奥氏体晶粒细化对特厚EH47止裂钢组织性能的影响

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.05.005

摘要/Abstract

摘要：

常规工艺下特厚船舶用钢奥氏体晶粒细化的程度受限，导致极小尺寸奥氏体晶粒对钢板组织性能的影响尚不明确.利用二次奥氏体化法和热机械控制工艺，研究了细化奥氏体晶粒对特厚EH47止裂钢的显微组织演化及力学性能的影响.结果表明：试轧钢的加热温度从890 ℃升高至1 050 ℃时，原奥氏体晶粒尺寸从14 μm增加至28 μm；铁素体含量的降低导致大角度晶界数量比例由57.4%降低至40.5%；马氏体/奥氏体（martenite/austenite，M/A）岛体积分数从2.0%增加至6.5%；钢板的屈服强度从440 MPa提高到488 MPa.890 ℃轧制钢板的单位体积有效晶界面积为269.0 mm^-1，是其显微组织细化、均匀化，并在-100 ℃时具有241 J的冲击功的重要原因.

关键词: EH47止裂钢, 原奥氏体晶粒, 显微组织, M/A岛, 冲击功

Abstract:

The degree of austenite grain refinement in steel for ultra‐heavy ships is limited by conventional processes， resulting in the effect of very small?size austenite grains on the organization and properties of the steel plate being unclear. The effect of austenite grain refinement on the microstructure evolution and mechanical properties of ultra‐heavy EH47 crack arrest steel was investigated by using the secondary austenitization method and thermo mechanical control process. The results showed that the prior‐austenite grain size increased from 14 μm to 28 μm， with the reheating temperature of the test rolled steels rising from 890 ℃ to 1 050 ℃； the decrease of ferrite content reduced the proportion of large angle grain boundary from 57.4% to 40.5%； the volume fraction of martenite/austenite（M/A） islands increased from 2.0% to 6.5%； the yield strength of the steels increased from 440 MPa to 488 MPa. The effective interfacial area per unit volume of 890 ℃ rolled steel was 269.0 mm^-1， which was the key reason for its microstructure refinement， homogenization， and 241 J impact energy at -100 ℃.

Key words: EH47 crack arrest steel, prior‐austenite grain, microstructure, M/A islands, impact energy

中图分类号:

TG 142.1

张九鑫, 任潇健, 金东正, 田勇. 奥氏体晶粒细化对特厚EH47止裂钢组织性能的影响[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(5): 643-651.

Jiu-xin ZHANG, Xiao-jian REN, Dong-zheng JIN, Yong TIAN. Effect of Austenite Grain Refinement on Microstructure and Properties of Ultra‑Heavy EH47 Crack Arrest Steel[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2024, 45(5): 643-651.

图/表 12

表1 EH47连铸坯的化学成分（质量分数） (casting slab （mass fraction） %)

Table 1 Chemical composition of the EH47 continuous

C	Si	Mn	P	S	Nb+Ti	Ni+Cr+Cu
0.05	0.15	1.95	0.008	0.002	0.052	1.03

图1 试轧钢1/2厚度的显微组织（a）—T890；（b）—T970；（c）—T1050.

Fig.1 Microstructures at 1/2 thickness of test rolled steels

表2 试轧钢的M/A岛的参数

Table 2 Parameters of the M/A island of test rolled steels

编号	平均弦长/μm	最大尺寸/μm	体积分数/%
T890	1.4	5.5	2.0
T970	2.5	6.3	5.5
T1050	3.5	9.9	6.5

图2 试轧钢1/2厚度的反极图、晶界分布图和位错分布图（a）—T890反极图；（b）—T890晶界分布图；（c）—T890位错分布图；（d）—T970反极图；（e）—T970晶界分布图；（f）—T970位错分布图；（g）—T1050反极图；（h）—T1050晶界分布图；（i）—T970位错分布图.

Fig.2 Inverse pole figure， grain boundary figures and dislocation distribution figures at 1/2 thickness of test rolled steels

图3 试轧钢1/2厚度的EBSD统计结果（a）—HAGB数量比例和相邻晶界平均取向差；（b）—平均EGS及其标准偏差；（c）—位错密度及其标准偏差.

Fig.3 Statistical results of EBSD at 1/2 thickness of test rolled steels

图4 试轧钢1/2厚度的<110>//RD和<001>//RD取向分布和体积分数（a）—T890取向分布；（b）—T970取向分布；（c）—T1050取向分布；（d）—<110>//RD和<001>//RD取向的体积分数.

Fig.4 Orientation distribution and volume fraction of <110>//RD and <001>//RD at 1/2 thickness of test rolled steels

图5 试轧钢的原奥氏体晶粒形貌和不同尺寸晶粒的体积分数（a）—T890原奥氏体晶粒形貌；（b）—T970原奥氏体晶粒形貌；（c）—T1050原奥氏体晶粒形貌；（d）—不同尺寸晶粒的体积分数.

Fig.5 Prior‐austenite grain morphology and the volume fraction of different grain sizes for test rolled steels

图6 试轧钢的冲击功与测试温度曲线

Fig.6 Impact energy and test temperature curves of test rolled steels

图7 试轧钢的工程应力-应变曲线

Fig.7 Engineering stress‐strain curves of test rolled steels

表3 试轧钢的拉伸测试结果

Table 2 Tensile test results of test rolled steels

编号	屈服强度	抗拉强度	延伸率/%	屈强比
编号	MPa	MPa	延伸率/%	屈强比
T890	440	587	26.1	0.75
T970	467	610	26	0.76
T1050	488	636	23.3	0.77

图8 试轧钢的单位体积有效晶界面积

Fig.8 Effective interfacial area per unit volume of test rolled steels

图9 不同奥氏体化温度下析出相的形貌和EDS能谱（a）—T890析出相形貌；（b）—T890 EDS能谱；（c）—T970析出相形貌；（d）—T970 EDS能谱；（e）—T1050析出相形貌；（f）—T1050 EDS能谱.

Fig.9 Morphology and EDS energy spectra of precipitated phases at different austenitization temperatures

参考文献 26

1	Wang K， Wu L， Li Y Z，et al.Experimental study on low temperature fatigue performance of polar icebreaking ship steel［J］.Ocean Engineering，2020，216：107789.
2	国家标准化管理委员会. 船舶及海洋工程用结构钢：［S］.北京：中国标准出版社，2022：10.
	administration Standardization. Structural steel for ship and ocean engineering：［S］.Beijing：Standards Press of China，2022：10.
3	Wu J Y， Wang B， Wang B X，et al.Toughness and ductility improvement of heavy EH47 plate with grain refinement through inter‑pass cooling［J］.Materials Science and Engineering：A，2018，733：117-127.
4	温永红，唐荻，武会宾，等.F40 级船板低温韧性机理［J］.北京科技大学学报，2008，30（7）：724-729.
	Wen Yong‐hong， Tang Di， Wu Hui‐bin，et al.Low‐temperature toughness characteristics of F40 hull structure steel［J］.Journal of University of Science and Technology Beijing，2008，30（7）：724-729.
5	Xu X N， Tian Y， Ye Q B，et al.Effect of prior austenite grain size on crystallographic characteristics and low‐temperature toughness of a quenched low‐carbon low‐alloy steel［J］.Steel Research International，2021，92（11）：2100274.
6	Mandal S， Tewary N K， Ghosh S K，et al.Thermo‐mechanically controlled processed ultrahigh strength steel：microstructure，texture and mechanical properties［J］.Materials Science and Engineering：A，2016，663：126-140.
7	Tian Y， Wang H T， Ye Q B，et al.Effect of rolling reduction below γ non‐recrystallization temperature on pancaked γ，microstructure，texture and low‐temperature toughness for hot rolled steel［J］.Materials Science and Engineering：A，2020，794：139640.
8	Cuddy L J， Bauwin J J， Raley J C.Recrystallization of austenite［J］.Metallurgical Transactions A，1980，11（3）：381-386.
9	Lan L Y， Qiu C L， Zhao D W，et al.Effect of austenite grain size on isothermal bainite transformation in low carbon microalloyed steel［J］.Materials Science and Technology，2011，27（11）：1657-1663.
10	国家标准化管理委员会. 金属材料拉伸试验：第1部分室温试验方法：［S］.北京：中国标准出版社，2021：12.
	administration Standardization. Metallic materials—tensile testing—Part 1：method of test at room temperature：［S］.Beijing：Standards Press of China，2021：12.
11	Shen X J， Tang S， Chen J，et al.The effect of warm deforming and reversal austenization on the microstructure and mechanical properties of a microalloyed steel［J］.Materials Science and Engineering：A，2016，671：182-189.
12	杨涛.低碳贝氏体型钢变形奥氏体连续冷却研究［D］.上海：上海交通大学，2007.
	Yang Tao.Study of continuous cooling after austenite deformation of low carbon bainitic steels［D］.Shanghai：Shanghai Jiao Tong University，2007.
13	Umemoto M， Ohtsuka H， Tamura I.Transformation to pearlite from work‐hardened austenite［J］.Transactions of the Iron and Steel Institute of Japan，1983，23（9）：775-784.
14	Ouchi C， Sampei T， Kozasu I.The effect of hot rolling condition and chemical composition on the onset temperature of γ‐α transformation after hot rolling［J］.Transactions of the Iron and Steel Institute of Japan，1982，22（3）：214-222.
15	Zheng L， Xu T D.Nonequilibrium grain‐boundary cosegregation of nitrogen and chromium in NiCrMoV steel［J］.Metallurgical and Materials Transactions A，2005，36（12）：3311-3315.
16	Zhao M C， Yang K， Xiao F R，et al.Continuous cooling transformation of undeformed and deformed low carbon pipeline steels［J］.Materials Science and Engineering：A，2003，355（1/2）：126-136.
17	齐亮，彭凯，周军，等.TMCP工艺对X100管线钢M/A岛的影响［J］.材料导报，2016，30（2）：95-98.
	Qi Liang， Peng Kai， Zhou Jun，et al.Effect of TMCP（thermo‐mechanical control precess） on M/A islands of X100 pipeline steel［J］.Materials Reports，2016，30（2）：95-98.
18	Zhong Y， Xiao F R， Zhang J W，et al.In situ TEM study of the effect of M/A films at grain boundaries on crack propagation in an ultra‐fine acicular ferrite pipeline steel［J］.Acta Materialia，2006，54（2）：435-443.
19	Wang H T， Tian Y， Ye Q B，et al.Determining role of microstructure on crack arrest and propagation phenomenon in low‐carbon microalloyed steel［J］.Materials Science and Engineering：A，2019，761：138009.
20	Wang C F， Wang M Q， Shi J，et al.Effect of microstructural refinement on the toughness of low carbon martensitic steel［J］.Scripta Materialia，2008，58（6）：492-495.
21	Yang X L， Xu Y B， Tan X D，et al.Influences of crystallography and delamination on anisotropy of Charpy impact toughness in API X100 pipeline steel［J］.Materials Science and Engineering：A，2014，607：53-62.
22	Huda N， Midawi A R H， Gianetto J，et al.Influence of martensite‐austenite （MA） on impact toughness of X80 line pipe steels［J］.Materials Science and Engineering：A，2016，662：481-491.
23	Dan W J， Li S H， Zhang W G，et al.The effect of strain‐induced martensitic transformation on mechanical properties of TRIP steel［J］.Materials & Design，2008，29（3）：604-612.
24	Jung Y S， Lee Y K， Matlock D K，et al.Effect of grain size on strain‐induced martensitic transformation start temperature in an ultrafine grained metastable austenitic steel［J］.Metals and Materials International，2011，17（3）：553-556.
25	狄国标.高强度海洋平台用钢的强韧化机理研究及产品开发［D］.沈阳：东北大学，2010.
	Di Guo‑biao.Study on strengthening and toughening mechanism and development of high strength offshore platform steel.［D］.Shenyang：Northeastern University，2010.
26	Hong S G， Kang K B， Park C G.Strain‐induced precipitation of NbC in Nb and Nb‐Ti microalloyed HSLA steels［J］.Scripta Materialia，2002，46（2）：163-168.

[1]	孙行, 陈伟, 罗昌, 刘常升. 高钒半高速钢合金熔覆层回火态显微组织和性能[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(5): 636-642.
[2]	张雅静，王金朋，陈鑫，吴航宇. 医用可降解Zn-3Cu-xMn合金的制备及性能研究[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2023, 44(8): 1104-1110.
[3]	王海涛，李家栋，邓想涛，王昭东. 固溶温度对Fe-20Mn-9Al-1.2C低密度钢组织性能的影响[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2023, 44(5): 609-616.
[4]	董艳伍，彭飞，田家龙，姜周华. 时效对10Ni10Mn2CuAl钢组织及性能的影响[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2022, 43(5): 646-651.
[5]	宋红宇，刘海涛，王国栋. 薄带连铸取向硅钢的热轧孪生行为[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2022, 43(2): 182-187.
[6]	高彩茹，屈兵兵，田余东，杜林秀. 回火温度对在线淬火Q690q桥梁钢显微组织和力学性能的影响[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2021, 42(7): 927-933.
[7]	毕梦园，谢仁义，张艺凡，衣海龙. CoCrFeNi高熵合金组织演变规律及再结晶动力学[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2021, 42(7): 933-938.
[8]	朱成林，高秀华，王明明，宋丽英. 淬火温度对12Cr14Ni2不锈结构钢组织及力学性能的影响[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2021, 42(6): 781-788.
[9]	鲍君峰，于月光，贾成厂. ZrO₂添加量对等离子放电烧结制备WC-6Co组织和性能的影响[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2021, 42(1): 43-48.
[10]	王明明，高秀华，杜林秀，张大征. V-N微合金化X80抗大变形管线钢的组织与力学性能[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2020, 41(6): 801-806.
[11]	李彦龙，吴琼，秦晓峰，刘常升. Cr5支承辊接触疲劳损伤及其次表层组织变化[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2020, 41(6): 818-823.
[12]	张志强，何长树，赵夙，赵骧. 7075-T6合金超声辅助搅拌摩擦焊接头搅拌区组织与力学性能[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2020, 41(12): 1708-1714.
[13]	陈洁，李长生，李坤，涂兴洋. Fe-Mn-1.6Ni-C水电用钢板轧后直接淬火和回火工艺[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2019, 40(7): 956-961.
[14]	王晓晖，康健，袁国，王国栋. 等温处理过程热轧TRIP钢残余奥氏体的分解行为[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2019, 40(1): 32-37.
[15]	刘静，刘逸婷. 激光快速成型TC4合金显微组织及力学性能[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2018, 39(8): 1132-1136.