材料工艺与性能

刘朝臣 1, 郝燕森 2, 陈俊 1

（1. 东北大学数字钢铁全国重点实验室 , 辽宁 沈阳 110819；

2. 山东钢铁集团日照有限公司钢铁研究院 , 山东 日照 276800）

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摘要

液化天然气（LNG）船液货舱需在 -162 ℃超低温服役条件下保持安全稳定，对结构材料强度与低温韧性要求极为严苛，但目前广泛应用的 9Ni 钢因 Ni 含量高导致成本上升且存在焊接磁偏吹问题。为降低 LNG 船用 9Ni 钢的 Ni 含量以节约成本并减少对高 Ni 材料的依赖，本文采用控轧控冷 + 亚温淬火 + 回火 ( TMCP-LT ) 工艺，系统研究亚温淬火温度 ( 650~720 ℃ ) 和回火温度 ( 500~600 ℃ ) 对 5.5Ni-0.25Mo 试验钢微观组织、室温拉伸性能及 -196 ℃冲击吸收功的影响，并阐明强韧化机制。OM、SEM、XRD 和 TEM 等多尺度表征以及室温拉伸试验和夏比冲击试验结果表明，随亚温淬火温度由 650 ℃提高至 700 ℃，晶粒逐渐细化，临界铁素体与残余奥氏体体积分数减小，回火马氏体增加，强度降低；720 ℃较高淬火温度下，出现大量细小块状回火马氏体组织，并且残余奥氏体消失。随回火温度升高，残余奥氏体体积分数增加，位错密度下降，强度降低。不同工艺下试验钢的 -196 ℃冲击吸收功均远优于 GB/T 713.4 — 2023 中最小 100J 的要求，优异的低温韧性与高度回复形成的基体组织和体积分数极低 ( 最低 2.7% ) 的残余奥氏体有关。最优 TMCP-LT 工艺为 680 ℃亚温淬火 +500~530 ℃回火，试验钢屈服强度可达 610~632MPa，抗拉强度可达 696~721MPa，总伸长率大于 19.5%，-196 ℃冲击吸收功为 183~219J，均满足 GB/T 713.4 — 2023 对 9Ni 钢的性能要求，为节 Ni 型 LNG 船用低温钢的工业化生产提供了理论依据。

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关键词

LNG 船；5.5Ni 钢；TMCP-LT；亚温淬火；强韧化机制

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引言

液化天然气 ( LNG ) 作为清洁低碳能源，在能源结构转型中地位日益凸显 [ 1-3 ] 。LNG 船是海上大规模运输 LNG 的核心装备，其液货舱需在 -162 ℃超低温环境下长期安全服役，对结构材料的低温韧性和强度提出了极为苛刻的要求。9Ni 钢因其优异的超低温韧性和较高的强度，被广泛用于 LNG 船液舱内胆及陆用大型储罐。然而，9Ni 钢中 Ni 质量分数高达 9%，不仅导致材料成本显著上升 [ 4 ] ，而且高 Ni 含量在焊接时易引起磁偏吹，影响焊接质量和生产效率。中国 Ni 资源贫乏，长期依赖进口，过度依赖高 Ni 材料不利于国家能源装备的自主可控。因此，在保证强度和超低温韧性的前提下降低 Ni 含量，开发节 Ni 型 LNG 船用低温钢，具有重要的经济价值和战略意义。

将 Ni 质量分数从 9% 降至 5.5% 可显著节约成本，但面临淬透性下降 [ 5 ] 、逆转奥氏体稳定性减弱、强度与低温韧性匹配困难等关键问题，为此，国内外学者围绕 Ni 系低温钢的热处理工艺、成分优化及强韧化机理开展了大量研究。通过合理的热处理工艺调控，尤其是引入亚温淬火 ( 两相区处理 ) 的 QLT [ 6-10 ] ( 淬火 + 亚温淬火 + 回火 ) 和 TMCP-LT [ 10-11 ] ( 控轧控冷 + 亚温淬火 + 回火 ) 工艺，可有效改善节 Ni 型低温钢 -196 ℃的冲击韧性。TMCP-LT 工艺通过控轧控冷细化奥氏体晶粒，能够获得更为细小的组织和更高的低温韧性 [ 11 ] ，且可克服 QLT 的三步热处理的局限性 [ 12 ] 。微合金化是弥补降 Ni 后强度损失的有效途径，7Ni 钢中添加 Mo [ 13-14 ] 或 Nb [ 15 ] 可显著提升强度，且 Mo 的作用尤为突出：Mo 能够提高淬透性 [ 16-19 ] 、细化晶粒 [ 20-22 ] ，并在回火过程中与基体形成纳米级、完全共格的 B2 有序相 [ 13 ] ，产生显著的沉淀强化而不损害低温韧性。然而，对于 Ni 质量分数更低 ( 5.5% ) 的钢种，Mo 的强化效果以及 TMCP-LT 工艺对 Mo 微合金化的 5.5Ni 钢的影响规律尚不明确。

为此，本文以 5.5Ni-0.25Mo 钢为研究对象，采用 TMCP-LT 工艺，系统研究亚温淬火温度 ( 650~720 ℃ ) 和回火温度 ( 500~600 ℃ ) 对试验钢微观组织、室温拉伸性能及 -196 ℃超低温冲击韧性的影响。通过 OM、SEM、XRD 和 TEM 等多尺度表征，研究工艺参数对晶粒细化、位错密度、B2 相析出及逆转奥氏体的影响规律，阐明强回复亚结构对基体的韧化机制，最终确定满足 9Ni 钢国标要求 ( 屈服强度不小于 560MPa、抗拉强度不小于 680MPa、总伸长率不小于 18%、-196 ℃冲击吸收功不小于 100J ) 的最优 TMCP-LT 工艺窗口，为 LNG 船用低成本、高性能节 Ni 型低温钢的工业化生产提供理论依据与工艺指导。

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精选图表

TS — Tensile strength; YS — Yield strength; TEL — Elongation。

( a ) 亚温淬火对拉伸性能的影响； ( b ) 亚温淬火对韧性的影响； ( c ) 回火对拉伸性能的影响； ( d ) 回火对韧性的影响

图 1 试验钢的力学性能

Fig. 1 Mechanical properties of tested steel

( a ) 650 ℃ ; ( b ) 680 ℃ ; ( c ) 700 ℃ ; ( d ) 720 ℃

图 4 试验钢在不同亚温淬火温度的 SEM 形貌

Fig. 4 SEM morphology of tested steel at different lamellarizing temperatures

( a ) 不同亚温淬火温度的 XRD 谱线； ( b ) 不同回火温度的 XRD 谱线

图 6 试验钢的 XRD 谱线

Fig. 6 XRD pattern of tested steels

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结论

1 ) 亚温淬火温度显著影响回火马氏体、临界铁素体和残余奥氏体体积分数，决定基体组织的晶粒尺寸。随亚温淬火温度升高，临界铁素体减少，回火马氏体增加，晶粒显著细化。回火温度对基体组织影响较弱，主要影响残余奥氏体体积分数。

2 ) 在试验热处理工艺下，试验钢 -196 ℃的冲击吸收功均高于 180J，且低温韧性不单一依赖残余奥氏体体积分数。低温回火 ( 500 ℃ ) 试验钢在未检测到残余奥氏体条件下，其冲击吸收功依然高达 219J，说明高度回复的基体组织在冲击韧性中具有重要贡献。