氧化物冶金型大线能量焊接用钢组织性能调控与生产工艺研究

摘要

在船舶、建筑等领域的大型钢质结构建造中，采用大线能量焊接工艺可显著提高工程施工效率，节约制造成本。常规钢材在大热输入条件下热影响区(HAZ)韧性严重恶化以致无法满足使用要求，因此必须研发出具备耐大线能量焊接特性的钢材。日本较早开展了大线能量焊接用钢研发工作，并处于国际领先水平。我国近年已取得显著研究进展，但产品级别以及性能稳定性较低，还无法满足各领域的迫切需求。氧化物冶金是开发大线能量焊接用钢的有效工艺手段，但由于其技术复杂性和知识产权保护等原因，国内仍未实现成熟的工业化应用。本课题以此为背景，围绕氧化物冶金型大线能量焊接用钢组织性能调控与生产工艺开展了研究，主要包括以下内容。 为阐明氧化物冶金工艺下夹杂物析出规律，并为实验和工业研发提供理论指导，开展了氧化物冶金脱氧热力学分析。计算结果表明，在一般微合金条件下Ti的多种脱氧产物中Ti2O3稳定性最高，为避免Al2O3的析出，在0.01％Ti时需控制Al含量在0.004％以下。Zr和Mg脱氧能力极强，微量Zr可使Al2O3和Ti2O3还原，极微量Mg就可使Al2O3转化成MgAl2O4尖晶石。凝固过程中由于元素偏析，Ti脱氧反应将继续发展，MnS、TiN也将在凝固末期析出，提高凝固冷速可减弱元素偏析程度，有利于三次夹杂物细小分布。 为明确大线能量焊接用钢组织特征设计路线，分析了不同组织类型对HAZ韧性的影响规律以及HAZ脆化和韧化机制，其中晶内针状铁素体(AF)体积分数和晶界片层状铁素体(GBF)尺寸是影响韧性的主要因素。根据实验结果指出，高韧性HAZ组织调控应包括如下特征:控制有效形核粒子微细多量分布，以充分促进晶内铁素体转变;抑制原奥氏体晶粒粗化，减小片层状铁素体尺寸;通过增强晶内转变和适当提高淬透性抑制晶界铁素体和侧板条铁素体(FSP)生成量，或提高晶界上形核率促进多边形铁素体转变。 对TiO系和MgO系氧化物冶金工艺进行了系统实验研究，分析了各冶炼条件下夹杂物分布规律及HAZ组织转变特征，明确了各工艺控制要点。TiO钢中控制Ti脱氧前氧位约0.005％，缩短浇铸时间及提高凝固冷速有利于夹杂物微细多量分布，钢中TiOx-MnS夹杂促进AF组织转变。Ti和强脱氧剂M(Zr、Mg、Ca、REM)复合脱氧进一步促进夹杂物细化，生成的TiO广MOy(M(O，S》)-MnS-TiN复相夹杂有效诱导AF形核。MgO钢中主要生成亚微米级MgO-TiN-MnS复相夹杂，晶界钉扎效果显著，但在晶界面积增加和缺乏有效晶内形核的条件下，晶界铁素体和侧板条组织转变量增加，影响韧性的大幅提高。 针对MgO系钢存在的不足，对第3代氧化物冶金工艺进行了进一步改进。采用Ti-REM/Zr→Mg脱氧工艺可增加钢中含钛氧化物的体积分数，提高针状铁素体组织转变程度;对MgO钢进行V微合金化处理可促进MgO、TiN和V(C，N)的复合析出，利用界面共格机制提高夹杂物诱导铁素体形核能力，同时起到了钉扎奥氏体晶粒和促进晶内转变的两方面作用。综合采用两种处理工艺时，HAZ组织细化效果最佳，侧板条铁素体和粗大晶界铁素体基本消失，整体组织细化均匀，500kJ/cm线能量下-20℃冲击韧性达到200J以上，在常规MgO处理的HTUFF钢(0℃冲击韧性约为100J)基础上性能进一步提高。 通过奥氏体连续和等温转变实验分析了粗晶热影响区(CGHAZ)组织演变规律及夹杂物诱导铁素体转变机理。在Ti-Zr脱氧钢粗晶奥氏体连续冷却转变中，低冷速时得到晶界铁素体和针状铁素体组织，高冷速时针状铁素体分割原奥氏体晶粒，显著细化贝氏体和马氏体板条束尺寸。随等温转变温度的降低，分别得到晶内多边形铁素体、较粗大针状铁素体、细化针状铁素体、晶内贝氏体组织。温度降低时相变驱动力增加，可激发形核的夹杂物尺寸减小，并且能同时生成多个细小板条。针状铁素体转变特征与贝氏体类似，具有不完全反应现象。贫锰区机制为Ti-Zr钢中夹杂物诱导铁素体形核的主导机制，对含Ni无Mn钢的考察结果验证了Mn元素在晶内铁素体转变过程中的关键作用。 考察了钢中常用合金元素对大线能量HAZ组织性能的影响规律。结果表明，低C高Mn有利于韧性的改善，但存在合适的碳当量范围，极低C时需抑制晶界铁素体生成;添加0.01％Nb时可保持较高的HAZ韧性，但过量的Nb促进贝氏体生成而导致韧性恶化;添加0.05％V时能提高基体强度并保持优良HAZ韧性，但更高含量时因大量析出而使韧性下降;Ni和Cu可综合改善强韧性能，在较高C含量下Cr和Mo对HAZ韧性具有不利影响。结合成分优化设计，实验室条件下研制了基于不同类型氧化物冶金工艺的Q345级、EH460级、X80级可大线能量焊接原型钢，分别满足100～800kJ/cm大线能量焊接性能。 结合实验研究结果进行了氧化物冶金型大线能量焊接用钢工业化技术开发，对常规冶炼流程进行了改进，并研发出基于RH增氧和脱氧的氧化物冶金新技术，新技术更有利于氧化物的微细均匀分布和产品性能稳定性的提高。工业试制钢板在200kJ/cm气电立焊条件下，HAZ粗晶区-60℃冲击韧性达到200J以上，与国产钢板最佳实物水平180kJ/cm线能量下-20℃冲击韧性约170J相比，新研发钢板大线能量HAZ低温韧性显著提高。 为进一步实现氧化物冶金对钢板基体组织性能的改善，本研究中提出“氧化物冶金+新一代TMCP”新型热轧钢材生产工艺路线。基于这一路线进行了实验探索，结果表明，氧化物冶金钢在奥氏体变形再结晶条件下仍可发生夹杂物诱导针状铁素体形核，提高变形温度和冷速有利于晶内铁素体转变量的增加。实验钢在“高温热轧+超快冷”新一代TMCP工艺下获得针状铁素体型细晶组织，与常规钢相比强韧性能显著提高。该工艺的实施将对厚板、管型材等不适于低温大变形的产品轧态性能的大幅提升具有特殊意义。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1大线能量焊接技术及其用钢

1．2国外大线能量焊接用钢的研发进展

1．2．1日本研发历史与最新进展

1．2．2韩国主要研发工作

1．3我国大线能量焊接用钢研发与应用现状

1．4氧化物和氧含量对焊接接头性能的影响

1．5本课题的研究工作

1．5．1目前仍存在的问题与不足

1．5．2本课题的研究内容与意义

第2章钢液脱氧反应热力学和动力学分析

2．1脱氧反应的热力学分析

2．1．1实验钢的物理化学数据

2．1．2各元素的脱氧反应平衡

2．2脱氧过程的动力学分析

2．2．1脱氧剂的溶解均匀化过程

2．2．2脱氧产物的长大和上浮

2．3凝固过程液相区中元素偏析与析出

2．4小结

第3章氧化物冶金钢脱氧工艺实验研究

3．1实验设备和材料

3．2 HAZ显微组织对冲击韧性的影响规律

3．2．1晶内铁素体体积分数的影响

3．2．2奥氏体晶粒尺寸和晶界铁素体的影响

3．3 TiO系钢氧化物冶金工艺实验研究

3．4 Ti-M复合脱氧对TiO系钢的影响

3．5 MgO系钢氧化物冶金工艺实验研究

3．6对MgO系钢的进一步改进和发展

3．7本章小结

第4章CGHAZ组织演变规律及其机理研究

4．1实验材料和方法

4．2粗晶奥氏体连续冷却转变行为

4．3晶内铁素体等温转变行为

4．3．1实验结果

4．3．2分析与讨论

4．4 CGHAZ热循环过程组织演变分析

4．5 Mn对夹杂物诱导铁素体形核的作用分析

4．6本章小结

第5章大线能量焊接用钢实验研究与工业开发

5．1合金元素对大线能量HAZ组织性能影响规律

5．1．1 C、Mn元素的影响

5．1．2 Nb、V元素的影响

5．1．3 Ni、Cu、Cr、Mo元素的影响

5．2基于氧化物冶金工艺的大线能量焊接原型钢研究

5．2．1可大线能量焊接Q345级钢

5．2．2可大线能量焊接EH460级钢

5．2．3可大线能量焊接X80级钢

5．3大线能量焊接用钢工业化技术开发

5．3．1工业化研发条件

5．3．2工业生产方案和试制结果

5．4本章小结

第6章氧化物冶金低碳钢热轧态组织性能调控

6．1加热与变形温度对组织转变行为的影响

6．1．1实验方法

6．1．2实验结果分析

6．2冷却工艺对组织转变行为的影响

6．2．1实验方法

6．2．2实验结果分析

6．3不同轧制工艺热模拟实验研究

6．3．1实验方法

6．3．2实验结果分析

6．4高温热轧+超快冷(UFC)工艺实验研究

6．4．1实验设备和方法

6．4．2实验钢显微组织和力学性能

6．5新工艺下实验钢组织演变特征分析

6．6本章小结

第7章结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间取得的学术成果

作者从事科学研究和学习经历的简历