如表4所示，实施例1-4的焊接热影响区-10℃的CTOD值处于0.50～1.55mm范围，具有较好的断裂韧性。
实施例3的焊接热影响区-20℃的CTOD值处于0.36～0.87mm范围，和EN10225-2019标准规定的极区用高强钢技术指标相比，也同样具有良好的断裂韧性水平。
表4本发明的实施例1-4焊接HAZ断裂韧性(粗晶区)
Figure BDA0003357320770000201
综上，本发明的实施例1-4获得的钢板具有强韧性匹配、良好的组织性能均匀性和优良的焊接热影响区断裂韧性水平。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种高断裂韧性420MPa级海工平台用热处理态钢板，其特征在于，按质量百分比计，所述钢板的成分为：C：0.07%~0.15%，Si：0.10%~0.50%，Mn：1.00%~1.55%，P：≤0.011%，S：≤0.003%，Cr：0.01%~0.65%，Mo：0.01%~0.50%，Ni：0.01%~2.00%，Cu：0.01%~0.45%，Nb：0.005%~0.04%，V：0.02%~0.06%，Al：0.04%~0.12%，N：0.0048%~0.012%，Ti：0.007%~0.015%，余量为Fe及其他不可避免的杂质；钢板厚度t为20~150mm；
所述钢板的Ni含量与钢板厚度t满足：当t≤100mm时，100Ni≥0.3 (t/50)+0.05 (t/50)2-0.15；当100mm＜t≤150mm时，100Ni≥1.5 (t/100)-0.6；其中，Ni指的是Ni元素的质量百分比；
100Ti (14/48)/a1+100Al (14/27)/a2 ≥100N-0.0005，其中a1=1，a2=3，Ti、Al、N代表的是Ti、Al、N元素的质量百分比；
所述钢板的金相组织为回火马氏体+少量粒状贝氏体，钢板的厚度1/4处的金相组织全部为马氏体组织，钢板的厚度1/2处的金相组织中，马氏体组织含量为85%~100%，钢板的厚度1/2处的粒状贝氏体中马奥岛的尺寸为0.2~3μm，马奥岛的平均尺寸≤1.1μm。
2.根据权利要求1所述的钢板，其特征在于，按质量百分比计，所述钢板的成分包括C：0.08%~0.13%，Si：0.15%~0.40%，Mn：1.10%~1.45%，P：≤0.011%，S：≤0.003%，Cr：0.05%~0.35%，Mo：0.03%~0.30%，Ni：0.35%~1.25%，Cu：0.05%~0.38%，Nb：0.01%~0.032%，V：0.035%~0.055%，Al：0.05%~0.074%，N：0.0048%~0.007%，Ti：0.008%~0.012%，余量为Fe及其他不可避免的杂质；钢板厚度t为50-120mm。
3.根据权利要求1所述的钢板，其特征在于，按质量百分比计，所述钢板的成分包括C：0.11%~0.15%，Si：0.15%~0.40%，Mn：1.20%~1.50%，P：≤0.011%，S：≤0.003%，Cr：0.25%~0.60%，Mo：0.25%~0.40%，Ni：0.90%~1.80%，Cu：0.15%~0.42%，Nb：0.015%~0.035%，V：0.040%~0.06%，Al：0.05%~0.065%，N：0.0048%~0.007%，Ti：0.008%~0.014%，余量为Fe及其他不可避免的杂质；钢板厚度t为100~150mm。
4.根据权利要求1所述的钢板，其特征在于，所述钢板的断裂韧性-10℃CTOD值1.35mm以上；NDT温度-50~-90℃；焊接热影响区-10℃CTOD值为0.50mm以上，-20℃CTOD值为0.36mm以上。
5.一种制备如权利要求1-3任一项所述的高断裂韧性420MPa级海工平台用热处理态钢板的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将钢坯加热至1100~1200℃，并保温均匀化；
步骤2、进行两阶段轧制后冷却；
步骤3、对步骤2得到的钢板进行调质热处理；
所述步骤3中，调质热处理包括淬火+高温回火，所述淬火保温温度为890~940℃，采用辊压式淬火方式，高压段淬火喷嘴水压0.7~1.0MPa，低压段淬火喷嘴水压0.35~0.5MPa；高温回火温度为630~680℃。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤3中，钢板经淬火后的原始奥氏体晶粒尺寸充分细化，100mm及以下厚度的钢板的厚度1/4处的原始奥氏体晶粒尺寸为7.5~9级，钢板的厚度1/2处的原始奥氏体晶粒尺寸为7~8.5级；厚度大于100mm的钢板的厚度1/4处的原始奥氏体晶粒尺寸为7~9级，钢板的厚度1/2处的原始奥氏体晶粒尺寸为6.5~8.5级。
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