铌钛双稳定TCS钢热稳定性研究

摘要

TCS铌钛双稳定铁素体不锈钢，是一种低铬镍铁素体不锈钢。钢中加入的微合金元素Nb、Ti，与C、N结合形成碳氮化物，起到固碳(氮)保铬的效果，增强了钢的耐晶间腐蚀性能。但是，TCS焊接热影响区(HAz)的韧性较差，限制了它的推广和应用，有必要对TCS焊接HAZ的组织和性能演化规律进行研究，以改善其焊接性能。鉴于HAZ较窄(仅有3-5mm)，研究起来相当困难，而焊接过程是一个特殊的热处理，即母材在很短的时间内经历了一个快速的加热冷却过程。本文从TCS钢组织热稳定性着手，通过热力学计算、传统热处理工艺和科学先进的热模拟技术，进行系统全面的研究TCS钢组织和性能受不同热作用时的演化规律，从而为进一步改善HAZ的性能提供参考。 本文研究发现双稳定TCS不锈钢的室温组织为铁素体+少量的低碳马氏体，微合金元素主要以两类化合物的形式存在，即：富Ti的氮化物Ti(Nb)N，晶粒尺寸在2-5μm左右；以Nb为主要元素的碳化物Nb(Ti)C，晶粒细小，多在20-50nm。 根据Thermo-calc和PANDAT的软件计算结果，参考热分析测试结果和原位观察结论确定：TCS不锈钢的初始凝固温度为1500℃，1490℃凝固完成为高温铁素体组织，低于1250℃进入高温铁素体和奥氏体双相区；1110℃-825℃为奥氏体存在的大致温度区间；825℃时开始发生奥氏体向常温铁素体住址转变(Y→α)，725℃以下为常温铁素体组织。 采用传统热处理试验研究表明：900℃以下TCS钢具有很好的热稳定性；当热处理温度为1000℃～1200℃时，淬火后组织中马氏体含量增多，促使钢硬度、抗拉强度增大，冲击韧性和延伸率降低；温度高于1200℃时，高温铁素体(δ)组织开始形成，使得硬度和抗拉强度开始下降。1300℃以上长时间保温使得晶粒异常长大，材料的强度和硬度与未处理试样相当，冲击功和延伸率显著下降。 通过热模拟试验发现：峰值温度低于1200℃时，TCS钢的组织热稳定性较好，热模拟试样组织晶粒长大不很严重，从母材的10μm长大到50μm左右；当峰值温度高于1200℃时，晶粒有异常长大现象，晶粒平均尺寸迅速长大到几百个微米，材料韧性严重降低，组织脆化。 原位观察知：升温速率增大，推迟了α→γ转变温度，升温速率越大转变温度越高。以200℃/min快速升温时，α→γ转变温度在800℃左右，γ→δ转变温度在1270℃附近，温度高于平衡凝固时的相变温度；降温过程中，有少量γ在高温铁素体晶界处呈针状析出，温度在980℃左右，比热力学计算结果略低；马氏体的析出温度低于450℃，低于热分析得到的马氏体点589℃。根据温度变化速率对相变温度点的影响规律，该结果和前期的计算结果相符合。热循环最高温度为1450℃时，升温速率越大，高温组织中的γ残余越多，产生的马氏体越多；热循环最高温度同在奥氏体区(1100℃)时，升温速率越小，α→γ转变越充分，在1100℃的组织中γ的含量相对就越多，冷却得到的马氏体也越多。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 文献综述

1.1不锈钢概述

1.1.1不锈钢性能及其应用

1.1.2不锈钢分类

1.1.3铁素体不锈钢及其焊接性能

1.2铁路货车车体用材料

1.2.1车体材料的现状

1.2.2微合金元素在钢中的作用

1.2.3TCS不锈钢的开发

1.3课题研究内容和研究思路

第二章 实验方案及设备

2.1实验方案及材料

2.1.1实验材料

2.1.2参数设定

2.2实验设备

2.2.1微机炉温控制电阻炉

2.2.2Gleeble 3800热模拟试验机

2.2.3机械性能测试和组织观察仪器

2.2.4共焦激光扫描显微镜

第三章 TCS钢基本性能和热力学计算研究

3.1 TCS钢的组织和基本性能测试

3.1.1TCS钢组织观察和相的确定

3.1.2微合金析出物的形貌

3.1.3TCS钢的基本机械性能

3.2相变温度点的确定

3.2.1热力学软件计算

3.2.2热分析

3.2.3凝固过程相变温度的确定

3.3铌、钛碳氮化物的析出研究

3.3.1计算模型

3.3.2计算结果与分析

3.4小结

第四章 传统热处理工艺研究TCS钢组织和性能的热稳定性

4.1不同热处理条件对TCS钢组织稳定性影响

4.1.1热处理温度和保温时间对TCS钢组织的影响

4.1.2冷却条件对TCS钢组织的影响

4.2不同热处理条件下TCS钢机械性能变化规律

4.2.1热处理温度和保温时间对TCS钢机械性能的影响

4.2.2冷却条件对TCS钢机械性能的影响

4.3不同热处理条件下的冲击断口形貌观察

4.4小结

第五章热模拟技术对TCS钢性能和组织热稳定性的研究

5.1热循环峰值温度和保温时间对TCS钢冲击韧性的影响

5.2峰值温度和保温时间对TCS钢组织的影响

5.3高温时晶粒的长大模型

5.4小结

第六章 不同热循环下TCS钢组织演变的原位观察

6.1样品制各和热循环曲线设定

6.2 TCS钢固态相变的原位观察结果

6.2.1α→γ相变

6.2.2γ→δ相变及δ的长大

6.2.3降温过程组织演化及马氏体的生成

6.3原位观察试样的表面形貌观察

6.4小结

第七章 结论

参考材料

作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文

致 谢