近年来，POSCO公司正式推出了“Greenable”系列产品，这是环保能源钢材的综合品牌，同时还在积极开发可应用于风电、太阳能和氢气等未来环保能源的生产、运输和储存的钢材产品。风电塔架用厚板就是环保能源用钢产品的典型案例。近年来，随着海上风电机组尺寸的增大，涡轮机支座的塔架部件对于高性能钢材的需求也在稳步增加，这类钢材是承载能力良好的高强厚板产品。到目前为止，屈服强度为355MPa的钢材主要用作高120m、3-4MW级风塔的原材料。不过，从长远来看，由于5.6MW级、高155m的风塔有望应用于大型风塔的设计，预计将需要屈服强度420MPa以上的高强度、高韧性钢材。
为了开发高强度、高韧性的钢材，晶粒细化是必不可少的，而这通常是通过控制合金化元素和优化轧制条件来实现的。不过，如果通过控制合金化元素和轧制所获得的晶粒细化效应不够充分，则可通过轧制后的二次热处理获得额外的奥氏体晶粒细化效应，这通常相当于正火处理。对于风塔材料，传统采用正火钢材，但在制造过程中采用上述热处理工艺后，制造成本显著增加，不过，相较轧制钢材或TMCP钢材更易于商业化。因此，需要制造强度与正火钢材相近，但不进行正火处理的轧制钢材。本研究旨在探讨不经热处理的、屈服强度为420MPa或以上的风电塔架材料的制造工艺、显微组织和力学性能。
为了实现高强度和高韧性，添加了Mn、Nb、V等元素的铸坯在1140℃或更高的温度下加热4小时或更长时间使其均匀化。加热的板坯在850-910℃的温度范围内进行粗轧和精轧，厚度轧至15-75mm，然后进行空冷以制造最终产品。观察显微组织的试样用2.5%硝酸+乙醇溶液腐蚀2-3s，用光学显微镜观察厚度1/4处的点位。为了分析铁素体基体中的析出物，收集了复型试样，并用透射电子显微镜进行了分析。采用垂直于轧制方向的试样测定了屈服强度、抗拉强度和延伸率。在冲击试验中，在-15℃~-50℃的范围内评价沿钢材轧制方向的试样，获得了转变曲线。
表1显示了屈服强度420MPa级高强度钢材的要求特性，完全符合欧洲EN I 0025-3标准，这是本研究的主要目标。根据钢种的差别，需要不同的屈服强度和延伸率。室温抗拉强度为520-680 MPa，同时对-20℃冲击韧性也提出了一定要求。
正火钢材的缺点是不能通过二次热处理获得奥氏体细化效应，因此，有必要从成分控制和生产工艺两个方面来促进奥氏体细化。一般而言，铌（Nb）是一种有效细化晶粒的元素，它抑制了奥氏体的再结晶和晶粒长大，在转变为铁素体的过程中，成核位点增多，形成细小的铁素体。因此，由于具备获得细晶的能力，Nb用途广泛。
此外，在铁素体中，Nb与C结合析出NbC，大大提高了强度。为了使这种析出强化效应最大化，Nb必须充分溶解在奥氏体中，以免冷却时析出导致晶粒粗大化。研究不同Nb和C含量下，Nb在奥氏体中的固溶温度，结果表明，随着Nb和C含量的增加，Nb的固溶温度显著提高，同时发现，在足够高的温度下对板坯进行加热是大部分Nb固溶后通过二次析出实现高强度和高韧性的必要条件。另一方面，钒（V）也是一种易于确保强度的元素。即使在比Nb更低的温度下，它也有很高的溶解度，因此，在轧制后的空冷过程中形成VC析出物。图1显示了（Nb，V）C沉积于厚度为15mm的轧制钢材的铁素体基体中，由于它呈现出约5-20nm级水平的细微分布，因此，可以预测，这有助于强度的增加。
除了Nb和V固溶体的析出强化外，还需要制定一项计划，通过进一步细化晶粒来显著提高屈服强度。在未再结晶温度下轧制时，晶粒发生应变，沿轧制方向形成带状组织。当奥氏体内产生大量位错使其发生相变时，可能会提供更多的成核位点，从而引起晶粒细化效应。图2显示了不同精轧压下率下屈服强度、抗拉强度和显微组织的变化情况。与采用压下率34%的情况相比，采用压下率59%的结果表明，铁素体整体细微，屈服强度和抗拉强度都有所提高。
观察所开发的钢材在各厚度1/4处的显微组织。对于厚度15mm的钢样，可以认为是由非常细微的铁素体和带状组织的珠光体组成的。获得带状珠光体的过程如下：1）在凝固过程中，首先形成枝晶，此时扩散的Mn等合金化元素在枝晶之间偏析，并通过后续处理来拉伸组织。2）加热到Ac3以上，铁素体转变为奥氏体，而冷却启动了Mn等元素的铁素体相变，从而降低了负偏析区域的Ar3温度。随后，铁素体相变之后，碳扩散到偏析区域。3）冷却到A1温度以下时，残余奥氏体转变为珠光体，形成带状组织。随着厚度的增加，铁素体的晶粒尺寸逐渐增大。这是因为随着钢材厚度的增加，轧制所能施加的轧制力是有限的，而且由于接近钢材的中心，通过轧制并不容易形成细微的晶粒。
表2显示了现有的355 MPa级钢材和新开发的420 MPa级钢材在不同厚度下的力学性能。随着厚度的增加，屈服强度逐渐降低，这是因为随着厚度的增加，轧制所能施加的轧制力有限，晶粒细化程度降低。与已开发的355 MPa级钢材相比，屈服强度提高50MPa，抗拉强度提高40MPa，所有厚度均满足EN 10025-3标准对强度和延伸率的相关要求。
图3显示了新型钢材在不同厚度下的冲击转变曲线。总体上可以看出，铁素体晶粒越细，即使在低温下冲击韧性也越好。韧性-脆性转变温度（DBTT）约为-30℃，-20℃是韧性断裂区，也是本研究开发的目标，其冲击韧性超过150J或更高。
图4显示了钢材的拉伸曲线，分别是厚度75mm的、非热处理的轧制钢材，以及870℃正火处理128min的钢材。未经热处理的钢材和正火钢材具有相似的屈服强度和抗拉强度，正火钢材的延伸率略高，但差异并不明显。从这些结果可以看出，即使使用非热处理的轧制钢材，也可以完全保证风塔行业所需的性能。
本文研究了风电结构用非热处理的高强度钢材的制造条件、显微组织和力学性能。使用Nb固溶体，通过高温加热和轧制过程中形成的NbC的析出强化，可以提高强度，并细化铁素体以提高剩余压下率，以便在精轧过程中对钢施加足够的轧制力。因此，有可能开发出在-20℃下抗拉强度和冲击韧性优秀的钢材。如果用新开发的非热处理高强度钢材取代现有的正火钢材，预计风塔制造商将能够通过降低材料成本来确保竞争优势。
