镁脱氧钢中夹杂物特性及大线能量焊接性能研究

摘要

厚钢板广泛应用于造船、海洋平台、石油管线、高层建筑等领域的大型焊接结构。为了提高焊接效率和焊接质量，以降低建造成本、提高经济效益，焊接线能量不断提高。由于大线能量焊接过程中，厚钢板焊接热影响区的微观组织严重劣化，导致韧性急剧下降，严重影响钢板力学性能，改善焊接热影响区韧性已成为钢铁冶金、材料领域最为重要的研究课题之一。而利用炼钢过程中引入的微细粒子的氧化物冶金技术是改善厚板焊接热影响区韧性最有效的方法。本论文研究了利用镁脱氧的氧化物冶金钢中夹杂物特性及其大线能量焊接性能。
　　本论文以对大线能量焊接性能需求最为迫切的EH36船板钢为目标钢种，采用镁脱氧的氧化物冶金技术冶炼不同镁含量钢锭，再经TMCP工艺轧制成50mm厚钢板;通过冲击试验、拉伸试验检验厚钢板力学性能;采用大线能量焊接热模拟试验研究钢中镁含量对焊接热影响区韧性的影响;通过扫描电镜观察分析钢中夹杂物，系统性地研究了钢中镁含量对夹杂物特性的影响;通过热力学计算解析钢中夹杂物演变规律。
　　研究表明利用镁脱氧的氧化物冶金技术可以显著改善焊接热影响区韧性。镁脱氧钢中典型夹杂物为中心含镁氧化物和外围MnS组成的复合夹杂物，该类型夹杂物有利于诱发晶内针状铁素体的生成，从而提高厚钢板的大线能量焊接热影响区韧性。随着钢中镁含量升高，中心氧化物成分的变化规律是:Al2O3→（Mg-Al-Ti-O）→MgO，热力学计算结果与实验结果一致;镁脱氧细化了钢中微米级夹杂物。钢中镁含量较低时，主要通过(Mg-Al-Ti-O)-MnS复合夹杂物诱导生成晶内针状铁素体的组织细化作用改善焊接热影响区韧性;钢中镁含量较高时，促进TiN钉扎粒子生成，通过MgO-MnS复合夹杂物诱导生成晶内针状铁素体的组织细化作用与TiN钉扎粒子的晶粒细化作用的协同作用来改善焊接HAZ韧性。

目录

声明

摘要

1 文献综述

1．1 厚钢板的焊接性能需求

1．2 改善钢材焊接HAZ韧性的方法

1．2．1 采用TMCP工艺降低碳当量

1．2．2 利用焊接材料中微细粒子改善钢材热影响区韧性

1．2．3 氧化物冶金技术

1．3 镁脱氧研究现状

1．3．1 Mg脱氧基础研究

1．3．2 Mg处理方法与作用

1．4 氧化物冶金技术对钢中非金属夹杂物的要求

1．4．1 钉扎作用对夹杂物的要求

1．4．2 晶内针状铁素体的生长对夹杂物的要求

1．4．3 脱氧元素对夹杂物成分的影响

1．4．4 原奥氏体晶粒尺寸对晶内针状铁素体形成的影响

1．5 本论文主要研究内容和创新点

2 实验设备和实验方法

2．1 实验流程

2．2 实验方法

2．2．1 冶炼及TMCP轧钢实验

2．2．2 焊接热模拟实验

2．3 镁脱氧钢表征

2．3．1 母材取样分析

2．3．2 母材金相组织观察

2．3．3 焊接热模拟试样分析

2．3．4 夹杂物分析

3 钢中Mg含量对母材及焊接HAZ性能的影响

3．1 力学性能

3．1．1 母材力学性能

3．1．2 焊接热模拟HAZ力学性能

3．2 显微组织观察

3．2．1 母材显微组织

3．2．2 焊接热模拟HAZ显微组织

3．3 焊接热模拟HAZ冲击断口分析

3．4 本章小结

4 钢中Mg含量对微米级夹杂物的影响

4．1 典型微米级夹杂物

4．2 夹杂物数量密度和尺寸分布变化

4．3 夹杂物成分变化

4．4 HAZ夹杂物观察

4．5 本章小结

5 热力学计算分析

5．1 热力学计算软件介绍

5．1．1 Thermo-Calc

5．1．2 FactSage

5．2 Thermo-Calc计算结果

5．3 FactSage计算结果

5．4 脱氧平衡计算

5．4．1 钢液成分的确定

5．4．2 热力学数据的选取

5．4．3 元素活度系数的计算

5．4．4 各元素的脱氧平衡

5．5 本章小结

6 结论和建议

6．1 结论

6．2 下一步研究工作建议

参考文献

攻读学位期间主要的研究成果

致谢