海洋工程用超低碳贝氏体钢组织性能研究

海洋工程用超低碳贝氏体钢组织性能研究

低碳贝氏体钢（ucb）是近20年来出版的一种高强度、高耐候性低合金钢。钢的强度不依赖于碳含量，而以位错强化、v和nb微金化和-cu的形式主要。由于其具有优良的综合性能而被广泛应用于寒冷地区的油气管线、船舰结构钢等领域。近年来,由于海洋石油平台环境十分恶劣复杂,不仅要求结构钢有较高的强度,良好的低温冲击韧性,还要有一定的耐海水腐蚀性能,这就为ULCB钢在海洋平台应用提出更高的要求。本文从高性能和低成本角度出发设计Fe-Cu-Nb-B系ULCB钢,利用先进的弛豫-析出-控制相变轧制技术获得理想的贝氏体组织,以传统的高强度低合金耐海水腐蚀钢CuPCr系和CrMoAl系作为对比实验钢,评价ULCB钢的室温和低温力学性能,以及在全浸海水腐蚀条件下的腐蚀性能,为ULCB钢在海洋石油平台及其它海洋设施中的应用提供实验依据。1实验材料和方法1.1种钢的成分选用的CrMoAl系、CuPCr系和超低碳贝氏体三种钢的化学成分如表1。其中No.1钢CrMoAl系以Cr为主要耐蚀性元素,以少量的Mo和Al作为辅助元素增强钢的耐蚀性;No.2钢CuPCr系则以Cu和P配合起到复合耐蚀效果,No.3钢ULCB的碳当量仅为0.37,有利于焊接性能,添加适量Cu起到提高强度作用。三种钢均添加了微量Nb元素,通过Nb(CN)粒子的析出起到沉淀强化和细化晶粒目的。实验用钢在中频真空感应炉中冶炼,开坯锻造后在经过优化的控轧控冷工艺条件下轧成6mm厚的钢板。三种钢的原始组织如图1。CrMoAl钢的基体组织为等轴铁素体+少量珠光体,CuPCr钢的基体组织为贝氏体和少量针状铁素体,ULCB钢的基体组织为板条状和粒状贝氏体的混合组织。1.2拉伸试验试验沿钢板轧制方向截取并机加工成拉伸试样,标距为45mm,在室温下进行拉伸试验。V型缺口夏氏冲击试样尺寸为55mm×10mm×5mm,在-60~20℃进行低温系列冲击实验。1.3材料的检测和加速腐蚀将钢板沿轧制方向截取加工50mm×25mm×5mm的试样,全浸腐蚀后利用失重法计算腐蚀速率,同时对其表面腐蚀产物进行X射线衍射分析,利用扫描电镜进行表面形貌观察和微区成分分析。加速腐蚀实验按GB10124-88要求,试样表面磨光后垂直浸泡在模拟海水的玻璃容器内,溶液的盐度为35‰NaCl,pH值8.1,溶液温度34~36℃,溶解氧浓度5.6ml/L,容器内置放小电机搅拌腐蚀液以模拟海水浪涌环境。试样分别浸泡5、10、15、20天后取出称重以测定在不同时间的腐蚀速率。1.4电化学性能测试将10mm×10mm原始试样和经过20天全浸加速海水腐蚀试验后的试样用牙托粉镶嵌,只留出一个平面,在ZAHNER-IM6e电化学测试仪和3.5%NaCl溶液中测定极化曲线,辅助电极为石墨,参比电极为饱和甘汞电极,电位扫描速度为2mV/s。2结果与分析2.1力学性能分析实验钢的室温拉伸性能如表2。三种材料中以ULCB钢具有最好的拉伸强度和伸长率,其屈服强度超过700MPa,伸长率也达到了32%。相比之下,CuPCr钢显现出较低的屈服强度和拉伸塑性。从低温冲击韧性来看(见图2),ULCB钢具有相当优异的冲击韧性,ak值在室温下达到了139.5J/cm2,即使在-60℃也能达到60.2J/cm2。经测定,其韧-脆转化温度为-25℃。CrMoAl钢和CuPCr钢的冲击韧性均比ULCB钢低得多,特别是CuPCr钢冲击韧性随温度降低而急剧减少,几乎没有韧-脆转变过渡区域,表现出较强的低温脆性。图3是三种钢在0℃下的冲击断口形貌。可以看出,在此温度下,CrMoAl钢正从韧性断裂向解理断裂转变,断口呈现韧窝和平滑的解理断口混合形貌。而CuPCr钢则完全表现出脆性解理断裂,这与钢中P含量较高从而造成韧性对温度极为敏感有密切关系。与此相反,ULCB钢仍然呈韧性断裂,深而细小的韧窝表明材料断裂时需要消耗很高的能量。从以上实验结果可知:与CrMoAl钢和CuPCr钢两种耐海水腐蚀钢相比,ULCB钢表现出良好的综合力学性能。本实验中的ULCB钢从降低成本角度出发,利用Mo和B显著增加淬透性的作用获得粒状贝氏体组织,在基体上弥散分布着M-A小岛,如图4(a)。EDAX分析表明:Mo和B元素富集在箭头所示的M-A小岛中,这有利于稳定M-A岛使其起到有效的复相强化作用。本实验采用的弛豫-析出-控制相变技术,即在奥氏体未再结晶区热轧后停留一段时间,使Nb(CN)微细粒子在奥氏体内大量位错上析出(见图4(b)),粒子的钉扎作用不仅使位错在冷却过程中得以保存,而且有效抑制了相转变过程中贝氏体的粗化,从而使位错强化、沉淀强化、细晶强化以及固溶强化得到了最大程度的发挥,大大提高了材料的强度和韧性,能够满足海洋平台用结构钢的力学性能要求。2.2腐蚀钢的锈层及织物三种钢在5~20天时间段模拟海水全浸年腐蚀速率结果见图5。其中,CuPCr钢在各个时间段的腐蚀速率都低于其它两种钢,而且在一段时间内呈恒定态势。而CrMoAl钢在腐蚀开始阶段其腐蚀速率最高,随后呈急剧下降趋势,经过15天之后趋于稳定。但无论是在腐蚀的开始阶段还是经过长时间腐蚀,其腐蚀速率都是最高的。ULCB钢的腐蚀速率介于CrMoAl钢和CuPCr钢之间,并且一直呈下降趋势。在海水全浸带,钢的腐蚀速度主要受向钢表面供给的溶解氧控制。与碳钢相比,低合金耐海水腐蚀钢在基体表面形成的锈层具有一定的保护性,它是阻止腐蚀加剧的屏障。比较三种钢在20天腐蚀后的锈层形貌,其厚度均在60~80μm之间。其中,CrMoAl钢的锈层空隙多,与基体结合性差,在局部地区有向纵深方向发展的趋势。在这种情况下,表面锈层对基体的保护作用就很小,腐蚀液中Cl-和氧气很容易穿透锈层而到达基体与其反应,生成的反应物也能快速到达溶液而溶解,促进腐蚀反应的进一步进行。相比之下,CuPCr钢外锈层虽然也有一些孔洞,但比CrMoAl钢致密得多,而且内锈层均匀致密,与基体结合良好。ULCB钢的疏松程度介于CuPCr钢与CrMoAl钢之间。X射线衍射分析结果表明:三种钢的表面腐蚀产物均以FeOOH为主,掺杂有少量Fe3O4。图6为ULCB钢全浸5天和20天后腐蚀产物形貌。在浸泡5天时,大量的针状晶体覆盖在钢的基体表面(如箭头所示),而锈层外表面则包覆着密实的不定形产物。在浸泡20天以后,针状晶体消失,取而代之的是多孔隙的腐蚀产物。这表明在腐蚀初期,钢表面出现活化腐蚀,产生非稳定的FeO和Fe3O4,钢中部分合金元素如Cu,Cr,Al等取代Fe3O4里的Fe2+或Fe3+而形成具有尖晶石结构的复杂氧化物。随着腐蚀的深入进行,腐蚀产物发生还原反应生成疏松的不具有保护作用的γ-FeOOH。2.3试验钢的腐蚀过程对三种钢原始样和经过20天浸蚀后带锈层样品分别测定了极化曲线如图7。对于原始试样,CuPCr钢和ULCB钢的极化曲线极为相近,而CrMoAl钢的致钝电流密度显著高于前者,致钝电位范围也相应较小。经过20天浸蚀后,CuPCr钢显现出最高的自腐蚀电位和最低的腐蚀电流密度,表明锈层有效抑制了阳极反应。ULCB钢的腐蚀电位和腐蚀电流密度介于CrMoAl钢和CuPCr钢之间。值得注意的是:CrMoAl钢的阴极极化的Tafel斜率小于CuPCr钢,说明锈层疏松使氧扩散充分,阴极过程受氧离子化反应控制。三种实验钢在模拟海水全浸带的加速腐蚀实验中,从腐蚀速率、腐蚀产物形貌观察和极化曲线分析都可以认为:ULCB钢的耐蚀性虽然弱于CuPCr钢,但却并不比耐蚀型CrMoAl钢差。ULCB钢的耐蚀性应当得益于其独特的成分设计与显微组织。首先,ULCB钢中低含量的碳大部分固溶在贝氏体铁素体中,而不像CrMoAl钢那样含有珠光体组织,使渗碳体作为阴极相与铁素体基体构成微电池,加速钢的腐蚀反应。其次,ULCB钢的贝氏体组织细密而均匀,因而钢中微电池的数量大大减少,从腐蚀初期开始ULCB钢就显现出较好的耐蚀性。3在生物样品中的应用1)实验所设计的超低碳贝氏体钢室温力学性能和系列低温冲击韧性能满足海上石油平台用结构钢的性能需求,其良好的强韧性归功于在均匀细密的贝氏体组织中弥散分布着M-A岛,起到复相强化作用,同