含钛钢中夹杂物析出行为及其对钢组织的影响研究

摘要

钛合金化能显著提高钢材性能，低钛(0.02％)钢中TiN能钉扎晶界，细化钢材组织，提高钢的强度及改善钢的焊接性能。但 Ti N的细晶强化难以满足大线焊接能量需求。此外，以Ti代Nb进行合金化能发挥TiC的沉淀强化作用及降低钢材成本，但Ti化学性质活泼，钛析出物的种类、数量、尺寸等特征受钢中Al、O、N、S、C等元素含量影响，使析出物强化效果不稳定，钢材性能波动大，难以满足大批量、稳定生产的要求。因此有必要研究钢中钛夹杂的析出行为、影响因素及其对钢组织的细化作用。
　　本文首先设定实验钢成分并控制 Al、Ti、N、Mn、S等变量元素，对钢中夹杂物的析出进行了热力学与动力学预测，结果表明：
　　低Al时，钙处理钢液所需Ca含量及含量范围小。当w(Ti)=0.024%~0.08%时，均质形核的TiN最大半径由2μm增长到9μm，随Ti含量增加，半径增大快。当w(Ti)=0.08%~0.15%时，其半径由10μm增长到11μm，随Ti含量增加，半径增大慢。凝固分率越接近1，TiN长大速率越快。
　　其次，研究了不同Al含量时（X1,w(Al)=0.0056%;X2，w(Al)=0.034%), Al-Ti复合脱氧及Mg处理X80管线钢(w(Ti)=0.02%)中夹杂物析出行为及其对微观组织的影响，结果表明：
　　X1钢中为大量细小、弥散、形貌为层状和镶嵌状的Al2O3-TiOx-MgO，MnS在其表面以包裹、半包裹或局部形式析出，厚度小，夹杂物变形性小。X2钢中为结构简单的团状Al2O3-MgO，夹杂物数量相对少，夹杂物表层MnS为包裹或半包裹析出，厚度相对大，夹杂物变形性较大。夹杂物变形性与核心氧化物组成和表层MnS厚度有关。Al-Ti复合脱氧及Mg处理有助于降低钢中MnS危害。
　　Al-Ti-Mg系钢中复合夹杂物能诱导针状铁素体、细化组织，夹杂物的尺寸、成分影响其诱导针状铁素体的能力，碰撞和异质形核的复合氧化物尺寸小，化学反应形成的镶嵌状复合氧化物尺寸大。复合夹杂物的结构及其表面 MnS(或 TiN)析出行为也很重要。针状铁素体易在不同的复合氧化物之间或氧化物与MnS之间形核生长, Ti-Mg复合脱氧形成大量细小、结构复杂(多层或镶嵌)的Al2O3-MgO-TiOx复合氧化物，有利于MnS在其表面上多个局部形核，从而有利于单个夹杂物诱导多支互锁的针状铁素体及增加针状铁素体的体积分数，有助于细化微观组织及提高钢强韧性。
　　采用高温共聚焦显微镜在线观察钢样在1250℃保温时晶粒尺寸的变化，X1钢中夹杂物能有效钉扎奥氏体晶界，其晶粒尺寸比X2钢小，晶粒更加均匀。在模拟大线能量(50kJ/cm)焊接工艺条件下，X1钢中Al2O3-TiOx-MgO-MnS类夹杂物仍然能有效诱导针状铁素体，其钢中组织以针状铁素体为主，X2钢中组织以粒状贝氏体为主。因此，Al-Ti复合脱氧及Mg处理低Al钢能较好的适应大线能量焊接。
　　同时，研究了不同Al含量、Ti含量及Al-Ti脱氧时间间隔对HG785高强钢中夹杂物的析出行为及夹杂物对钢组织的影响，结果表明：
　　随HG785钢中Al含量由0.008%、0.013%、0.026%依次增加，夹杂物数量减少，平均粒径增大，夹杂物中TiOx减少。随Ti含量由0.106%、0.125%、0.153%依次增加，夹杂物数量增多，平均粒径增大，夹杂物中TiOx、CaO含量增加，MgO含量减少。随Al-Ti脱氧时间间隔由5min、10min、15min依次增加，夹杂物数量先增加后减少，平均粒径减小，夹杂物中 Mg含量增加，Ti含量先减小后趋于稳定，Ca含量先增加后趋于稳定。Al-Ti脱氧时间间隔有一个最佳范围(本实验为10-15min)，钢中能获得更多细小含合适适Ti、Mg、Ca含量的复合夹杂物。
　　层状或团状的MgO-TiOx-CaS(少量MnS)、Al2O3-MgO-TiOx-CaS(少量MnS)或Al2O3-MgO-CaS(少量MnS)的复合夹杂，含TiOx或MgO高，有利于TiN异质形核。CaS-少量MnS与Al2O3-MgO-TiOx镶嵌的复合夹杂不利于TiN异质形核。当核心夹杂物小时，Ti N为全包裹析出，厚度大，当原核心夹杂物较大时，Ti N为半包裹或局部析出，厚度小，含Ti N夹杂粒径为1-3μ m。控制Ti钢中夹杂物的成分、结构及数量，可使Ti N有效异质形核，延缓Ti N均质形核，减小Ti N尺寸。
　　采用MgO质内衬材料进行 Al-Ti复合脱氧及钙处理钢，钢中形成的复合Al2O3-MgO-CaO-TiOx-TiN能有效诱导针状铁素体形核，发挥细化晶粒作用，可望提高钢的强韧性。

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第1章 文献综述

1.1 低合金钢的强化机制

1.2 钛在优化钢材组织及韧性方面的应用

1.3 钛的研究现状及应用存在的问题

1.4 论文研究内容及意义

第2章 Al-Ti复合脱氧钢中夹杂物析出研究

2.1 Al-Ti复合脱钢中氧化物夹杂析出热力学研究

2.2 MnS、TiN析出热力学

2.3 TiN析出动力学研究

2.4 本章小结

第3章 镁处理对含钛钢中夹杂物及组织的影响

3.1实验

3.2 夹杂物特征及演变

3.3夹杂物析出行为及热力学研究

3.4含钛量不同的夹杂物对组织的影响研究

3.5本章小结

第4章 Al-Ti复合脱氧对钢中夹杂物及组织的影响

4.1 实验

4.2 铝含量对钢中夹杂物的影响研究

4.3 钛含量对钢中夹杂物的影响研究

4.4 钛合金化工序时间对钢中夹杂物的影响研究

4.5 Al-Ti复合脱氧钙处理钢中夹杂物对组织的影响研究

4.6 本章小结

第5章 结论与展望

参考文献

致谢

附录1攻读硕士学位期间发表的论文

附录2攻读硕士学位期间参加的科研项目