Q690钢板焊接热影响区的组织特征及热稳定性研究

摘要

Q690钢是一种低碳贝氏体钢，已在结构件中广泛应用，贝氏体是一种非平衡组织，其热稳定性和焊接热影响区的性能一直是研究者关注的重点。本文首先选择几种不同微合金成分的铁素体/珠光体型微合金D36钢，研究了微合金元素的析出行为。借助D36钢微合金析出行为研究结果，通过计算微合金析出强化及模拟轧制，优化了Q690钢的成分设计和轧制工艺，在此基础上试制了两种合金体系钢。以试制钢为对象，结合实际焊接与模拟焊接（Gleeble热模拟）研究了Q690钢焊接热影响区的组织、性能，重点研究了M-A组元的转变规律及对冲击韧性的影响。对比研究了热处理对母材及热影响区的影响，分析了渗碳体的析出规律。采用几种热处理组合模拟了焊接热输入方式及能量，通过优选的热处理方法在大块试样上获得了近似热影响区的组织，由此深入研究了模拟焊接热影响区组织与性能的关系。主要结论如下: (1)采用合理的道次压下量V-Ti钢每道次变形后变形奥氏体全部发生了再结晶，这有利于晶粒的细化及均匀化，在末阶段采用大压下量对细化晶粒十分有效，降低终轧温度能适当减小晶粒尺寸。限于本研究条件的道次压下量，含Nb钢轧后变形奥氏体难以实现全部再结晶，晶粒细化仅发生在粗轧最后几道次，适当降低终轧温度有助于细化晶粒。提高Nb含量能增大残余应变量，增加下一道次再结晶体积分数而减小晶粒尺寸。Ti以TiN析出能有效阻止奥氏体化过程及再结晶后的晶粒长大，轧制中Nb在奥氏体晶内各类缺陷处析出，能抑制变形奥氏体的再结晶，Nb析出导致奥氏体中位错密度增加并保留到铁素体内，部分Nb在铁素体位错线上析出起沉淀强化作用，V在铁素体中均匀析出起沉淀强化作用。通过沉淀强化添加0.050％V使钢的强度增加约63 MPa;通过细晶强化、位错强化以及沉淀强化，添加0.029％ Nb使钢的强度增加约123MPa。根据以上结果初步确定了Q690试验钢以Nb、Ti为主要的微合金元素，添加量分别约0.05％、0.02％，轧制工艺为:开轧温度1100℃，开轧初始四道压下量各为10mm，终轧温度980℃，最后六道压下量均为15mm。 (2)在实验室试制了五种不同Ni、Mo及B含量的钢，结果表明:空冷条件下试验钢强度均较低;油冷条件下Ni、Mo含量分别在0.32％、0.21％以上并同时添加B元素时，钢的强度能达到相应国标要求;水冷条件下Ni、Mo含量在0.21％、0.09％以上时，钢的强度达到国标要求。终冷温度在500℃以下时钢的强度达到国标要求;轧后短时回火能提高钢的塑韧性。根据以上结果进一步优化了Q690钢工业化轧制工艺:轧后水冷，开冷温度约780℃，终冷温度低于500℃，轧后回火处理，温度为620℃，时间约40 min。工业化试生产表明，添加0.05％Nb、0.05％V、0.12％Mo、0.0015％B时钢的性能不稳定，强度存在较大波动;添加0.04％Nb、0.06％V、0.14％Mo、0.14％Ni、0.23％Cr、0.0015％B或0.05％Nb、0.5％Cu、0.23％Mo、0.0015％B时，各项力学性能均达到国标要求且波动较小。 (3)随热输入增大Q690钢粗晶区组织分别经历了板条马氏体、回火马氏体、上贝氏体及粒状贝氏体转变，冲击韧性随热输入的增大先增大后减小，韧性最大值对应热输入20 kJ·cm-1。焊接接头的冲击韧性与载荷方向有关，裂纹沿粗晶区扩展时韧性最低，沿粗晶区向母材扩展时韧性略高，裂纹沿板材厚度方向扩展时韧性最高。粗晶区韧性降低与马氏体转变和马氏体板条界碳化物析出有关，但由于晶粒长大受TiN析出相限制以及冷却时马氏体发生自回火，韧性降低幅度较小。临界热影响区及临界再热粗晶区有脆化倾向，与晶界处呈网格状分布的块状M-A组元有关。研究证实Q690钢焊接热影响区组织脆化与M-A组元性质及尺寸有直接关系，得出了变形能力较低的M-A组元尺寸大于临界值时(2.0μm)即引起组织脆化的结论。 (4)对实验发现的Q690钢在420～470℃和620～670℃温度范围有较高的回火稳定性给出了理论解释:由于低碳贝氏体钢中固溶碳较低，碳析出及碳化物粗化程度相对低，贝氏体板条受界面处碳化物钉扎不易长大，从而保持了较高的组织稳定性。热力学和动力学分析表明:低温回火时(420～470℃)析出的碳主要促进了贝氏体中原渗碳体的长大。温度较高时(520～570℃)由于杂质原子的晶界偏聚降低了铁素体/渗碳体界面能，渗碳体在晶界及板条界处大量析出引起韧性大幅降低。在更高温度回火时(620～670℃)晶界处形核率降低，析出碳主要供原析出渗碳体的长大。粗晶区的马氏体不同温度回火时碳的析出规律与母材类似，但碳析出和碳化物粗化程度更大，在520～570℃回火时渗碳体沿晶界大量析出加剧了回火脆性的产生。从改善组织性能的角度考虑，Q690钢宜采用不超过30 kJ·cm-1的热输入焊接，并在420～470℃进行焊后热处理，为避免冷裂纹产生，焊前还需在100℃预热处理。另外Q690钢不宜在520～570℃环境或高温长时间服役。 (5)通过不同热处理制度的组合可以使试验钢的热轧态组织转变为近似热影响区组织，借助该热处理制度可在大块试样上获得近似不同热输入的粗晶区组织、近似不同峰值温度的临界热影响区组织，研究得出:与母材力学性能相比，近似热输入30 kJ·cm-1的粗晶区组织屈服强度降低23.8％，伸长率降低6.6％，韧脆转变温度提高约20℃;近似热输入50 kJ·cm-1的粗晶区组织屈服强度降低35.0％，伸长率降低22.5％。研究证实马氏体岛与基体的硬度差不是组织脆化的决定因素，引起组织脆化的关键因素是马氏体岛尺寸，其临界尺寸为2.0μm，该结果与M-A组元引起焊接热影响区组织脆化的实质相同。这也间接证明通过热处理方法模拟焊接热影响区组织是可行的。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 低碳贝氏体钢的发展

1．2 低碳贝氏体钢的合金设计

1．2．1 Nb、V和Ti微合金元素的引入及作用

1．2．2 其它合金元素的作用

1．3 低碳贝氏体钢的组织与性能

1．3．1 热轧态组织与性能

1．3．2 轧制工艺对组织、性能的影响

1．3．3 热处理对组织、性能的影响

1．4 低碳贝氏体钢的焊接性能

1．4．1 焊接工艺性能

1．4．2 研究焊接热影响的实验方法

1．4．3 焊接热影响区的组织与性能

1．5 本研究的目的及主要研究内容

1．5．1 研究目的

1．5．2 研究内容

第2章 研究所用材料及研究方法

2．1 研究所用材料

2．2 本研究用试验设备

2．3 试验方法

2．3．1 相变点测定

2．3．2 模拟轧制与工业化轧制

2．3．3 模拟焊接与实际焊接试验

2．3．4 热处理试验

2．4 显微组织及力学性能分析

2．4．1 显微组织观察

2．4．2 力学性能测试

第3章 铁素体／珠光体微合金钢的显微组织及轧制工艺优化

3．1 引言

3．2 轧制工艺优化

3．2．1 V-Ti钢轧制工艺优化

3．2．2 含Nb钢轧制工艺优化

3．3 铁素体／珠光体微合金钢的组织特征

3．4 碳氮化物析出形貌

3．5 碳氮化物对强度的影响

3．6 本章小结

第4章 Q690钢板的成分、组织和性能优化

4．1 引言

4．2 成分设计

4．3 模拟轧制

4．4 工业化试验

4．5 本章小结

第5章 Q690钢板焊接热影响区组织和性能

5．1 引言

5．2 不同热影响区的组织与性能

5．3 热输入对热影响区组织、性能的影响

5．4 影响M-A组元的因素探讨

5．4．1 加热峰值温度对M-A组元形貌的影响

5．4．2 热输入对M-A组元形貌影响

5．4．3 加热速度对M-A形貌的影响

5．4．4 应力对M-A形成及形貌的影响

5．4．5 奥氏体晶粒尺寸对M-A形貌的影响

5．4．6 M-A组元对冲击韧性的影响

5．5 本章小结

第6章 热处理对母材及热影响区组织性能的影响

6．1 引言

6．2 热处理对母材组织性能的影响

6．3 热处理对热影响区组织性能的影响

6．4 渗碳体析出的热力学和动力学分析

6．5 模拟焊接热输入方式及能量的热处理制度探索

6．5．1 模拟焊接受热方式的热处理制度探索

6．5．2 模拟试样的力学性能

6．5．3 模拟试样与实际焊接热影响的差异

6．6 小结

第7章 结论

7．1 主要结论

7．2 主要创新点

参考文献

致谢

攻读博士期间完成的学术论文和获得的奖励