Ti-Zr/Mg脱氧对低碳低合金钢组织和性能的影响

摘要

随着化工、建筑、造船等制造业的迅速发展，工程结构越来越朝着大型化、轻量化方向的发展，同时对钢板的焊接提出了越来越高的要求，需要具有高强度、高韧性的同时保证能够进行大线能量焊接。大线能量焊接条件下，钢板的焊接热影响区(HAZ)易出现晶粒粗化、韧性下降、产生焊接裂纹等问题，HAZ的韧性成为制约钢板大线能量焊接的关键因素。氧化物冶金技术利用钢中细小夹杂物的钉扎晶界和促进晶内针状铁素体形核的作用，细化晶粒，改善焊接热影响区的组织，是目前有效提高钢板焊接热影响区韧性的关键技术。
　　本文针对Ti-Zr/Mg脱氧钢中夹杂物的种类和生成条件进行了热力学计算研究。为了研究Ti-Zr/Mg脱氧对夹杂物及焊接热影响区的影响，实验采用金相显微镜以及Image Pro Plus6.0软件统计夹杂物的数目以及尺寸，采用扫描电镜和能谱仪分析夹杂物的形貌以及组分;在实验室开展热模拟实验，探讨加热峰值温度和高温停留时间对组织的影响;采用Gleeble3800热模拟试验机进行焊接热模拟实验，研究Ti-Zr脱氧对HAZ韧性的影响;采用共聚焦激光扫描显微镜进行焊接模拟实验，在线观察试样组织变化并统计奥氏体晶粒尺寸。通过上述研究，得到的主要结论如下：
　　(1)热力学计算结果表明，Ti-Zr脱氧钢在炼钢和凝固前沿Ti2O3、Ti3O5、TiO2均容易生成，控制氧质量分数在较高水平时可以生成TiO;采用Mg处理可以使钢水中的Al2O3和MgO结合，生成MgO·Al2O3，达到夹杂物变性的目的。
　　(2)夹杂物分析的结果表明，Ti-Zr/Mg脱氧可以使夹杂物平均直径变小、面积百分数减小、总数量减小;Ti-Zr脱氧钢中夹杂物多为外部包裹MnS，内部为Al2O3-SiO2-CaO-TiOx-ZrO2等的复合夹杂物。Mg脱氧钢中夹杂物主要为MgO·Al2O3夹杂、MnS夹杂以及外层包裹MnS的MgO·Al2O3夹杂。
　　(3)力学性能实验结果表明，Ti-Zr脱氧可以提高钢材的耐冲击性能，Mg脱氧可以提高钢材的拉伸断后延伸率;常温组织观察结果表明，Ti-Zr脱氧可以细化组织，Mg脱氧可以非常显著地细化铁素体晶粒，说明Ti-Zr/Mg脱氧可以提高钢材的韧性。
　　(4)热模拟实验结果表明，Ti-Zr脱氧钢热模拟后组织为铁素体和贝氏体，综合力学性能良好，随着峰值温度升高和保温时间延长，晶粒长大速度慢;Mg脱氧钢热模拟后组织为铁素体，随着峰值温度和保温时间延长，铁素体晶粒长大速度慢。表明Ti-Zr/Mg脱氧可以向钢中引入大量细小弥散的夹杂物，分布在晶界周围的夹杂物会钉扎晶界，阻碍晶粒长大，细化组织，提高钢材的力学性能。
　　(5)焊接热模拟实验结果表明，经过线能量为100 kJ/cm的大线能量焊接后，Ti-Zr脱氧钢HAZ低温冲击功比无Ti-Zr脱氧钢的大82.38％，表明Ti-Zr脱氧可以显著改善钢材HAZ的低温韧性。
　　(6)高温共聚焦实验结果表明，热循环后，Ti-Zr/Mg脱氧钢中奥氏体晶粒细小，晶内针状铁素体含量高;Ti-Zr脱氧钢腐蚀后组织中晶内为针状铁素体，可以提高钢材的强度和韧性。Mg脱氧钢腐蚀后组织为铁素体，平均粒径比无Mg脱氧钢的小6.74％。表明Ti-Zr/Mg脱氧可以细化组织，提高钢材的韧性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 大线能量焊接对组织的影响

1．2．1 大线能量焊接

1．2．2 焊接热影响区及其组织

1．2．3 提高焊接热影响区韧性的方法

1．3 氧化物冶金技术

1．3．1 氧化物冶金技术概念的提出

1．3．2 氧化物冶金技术改善钢材组织和性能的原理

1．3．3 氢化物冶金技术国内外研究现状

1．3．4 氧化物冶金新技术

1．3．5 氧化物冶金技术的应用现状及发展趋势

1．4 文献评述

1．5 课题研究目的、意义和内容

第2章 Ti-Zr／Mg脱氧热力学分析

2．1 Ti-Zr脱氧钢热力学分析

2．1．1 Ti氧化物生成的热力学分析

2．1．2 TiN生成的热力学分析

2．2 Mg处理Al2O3变性热力学分析

2．3 本章小结

第3章 Ti-Zr脱氧钢夹杂物和组织分析

3．1 实验钢的生产工艺

3．2 实验内容

3．2．1 夹杂物检测与评价

3．2．2 冲击实验和组织观察

3．2．3 热模拟实验

3．2．4 焊接热模拟实验

3．2．5 高温共聚焦实验

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 Ti-Zr脱氧对夹杂物的影响

3．3．2 冲击实验和组织观察结果分析

3．3．3 热模拟实验结果分析

3．3．4 焊接热模拟实验结果分析

3．3．5 高温共聚焦实验结果分析

3．4 本章小结

第4章 Mg脱氧钢夹杂物和组织分析

4．1 实验钢的生产工艺

4．2 实验内容

4．2．1 夹杂物检测与评价

4．2．2 拉伸实验和组织观察

4．2．3 热模拟实验

4．2．4 高温共聚焦实验

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 Mg脱氧对夹杂物的影响

4．3．2 拉伸实验和组织观察结果分析

4．3．3 热模拟实验结果分析

4．3．4 高温共聚焦实验结果分析

4．4 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢

作者简介

论文包含图、表、公式及文献