E36船板钢成分设计及其大线能量焊接性能研究

摘要

近年来，世界海运贸易量的急剧增长，带来了船舶制造行业前所未有的繁荣景象。随着世界船舶工业的快速增长和造船工业中心的东移，船舶用钢尤其是船用厚板的需求量逐年迅速上升。在造船行业中，由于焊接工时约占造船总工时的30％～40％，工时成本占焊接成本的一半以上，船厂为了提高效率、降低造船成本，普遍采用高效率的多丝埋弧焊、气电立焊等方法，焊接热输入甚至高达500 kJ/cm以上。目前对于这种大热输入焊接钢板，国外采取了严密的技术封锁，国内研究处于暂时滞后阶段，研发国产大热输入焊接用高强船板将为厚板生产企业带来广阔的市场。本文从热力学计算、化学成分设计、冶金过程、控轧控冷工艺、焊接韧性等多个方面进行了研究，在实验室开发了适于大热输入焊接的E36高级船板钢，本文主要研究工作和成果如下:
　　(1)利用一阶活度相互作用系数计算出船板钢中各元素的活度系数，确定了船用钢中合金元素的脱氧能力顺序:Zr＞Ca＞Al＞Ti＞B。Ti2O3析出的热力学析出条件为[％Ti]/[％Al]＞6.27;Ti3O5析出的条件为[％Ti]/[％Al]＞5.03。通过热力学软件计算了Ca、Ce、Ti、Al合金的添加量，确定了最佳E36成分。
　　(2)对船体钢在实验室进行轧制，确定合适的控轧控冷工艺:在1100～1000℃温度进行再结晶轧制，累计压下41.7％，在920～880℃进行未再结晶轧制，累计压下62.8％，直接水冷至650℃，冷速12～15℃/s。轧后板材满足GB712-2000对船体钢力学性能的要求。
　　(3)焊接热模拟实验表明:高级Ca-Ti-Ce钢在100kJ/cm～700 kJ/cm线能量范围内，-20℃冲击功呈现先增加后减小的变化规律，线能量为400 kJ/cm时达到最大值332J，在700 kJ/cm之内焊后韧性值均远高于47 J的国标要求。
　　(4)夹杂物与针状铁素体之间的关系为: MnS夹杂必需与其它物质结合在一起，才能作为针状铁素体的形核核心，Ce在焊接过程中发挥的最重要作用在于帮助AF形核，Al2O3-TiOx-CaO-MnS形式的多元素复合夹杂对AF形核最为有利。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 大线能量焊接特点

1．2．1 大热输入焊接参数

1．2．2 焊接热影响区组织性能

1．3 国内外研发概况

1．3．1 新日铁HTUFF技术

1．3．2 JFE EWEL技术

1．3．3 神户制钢KST技术

1．3．4 国内研发状况

1．3．5 未来研究发展趋势

1．4 热力学软件应用

1．4．1 Thermo-Calc软件

1．4．2 JMatPro软件

1．5 本文研究目的和主要内容

第2章 钢中Mx(O，N)y析出热力学计算

2．1 合金元素氧化析出的可能性

2．1．1 合金元素氧化反应Gibbs自由能

2．1．2 合金元素氧化析出的先后顺序

2．1．3 温度对合金氧化物析出的影响

2．1．4 氧含量对氧化物析出的影响

2．2 TiOx的析出条件

2．3 MxNy的析出热力学计算

2．3．1 氮化物析出反应△G

2．3．2 合金元素的获氮能力

2．3．3 TiN析出条件

2．4 小结

第3章 船板钢成分设计及制备

3．1 实验材料与方法

3．1．1 实验设备与材料

3．1．2 实验方法

3．2 实验钢成分设计

3．2．1 设计目标

3．2．2 设计思路

3．2．3 热力学相图

3．3 实验钢冶炼及浇铸

3．3．1 冶金目标

3．3．2 冶金依据

3．3．3 实际冶金

3．4 冶金过程分析与讨论

3．4．1 实验钢的铸态组织

3．4．2 铸态钢夹杂物分析

3．5 小结

第4章 船板钢的控轧控冷工艺

4．1 实验材料及方法

4．1．1 轧制材料及设备

4．1．2 实验方法

4．2 热力学相变曲线

4．2．1 静态CCT曲线

4．2．2 等温转变曲线

4．3 控轧控冷实验研究

4．3．1 轧制及冷却方案

4．3．2 轧制与冷却控制结果

4．4 分析与讨论

4．4．1 精轧温度对组织形貌的影响

4．4．2 精轧温度对力学性能的影响

4．4．3 冲击韧性分析

4．5 小结

第5章 船板钢的大线能量焊接性能

5．1 焊接材料与设备

5．1．1 焊接材料

5．1．2 热模拟设备

5．2 实验方法

5．2．1 大线能量焊接热模拟实验

5．2．2 力学性能测试

5．2．3 组织观察

5．3 焊接性能研究

5．3．1 热模拟实验拟合度

5．3．2 组织观察与分析

5．3．3 低温韧性分析

5．3．4 焊接宏观硬度

5．4 焊接韧性机理研究

5．4．1 组织对韧性的影响

5．4．2 针状铁素体形核机制

5．5 小结

第6章 结论

参考文献

致谢

作者简介

论文包含图、表、公式及文献