460 MPa极地船舶用钢及焊接接头低温力学性能

极地船舶用钢及其焊接接头必须在低温环境下安全服役。为了研究极地低温环境对高强度极地船舶用钢及其焊接接头性能的影响,使用控轧控冷工艺(TMCP)生产了54 mm厚的460 MPa强度级别极地船舶用低温钢,采用埋弧自动焊(SMA)工艺对钢板进行焊接试验,分析母材、焊缝中心及焊接热影响区(HAZ)的组织形貌,测试母材及焊接接头在低温环境下的强度、断裂韧性及疲劳性能。结果表明,母材的组织以多边形铁素体(PF)、珠光体(P)及粒状贝氏体(GB)为主;焊接接头中心组织主要由针状铁素体(AF)和粒状贝氏体(GB)构成,焊接熔合线清晰,热影响粗晶区(CGHAZ)组织以贝氏体(B)为主,晶粒较粗大,热影响细晶区(FGHAZ)则呈现正火态组织。温度直接影响着极地船舶用钢母材及其焊接接头的力学性能。随着温度的下降,母材及焊接接头的强度上升、冲击功下降,在-70℃极端低温环境下,母材的屈服强度可达500 MPa以上;-10℃时,母材、焊缝中心、热影响区裂纹尖端张开位移(CTOD)的断裂最大值δ;m;分别为1.18、1.11、0.98 mm;随着温度的降低,材料抗断裂的能力显著下降,-40℃时,母材、焊缝中心、热影响区CTOD的脆性失稳值δ;u;分别为0.62、0.70、0.32 mm;在-70℃极端低温环境下,热影响区试样发生脆性断裂。母材的疲劳性能优于焊接接头,低温能提升材料抗拉强度,同时也能提升材料的疲劳极限强度。对于极地船舶用低温钢,必须重视焊接工艺和焊接质量,进而提高焊接接头的实际低温应用性能。

Mo对超高强极地船舶用钢显微组织的影响

为了明确Mo元素对极地船舶用钢显微组织及低温韧性的影响,采用含Mo和不含Mo两种化学成分坯料进行轧制,并结合SEM、EBSD、系列低温冲击试验对其组织性能进行了研究。结果表明,在较大冷速和较低终冷温度条件下,Mo元素的添加,增加了奥氏体的淬透性、促进了贝氏体的形成,减少了铁素体含量,导致大角度晶界(HAGB)比例减小且有效晶粒分布不均匀;此外,使C元素只能进行短程扩散,最终导致大量带尖端或长条状渗碳体在贝氏体板条界富集,降低了晶界或亚晶界之间的界面结合力,增大了冲击过程中界面间的应力集中。HAGB比例减小、不规则渗碳体的富集是含Mo钢板低温冲击韧性恶化的重要原因。

超高强极地船舶用钢低温海冰介质磨损性能

在极地航行的船舶不可避免会遇到海冰磨损的情况,频繁的海冰磨损会对极地船舶用钢表面造成影响,甚至威胁极地船舶的安全。为了探究低温海冰磨损对极地船舶用钢的影响,采用460 MPa级超高强极地船舶用钢作为研究对象,测试了材料在低温环境下的强度、硬度及塑性变化,利用摩擦磨损试验机对比分析了不同环境下材料磨损失重率,观察材料磨损后的表面形貌,进一步采用自制专业设备模拟制备极地海冰,开展了极地船舶用钢低温海冰介质环境摩擦磨损试验,得到了极地船舶用钢在低温海冰介质下的磨损厚度损失参考数据。结果发现,随着温度的下降,超高强极地船舶用钢的屈服及抗拉强度上升,而塑性下降,硬度值变化不明显。常温海水环境下材料的磨损失重率约为0.44E-05 g/(N·m),而在-40℃低温干摩擦环境下,磨损失重率高达1.90E-05 g/(N·m),是常温海水环境下的4倍多;在-40℃模拟低温海冰介质磨损环境下,极地船舶用钢受海冰介质磨损作用明显,材料的磨损失重率约为0.70E-05 g/(N·m)。在无保护条件下,极地船舶用钢因低温海冰磨损导致的表面厚度损失约为0.082 mm,海冰磨损会对钢板表面造成较大损伤。明确低温海冰对极地船舶用钢磨损性能的影响,对开发新型国产极地破冰船用材料、加快极地船舶事业发展有积极推动作用。