低成本MN-NB-B低碳貝氏體鋼工藝及組織性能研究.pdf

1、現(xiàn)代低碳貝氏體鋼是近年來發(fā)展起來的一類具有高強(qiáng)度和高韌性以及優(yōu)良焊接性能的新鋼種。此類鋼通過控制軋制及控制冷卻以及Cu、Nb、Ti、Mo、B等微合金元素的固溶強(qiáng)化及析出強(qiáng)化來提高強(qiáng)度。已經(jīng)在石油天然氣管線、工程機(jī)械、海洋設(shè)施、橋梁、造船等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。低碳貝氏體鋼在成分設(shè)計(jì)上大多采用Cu、 Nb、Ti、Mo、Ni、Cr、B等幾種或多種微合金元素的復(fù)合添加，而增加了合金種類，提高了生產(chǎn)成本。本文以低成本少合金種類的Mn-Nb-B低

2、碳貝氏體鋼為研究對象，分析Mn-Nb-B低碳鋼連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變行為和高溫變形行為。并對Mn-Nb-B低碳鋼進(jìn)行了熱軋實(shí)驗(yàn)，研究了不同控軋控冷工藝對應(yīng)的組織和力學(xué)性能，充分發(fā)掘其性能潛力。并結(jié)合一種低成本800MPa高強(qiáng)實(shí)驗(yàn)鋼，就其熱處理工藝以及在線直接淬火工藝對組織和力學(xué)性能的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。論文的主要研究工作和成果如下:
　　(1)對不同B含量的Mn-Nb-B低碳貝氏體鋼，進(jìn)行連續(xù)冷實(shí)驗(yàn)，研究Mn-Nb-B低碳貝氏體鋼相變溫度、

3、相變區(qū)間以及組織特征。研究結(jié)果表明，低碳Mn-Nb-B鋼的相變產(chǎn)物依次為鐵素體、珠光體、粒狀貝氏體和板條貝氏體。隨著B含量的增加，Mn-Nb-B實(shí)驗(yàn)鋼的開始轉(zhuǎn)變溫度逐漸降低，B含量在16ppm以下時(shí)，B含量的增加能夠明顯降低中溫轉(zhuǎn)變開始轉(zhuǎn)變溫度，而含量在16ppm以上時(shí)，B含量的增加對開始轉(zhuǎn)變溫度的降低效果減弱。
　　(2)研究了Mn-Nb和Mn-Nb-B低碳貝氏體鋼的高溫變形行為，分析B對Mn-Nb鋼奧氏體再結(jié)晶的影響。引入Ze

4、ner-Hollomon參數(shù)來確定變形溫度及應(yīng)變速率對動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的影響，兩種鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶激活能分別為341kJ/mol和362kJ/mol，靜態(tài)再結(jié)晶激活能分別為294.3kJ/mol和301.7kJ/mol。B提高了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶的激活能。此外，B能夠明顯降低Mn-Nb低碳鋼軟化率，推遲其靜態(tài)再結(jié)晶。
　　(3)對Mn-Nb-B和Mn-Cr-Nb-B低碳貝氏體鋼在不同變形溫度和冷卻工藝條件下的組織進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，隨著終冷溫度

5、的降低，實(shí)驗(yàn)鋼組織依次發(fā)生準(zhǔn)多邊形鐵素體、粒狀貝氏體、板條貝氏體組織的過渡。冷卻速度的增大，能夠促進(jìn)更低溫度轉(zhuǎn)變組織的形成，細(xì)化相變后的組織。隨著終冷溫度的降低和冷卻速度的提高，M/A島體積分?jǐn)?shù)逐漸降低、體積減小，形態(tài)由不規(guī)則的大塊狀向長條狀和粒狀過渡。Cr的添加明顯提高了低碳Mn-Nb-B鋼的淬透性，在相同的工藝下更容易得到板條貝氏體組織。
　　(4)研究分析了Mn-Nb-B低碳貝氏體鋼在不同軋制工藝參數(shù)下的組織和力學(xué)性能變化規(guī)

6、律。結(jié)果表明，終軋溫度在860～790℃之間，冷卻速度15℃/s左右，終冷溫度在590～440℃，組織以粒狀貝氏體為主，強(qiáng)度能夠達(dá)到600MPa級別;終軋溫度在810℃，冷卻速度25℃/s左右，終冷溫度在550～450℃之間，組織為細(xì)的粒狀貝氏體、針狀鐵素體和一定量的板條貝氏體復(fù)合組織，強(qiáng)度能夠滿足700MPa級別要求。
　　(5)對Mn-Nb-B低碳貝氏體鋼不同組織分析結(jié)果表明，其組織以粒狀貝氏體為主，提高冷卻速度可以減小粒狀貝

7、氏體基體組織的有效晶粒尺寸和M/A島尺寸，提高低溫沖擊韌性;針狀鐵素體組織板條之間具有大角度晶界，較高的取向差，能夠有效阻止裂紋的擴(kuò)展，提高低溫沖擊韌性;板條貝氏體中，板條之間為小角度晶界，因此板條組織降低韌性。對低碳Mn-Nb-B貝氏體鋼，粒狀貝氏體、針狀鐵素體和板條貝氏體的復(fù)合組織能夠在提高強(qiáng)度的同時(shí)，保證其沖擊韌性。
　　(6)對800MPa高強(qiáng)鋼的離線調(diào)質(zhì)工藝進(jìn)行了研究。得出實(shí)驗(yàn)鋼最佳的調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)為:930℃淬火、530

8、℃回火。最終組織為回火貝氏體和回火馬氏體。
　　(7)對調(diào)整成分后的800MPa高強(qiáng)鋼進(jìn)行不同淬火工藝試驗(yàn)的結(jié)果表明，未再結(jié)晶控軋直接淬火工藝和再結(jié)晶軋制直接淬火工藝實(shí)驗(yàn)鋼比再加熱淬火工藝具有更高的強(qiáng)度。再結(jié)晶軋制直接淬火工藝實(shí)驗(yàn)鋼-20℃沖擊功比再加熱淬火工藝實(shí)驗(yàn)鋼有較大幅度的降低，而未再結(jié)晶軋制直接淬火工藝實(shí)驗(yàn)鋼-20℃沖擊功較再加熱淬火工藝僅有少量降低。未再結(jié)晶控軋直接淬火工藝能夠使高強(qiáng)鋼獲得良好的強(qiáng)韌性匹配，可以采用其代替

9、再加熱淬火工藝生產(chǎn)800MPa級別的高強(qiáng)鋼。
　　(8)研究和分析了直接淬火溫度和淬火終止溫度對800MPa高強(qiáng)鋼組織和力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)鋼軋后在840～890℃溫度區(qū)間直接淬火，抗拉強(qiáng)度在900MPa左右，屈服強(qiáng)度863～875MPa之間，-20℃沖擊功在174～199J之間，斷后延伸率在18.3～19％之間，綜合力學(xué)性能非常穩(wěn)定，均具有良好的強(qiáng)韌性匹配。淬火終止溫度在450℃至室溫之間，實(shí)驗(yàn)鋼強(qiáng)度隨著淬火終止溫度的