CSP流程钛微合金化高强钢的开发及强化机理研究

摘要

钛微合金化技术在CSP流程上具有良好的适应性,研究在薄板坯连铸连轧工艺条件下钛微合金化钢的冶金规律对于CSP流程钛微合会化钢新产品开发和组织性能控制具有重要的理论意义和实用价值。本论文在工业实验的基础上对钛微合金化高强度钢的精炼工艺、夹杂物行为、钢的组织与性能和强化机理进行了实验研究与理论分析,为开发低成本高性能热轧钛微合金化钢板提供了可靠的工艺基础。
　　 采用转炉-CSP工艺,通过合理的成分设计和在冶炼及精炼工艺的严格控制,生产出了高质量的钛微合金化高强度钢,并对钢中夹杂物在精炼、连铸过程中的演变进行了分析研究。钢中夹杂物以球形或近似球形的氧化铝及氧化钛复合夹杂物为主。热力学计算表明,若钢液中[N]控制在0.0020％以下,凝固时快速降温通过两相区,氮化钛将在浇铸凝固末期固相分数fs大于0.8时析出,有利于氮化钛的细化。
　　 利用光学显微镜、透射电镜、扫描电镜等对本工作开发的利用BOF-CSP流程生产的钛微合金化X70管线钢的组织性能进行了研究,结果表明实验钢典型组织均由多边形铁素体和粒状贝氏体及极少量珠光体构成,晶粒等级为10～11.5级,位错密度较高,这些位错互相缠结分布混乱,有些已经形成较为完整的位错胞界,位错和位错胞的强化作用也是钛微合金化钢的强化机制之一；通过扫描电镜及透射电镜观察了M／A岛的细微形貌,M／A岛的存在在增加钢强度的同时并未明显地降低钢的韧性和塑性。钢中存在大量TiN、TiC和Ti4C2S2析出物,细小、弥散分布的TiC能阻止位错移动,通过Orowan机制起到明显的沉淀析出强化作用。利用FactSage6.1对含钛0.09％的钛微合金化高强钢的平衡析出相进行了热力学计算。利用物理化学相分析、XRD、EDS和高分辨TEM对试验钢中的析出物进行了观察和标定。试验结果显示钛微合金钢中除钛氮化物化物包含大量纳米级Fe3C析出物,尺寸小于18nm的质量分数为0.2565％。Fe3C具有沉淀强化作用,参照Olson和Ashby-Orowan的工作计算得其沉淀强化增量为234.4MPa。当讨论钢中微合金元素的细晶强化与沉淀强化作用时不应忽视纳米级铁碳析出碳化物的贡献。钢的综合强化机理是“钢的屈服强度等于各种强化机制对钢屈服强度贡献之和”,在一定条件下钢的屈服强度等于固溶强化、细晶强化与析出强化的加和。
　　 焊接性能试验结果表明钛微合金化高强钢焊接接头具有较高强度及良好的弯曲塑性变形能力,焊缝和热影响区具有较好的低温韧性。抗HIC性能测试结果显示实验钢具有很好的抗HIC性能,说明钛的添加不会恶化X70钢的抗HIC性能。采用共焦激光扫描显微镜观察了加热过程中奥氏体晶粒的生成及长大情况,建立了加热时奥氏体晶粒长大的模型,可靠性检测显示模型测与实验结果具有较高的一致性。通过扫描电镜对冷却后试样组织及夹杂物进一步观察发现,含钛的复合夹杂物及大量的Ti(C,N)析出物具有诱导生成晶内铁素体的作用。
　　 通过成分和工艺优化,在实验室开发出不同强度等级的钛微合金化贝氏体钢,抗拉强度最高可达到875MPa,-20℃冲击功不小于27J,具有良好强韧性配合。金相组织基体是细化的板条贝氏体及粒状贝氏体组织,另外基体中还明显存在有一定体积分数的多边形铁素体。钢中存在大量尺寸为纳米级的立方形TiN粒子及近似圆形的TiC粒子,弥散分布在晶界、位错等处,起到细化晶粒和沉淀强化的作用。这些结果表明,充分发挥钛微合金钢中含钛氧化物及碳氮化物诱导生成晶内铁素体的作用与热机械控制工艺(TMCP)的优势,有望开发出具有更高强韧性低成本的高性能钛微合金化钢。