低合金高强度船体钢焊接热影响区韧化机理研究

论文摘要

为改善低合金高强度船体钢焊接性和提高船体钢大热输入焊接的适应性,本文研究了超低碳合金设计以及钢中第二相粒子（包括碳氮化物、氧化物）对低合金高强度船体钢焊接热影响区（Heat Affected Zone,以下简称HAZ）组织和性能的影响,探讨了HAZ的韧化机理。结果表明,采用超低碳成分设计,大幅度地降低钢中的碳含量及碳当量,利用细晶强化或Cu的时效沉淀强化作用可以弥补降碳带来的强度损失。采用上述技术思路设计的超低碳440MPa和550MPa试验钢较传统船体钢焊接性显著提高;不同类型的第二相粒子促进铁素体形核的能力各不相同,在本论文研究的各种第二相粒子（Ti、Zr、Ce、Mg的氧化物、Ti的氮化物）中,以Ti2O3在高温条件下最为稳定,焊接过程中促进铁素体形核的能力最强;研究发现了钢中Ti氧化物的获得方法,利用Ti脱氧取代传统Al脱氧的方法可以在钢中得到大量含Ti氧化物,钢中的含Ti氧化物促进了晶内针状铁素体的形核,抑制了晶界铁素体和侧板条铁素体的向晶内的生长,间接的细化了粗大的奥氏体晶粒尺寸;在Ti处理钢中,同时添加微量Mg（约0.0010%）或Zr（约0.0043%）可进一步细化第二相粒子的尺寸,增大第二相粒子的表面积,从而进一步增强第二相粒子促进晶内针状铁素体形核的能力,大幅度的提高了HAZ的低温韧性。在传统440MPa和550MPa级较高碳含量的船体钢基础上,分别开展了超低碳合金成分设计。为保证设计强度,440MPa级船体钢主要采用Nb微合金化+TMCP工艺弥补降碳带来的强度损失,550MPa级船体钢则主要利用Cu在时效过程中的弥散沉淀强化提高钢的强度。结果表明:采用超低碳合金设计后,两种强度级别的试验钢母材均获得了良好的强韧性配合,HAZ低温韧性和抗冷裂纹敏感性显著提高,实现了试验钢0℃不预热焊接的目标。研究发现,采用超低碳+细晶强化或超低碳+时效沉淀强化两种技术思路,研制高强度、高韧性和良好焊接性的新型船体钢是可行的。为选择最佳的第二相粒子,首次利用加压Bonding试验,系统的研究了Ti2O3、TiO2、ZrO2、TiN、CeO2、MgO以及Ti2O3+MgO混合粉末对铁素体相变的促进作用。研究结果首次发现,上述各种第二相粒子促进铁素体相变的机理是不同的。其大致可分为三类:第一类为界面上和钢发生了化学反应,造成界面附近形成贫Mn区、贫Si区,从而促进了铁素体相变。这类粉末包括TiO2、ZrO2、CeO2、MgO。第二类为在界面上和钢不发生反应,也能促进铁素体相变,Ti2O3粉末属于此类。这类夹杂主要通过吸收界面附近区域的Mn形成贫Mn区（MDZ）,促进了铁素体相变。第三类为在界面上和钢不发生反应,也不能促进铁素体相变,TiN属于此类。奥氏体化温度对Ti2O3诱导铁素体形核存在显著影响,研究首次发现,Ti2O3诱导晶内铁素体相变取决于Mn在奥氏体中的扩散速度。奥氏体化温度较高（>950℃）时,Mn在奥氏体中扩散较快,易形成贫Mn区,显著促进铁素体相变。反之,Ti2O3促进铁素体相变能力明显减弱。在本文研究的第二相粒子粉末中,Ti2O3高温稳定性最好,促进铁素体形核的能力最强。研究了Ti及Ti复合氧化物对HAZ组织性能的影响,同时对Al、Ti处理钢焊接粗晶区连续冷却相变规律进行了深入探讨。结果表明,Ti及Ti的复合氧化物具有促进晶内针状铁素体形核的能力,大热输入焊接时HAZ的低温韧性显著提高。Ti处理钢焊接粗晶区连续冷却过程中,晶界铁素体、侧板条铁素体以及晶内铁素体的相变开始温度基本相同,但各自长大的动力学条件不同。晶界铁素体在725～650℃温度区间快速长大,而侧板条铁素体和晶内铁素体则在650～500℃温度区间快速长大。针状铁素体在晶内第二相夹杂物上形核长大后抑制了侧板条铁素体沿着奥氏体晶界向晶内的生长。试验结果还表明,在钢中获得大量的、细小的、弥散分布的含Ti氧化物是提高船体钢大热输入焊接性的技术关键。在Ti氧化物显著促进晶内铁素体相变、大幅度提高HAZ韧性的基础上,为进一步细化含Ti氧化物夹杂,提高钢HAZ韧性,首次系统的研究了微量Mg、Zr对Ti处理钢中第二相粒子尺寸及其大热输入焊接时HAZ组织和韧性的影响。研究首次发现,Mg含量对钢中第二相粒子的类型、尺寸存在显著影响。当钢中添加12ppmMg时,钢中形成等摩尔数的Ti2O3和Mg2TiO4氧化物夹杂,此时钢中含Ti氧化物夹杂的粒度最小,数量最多,大热输入焊接时HAZ的低温韧性最高。微量Mg加入到钢中能降低含Ti氧化物聚集长大的能力,有效的细化了第二相氧化物夹杂的尺寸,提高了氧化物夹杂促进针状铁素体形核的能力。Zr含量对钢中第二相粒子的类型和尺寸同样存在显著影响。当钢中添加43ppmZr时,钢中形成等摩尔数的Ti2O3和ZrO2,此时含Ti第二相粒子的粒度最为细小,数量最多,大热输入焊接时HAZ的低温韧性最高。这主要是由于Zr氧化物夹杂比重较大,不容易在钢液中上浮,细小的ZrO2夹杂能够为随后形成的含Ti氧化物夹杂提供大量形核核心,避免含Ti氧化物的聚集长大,增加了晶内针状铁素体的形核核心的密度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 低合金高强度船体钢的发展
• 1.2.1 船体结构钢的要求
• 1.2.2 传统低合金高强度船体钢
• 1.2.3 新型易焊接船体钢的研制开发
• 1.3 低合金高强度船体钢焊接热影响区的组织和韧性
• 1.3.1 焊接热影响区及其组织类型
• 1.3.2 影响船体钢焊接热影响区组织和韧性的因素
• 1.3.3 焊接粗晶区奥氏体晶粒的长大
• 1.3.4 M-A组元对焊接热影响区性能的影响
• 1.4 大热输入焊接与氧化物冶金
• 1.4.1 大热输入焊接与氧化物冶金的关系
• 1.4.2 氧化物冶金技术的发展
• 1.4.3 针状铁素体的形核及其影响因素
• 1.4.4 针状铁素体的形成对钢大热输焊接性的影响
• 1.5 本论文的研究意义和研究内容
• 1.5.1 研究意义
• 1.5.2 研究内容
• 参考文献
• 第二章 超低碳成分设计低合金高强度船体钢焊接性
• 2.1 前言
• 2.2 试验材料及方法
• 2.3 超低碳440MPa级船体钢焊接粗晶区组织与性能
• 2.3.1 母材的组织与性能
• 2.3.2 粗晶区的力学性能
• 2.3.3 粗晶区的原始奥氏体晶粒尺寸
• 2.3.4 粗晶区的组织观察
• 2.4 超低碳550MPa级船体钢焊接粗晶区组织与性能
• 2.4.1 母材的组织与性能
• 2.4.2 焊接热影响区冷裂纹敏感性
• 2.4.3 焊接粗晶区的力学性能
• 2.4.4 焊接粗晶区的组织
• 2.5 分析讨论
• 2.5.1 合金设计对440MP级船体钢中第二相粒子的影响
• 2.5.2 影响超低碳550钢焊接粗晶区组织韧性的因素
• 2.5.3 超低碳合金设计对船体钢CGHAZ组织性能影响机理探讨
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 第三章 第二相粒子对低合金高强度船体钢CGHAZ组织影响机理
• 3.1 前言
• 3.2 试验材料及方法
• 3.2.1 试样制备
• 3.2.2 试验方法
• 3.3 试验结果
• 3.3.1 基体的组织与性能
• 3.3.2 Bonding界面处的组织特征
• 3.4 分析与讨论
• 3.4.1 合金元素对铁素体相变的影响
• 3.4.2 第二相粒子促进铁素体形核机理讨论
• 3.4.3 奥氏体化温度对铁素体形核的影响
• 3.4.4 第二相粒子在实际钢铁材料焊接粗晶区中的作用
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 第四章 Ti氧化物对船体钢大热输入焊接热影响区组织和韧性的影响
• 4.1 前言
• 4.2 试验材料及方法
• 4.2.1 试验材料
• 4.2.2 焊接热循环模拟方案
• 4.2.3 粗晶区铁素体相变点的测定
• 4.3 试验结果
• 4.3.1 Al、Ti处理钢母材的组织特征
• 4.3.2 Al、Ti处理钢焊接热影响区的组织与性能
• 4.3.3 Ti处理钢粗晶区连续冷却相变点的测定
• 4.3.4 Al、Ti处理钢相变区间淬火组织观察
• 4.4 讨论
• 4.4.1 Al含量对Ti处理钢中形成氧化物的影响
• 4.4.2 不同类型氧化物对钢焊接热影响区组织的影响
• 4.4.3 热循环参数对钢焊接热影响区组织的影响
• 4.4.4 Al、Ti处理钢粗晶区连续冷却相变规律
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 微量Mg、Zr对Ti处理钢中氧化物夹杂及其HAZ组织韧性的影响
• 5.1 前言
• 5.2 试验材料及方法
• 5.2.1 试验材料
• 5.2.2 焊接热模拟试验
• 5.2.3 夹杂物分析方法
• 5.3 试验结果
• 5.3.1 Al、Ti、Mg、Zr的脱氧反应
• 5.3.2 Mg-Ti处理钢中的氧化物夹杂及焊接热影响区组织性能
• 5.3.3 Zr-Ti处理钢中的氧化物夹杂及焊接热影响区组织性能
• 5.4 讨论
• 5.4.1 微量Mg对Ti处理钢中氧化物夹杂及其CGHAZ组织韧性的影响
• 5.4.2 微量Zr对Ti处理钢中氧化物夹杂及其CGHAZ组织韧性的影响
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 结 论
• 本文创新点
• 致谢
• 作者在攻读博士学位期间发表和待发表的学术论文