船体结构用HSLA100钢热处理工艺、组织及性能研究

摘要

大型化、高速化及多海域作业使得船体结构用钢不断向高强度、高韧性、易焊接性和良好耐海水腐蚀性能方面发展。国际上对屈服强度690MPa以上含铜易焊接高强度船体用钢（HSLA系列）的研究主要集中在实验室条件下钢板的成分、组织及性能方面的研究，而对于工业化钢板的生产工艺、性能数据等方面很少有报道。从公开的性能数据来看，HSLA100钢（屈服强度690MPa级）存在屈强比偏高、回火工艺窗口较窄及低温韧性富裕量较低等不足。本文对实验室轧制的HSLA100钢板进行了强韧化热处理工艺及机理研究并通过工艺优化后在武钢中厚板厂实施了10～30mm钢板的工业化大生产试制，对钢板综合性能进行了全面研究，钢板屈强比小于0.9、韧脆转变温度达到-100℃，钢板综合性能优良，填补了我国在该强度级别船体钢领域的空白。
　　应用Formast-F全自动膨胀仪测定试验钢的连续冷却转变曲线（CCT曲线），研究结果表明，由于HSLA100钢采用超低碳(≤0.06％)的成分设计，钢的淬透性受到较大程度影响，在很宽的冷却速度范围内发生贝氏体转变，随着冷却速度的降低，贝氏体形态依次为典型贝氏体和粒状贝氏体，当冷速高于临界冷却速度时，将得到单一的板条马氏体。
　　对比研究了常规调质热处理工艺(QT)和两相区二次淬火热处理工艺(QLT)对实验室HSLA100钢板回火稳定性、屈强比及低温韧性的影响。结果表明:QLT热处理工艺可显著降低HSLA100钢韧脆转变温度，增加回火稳定性，降低屈强比，具有较明显的优势。
　　借助于扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、光学显微镜(OM)、电子背散射衍射仪(EBSD)及X射线衍射仪(XRD)等分析技术和测试设备，对一次淬火、两相区二次淬火、回火等热处理状态下HSLA100钢的组织演变规律进行了系统深入的研究。结果表明:HSLA100钢在淬火后获得典型的板条贝氏体组织;在两相区二次淬火条件下，钢的组织为板条结构的贝氏体铁素体(BF)+马氏体岛(M)的混合组织，随着二次淬火温度的升高，沿板条状铁素体分布的颗粒状M岛数量增多且变长变粗，同时铁素体也从单一的板条状形貌逐渐向多边形状过渡且其中的位错密度降低，当淬火温度升到820℃时，又恢复到板条贝氏体组织形貌，但与一次淬火组织相比，板条贝氏体明显粗化、位错密度降低且沿晶界分布着少量M岛;二次淬火后再进行回火，钢中获得板条状的回火贝氏体组织，并沉淀析出大量颗粒状ε-Cu相，未发现明显的逆转变奥氏体。
　　HSLA100钢在两相区加热过程中发生部分奥氏体化。两相区二次加热温度与奥氏体转变保持近线性关系，其数量决定着新生马氏体或贝氏体的数量，而新生奥氏体中的碳含量决定着奥氏体的稳定性及其演变组织的形态，从而最终决定了钢材的力学性能。试验钢在700℃、720℃、740℃、760℃和820℃保温时，而钢中奥氏体转变量分别为10％、24％、38％、60％和100％，奥氏体中的碳含量分别为0.345％、0.293％、0.243％、0.193％和0.045％。
　　机理研究结果表明:HSLA100钢两相区二次淬火工艺能有效细化有效晶粒尺寸，增加取向差大于15°的大角度晶界数量，有效阻止裂纹扩展的能力，这是QLT处理钢低温韧性大幅度提高的主要原因;QLT处理后最终形成贝氏体铁素体与ε-Cu相的混合组织，具有双相钢的组织特征，这种软的铁素体与相对硬的ε-Cu相混合组织降低了钢的屈强比，提高了低温韧性。
　　根据实验室研究结果，开展了HSLA100工业化大生产钢板的研试。采用正交试验方法对30mm钢板开展了一次淬火温度、二次淬火温度、回火温度及回火时间对HSLA100钢板综合力学性能影响规律的研究，通过极差分析及方差分析优化出最佳的热处理工艺组合为:一次淬火温度860℃～880℃、二次淬火温度750℃～780℃、回火温度530℃～560℃、回火时间80min。
　　分别采用传统的QT热处理工艺和优化后的QLT热处理工艺进行了10～30mm厚度HSLA100工业化大生产钢板的试制，并全面对比分析了QT和QLT工艺处理钢板的综合性能。结果表明，同传统调质(QT)工艺相比，采用QLT工艺处理的HSLA100钢各项性能满足技术指标的要求并具有较大的裕量，钢的屈强比和韧脆转变温度显著降低，具有优良的综合性能;同时，钢板具有较低屈强比(0.90以下)、较低的韧脆性转变温度(-100℃)、较好的抗裂纹启裂性能（-40℃温度CTOD特征值δu最大达0.72mm）、较高的抗裂纹扩张性能(DT上平台能2140～2360J，-40℃DT能达1080J)。
　　采用QLT工艺生产的工业试板具有良好的焊接试验。在热输入为17 KJ/cm,预热80℃情况下HS LA100钢表面裂纹率为0，断面裂纹率为0。选用焊接材料WER80、CJ807分别对HS LA100钢进行气体保护焊和手工电弧焊焊接:两种焊接方法焊接接头抗拉强度及接头三区冲击功均满足HSLA100钢焊接技术条件要求;两种焊接方法的焊缝成型美观，无气孔、夹渣等肉眼可见缺陷，过热区组织为贝氏体。

目录

声明

摘要

第一章 前言

1．1 立项背景

1．2 研究目标

1．3 研究内容

第二章 文献综述

2．1 高强度船体结构钢的发展概况

2．1．1 船体结构钢合金体系的演变

2．1．2 调质型高强度船体钢的发展

2．1．3 高强度船体用钢的性能要求

2．2 高强度船板钢的关键生产技术

2．2．1 钢板纯净度控制技术

2．2．2 钢板轧制控制技术

2．2．3 强韧化热处理工艺技术

2．3 国内外HSLA100钢的研究进展

2．4 本章小结

第三章 HSLA100钢热处理过程中的组织演变与性能特征

3．1 试验材料及方法

3．1．1 试验钢化学成分

3．1．2 试验流程

3．1．3 CCT曲线测定

3．1．4 热处理工艺制定

3．1．5 试验钢显微组织观察

3．1．6 试验钢力学性能检测

3．2 CCT曲线

3．3 热处理制度对试验钢力学性能的影响

3．3．1 两相区淬火温度对性能的影响

3．3．2 两相区淬火温度对回火性能的影响

3．3．3 两相区淬火温度对回火稳定性的影响

3．3．4 两相区淬火温度对屈强比的影响

3．4 显微组织结构

3．4．1 热轧态组织

3．4．2 淬火组织

3．4．3 淬火+回火组织

3．4．4 两相区淬火组织

3．4．5 两相区淬火+回火组织

3．4．6 回火过程中含Cu相的析出规律

3．5 本章小结

第四章 HSLA100钢强韧化行为研究

4．1 韧脆转变的本质

4．2 影响强度和冷脆转变特性的因素

4．3 高Ni钢QLT强韧化热处理工艺机理

4．4 HSL100钢QLT强韧化热处理机理研究

4．4．1 HSLA100钢QLT热处理工艺过程的组织演变

4．4．2 QLT工艺对HSLA100钢低温韧性的改善

4．4．3 QLT工艺对HSLA100钢屈强比的改善

4．5 本章小结

第五章 HSLA100钢工业化生产及应用性能

5．1 前言

5．2 试验材料及方法

5．2．1 试验钢的实际化学成分

5．2．2 试制流程

5．2．3 冶炼及轧制工艺

5．2．4 试验钢热处理工艺优化

5．2．5 试验钢力学性能检测

5．2．6 试验钢焊接性能测试

5．3 试验结果分析与讨论

5．3．1 热处理工艺优化

5．3．2 常规力学性能

5．3．3 断裂韧性研究

5．3．4 焊接性能

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 论文主要结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

附录1 攻读博士学位期间取得的科研成果

附录2 攻读博士学位期间参加的科研项目

致谢