第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景
近 300 万平方公里的海洋国土是我国未来发展的重要能源基地和战略空间，其中蕴藏着丰富的石油天然气及海洋能等资源。经过长达半个世纪的勘探开发，我国已经具备成熟的 300 m 水深近海油气田勘探开发技术。近年来，以“海洋石油 981”半潜式钻井平台为核心的深水重大工程装备的建成标志着我国海洋油气资源开发在挺进深水过程中取得一定进展，但多数深海油气勘探开发关键装备还处于原理样机、工程机阶段[1,2]。现阶段我国的海洋科学研究总体上仍停留在近海和海面，尤其在深水油气资源开发所需的设备和技术方面与世界先进水平仍存在明显差距[3]。因此，在加大近海海洋资源开发范围和力度的同时，挺进深水，自主实施深水油气资源开发、探索海洋能等海洋可再生资源开发技术是当前所面临的主要任务[4]。
自 20 世纪 80 年代以来，随着海洋油气资源开发规模的不断增大和水深的不断增加，海上平台、海洋钻完井、水下生产技术与海底管道等海洋工程新技术和新材料不断涌现，各类海洋工程重大装备的研发和建造速度不断加快。随着海洋工程装备应用环境越来越复杂，对海洋工程用钢的综合力学性能及焊接性能等方面的要求也越来越高[5]。
海洋大气环境具有高湿热、高 Cl- 含量、强辐射特征，腐蚀性严重。此外，海工装备长期受海水和海洋生物的侵蚀也易产生腐蚀问题；同时长期服役过程中，在海流、风浪、海底地震、低温等自然力的侵蚀和破坏下，易发生应力腐蚀开裂等问题[6]。因此，在建造海工装备时，钢材的耐腐蚀性也是不容忽视的重要性能指标[7]。相关学者研究发现，钢中添加一定量的合金元素钼(Mo)一方面会使锈层更加致密，提高锈层对钢基体的保护性，进而提高钢的耐蚀性[8]；另一方面，钼的添加会促进贝氏体组织的形成，还可以促进细小碳氮化物的析出，通过沉淀强化提高钢的抗拉强度，降低钢的屈强比[9]，有利于提高海工装备的安全性。随着冶金技术的发展，一些新型的合金元素(如锡)受到大家的关注。锡(Sn)元素熔点低，易偏析，钢中 Sn 元素质量分数较高时易导致热脆现象，危害钢材的品质[10]。
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1.2 国内外海工钢研究发展现状
1.2.1 国内海工钢研究发展现状
国内钢厂在国家大力发展海洋战略的背景下，充分把握机遇，积极进行海工钢的研发、认证和生产应用，保证海洋工程建设的高速发展。宝钢、鞍钢、湘钢、马钢、舞钢、武钢等众多企业在海工钢的国产化进程中做大量努力。每个企业的工艺特点、设备能力和技术能力各有特色，因此在海工钢开发的侧重点和代表性产品方面也不尽相同[15,16]。
宝钢综合利用纯净钢冶炼、电磁搅拌、轻压下等炼钢工艺技术，并结合微观组织控制、厚板板形控制和表面质量控制等综合技术[17]，保证了其所生产海工钢产品的性能和质量要求。宝钢海工钢品种广泛，涵盖了船级社规范、API、EN 以及 ASTM标准的钢种；满足多种交货状态，包括普通轧制态(AR)、控轧控冷态(TMCP)、控轧(正火轧制)、调质态(QT)、正火态(N)。宝钢还采用调制工艺成功试制了 690 MPa 级超高强度海洋平台用齿条钢。宝钢部分海工钢产品品种及应用如表 1-1 所示[18]2-3。
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第 2 章 实验材料与研究方法
2.1 实验用钢成分设计及制备
海洋洋工程用钢在成分设计上正向低碳、低碳当量、低裂纹敏感性、高纯净度、低合金化的方向发展。低碳含量有利于保证钢板的焊接性能，可以降低偏析，提高钢板成材率。无论是TMCP工艺还是QT工艺生产的海洋工程用钢，一般采用降低C、Mn 含量来限制碳当量和裂纹敏感性，通过 Cr、Ni、Mo、Nb、V、Ti 等微合金元素的合适配比，来开发新一代高性能海工钢[57]。相关学者研究发现，在 Sn 元素含量为0.27 wt%时，其点蚀电位达到最大值，钢的耐点蚀性能最好[58]。
本文参考《船舶及海洋工程用结构钢》标准，基于低碳低合金化的成分设计思路，在 A、B、D、E 一般强度级别船舶及海洋工程用结构钢合金体系下分别添加一定量的 Mo、Sn 元素，共设计 3 种不同成分的实验钢。通过成分对比研究合金元素Mo、Sn 元素对海工钢的动态再结晶行为的影响规律，进一步改善钢的性能。实验钢由真空感应炉冶炼之后锻造成方坯，经成分检测，各合金元素含量均在设计要求范围之内，具体成分见表 2-1。
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2.2 单道次等温热压缩实验
利用线切割从经过退火处理的坯料上加工出 Φ8×12 mm 圆柱体试样，在Gleeble-3800 热模拟机上将试样在不同变形条件下进行单道次热压缩，以模拟材料在热轧过程中的力学行为和微观组织演化。为了减轻摩擦造成的“成鼓”现象，同时避免压缩过程中样品与压头之间产生粘连，在样品的两端与压头之间采用钽片、石墨片和高温润滑脂进行润滑。
图 2-1 所示为单道次等温热压缩实验过程示意图。首先将圆柱试样以 10 °C/s 的速率加热至 1200 °C，保温 180 s 使内部组织充分奥氏体化；以 5 °C/s 的速率分别冷却至变形温度 850 °C、900 °C、950 °C、1000 °C、1050 °C、1100 °C、1150 °C，保温 60 s 使试样内部温度均匀；然后分别在应变速率 0.01 s-1、0.1 s-1、1 s-1、10 s-1 条件下压缩变形至真应变0.9；压缩完成后立即取下试样水淬，以冻结高温变形后的组织。
利用线切割将压缩后的试样沿与压缩轴平行的方向从中间切开，将切割后的试样进行镶嵌、打磨、抛光。用饱和苦味酸+少量洗发膏的水溶液在 70-80 °C 水浴下对试样腐蚀 3-8 min，以显示剖面的原奥氏体晶界。在 Zeiss 光学显微镜下对试样的显微组织进行观察、分析，采用截距法测量奥氏体的平均晶粒尺寸。
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第 3 章 海工钢热变形行为实验研究 ............................... 14
3.1 引言 .......................................... 14
3.2 Mo、Sn 对海工钢热变形行为的影响 ................................... 14
第 4 章 海工钢动态再结晶行为研究 ..................................... 34
4.1 引言 ...................................... 34
4.2 热变形特征参数 .................................. 34
第 5 章 海工钢轧制过程数值模拟及实验室轧制 ............................ 43
5.1 引言 ...................................... 43
5.2 等温热压缩数值模拟 ..................................... 43
5.3 实验轧制过程有限元模型建立及验证 .......................... 47
第 5 章 海工钢轧制过程数值模拟及实验室轧制
5.1 引言
基于计算机在工商业中的普及应用和快速发展，有限元数值模拟技术在各个领域得到广泛认可和应用。有限元数值模拟软件的广泛应用减少了对昂贵车间试验的需要，为开发新材料和制定科学的加工工艺提供了便利。精准的材料数据和模型参数设置对于获得准确的模拟结果至关重要，本文在第三、四章节获取的各实验钢的基础流变应力数据以及回归的相关动态再结晶动力学模型可为数值模拟提供不可或缺的材料数据。
本章在 DEFORM 中对单道次等温热压缩实验过程进行数值模拟，通过模拟结果和实验结果在宏观形貌和显微组织的对比，验证所回归模型的准确性。与理想情况下的热模拟实验不同的是，实际热轧生产过程中坯料温度并非恒定不变，往往与空气及轧辊等存在热交换行为。为了更接近实际轧制情况，准确研究轧后样品的动态再结晶分布情况，本章节结合实验室轧机轧制能力以及热加工图确定了多组轧制工艺参数，在 DEFORM 中对轧制过程进行建模及数值模拟，并通过实际轧制实验验证轧制模型的准确性。在此基础上，直观分析轧制过程中轧速、温度、压下量及不同区域对动态再结晶的影响，可为实际热轧生产合理选择轧制参数提供一定的参考。
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结论
本文以研制具备良好综合力学性能和耐蚀性能的海洋工程用钢为目标，从成分设计出发，参考现有标准，设计并制备了三种不同成分的海工钢。通过研究各实验钢的高温热变形行为，分析了合金元素以及变形条件对于实验钢流变应力和动态再结晶行为的影响；建立了各实验钢的本构模型、动态再结晶动力学模型和热加工图，通过数值模拟、实际轧制和显微组织分析验证了所建立模型的可靠性，并分析了不同轧制条件对实验钢动态再结晶行为的影响，研究结果可为海工钢热加工工艺制定提供理论依据。通过研究获得的具体结论如下：
(1) 在变形温度 850-1150 °C，应变速率 0.01-10 s-1 的变形条件范围内，各实验钢流变应力随变形温度的升高而减小，随应变速率的提高而增加。Mo 和 Sn 元素在不同程度上提高了实验钢的流变应力，且 Sn 元素对流变应力的提升效果更为显著。Mo 和 Sn 均降低了海工钢的动态再结晶软化能力，且 Sn 元素抑制效果更明显。
(2) 建立了实验钢热加工本构方程，该本构方程能精确描述各实验钢在热压缩过程中的流变应力变化情况；对比发现，Mo 元素显著提高了实验钢的热变形激活能，而 Sn 元素对激活能的提升并不明显。在各实验钢的热加工图对比中，Mo 和 Sn 均扩大了加工失稳区范围，材料的主要失稳形式表现为混晶和孪晶。
(3) 通过 P-J 法提取了各实验钢的热变形特征参数，基于 Avrami 方程建立了各钢种的动态再结晶动力学模型。对比发现，在相同应变量下，变形温度升高或应变速率降低会提高动态再结晶体积分数；在相同变形条件下，Mo 和 Sn 元素的添加均会抑制动态再结晶的发生，且 Sn 的抑制效果更为显著，这种规律与流变应力曲线呈现出的特征吻合。
参考文献（略）