正火温度轧制和正火处理的S355NL钢板的力学性能和显微组织

潘中德 郭甲男 胡其龙

（南京钢铁股份有限公司，江苏南京 210035）

国家“海洋资源开发”“极地能源开发”和“一 带一路”等重大策略的实施，要求钢材具有更好的低温韧性和焊接性能等，以满足严寒地区的风电、水电、油气开采等设施的使用要求［1-4］。

欧洲EN10025-3标准S355NL钢是典型的低温结构钢，具有良好的-40～-60℃低温韧性和焊接性能，但通常在正火态交货。因此产品的生产成本高，供货周期长，严重制约了其在低温环境中的使用，有必要研究其在正火温度轧制的生产工艺，以实现高品质钢材的短流程制造，降低生产成本［5-6］。本文通过优化成分和轧制工艺，研究了在正火温度轧制和正火处理工艺对S355NL钢板低温韧性的影响，提出了短流程生产工艺路线，取得了良好的效果。

1 技术要求

S355NL钢的化学成分及力学性能需满足欧洲标准EN10025-3《正火、正火轧制焊接细晶粒钢技术交货条件》的要求，分别如表1和表2所示。

表1 S355NL钢的化学成分要求（质量分数）Table 1 Chemical composition requirements for the S355NL steel（mass fraction） %

表2 S355NL钢板的力学性能要求Table 2 Mechanical property requirements for the S355NL steel plate

为了保证钢材的焊接性能，标准中还提出了钢的碳当量不超过0.43%的要求。碳当量的计算公式为：

根据使用要求，S355NL钢应在-40或-50℃进行冲击试验。要求-40℃冲击吸收能量不低于31 J，-50℃冲击吸收能量不低于27 J，以及-60℃冲击吸收能量不低于27 J。

2 钢板的成分和生产工艺

2.1 成分设计

欧洲标准EN10025-3中，将正火轧制定义为“最终变形是在某一温度范围进行，使材料获得与正火态性能相当的轧制工艺”。采用低碳成分、控轧控冷工艺可以生产屈服强度不低于355 MPa、-60℃冲击吸收能量不低于27 J的钢板。该生产工艺主要通过相变强化来提高钢板的强度，但正火后钢板的屈服强度、抗拉强度均会明显下降，甚至低于标准要求，因此在正火温度轧制的钢不能采用低碳成分和轧后快速冷却的设计方案［7-9］。

在正火温度轧制的S355NL钢板不但要具有优异的低温冲击性能、较好的焊接性能，其强度也必须满足标准要求，因此需要有足够的含碳量和碳当量。此外，应添加适量的Mn和Si以确保钢具有足够的强度；添加Nb、V、Ti等微合金元素以通过细晶强化、析出强化来提高强度和韧性；严格控制P、S含量以进一步改善钢的综合性能。S355NL钢板的化学成分如表3所示。

按式（1）计算的试制钢碳当量为0.40%，符合不超过0.43%的要求。

2.2 轧制和热处理工艺

为保证在正火温度轧制的钢板的性能满足标准及用户的技术要求，特别是低温冲击韧性要求，铸坯的厚度必须是成品钢板厚度的3倍以上。试制时，将260 mm厚连铸坯轧制成厚度不大于60 mm的钢板，以充分发挥5 000 mm宽厚板轧机的优势，使钢板心部达到足够的变形量。轧后钢板在空气中冷却，以保证钢板正火处理后强度满足标准要求。

将铸坯加热至1 180～1 220℃，保温时间按10～13 min／cm计算。在钢的再结晶区和非再结晶区轧制，再结晶区采用高温低速大压下工艺轧制，加大最后2道次粗轧的变形量，使钢板心部达到足够的变形量，减小铸坯偏析对钢板性能的影响；非再结晶区的始轧温度不高于920℃，避开混晶区轧制，以增加奥氏体的累计变形量，终轧温度为880～860℃；轧后钢板空冷至室温。

根据正火轧制定义的要求，对在正火温度轧制的钢板再进行正火处理，随后检测其性能。试制钢板的正火温度为880～920℃，正火总在炉时间为60～100 min，钢板出炉后空冷至室温，也可风冷以提高钢板强度。

3 钢板质量

3.1 力学性能

从试制的40、60 mm厚S355NL钢板的1／4宽度及1／4厚度处取样，按欧洲标准进行拉伸和-40、-50及-60℃冲击试验，结果如表4所示。

表4 S355NL钢板的力学性能Table 4 Mechanical properties of the S355NL steel plates

从表4可以看出，在正火温度轧制的钢板屈服强度、抗拉强度均比要求值高70～80 MPa，断后伸长率比要求值大3%～4%，-40℃冲击吸收能量不低于150 J，-50℃冲击吸收能量不低于27 J，-60℃冲击吸收能量低于27 J。钢板正火处理后，其屈服强度和抗拉强度均降低，但仍比要求值高20～50 MPa，断后伸长率提高，比要求值大5%～10%，-40℃冲击吸收能量不低于200 J，-50℃冲击吸收能量不低于150 J，-60℃冲击吸收能量不低于100 J。在正火温度轧制的钢板的-40、-50℃冲击韧性均满足要求。如果有-60℃冲击韧性要求，则钢板需进行正火处理。

3.2 不同温度冲击试验

根据EN10025-3要求，分别在-80、-70、-60、-50、-40、-30、-20 ℃对正火温度轧制和正火处理的60 mm厚S355NL钢板进行了冲击试验，结果如图1所示。

从图1可以看出：正火温度轧制的S355NL钢板的-50℃冲击吸收能量明显下降至100 J以下；正火处理的钢板的-70℃冲击吸收能量仍大于100 J，-80℃的冲击吸收能量小于100 J。

图1 正火温度轧制和正火处理的60 mm厚S355NL钢板的低温冲击韧性随冲击试验温度的变化Fig.1 Low-temperature impact toughness as a function of impact test temperatures for 60-mm-thick S355NL steel plates rolled at normalized temperature and normalized

3.3 显微组织

通常，晶粒尺寸对钢的韧脆性转变温度有显著影响，特别是存在大小和分布不均匀的晶粒，低温环境下晶界区域易产生裂纹，导致脆性开裂，降低冲击性能［10-12］。正火温度轧制和正火处理的40、60 mm厚S355NL钢板1／4厚度处的显微组织如图2和图3所示。

图2 正火温度轧制的40（a）和60 mm（b）厚S355NL钢板的显微组织Fig.2 Microstructures of 40-mm-（a）and 60-mm-thick（b）S355NL steel plates rolled at normalized temperature

图3 正火处理的40（a）和60 mm（b）厚S355NL钢板的显微组织Fig.3 Microstructures of 40-mm-（a）and 60-mm-thick（b）S355NL steel plates normalized

从图2、图3可以看出，正火温度轧制和正火处理的S355NL钢板显微组织均为铁素体和少量珠光体，正火温度轧制的钢板晶粒度为8.0～10.0级，部分晶粒较粗大，还有带状组织；正火处理的钢板组织更均匀细小，晶粒度为9.5～11.0级，带状组织减少，因此具有更好的低温韧性。

4 结论

（1）试制的根据欧洲标准EN10025-3细晶粒钢设计、含0.12% ～0.16%（质量分数）C 和Nb、V、Ti等微合金元素的40和60 mm厚S355NL钢板，正火温度轧制的其-40℃冲击吸收能量不低于150 J，-50℃冲击吸收能量不低于27 J，-60℃冲击吸收能量小于27 J；而正火处理的钢板其-40℃冲击吸收能量不低于200 J，-50℃冲击吸收能量不低于150 J，-60℃冲击吸收能量不低于100 J。正火温度轧制的钢板满足-40、-50℃韧性要求，如要求-60℃韧性，则钢板需进行正火处理。

（2）两种厚度的S355NL钢板显微组织均为铁素体和少量珠光体，正火温度轧制的钢板晶粒度为8.0～10.0级，而正火处理的钢板晶粒度为9.5～11.0级，因此具有更好的低温韧性。