硼镍添加低温用低合金高强度H型钢的研究

摘要

低合金高强度(HSLA)H型钢作为一种典型的低碳、低合金结构钢，具有较高的强度、韧性和优良的焊接性能。在高层建筑、桥梁、大型船舶以及海上石油平台等领域有着广泛的应用。近年来，随着高寒、高海拔地区的开发，具有良好低温韧性的高等级H型钢受到广泛的关注。但是，目前生产的低合金高强度H型钢的韧脆转变温度普遍偏高，低温下易发生脆性断裂，难以满足在低温地区使用的要求。因此，提高低合金高强度H型钢的低温韧性，降低其韧脆转变温度，具有重要的现实意义和理论价值。
　　 本文在添加痕量硼元素的低合金高强度H型钢的基础上，进行了合金成分设计，确定了硼镍复合添加的工艺方案。利用热模拟试验、常温拉伸试验、系列温度冲击试验、淬透性试验、显微硬度试验、光学显微镜和扫描电镜、高分辨透射电镜以及X射线衍射等试验方法和手段，系统研究了试验钢在不同状态下的组织和性能，获得了在-50℃下具有良好冲击韧性的热轧H型钢;并在此基础上，研究了该试验钢的热处理工艺，获得了最佳的淬火、回火工艺参数，利用淬火回火处理，进一步将试验钢的韧脆转变温度降低到-96℃，使其具备了优异的低温韧性。
　　 热物理模拟试验显示，试验钢在10℃/s加热时，其Ac1和Ac3温度分别为770℃和906℃，在接近平衡条件下冷却时，其Ar3和Ar1温度为775℃和560℃。随冷却速度由0.1℃/s增加到50℃/s时，试验钢的组织逐渐由多边形铁素体+珠光体转变为仿晶界铁素体+板条贝氏体、板条贝氏体+板条马氏体以及全部马氏体结构;其硬度由50HRA增加到73HRA。随变形量由0％增加到40％，试样中的铁素体含量逐渐增加，形变诱导相变作用逐渐加强，相变开始温度增加了55℃。
　　 对现场试生产的硼镍复合添加低温用H型钢进行了力学性能和微观组织分析。结果发现，所有样品的强度、塑性指标均满足国标要求，其-50℃低温冲击韧性达到80J左右，达到国标要求的2倍多。试样断口上较深的孔洞表明试样发生了韧窝断裂，从而使冲击韧性获得提高。镍元素对试验钢的夹杂物、组织以及二相粒子影响不明显，其细化珠光体片层以及对铁原子晶格结构的影响是提高低温韧性的主要原因。
　　 硼镍复合添加的HSLA钢在不同温度下进行的淬透性试验发现，在870到1000℃范围淬火时，试验钢的淬透性不随温度的增加而持续增加，950℃时淬透性最高;经1070℃高温处理后，试验钢的淬透性不升反降，铁素体含量增加。通过与只加硼不加镍以及硼、镍均不添加的试样对比，发现上述现象是由于硼促进淬透性的作用因高温处理而消失以及硼细化碳氮化铌颗粒所致。根据端淬曲线换算的950℃时试验钢浸水冷却最大可淬透板厚达19.34mm。
　　 通过对不同工艺热处理后试验钢的组织、性能研究发现，试验钢淬火后的抗拉强度最高可达到1000MPa。高温回火后抗拉强度仍保持在500～600MPa之间，较热轧试样的抗拉强度提高100MPa以上，伸长率下降约10％，但试样的韧性大幅提高到200J以上，韧脆转变温度最低达到-96℃。使调质0.5Ni钢的最低许用温度降低20℃以上。低温韧性的大幅升高是基体回复再结晶与碳化物球化共同作用带来的。颗粒状碳化物依赖晶界获得长大，但并非沿晶界析出，而是钉扎晶界，有利于细化晶粒，未对韧性造成破坏。
　　 通过对热处理参数对试验钢韧性的影响研究发现，淬火温度主要影响淬火回火后试样的韧脆转变温度，对韧性影响不大，而回火温度主要影响韧性的高低，对韧脆转变温度影响不大。这说明，淬火后残余铁素体的含量是影响韧脆转变温度的主要因素，而影响韧性高低的主要因素是淬火组织的再结晶程度。

目录

声明

摘要

本文主要缩写词及符号说明

第一章 绪论

1．1 选题的背景和意义

1．2 低温用低合金高强度H型钢

1．2．1 H型钢简介

1．2．2 微合金化

1．2．3 钢的低温脆性

1．2．4 提高钢材低温韧性的方法

1．2．5 合金钢设计

1．3 本文的研究目的、内容、方法和主要技术路线

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究内容

1．3．3 研究方法

1．3．4 技术路线

1．4 本章小结

第二章 合金钢设计与热物理模拟研究

2．1 引言

2．2 企业原产品的成分、性能及存在的问题

2．3 合金钢成分设计

2．3．1 选择成分设计路线的原因

2．3．2 成分设计的原则

2．3．3 成分设计的过程

2．3．4 最终成分

2．4 热物理模拟研究

2．4．1 加热时的相变温度

2．4．2 冷却速度对静态相变点及组织的影响

2．4．3 冷却速度对动态相变点及组织的影晌

2．4．4 变形量对相变点及组织的影响

2．4 本章小结

第三章 硼镍复合添加热轧H型钢的组织性能

3．1 引言

3．2 现场生产控制

3．2．1 工艺流程

3．2．2 成分控制

3．2．3 轧制技术要求

3．3 Q345EL产品的组织性能

3．3．1 化学成分

3．3．2 力学性能

3．3．3 冲击韧性

3．3．4 断口形貌分析

3．3．5 夹杂物分析

3．3．6 微观组织分析

3．4 镍硼复合添加韧化机理的分析

3．4．1 镍元素对性能的影响

3．4．2 镍元素对断口的影响

3．4．3 镍元素对夹杂物的影响

3．4．4 镍元素对相变温度的影响

3．4．5 镍元素对组织的影响

3．4．6 镍元素对相组成的影响

3．4．7 镍元素对二相粒子的影响

3．4．8 镍的分布与韧化机理总结

3．5 本章小结

第四章 硼镍复合添加H型钢的淬透性

4．1 引言

4．2 试验过程

4．2．1 试验原料

4．2．2 试验方法

4．2．3 试验工艺

4．3 Q345EL不同端淬条件下的端淬曲线

4．3．1 端淬曲线的绘制

4．3．2 升温过程的端淬曲线

4．3．3 降温过程的端淬曲线

4．3．4 升温及降温过程端淬曲线的对比

4．3．5 升温及降温过程不同端淬条件下试样的组织对比

4．4 端淬曲线异常现象的原因分析

4．4．1 对比试验的设计

4．4．2 对比试验的结果分析

4．5 利用端淬曲线换算最大可淬透板厚

4．7 本章小结

第五章 硼镍复合添加HSLA钢调质工艺的研究

5．1 引言

5．2 试验材料及准备工作

5．2．1 试验材料及取样位置

5．2．2 试验钢的正火组织

5．2．3 板厚方向硬度变化

5．3 试验设计

5．4 淬火温度对组织性能的影响

5．4．1 试验方法

5．4．2 不同淬火温度下试样的力学性能

5．4．3 不同淬火温度下试样的组织

5．4．4 工艺、组织、性能的分析

5．5 回火温度对组织性能的影响

5．5．1 试验方法

5．5．2 不同回火温度下试样的性能

5．5．3 不同回火温度下试样的组织

5．5．4 工艺、组织、性能的分析

5．6 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间完成的论文、专利及参与的项目

学位论文评阅及答辩情况表