低成本MN-NB-B低碳贝氏体钢工艺及组织性能研究

摘要

现代低碳贝氏体钢是近年来发展起来的一类具有高强度和高韧性以及优良焊接性能的新钢种。此类钢通过控制轧制及控制冷却以及Cu、Nb、Ti、Mo、B等微合金元素的固溶强化及析出强化来提高强度。已经在石油天然气管线、工程机械、海洋设施、桥梁、造船等领域得到了广泛的应用。低碳贝氏体钢在成分设计上大多采用Cu、 Nb、Ti、Mo、Ni、Cr、B等几种或多种微合金元素的复合添加，而增加了合金种类，提高了生产成本。本文以低成本少合金种类的Mn-Nb-B低碳贝氏体钢为研究对象，分析Mn-Nb-B低碳钢连续冷却转变行为和高温变形行为。并对Mn-Nb-B低碳钢进行了热轧实验，研究了不同控轧控冷工艺对应的组织和力学性能，充分发掘其性能潜力。并结合一种低成本800MPa高强实验钢，就其热处理工艺以及在线直接淬火工艺对组织和力学性能的影响规律进行了研究。论文的主要研究工作和成果如下:
　　(1)对不同B含量的Mn-Nb-B低碳贝氏体钢，进行连续冷实验，研究Mn-Nb-B低碳贝氏体钢相变温度、相变区间以及组织特征。研究结果表明，低碳Mn-Nb-B钢的相变产物依次为铁素体、珠光体、粒状贝氏体和板条贝氏体。随着B含量的增加，Mn-Nb-B实验钢的开始转变温度逐渐降低，B含量在16ppm以下时，B含量的增加能够明显降低中温转变开始转变温度，而含量在16ppm以上时，B含量的增加对开始转变温度的降低效果减弱。
　　(2)研究了Mn-Nb和Mn-Nb-B低碳贝氏体钢的高温变形行为，分析B对Mn-Nb钢奥氏体再结晶的影响。引入Zener-Hollomon参数来确定变形温度及应变速率对动态再结晶的影响，两种钢的动态再结晶激活能分别为341kJ/mol和362kJ/mol，静态再结晶激活能分别为294.3kJ/mol和301.7kJ/mol。B提高了动态再结晶的激活能。此外，B能够明显降低Mn-Nb低碳钢软化率，推迟其静态再结晶。
　　(3)对Mn-Nb-B和Mn-Cr-Nb-B低碳贝氏体钢在不同变形温度和冷却工艺条件下的组织进行了研究。结果表明，随着终冷温度的降低，实验钢组织依次发生准多边形铁素体、粒状贝氏体、板条贝氏体组织的过渡。冷却速度的增大，能够促进更低温度转变组织的形成，细化相变后的组织。随着终冷温度的降低和冷却速度的提高，M/A岛体积分数逐渐降低、体积减小，形态由不规则的大块状向长条状和粒状过渡。Cr的添加明显提高了低碳Mn-Nb-B钢的淬透性，在相同的工艺下更容易得到板条贝氏体组织。
　　(4)研究分析了Mn-Nb-B低碳贝氏体钢在不同轧制工艺参数下的组织和力学性能变化规律。结果表明，终轧温度在860～790℃之间，冷却速度15℃/s左右，终冷温度在590～440℃，组织以粒状贝氏体为主，强度能够达到600MPa级别;终轧温度在810℃，冷却速度25℃/s左右，终冷温度在550～450℃之间，组织为细的粒状贝氏体、针状铁素体和一定量的板条贝氏体复合组织，强度能够满足700MPa级别要求。
　　(5)对Mn-Nb-B低碳贝氏体钢不同组织分析结果表明，其组织以粒状贝氏体为主，提高冷却速度可以减小粒状贝氏体基体组织的有效晶粒尺寸和M/A岛尺寸，提高低温冲击韧性;针状铁素体组织板条之间具有大角度晶界，较高的取向差，能够有效阻止裂纹的扩展，提高低温冲击韧性;板条贝氏体中，板条之间为小角度晶界，因此板条组织降低韧性。对低碳Mn-Nb-B贝氏体钢，粒状贝氏体、针状铁素体和板条贝氏体的复合组织能够在提高强度的同时，保证其冲击韧性。
　　(6)对800MPa高强钢的离线调质工艺进行了研究。得出实验钢最佳的调质工艺参数为:930℃淬火、530℃回火。最终组织为回火贝氏体和回火马氏体。
　　(7)对调整成分后的800MPa高强钢进行不同淬火工艺试验的结果表明，未再结晶控轧直接淬火工艺和再结晶轧制直接淬火工艺实验钢比再加热淬火工艺具有更高的强度。再结晶轧制直接淬火工艺实验钢-20℃冲击功比再加热淬火工艺实验钢有较大幅度的降低，而未再结晶轧制直接淬火工艺实验钢-20℃冲击功较再加热淬火工艺仅有少量降低。未再结晶控轧直接淬火工艺能够使高强钢获得良好的强韧性匹配，可以采用其代替再加热淬火工艺生产800MPa级别的高强钢。
　　(8)研究和分析了直接淬火温度和淬火终止温度对800MPa高强钢组织和力学性能的影响。结果表明，实验钢轧后在840～890℃温度区间直接淬火，抗拉强度在900MPa左右，屈服强度863～875MPa之间，-20℃冲击功在174～199J之间，断后延伸率在18.3～19％之间，综合力学性能非常稳定，均具有良好的强韧性匹配。淬火终止温度在450℃至室温之间，实验钢强度随着淬火终止温度的降低逐渐增大，而-20℃冲击功值在350℃以下降低明显。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 贝氏体钢的组织特征

1．2．1 贝氏体的基本特征

1．2．2 低碳贝氏体钢的特征和分类

1．3 合金元素的作用

1．3．1 B在钢中的作用

1．3．2 Nb在钢中的作用

1．3．3 Ti在钢中的作用

1．3．4 Cr在钢中的作用

1．4 含B低碳贝氏体钢的研究进展

1．4．1 B对低碳贝氏体钢淬透性和相变的影响

1．4．2 B对低碳贝氏体钢奥氏体再结晶的影响

1．4．3 B对低碳贝氏体钢应变诱导析出的影响

1．4．4 B对低碳贝氏体钢组织和性能的影响

1．5 目前主要存在的问题

1．6 本文的研究目的及主要研究内容

1．6．1 本文的研究目的

1．6．2 本文的研究内容

第2章 Mn-Nb-B低碳贝氏体钢的中温转变行为

2．1 实验材料与方法

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验方法

2．2 实验方案

2．3 实验结果分析与讨论

2．3．1 Mn-Nb-B钢的CCT曲线和组织

2．3．2 Mn-Nb-B钢贝氏体组织特征

2．3．3 B含量对Mn-Nb-B钢连续冷却转变的影响

2．4 本章小结

第3章 Mn-Nb-B低碳贝氏体钢的高温变形行为

3．1 实验材料与方法

3．2 实验方案

3．2．1 单道次压缩实验

3．2．2 双道次压缩试验

3．3 高温变形过程中的动态行为

3．3．1 应力-应变曲线

3．3．2 Z参数与热变形方程

3．3．3 动态再结晶临界应变的确定

3．3．4 变形抗力模型

3．4 高温变形过程中的静态行为

3．4．1 双道次压缩软化率曲线

3．4．2 奥氏体静态激活能的确定

3．4．3 静态再结晶动力学

3．5 本章小结

第4章 Mn-Nb-B低碳贝氏体钢的组织控制

4．1 实验材料与方法

4．2 实验方案

4．3 实验结果及分析

4．3．1 变形温度对Mn-Nb-B钢组织的影响

4．3．2 终冷温度对Mn-Nb-B钢组织的影响

4．3．3 冷却速度对Mn-Nb-B钢组织的影响

4．4 本章小结

第5章 Mn-Nb-B低碳贝氏体钢TMCP工艺及组织性能

5．1 实验材料与方法

5．1．1 实验材料

5．1．2 实验方法

5．2 实验结果及分析

5．2．1 Mn-Nb-B低碳贝氏体钢组织和力学性能

5．2．2 600MPa级钢的组织分析

5．2．3 700MPa级钢的组织分析

5．2．4 组织对冲击韧性的影响

5．2．5 800MPa级Mn-Cr-Nb-B低碳贝氏体钢组织和力学性能

5．3 本章小结

第6章 800MPa级高强钢调质及直接淬火工艺研究

6．1 实验材料与方法

6．2 实验方案

6．2．1 高强钢的离线调质(Q-T)工艺实验

6．2．2 直接淬火工艺实验

6．3 实验结果及分析

6．3．1 高强钢离线调质(Q-T)工艺研究

6．3．2 不同淬火工艺对高强钢组织和力学性能的影响

6．3．3 CR-DQ工艺参数对实验钢组织和力学性能的影响

6．4 本章小结

第7章 结论

参考文献

攻读博士学位期间完成的论文

致谢

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