济钢NVB级船板应变时效敏感性试验研究
摘 要：研究了不同塑性变形量的应变时效对NVB钢板的强度、塑性及低温韧性和脆性转变温度的影响，结果表明，NVB钢板的应变时效敏感性较低，经5％时效后仍具有较好的低温韧性。通过微观组织分析，不同温度下试样的金相组织以铁素体和少量珠光体为主，20 ℃断口形貌为韧窝状，0～-40℃断口出现准解理形貌，带状组织易导致材料韧性的恶化，钙硅酸盐类非金属夹杂物对脆性转变温度有不良作用，容易加速钢板的脆化倾向。 关键词：船板；应变时效；塑性变形；低温韧性；冲击断口
中图分类号：TG142.1 文献标识码：A 文章编号：1004-4620（2007）06-0046-03
Experimental Research on Strain Aging Sensitivity of Jinan Steel’s NVB Grade Ship Plate
HOU Deng-yi，DU Shu-bo
（The Technology Center of Jinan Iron and Steel Co., Ltd., Jinan 250101, China）
Abstract：The effect of different plastic deformation strain ageing on the performance of NVB Ship Plate steel has been studied which includes strength, ductility, low temperature toughness and brittle transition temperature. As a result, NVB Ship Plate steel is less sensitive to strain ageing, and after 5％ aged, the plate still has good low temperature toughness. By means of
microstructure analysis, microstructure and impact fracture morphology in different temperature have been discussed. The results show, the metallographic structure most is ferrite and pearlite. The impact fracture morphology is dimple figure in 20 ℃ and quasi-cleavage fracture in 0～-40 ℃. Banded structure worsens toughness and the nonmetallic inclusions has negative for brittle transition temperature.
Key words：ship plate; strain ageing; plastic deformation; low temperature impact toughness; impact fracture
1 前 言
应变时效敏感性试验是一种测定材料应变时效后在冲击状态下对缺口破坏的敏感性的试验。在船舶的制造过程中，钢板要经过各种加工、成形、装配、焊接等工艺过程。由于冷加工塑性变形及焊接内应力变形使钢材强度与硬度升高而塑性与韧性下降的现象，称为应变时效[1]。因此，钢材的应变时效必然对船舶的使用性能产生不利影响。为了保证形变后钢板的韧性和舰船安全性，有必要对钢材的时效性能进行研究。我国舰船规范中也规定应变时效性能的研究是船用材料中不可缺少的试验项目[2]。目前，B级船板的产量、用量在我国船体
用结构钢板中占有很大比重，其应变时效性能的研究具有较大的价值。
2 材料与试验方法
2.1 材料
试验选用济钢第一炼钢厂—中板厂生产线生产的厚度为14 mm的NVB船板，成分及常规性能如表1、表2所示。
表1 NVB级船板的化学成分 %
C ≤0.21
Si ≤0.50
Mn ≥0.50
P ≤0.035
S ≤0.035
Als ≥0.007
Ceq ≤0.38 冷弯，180°D=2a 合格
表2 NVB船板常规性能
规格/mm 14
σs/MPa 350
σb/MPa 500
δ5/% 25.5
0℃冲击功，Akv/J
189
2.2 试验方法
所有试样均为横向取样，按照GB4160－2004的规定，先刨成12 mm×30 mm×300 mm的扁样坯，分别拉伸至2.0%、5.0%和7.5％、10.0%的永久变形，然后取拉伸变形标距内的一段加工成夏比V型缺口试样，在炉内均匀加热到（250±10）℃，并在此温度下保温1 h（人工时效），空冷到室温，然后与没有进行时效的试样在20～-40 ℃下分段做冲击试验。最后测定应变时效前后钢板冲击值的降低率，即应变时效敏感性系数C：
式中
（1）
——未经受应变时效的冲击吸收功的平均值； 为经受规定应变并人工时效后冲击吸收功的平均值。
3 试验结果
NVB船板的系列温度和不同变形量的试验结果见表3。由表3可以看出，随着变形量的增加，应变时效后钢的强度增加，延伸率急剧下降，同一温度下的冲击功呈明显降低趋势，与应变时效的定义相吻合。根据系列冲击值计算应变时效敏感性系数C，结果见表4。
表3 应变时效对性能的影响
变形量/% 0
σs/MPa 350
σb/MPa 500
δ5/% 25.5
Akv/J
20℃ 192
0℃ 189
－20℃ 152
－40℃ 59
冷弯，180°D=2a 完好
2.0 5.0 7.5 10.0
379 412 476 521
530 561 600 668
22.0 17.0 12.0 7.0
162 111 98 65
135 82 61 18
时效敏感性系数/％
83 32 22 10
27 12 11 2
完好 完好 完好 完好
表4 不同温度和变形量下的时效敏感性系数
变形量/% 2.0 5.0 7.5 10.0
20℃ 0℃ －20℃ 15 42 48 66
28 49 67 90
45 78 85 93
－40℃ 54 79 81 96
由表4可知，NVB船板钢在2.0%、5.0%、7.5%应变时效后其室温下的时效敏感系数均小于50%，且随着温度的降低而增大。另外，变形量大，则时效敏感系数增加的幅度亦大。在-20 ℃下变形量为2.0%时的时效敏感系数仍小于50%，即使在-40 ℃下变形量为2.0%时，时效敏感系数略高于50%，这说明NVB船板钢的时效敏感性很低。
为了深入研究应变时效对冲击韧性的影响，分别对不同变形量和不同温度的冲击值做时效冲击功AKV与温度的关系曲线，见图1。对不同变形量的脆性转变温度（Tre）做脆性转变温度与变形量的关系曲线，如图2所示。
1—变形量0%，Tre-30℃；2—变形量2.0%，Tre-20℃；3—变形量5.0%，Tre-10℃；4—变形量7.5%，Tre-6℃；
5—变形量10.0%，Tre15℃ 图1 时效冲击功Akv与温度的关系
图2 脆性转变温度与变形量的关系
由图1、图2可以看出，随着变形量的增加，冲击功逐渐减少，变形量为10.0%时，冲击功减至最小值。NVB级船板5.0%应变时效后的冲击功在-20 ℃时仍高于技术要求所规定的27 J，达到32 J；7.5%应变时效后的冲击功在-20 ℃时为22 J，略低于27 J。这说明NVB船板经
5.0%、7.5%应变时效处理后仍具有较好的韧性。脆性转变温度随着变形量的增加而升高，NVB船板从-30 ℃升到15 ℃，即使10.0%应变时效后，其Tre仍达到15 ℃，在7.5％应变时效后，其Tre仍达到-6 ℃，说明NVB船板经2.0%～7.5%时效后仍然有好的止裂能力。
4 分析与讨论
4.1 金相分析
对该批NVB船板时效冲击（变形5.0％）后的试样进行金相分析，试样组织如图3所示。
图3 NVB船板不同温度下时效冲击试样的金相组织
从图3可以看出，该钢主体组织为典型碳素钢具有的铁素体，仅有少量的珠光体，存在一定的带状组织。根据钢的显微组织评定方法（GB/T 13299）对其评级，介于A1.0～1.5级之间。该级别的带状组织虽然对产品性能没有严重影响，但在一定程度上会导致材料韧性的恶化。
4.2 冲击断口形貌观察
对该批NVB船板时效冲击（变形5.0％）后的受压侧试样断口进行SEM观察，断口形貌见图4。
图4 NVB船板不同温度下的时效冲击断口形貌 500×
由图4可知，0～-40 ℃断口出现准解理形貌。20 ℃时，试样断口具有韧窝断口的形貌特征，而且韧窝尺寸细化，说明韧性最好；0 ℃时，试样断口具有大部分韧窝+小部分准解理的形貌特征，并且韧窝大小不均，说明0 ℃时效韧性较之20 ℃变差；-20 ℃和-40 ℃时，试样断口基本都是典型的准解理断口形貌，可以清晰地看到河流花样、扇形花样、解理台阶和撕裂棱等准解理断口的典型微观形貌特征，说明-20 ℃及-40 ℃下的时效冲击几乎全部为脆断。同时对20 ℃时试样断口进行更高倍数的SEM观察，发现在韧窝底部存在一定量的呈球状任意分布的非金属夹杂物，从其光学特性看，主要是钙硅酸盐类，见图5。
图5 NVB船板20 ℃时效冲击（5.0％）断口形貌 1000×
通过对图5夹杂物进行金相法评级，非金属夹杂物分别为A1.5、B1.0、D1.5级。可以看出，钢质不纯对低温时效冲击性能有一定的不良影响，如果需要更高级别的钢板，则需进一步降低杂质含量。 4.3 O、N分析
应变时效的实质在于形成柯氏气团，在低碳钢和低合金钢中对应变时效起主要作用的是固溶于α-Fe中的间隙原子N、C。而氧对形变时效没有大的影响。碳、氮的作用在于形成柯氏气团，对位错起钉扎作用，这些被钉扎的位错不能运动，而为了进行范性形变，必须增加应力，以便在应力集中处（晶界或夹杂物边界）形成新的位错。新的位错运动时将被钉扎的大量位错交割，受到后者的阻碍，这就是钢的韧性降低的原因。通过对该批NVB船板进行O和N分析，含量分别为 26 μg/g和 76μg/g。 相关标准对该技术指标没有明确的规定，一般生产控制中尽量降低O、N含量。从该批产品检测结果看，N含量稍高，这应是影响应变
时效的主要因素之一。
5 结论与建议
5.1 NVB船板钢经2.0%～7.5%的应变时效后，在室温下仍具有较好的韧性，符合标准的要求，再发生5.0%的应变时效时，其时效敏感性系数仅为42％，同时塑性转变温度为－10℃，说明该钢具有较好的冷加工塑性变形能力。
5.2 C、N是影响应变时效最主要的元素，降低固溶体中C、N的含量是降低应变时效的有效途径。
5.3 钙硅酸盐类夹杂物能够恶化材料的韧性，炼钢工序应严格控制夹杂物，提高钢水质量。
济钢NVB级船板应变时效敏感性试验研究
摘 要：研究了不同塑性变形量的应变时效对NVB钢板的强度、塑性及低温韧性和脆性转变温度的影响，结果表明，NVB钢板的应变时效敏感性较低，经5％时效后仍具有较好的低温韧性。通过微观组织分析，不同温度下试样的金相组织以铁素体和少量珠光体为主，20 ℃断口形貌为韧窝状，0～-40℃断口出现准解理形貌，带状组织易导致材料韧性的恶化，钙硅酸盐类非金属夹杂物对脆性转变温度有不良作用，容易加速钢板的脆化倾向。 关键词：船板；应变时效；塑性变形；低温韧性；冲击断口
中图分类号：TG142.1 文献标识码：A 文章编号：1004-4620（2007）06-0046-03
Experimental Research on Strain Aging Sensitivity of Jinan Steel’s NVB Grade Ship Plate
HOU Deng-yi，DU Shu-bo
（The Technology Center of Jinan Iron and Steel Co., Ltd., Jinan 250101, China）
Abstract：The effect of different plastic deformation strain ageing on the performance of NVB Ship Plate steel has been studied which includes strength, ductility, low temperature toughness and brittle transition temperature. As a result, NVB Ship Plate steel is less sensitive to strain ageing, and after 5％ aged, the plate still has good low temperature toughness. By means of
microstructure analysis, microstructure and impact fracture morphology in different temperature have been discussed. The results show, the metallographic structure most is ferrite and pearlite. The impact fracture morphology is dimple figure in 20 ℃ and quasi-cleavage fracture in 0～-40 ℃. Banded structure worsens toughness and the nonmetallic inclusions has negative for brittle transition temperature.
Key words：ship plate; strain ageing; plastic deformation; low temperature impact toughness; impact fracture
1 前 言
应变时效敏感性试验是一种测定材料应变时效后在冲击状态下对缺口破坏的敏感性的试验。在船舶的制造过程中，钢板要经过各种加工、成形、装配、焊接等工艺过程。由于冷加工塑性变形及焊接内应力变形使钢材强度与硬度升高而塑性与韧性下降的现象，称为应变时效[1]。因此，钢材的应变时效必然对船舶的使用性能产生不利影响。为了保证形变后钢板的韧性和舰船安全性，有必要对钢材的时效性能进行研究。我国舰船规范中也规定应变时效性能的研究是船用材料中不可缺少的试验项目[2]。目前，B级船板的产量、用量在我国船体
用结构钢板中占有很大比重，其应变时效性能的研究具有较大的价值。
2 材料与试验方法
2.1 材料
试验选用济钢第一炼钢厂—中板厂生产线生产的厚度为14 mm的NVB船板，成分及常规性能如表1、表2所示。
表1 NVB级船板的化学成分 %
C ≤0.21
Si ≤0.50
Mn ≥0.50
P ≤0.035
S ≤0.035
Als ≥0.007
Ceq ≤0.38 冷弯，180°D=2a 合格
表2 NVB船板常规性能
规格/mm 14
σs/MPa 350
σb/MPa 500
δ5/% 25.5
0℃冲击功，Akv/J
189
2.2 试验方法
所有试样均为横向取样，按照GB4160－2004的规定，先刨成12 mm×30 mm×300 mm的扁样坯，分别拉伸至2.0%、5.0%和7.5％、10.0%的永久变形，然后取拉伸变形标距内的一段加工成夏比V型缺口试样，在炉内均匀加热到（250±10）℃，并在此温度下保温1 h（人工时效），空冷到室温，然后与没有进行时效的试样在20～-40 ℃下分段做冲击试验。最后测定应变时效前后钢板冲击值的降低率，即应变时效敏感性系数C：
式中
（1）
——未经受应变时效的冲击吸收功的平均值； 为经受规定应变并人工时效后冲击吸收功的平均值。
3 试验结果
NVB船板的系列温度和不同变形量的试验结果见表3。由表3可以看出，随着变形量的增加，应变时效后钢的强度增加，延伸率急剧下降，同一温度下的冲击功呈明显降低趋势，与应变时效的定义相吻合。根据系列冲击值计算应变时效敏感性系数C，结果见表4。
表3 应变时效对性能的影响
变形量/% 0
σs/MPa 350
σb/MPa 500
δ5/% 25.5
Akv/J
20℃ 192
0℃ 189
－20℃ 152
－40℃ 59
冷弯，180°D=2a 完好
2.0 5.0 7.5 10.0
379 412 476 521
530 561 600 668
22.0 17.0 12.0 7.0
162 111 98 65
135 82 61 18
时效敏感性系数/％
83 32 22 10
27 12 11 2
完好 完好 完好 完好
表4 不同温度和变形量下的时效敏感性系数
变形量/% 2.0 5.0 7.5 10.0
20℃ 0℃ －20℃ 15 42 48 66
28 49 67 90
45 78 85 93
－40℃ 54 79 81 96
由表4可知，NVB船板钢在2.0%、5.0%、7.5%应变时效后其室温下的时效敏感系数均小于50%，且随着温度的降低而增大。另外，变形量大，则时效敏感系数增加的幅度亦大。在-20 ℃下变形量为2.0%时的时效敏感系数仍小于50%，即使在-40 ℃下变形量为2.0%时，时效敏感系数略高于50%，这说明NVB船板钢的时效敏感性很低。
为了深入研究应变时效对冲击韧性的影响，分别对不同变形量和不同温度的冲击值做时效冲击功AKV与温度的关系曲线，见图1。对不同变形量的脆性转变温度（Tre）做脆性转变温度与变形量的关系曲线，如图2所示。
1—变形量0%，Tre-30℃；2—变形量2.0%，Tre-20℃；3—变形量5.0%，Tre-10℃；4—变形量7.5%，Tre-6℃；
5—变形量10.0%，Tre15℃ 图1 时效冲击功Akv与温度的关系
图2 脆性转变温度与变形量的关系
由图1、图2可以看出，随着变形量的增加，冲击功逐渐减少，变形量为10.0%时，冲击功减至最小值。NVB级船板5.0%应变时效后的冲击功在-20 ℃时仍高于技术要求所规定的27 J，达到32 J；7.5%应变时效后的冲击功在-20 ℃时为22 J，略低于27 J。这说明NVB船板经
5.0%、7.5%应变时效处理后仍具有较好的韧性。脆性转变温度随着变形量的增加而升高，NVB船板从-30 ℃升到15 ℃，即使10.0%应变时效后，其Tre仍达到15 ℃，在7.5％应变时效后，其Tre仍达到-6 ℃，说明NVB船板经2.0%～7.5%时效后仍然有好的止裂能力。
4 分析与讨论
4.1 金相分析
对该批NVB船板时效冲击（变形5.0％）后的试样进行金相分析，试样组织如图3所示。
图3 NVB船板不同温度下时效冲击试样的金相组织
从图3可以看出，该钢主体组织为典型碳素钢具有的铁素体，仅有少量的珠光体，存在一定的带状组织。根据钢的显微组织评定方法（GB/T 13299）对其评级，介于A1.0～1.5级之间。该级别的带状组织虽然对产品性能没有严重影响，但在一定程度上会导致材料韧性的恶化。
4.2 冲击断口形貌观察
对该批NVB船板时效冲击（变形5.0％）后的受压侧试样断口进行SEM观察，断口形貌见图4。
图4 NVB船板不同温度下的时效冲击断口形貌 500×
由图4可知，0～-40 ℃断口出现准解理形貌。20 ℃时，试样断口具有韧窝断口的形貌特征，而且韧窝尺寸细化，说明韧性最好；0 ℃时，试样断口具有大部分韧窝+小部分准解理的形貌特征，并且韧窝大小不均，说明0 ℃时效韧性较之20 ℃变差；-20 ℃和-40 ℃时，试样断口基本都是典型的准解理断口形貌，可以清晰地看到河流花样、扇形花样、解理台阶和撕裂棱等准解理断口的典型微观形貌特征，说明-20 ℃及-40 ℃下的时效冲击几乎全部为脆断。同时对20 ℃时试样断口进行更高倍数的SEM观察，发现在韧窝底部存在一定量的呈球状任意分布的非金属夹杂物，从其光学特性看，主要是钙硅酸盐类，见图5。
图5 NVB船板20 ℃时效冲击（5.0％）断口形貌 1000×
通过对图5夹杂物进行金相法评级，非金属夹杂物分别为A1.5、B1.0、D1.5级。可以看出，钢质不纯对低温时效冲击性能有一定的不良影响，如果需要更高级别的钢板，则需进一步降低杂质含量。 4.3 O、N分析
应变时效的实质在于形成柯氏气团，在低碳钢和低合金钢中对应变时效起主要作用的是固溶于α-Fe中的间隙原子N、C。而氧对形变时效没有大的影响。碳、氮的作用在于形成柯氏气团，对位错起钉扎作用，这些被钉扎的位错不能运动，而为了进行范性形变，必须增加应力，以便在应力集中处（晶界或夹杂物边界）形成新的位错。新的位错运动时将被钉扎的大量位错交割，受到后者的阻碍，这就是钢的韧性降低的原因。通过对该批NVB船板进行O和N分析，含量分别为 26 μg/g和 76μg/g。 相关标准对该技术指标没有明确的规定，一般生产控制中尽量降低O、N含量。从该批产品检测结果看，N含量稍高，这应是影响应变
时效的主要因素之一。
5 结论与建议
5.1 NVB船板钢经2.0%～7.5%的应变时效后，在室温下仍具有较好的韧性，符合标准的要求，再发生5.0%的应变时效时，其时效敏感性系数仅为42％，同时塑性转变温度为－10℃，说明该钢具有较好的冷加工塑性变形能力。
5.2 C、N是影响应变时效最主要的元素，降低固溶体中C、N的含量是降低应变时效的有效途径。
5.3 钙硅酸盐类夹杂物能够恶化材料的韧性，炼钢工序应严格控制夹杂物，提高钢水质量。