一種海上風電用S355ML鋼的研制方法及其力學性能

劉 鵬, 陳繼雄

(寶鋼湛江鋼鐵有限公司, 湛江 524000)

風力發電對緩解能源緊張有著極大的改善作用。能源的開發離不開工程建設，在各類鋼材的加工使用過程中，材料變形會對鋼材的性能造成影響[1]。冷加工塑性變形及焊接內應力變形使鋼材的強度與硬度升高、塑性與韌性下降的現象，稱為應變時效。近年來，國內外風電工程項目發展迅速，基本都要求風電類用鋼的交貨狀態為控軋、正火態，且幾乎沒有應變時效性能要求，僅有少數用戶對鋼板在5%應變時效后的沖擊韌性提出了要求。隨著多項特大風電項目工程的相繼開展，風電用鋼的需求量急劇上升，同時也對新一輪風電用鋼提出了更高的要求，應變時效要求由5%逐漸增加至7%，極大地提高了生產技術難度。

為了滿足市場需求，同時提升產線的技術能力，筆者采用碳元素含量、細化晶粒元素添加量均不同的3種方法對海上風電用S355ML鋼進行研制。

1 S355ML鋼的力學性能要求

根據工程項目的要求，海上風電用S355ML鋼除了要滿足標準EN 10025—2004 《結構鋼熱軋產品》中的要求外，還需滿足技術協議中的相關要求。海上風電用S355ML鋼的力學性能要求如表1所示(表中t為材料厚度)。

表1 海上風電用S355ML鋼的力學性能要求

2 研制方案

碳是鋼中的主要元素，其直接影響鋼材的強度、塑性、韌性和焊接性能等。隨著碳元素含量的增加，鋼板的屈服強度、抗拉強度和硬度增加，但其延伸率、沖擊韌性及焊接性能下降。為了保證其低溫沖擊韌性，需要降低鋼中的碳含量[2]。銅元素在鋼中的作用是改善普通低合金鋼的耐大氣腐蝕性能，對鋼板的強度和韌性影響不大。鎳元素是奧氏體穩定化元素，其晶格常數與γ鐵相近，可以提高鋼的淬透性，還可以抑制低溫條件下鐵素體共價鍵的傾向，降低位錯運動的晶格阻力，促進位錯交滑移，改善鋼板的韌性[3]。當結合使用銅、鎳元素時，鋼板可表現出很強的復合強化、韌化作用，改善鋼板的低溫韌性。鈮元素是通過固溶強化和細化晶粒的作用來提高鋼的韌性。降低碳元素含量可以改善鋼板的韌性，合金的細晶強化及固溶強化可以保證鋼板既有較好的強度，又具備低溫沖擊韌性。

軋制時，低終軋溫度設計可使鋼板基本處于奧氏體未再結晶區，能細化相變前的晶粒尺寸，提高鋼板的韌性；軋制結束后，噴水冷卻的方式可使鋼板獲得一定的硬相組織，保證鋼板的強度；軋制階段增加了奧氏體向鐵素體相變的形核部位，可有效細化鐵素體晶粒[4]，最終獲得兼顧強度和韌性的組織配比。

鋼板要兼顧強度及低溫韌性，就需要晶粒尺寸和軟、硬相組織的合理分配。采用熱機械軋制的方式控制鋼板的組織相變；采用不同的成分，鋼板發生相變的溫度會有所不同。

2.1 成分設計

根據碳元素含量及合金元素添加量的不同，選擇3種成分研制海上風電用S355ML鋼。逐步降低碳元素含量，并增加細化晶粒元素銅、鎳、鈮的含量。成分A為較高碳元素含量，低含量銅、鎳、鈮合金元素成分；成分B為低碳元素含量，較高含量銅、鎳、鈮合金元素成分；成分C為極低碳元素含量，高含量銅、鎳、鈮合金元素成分。3種海上風電用S355ML鋼的成分設計如表2所示。

表2 3種海上風電用S355ML鋼的成分設計 %

2.2 工藝設計

采用50 kg級熱機械控制工藝態鋼種的生產工藝，每種成分皆采用相同的工藝，生產相同規格的鋼板，為了減小設備狀態帶來的影響，采用集中軋制的方式生產，生產過程無異常，鋼板生產工藝如表3所示。

表3 鋼板生產工藝

3 試驗過程

在軋制的每張鋼板頭尾取樣，進行力學性能測試，分別完成室溫拉伸、常規-40 ℃橫縱向沖擊、應變時效處理后-40 ℃縱向沖擊、應變時效敏感性等試驗，結果如圖1～3所示。

圖1 不同成分S355ML鋼的拉伸性能散點圖

圖2 不同成分S355ML鋼應變時效前后的-40 ℃溫度下沖擊性能散點圖

圖3 不同成分韌脆轉變溫度對比

試軋的S355ML鋼在不同溫度下的應變時效敏感系數計算公式如式(1)所示，結果如表4所示。

表4 不同成分研制S355ML鋼應變時效敏感系數 %

(1)

4 試驗結果

從上述試驗結果可以看出，按3種成分生產的同規格鋼板強度都可以滿足技術要求，成分A的碳元素含量最高，對低溫沖擊韌性的影響最大，故生產的鋼板經應變時效處理后，鋼板沖擊韌性波動很大，無法滿足技術要求。成分B在成分A的基礎上降低了碳元素含量，加入了銅、鎳、鈮合金元素，合金元素的固溶強化作用改善了鋼板的低溫韌性，滿足應變時效處理后的低溫沖擊性能要求。成分C在成分B的基礎上進一步降低了碳元素含量，加入了銅、鎳、鈮等細化晶粒合金元素，對低溫韌性的改善極其明顯[5]，應變時效后的低溫沖擊性能完全滿足技術要求。

低合金鋼的應變時效敏感系數一般小于40%[6]。由圖4可知，成分A研制的S355ML鋼在-20 ℃與-40 ℃的應變時效敏感性已經非常高，說明沖擊韌性在應變時效處理后發生急劇劣化，無法滿足使用需求；成分B，C在-40 ℃時的應變時效敏感系數小于40%，具備很好的焊接性能和冷加工變形性能，完全滿足使用需求。

圖4 3種成分研制S355ML鋼斷口微觀形貌

對3種成分研制S355ML鋼應變時效后的低溫沖擊試樣斷口形貌進行分析，可發現成分A研制S355ML鋼的斷口形貌皆為解理斷裂，韌性較差；成分B研制S355ML鋼的斷口形貌基本為韌窩狀，低溫沖擊韌性較好；成分C研制S355ML鋼的斷口形貌全部為韌窩狀，低溫沖擊韌性最好。

對3種成分研制S355ML鋼的軋態、應變時效處理前、應變時效處理后的顯微組織進行觀察，結果如圖5～7所示。

由圖5～7可知：鋼板組織較均勻，為鐵素體和貝氏體，結合試制情況來看，應變時效處理前后，鋼板組織無顯著變化，但鋼板在-40 ℃時的沖擊性能卻有很大差異，可見鋼板的低溫沖擊性能受更加細化組織的影響。

圖5 成分A研制S355ML鋼在不同狀態下的顯微組織形貌

圖6 成分B研制S355ML鋼在不同狀態下的顯微組織形貌

圖7 成分C研制S355ML鋼在不同狀態下的顯微組織形貌

發生相變時，根據冷卻溫度、冷卻速率的不同，可生成上貝氏體和下貝氏體，相變點溫度越低，在相同工藝條件下，得到的下貝氏體(針狀)組織就越多，而下貝氏體組織中的碳元素屬于過飽和碳，碳化物彌散程度高，強化作用較大，對鋼板的韌性有很好的改善作用[7]。A，B，C 3種成分的主要差異在于碳、銅、鎳等元素的含量不同，導致軋后冷卻過程中的相變點溫度也存在差異，三者的相變點溫度分別為753，745，740 ℃。采用相同的工藝進行生產時，成分C與成分A，B相比，得到的下貝氏體組織含量也越多，其應變時效后的低溫沖擊韌性就越好，但成分C中貴重金屬合金元素加入較多，成本太高，而成分B也可滿足技術需求，且成本較低。綜合考慮，采用成分B進行S355ML鋼的研制為最佳方案。

5 結論

(1) 采用低碳元素含量、添加改善低溫沖擊韌性的合金元素開發出的S355ML鋼組織為鐵素體+下貝氏體，具有良好的強度及低溫韌性，經7%預應變，250 ℃，1 h人工時效處理后，完全滿足-40 ℃低溫沖擊性能，且制造成本較低。

(2) 經應變時效處理后，不同成分研制S355ML鋼在各個溫度下的沖擊吸收能量比時效處理前都有一定程度的降低，且沖擊性能隨溫度降低的劣化程度更嚴重，對溫度變化更為敏感，成分B研制S355ML鋼的應變時效敏感性最低，隨著碳元素含量的增加，銅、鎳、鈮合金元素含量的降低，應變時效敏感性逐步升高。

(3) 應變時效處理前后，鋼板組織無顯著變化，但不同成分研制S355ML鋼的低溫沖擊韌性有較大差異。根據不同成分相變點的不同，結合貝氏體組織轉變機制，發現相變點越低，得到的下貝氏體組織越多，對鋼板韌性有很好的改善作用。