低合金高強(qiáng)度船體鋼焊接熱影響區(qū)韌化機(jī)理研究.pdf

1、為改善低合金高強(qiáng)度船體鋼焊接性和提高船體鋼大熱輸入焊接的適應(yīng)性,本文研究了超低碳合金設(shè)計(jì)以及鋼中第二相粒子(包括碳氮化物、氧化物)對(duì)低合金高強(qiáng)度船體鋼焊接熱影響區(qū)(Heat Affected Zone,以下簡(jiǎn)稱HAZ)組織和性能的影響,探討了HAZ的韌化機(jī)理。結(jié)果表明,采用超低碳成分設(shè)計(jì),大幅度地降低鋼中的碳含量及碳當(dāng)量,利用細(xì)晶強(qiáng)化或Cu的時(shí)效沉淀強(qiáng)化作用可以彌補(bǔ)降碳帶來(lái)的強(qiáng)度損失。采用上述技術(shù)思路設(shè)計(jì)的超低碳440MPa和550MP

2、a試驗(yàn)鋼較傳統(tǒng)船體鋼焊接性顯著提高:不同類型的第二相粒子促進(jìn)鐵素體形核的能力各不相同,在本論文研究的各種第二相粒子(Ti、Zr、ce、Mg的氧化物、Ti的氮化物)中,以Ti2O3在高溫條件下最為穩(wěn)定,焊接過(guò)程中促進(jìn)鐵素體形核的能力最強(qiáng)；研究發(fā)現(xiàn)了鋼中Ti氧化物的獲得方法,利用Ti脫氧取代傳統(tǒng)Al脫氧的方法可以在鋼中得到大量含Ti氧化物,鋼中的含Ti氧化物促進(jìn)了晶內(nèi)針狀鐵素體的形核,抑制了晶界鐵素體和側(cè)板條鐵素體的向晶內(nèi)的生長(zhǎng),間接的細(xì)化

3、了粗大的奧氏體晶粒尺寸；在Ti處理鋼中,同時(shí)添加微量Mg(約0.0010％)或Zr(約0.0043％)可進(jìn)一步細(xì)化第二相粒子的尺寸,增大第二相粒子的表面積,從而進(jìn)一步增強(qiáng)第二相粒子促進(jìn)晶內(nèi)針狀鐵素體形核的能力,大幅度的提高了HAZ的低溫韌性。
　　 在傳統(tǒng)440MPa和550MPa級(jí)較高碳含量的船體鋼基礎(chǔ)上,分別開(kāi)展了超低碳合金成分設(shè)計(jì)。為保證設(shè)計(jì)強(qiáng)度,440MPa級(jí)船體鋼主要采用Nb微合金化+TMCP工藝彌補(bǔ)降碳帶來(lái)的強(qiáng)度損失

4、,550MPa級(jí)船體鋼則主要利用Cu在時(shí)效過(guò)程中的彌散沉淀強(qiáng)化提高鋼的強(qiáng)度。結(jié)果表明:采用超低碳合金設(shè)計(jì)后,兩種強(qiáng)度級(jí)別的試驗(yàn)鋼母材均獲得了良好的強(qiáng)韌性配合,HAZ低溫韌性和抗冷裂紋敏感性顯著提高,實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)鋼0℃不預(yù)熱焊接的目標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn),采用超低碳+細(xì)晶強(qiáng)化或超低碳+時(shí)效沉淀強(qiáng)化兩種技術(shù)思路,研制高強(qiáng)度、高韌性和良好焊接性的新型船體鋼是可行的。
　　 為選擇最佳的第二相粒子,首次利用加壓Bonding試驗(yàn),系統(tǒng)的研究了Ti2

5、O3、TiO2、ZrO2、TiN、CeO2、MgO以及Ti2O3+MgO混合粉末對(duì)鐵素體相變的促進(jìn)作用。研究結(jié)果首次發(fā)現(xiàn),上述各種第二相粒子促進(jìn)鐵素體相變的機(jī)理是不同的。其大致可分為三類:第一類為界面上和鋼發(fā)生了化學(xué)反應(yīng),造成界面附近形成貧Mn區(qū)、貧Si區(qū),從而促進(jìn)了鐵素體相變。這類粉末包括TiO2、ZrO2、CeO2、MgO。第二類為在界面上和鋼不發(fā)生反應(yīng),也能促進(jìn)鐵素體相變,Ti2O3粉末屬于此類。這類夾雜主要通過(guò)吸收界面附近區(qū)域的

6、Mn形成貧Mn區(qū)(MDZ),促進(jìn)了鐵素體相變。第三類為在界面上和鋼不發(fā)生反應(yīng),也不能促進(jìn)鐵素體相變,TiN屬于此類。奧氏體化溫度對(duì)Ti2O3誘導(dǎo)鐵素體形核存在顯著影響,研究首次發(fā)現(xiàn),Ti2O3誘導(dǎo)晶內(nèi)鐵素體相變?nèi)Q于Mn在奧氏體中的擴(kuò)散速度。奧氏體化溫度較高(>950℃)時(shí),Mn在奧氏體中擴(kuò)散較快,易形成貧Mn區(qū),顯著促進(jìn)鐵素體相變。反之,Ti2O3促進(jìn)鐵素體相變能力明顯減弱。在本文研究的第二相粒子粉木中,Ti2O3高溫穩(wěn)定性最好,促進(jìn)

7、鐵素體形核的能力最強(qiáng)。
　　 研究了Ti及Ti復(fù)合氧化物對(duì)HAZ組織性能的影響,同時(shí)對(duì)Al、Ti處理鋼焊接粗晶區(qū)連續(xù)冷卻相變規(guī)律進(jìn)行了深入探討。結(jié)果表明,Ti及Ti的復(fù)合氧化物具有促進(jìn)晶內(nèi)針狀鐵素體形核的能力,大熱輸入焊接時(shí)HAZ的低溫韌性顯著提高。Ti處理鋼焊接粗晶區(qū)連續(xù)冷卻過(guò)程中。晶界鐵素體、側(cè)板條鐵素體以及晶內(nèi)鐵素體的相變開(kāi)始溫度基本相同,但各自長(zhǎng)大的動(dòng)力學(xué)條件不同。晶界鐵素體在725～650℃溫度區(qū)間快速長(zhǎng)大,而側(cè)板條鐵

8、素體和晶內(nèi)鐵素體則在650～500℃溫度區(qū)間快速長(zhǎng)大。針狀鐵素體在晶內(nèi)第二相央雜物上形核長(zhǎng)大后抑制了側(cè)板條鐵素體沿著奧氏體晶界向晶內(nèi)的生長(zhǎng)。試驗(yàn)結(jié)果還表明,在鋼中獲得大量的、細(xì)小的、彌散分布的含Ti氧化物是提高船體鋼大熱輸入焊接性的技術(shù)關(guān)鍵。
　　 在Ti氧化物顯著促進(jìn)晶內(nèi)鐵素體相變、大幅度提高HAZ韌性的基礎(chǔ)上,為進(jìn)一步細(xì)化含Ti氧化物夾雜,提高鋼HAZ韌性,首次系統(tǒng)的研究了微量Mg、Zr對(duì)Ti處理鋼中第二相粒子尺寸及其大熱輸

9、入焊接時(shí)HAZ組織和韌性的影響。研究首次發(fā)現(xiàn),Mg含量對(duì)鋼中第二相粒子的類型、尺寸存在顯著影響。當(dāng)鋼中添加12ppmMg時(shí),鋼中形成等摩爾數(shù)的Ti2O3和Mg2TiO4氧化物夾雜,此時(shí)鋼中含Ti氧化物夾雜的粒度最小,數(shù)量最多,大熱輸入焊接時(shí)HAZ的低溫韌性最高。微量Mg加入到鋼中能降低含Ti氧化物聚集長(zhǎng)大的能力,有效的細(xì)化了第二相氧化物夾雜的尺寸,提高了氧化物夾雜促進(jìn)針狀鐵素體形核的能力。Zr含量對(duì)鋼中第二相粒子的類型和尺寸同樣存在顯著