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1、止裂钢的发展和研究止裂钢的发展和研究摘要:上世纪 50、60 年代大量发生的船舶结构断裂事故掀起了断裂评定研究热潮。为避免船体结构脆性断裂事故的发生研究人员提出了“止裂”的概念，并相继发展了多种钢板止裂性能评价技术，但研究对象仅限于薄板和中厚板，近年来随着超大型集装箱船的发展，对 50 mm 以上厚板止裂性能的评价技术研究又成为热点。关键字：船用钢；止裂性能；性能研究abstract：1 引言引言上世纪 50、60 年代大量发生的船舶断裂事故引起了人们对于船舶结构断裂评定的重视，从保证船舶安全性，防止脆性断裂的角度，要求船舶用钢具有某种级别以上的断裂韧性值。在预计会产生裂纹的部位和有可能发生大
2、规模断裂的重要部位，都采用 E 级钢这类韧性优良的钢材，并且在造船时，严格管理加工和焊接作业。因此，可以说产生脆性裂纹的可能性是非常小的。但是一旦发生脆性裂纹，也要有能力使裂纹的传播停止。关于抑制钢材脆性裂纹传播的性能（止裂性能）已经进行了很多的研究，规定了抑制大型裂纹传播所必需的钢材的 Kca（脆性裂纹传播止裂韧性）值为 4 0006 000 N/mm1.5。另外，由于焊接残留应力的作用，从焊接区产生的裂纹会向母材一侧扩展。因此，须通过母材的止裂性能来保证船舶的安全性。但是，这些研究主要针对厚度为 50 mm以下钢板，对厚度为 6080 mm1,2的船用厚钢板止裂性问题，研究得很少。我们对船
3、体钢板的两个要求是: 一是应具有一定的抗开裂性能，二是应具有较好的止裂性能，即一旦裂纹产生，材料应具有将其止住的能力。因为绝大多数工程结构要经过焊接, 在焊接区不可避免会存在许多缺陷, 很容易引起裂纹起裂扩展。构件在服役过程中, 这种裂纹以很高的速度进入母材这时再用母材的静态裂纹起裂韧性 KIc来评价结构的断裂风险就不合适了。在这种裂纹起裂不可预测的情况下, 要求母材能够阻止住快速扩展的裂纹。这作为灾难性破坏的第二道防线, 对确保工程结构的安全是十分必要的。因此, 对焊接结构用钢, 止裂性能是最重要的断裂性能参数, 通常用裂纹止裂韧性 K Ia来表示。从近十年中国造船业占世界造船市场份额的变化
4、可以看出，中国造船业在全球市场上所占的比重正在明显上升，中国已经成为全球重要的造船中心之一。船舶工业是为航运业、海洋开发及国防建设提供技术装备的综合性产业，对钢铁产业的发展起到了带动作用。 造船行业主要消费的中厚板和型材钢材等品种，国内钢企基本上可以满足我国造船行业钢材消费的要求。随着今后造船用钢材品种需求的变化，钢铁企业应该对大线能量焊接船板钢、耐腐蚀钢、高强度钢、高止裂性钢板、低温钢、双相不锈钢等品种进行重点关注。近年, 海上运输量的增加推动了船舶向大型化发展, 特别是对于集装箱船来说, 目前正在建造装载量超万箱的超大型集装箱船。随着船舶的大型化，造船用钢板也向厚板化的方向发展。特别是集装
5、箱船，由于其船体结构的要求，在舱口围板、上甲板等部位已经使用厚度达到 6080mm 的厚板作为高强度部件。舱口部件的组合已经采用大线能量焊接技术，但是，伴随着钢板的厚板化，要求钢板进一步适应更大的线能量焊接。通常建造中型集装箱船的钢板强度要求能承受 355 MPa 的应力，而大型集装箱船要求能用于焊接热量输入约 40 kJmm 的 1 次电渣焊接，板厚约 60 mm，能承受 470 MPa 张力的极厚钢板。极厚钢板在焊接时需要大量的热量，但是热量过高又会对钢板的组织产生影响，损害钢板本身的强度。在大型集装箱船上，随着极厚板的大量应用，脆性裂纹产生的风险也越来越大。一旦在极厚板中出现裂纹，该裂纹
6、将会沿着焊缝不断传播并使裂纹转向母材。另一方面，在满足使用要求的同时，高强度和大厚度使得钢板的受力状态易由平面应力状态转为平面应变状态，材料的抗开裂性能下降。因此，不论是为了阻止焊接熔合区和热影响区产生的脆性裂纹扩展，还是应力状态转变导致的抗开裂性能下降都对材料的止裂性能提出了更高的要求。这就要求开发大型集装箱船用高强度止裂厚板关键技术，同时对材料的止裂性能评价方法进行研究。从保证船舶安全性，防止脆性断裂的角度，要求船舶用钢具有某种级别以上的断裂韧性值。在预计会产生裂纹的部位和有可能发生大规模断裂的重要部位，必须采用韧性优良和止裂性能好的钢材。钢材的止裂韧性是表示材料自身阻止裂纹高速扩展的能力
7、。当构件存在潜在的缺陷或裂纹, 在受到动载及冲击载荷作用时, 裂纹发生高速扩展, 如果材料能在小范围内阻止裂纹的扩展, 就可能防止重大事故的发生, 所以它是靠材料自身阻止裂纹扩展的能力。2. 研究内容研究内容1.1 成分设计和热机械控制工艺对高强止裂韧性厚板显微结构演变的影响研究高强度止裂韧性厚板的成分设计及工艺路线必须兼顾防止出现使焊接热影响区韧性变差的粗大奥氏体以及岛状马氏体，同时兼顾止裂性能。因此, 为了开发出确保焊接时热影响区的韧性、同时具有优良脆性断裂止裂性能，要求低碳含量和较低的碳当量。为了降低碳当量和制备成本要求钢中合金元素尽可能低。从确保焊接热影响区韧性并确保止裂特性的观点出发
8、, 作为不依赖添加合金元素的方法, 提高钢止裂性能的有效方法是通过微观组织微细化使韧性提高。热机械控制轧制工艺是制造高韧性高强度钢板的有效方法。通过热机械控制处理等工艺引入位错等相变核心来细化晶粒。为了研究成分设计和热处理工艺对高强止裂韧性厚板性能的影响，并最终确定成分设计方案和优化工艺路线必须对成分设计和热处理工艺对高强止裂韧性厚板显微结构演变的影响进行研究。1.2 织构组织对厚板止裂性能的影响评估已有研究认为，织构组织不同可使夏氏冲击韧性相同的钢材止裂性能产生很大的差异，具有发达的铁素体加工织构和相变织构的钢板，其止裂性能会有进一步的提高。为了优化高强度止裂厚板的成分设计及工艺路线有必要对
9、织构组织对厚板止裂性能的影响进行评估。热机械控制轧制工艺是制造高韧性高强度钢板的有效方法，可以有效地细化晶粒并控制钢板中的织构组织。但是对厚板来说, 钢板内部的轧制温度不均匀，不能简单按传统的热机械控制轧制的道次设定仅考虑通过表面温度控制终轧道次实现。为了实现高强度止裂韧性厚板的工艺路线进行优化首先要对织构组织对厚板止裂性能的影响进行详细的评估。因为形成发达的织构组织需要更高精度的控制轧制和低温轧制，通过控制轧制条件的最佳化，即奥氏体再结晶区、未结晶区以及更低温度区的轧制分配和严格的轧制管理来获得晶粒细化并控制晶粒取向差为 15以上的大角晶界，使厚钢材的止裂性能得到提高。另外，为了使高强度和高
10、止裂性能兼备，采用了轧后加速冷却工艺。日本钢管公司( NKK) 最近开发出具有高强度和良好焊接性能的高张力厚钢板, 可用于建造大型集装箱船。集装箱船的日趋大型化, 对船体钢板的厚度和强度提出了越来越高的要求。厚钢板在焊接时, 需要大量的热量, 但是热量过高又反过来会对钢板的组织造成影响, 损害其强度。为此, 日本钢管公司研究人员不是采用增加碳含量的方法, 而是通过调整钢板中的添加元素, 使其强度大为提高。通常建造中型集装箱船的钢板强度要求为每平方毫米能够承受 3 5 牛顿的张力, 而大型集装箱船则要求在 3 9 0 牛顿以上。该公司开发的新型钢板不仅具有这一强度, 而且即使在用 5 0 万焦耳
11、的热量进行焊接时, 也能够防止受热部分变粗。目前中国制造的集装箱钢板几乎全部从日本进口，少数由武钢生产，其技术条件和牌号如表 1 所示。从表1可以看出，目前国内各集装箱厂从日本进口的钢材基本都属于一般低碳钢。3.裂纹止裂理沦裂纹止裂理沦描述钢中裂纹止裂有三种理论, 分别对应三个止裂韧性参数 静态分析 止裂韧性理论KIa 动态分析裂纹扩展断裂韧性 KID理论 动载/静态裂纹起裂韧性 KId理论按能量平衡方法，动态扩展裂纹尖端能量释放率可表示为daddaddadGTUWDDD （1）式中，W、U、T 分别代表外力功、弹性应变能、动能，上标 D 表示动态裂纹扩展。动态和静态理论的差异主要在于式中各项
12、能量对裂纹快速扩展和止裂过程的贡献上。2.1 静态理论KIa静态裂纹止裂理论是 Wells及 Roplinp基于忽略动能影响的假设而提出的。根据静态卢纶假设条件，裂纹扩展期间传给结构的动能不返回裂纹尖端， （1）式中和可由静态分析获得，K 值也可按静态分析计算。静态理论dadWDdadUD还假设了止裂后瞬间裂纹尖端应力强度因子和材料止裂韧性达静态平衡。因此，静态裂纹止裂判据为KKKIAIaSI daddadEUWKS SI521Crosley实验室测得是材料的特性常数，这一结果有力支持了静态止裂KIa理论。但 Crosley 实验室只从短裂纹跳跃实验中得到证实，而在长裂纹跳跃情况下，不是材料特
13、性常数，说明长裂纹跳跃不符合静态止裂理论假设条件。KIa静态分析方法只是英语短裂纹跳跃的情况。2.2 动态 KID理论动态理论考虑了弹性能、动能和惯性力的作用。尤值按全动态分析计算。动态理论着眼点集中在裂纹扩展过程上, 认为止裂仅仅是过程的终结。Hahn的实验研究结果和 K anninen的理论计算结果一致证实动态效应的存在。研究结果表明动态断裂韧性 KID并不是材料常数，而是裂纹扩展速度的确定函数。动态方法中止裂条件表示为)(vMinKKIDID此最小动态断裂韧性即为材料的动态止裂韧性，即为。KImKalthoff 等人对光弹性材料的研究结果证实了动态止裂分析方法的正确性，如图 1 所示。图
14、中还显示了静态分析与动态分析的差异。事实上，动态止裂韧性参数在很多情况下直接作为止裂韧性，而静态方法的合理性在于是KIaKIa否是很好的近似值。KIm图 1 静态应力强度因子与实际值比较2.3 KId理论裂纹止裂的第三种理论是为了为能更方便测量止裂韧性的目的而发展的。Krafft 和 Irwin及 Eftis 和 Krafft首先发现了随载荷速率变化的起裂韧性 KId与取决于裂纹扩展速率的动态裂纹扩展断裂韧性有类似的变化趋势，如图 2 所示。由此他们提出来用代替来表征裂纹止裂韧性值，即KId minKIDminKIa= KId minKIDminKIA这样就可由比较简便的 KId测量获得难以测
15、试的值。KIaKId理论主要困难是载荷速率 K 与裂纹速度 v 的对应问题。一般最高能达到的载荷速率为 K =，这金对应低裂纹速度smMPa121761010。而裂纹快速扩展一般是，对应sm110010sm11000800KIDmin。因此尽管与有类似趋势，仍不能直接联系，需对多种sm1400KIdKID做系统研究以便确定它们之间的关系。图 2 和与速率关系示意图KIdKID4.影响止裂韧性因素影响止裂韧性因素止裂韧性用来衡量材料韧性水平高低，所以影响材料韧性的一些因素对同样起作用。但有其自身变化特点，随成分、组织结构等因素变化显KIAKIA示与常规韧性指标如、等不尽相同的规律。AKKIC3.
16、1 温度的影响止裂韧性是材料的温度特性参数，与类似，随温度变化呈现KICKIa明显转变特征。由于高应变速率的影响，随温度变化显示比更明确的KIaKIC转变特征。各种材料由于应变速率敏感性的差异，随温度变化止裂韧性呈现不同转变特征。高强度钢应变速率敏感性小，高温下起裂殖与止裂值接近，随温度降低两者差别增大，导致显示更明确的转变行为。低中强度钢与上述KIa情况完全相反，低温下随温度升高两者差别增加， 进人转变温度范围， 速率影响加剧， 以致 KIa 有时到很高温度时仍不能显示转变特征。KIa 这一温度特征规律指明了高低强度钢止裂韧性测试温度范围: 低中强度钢在图 3 中“A” 温度范围测试， 而高强度钢在图 4 中“B” 温度范围测试。3.2 成分的影响降低钢中碳含量可显著改善钢的裂纹止裂能力。碳含量的降低减少了钢中脆性相，从而提高了钢的韧性水平。N i 是改善钢的低温韧性的有效元素， 钢中添加 N i 显著提高其止裂性能的
