堿土金屬微合金化大線能量焊接低合金高強(qiáng)鋼的研究.pdf

1、本文采用堿土金屬元素Ca、Mg與Nb、V、Ti等元素，按單個(gè)、兩個(gè)和三個(gè)氧化物形成元素系列復(fù)合微合金化，設(shè)計(jì)了抗拉強(qiáng)度490MPa級(jí)非調(diào)質(zhì)大線能量焊接低合金高強(qiáng)度鋼。系統(tǒng)研究了試驗(yàn)鋼母材及30kj/cm、60kj/cm、100kj/cm不同線能量焊接熱模擬熱影響區(qū)（HAZ）力學(xué)性能、夾雜物形態(tài)分布及微觀組織特征等。結(jié)果表明： 試驗(yàn)鋼母材力學(xué)性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，對(duì)于提高材料的強(qiáng)韌性而言，以Nb配合Ca、Mg、Ca-Mg和Ti-Ca-

2、Mg復(fù)合微合金化要優(yōu)于以V、Nb-V配合Ca、Mg、Ca-Mg和Ti-Ca-Mg復(fù)合微合金化。試驗(yàn)鋼均可承受100kJ/cm大線能量焊接，表明選用的氧化物形成元素中除傳統(tǒng)的Ti之外，堿土金屬元素Ca、Mg可改善大線能量焊接HAZ強(qiáng)韌性。采用Ti-Ca-Mg三種氧化物形成元素微合金化比單獨(dú)采用Ti、Ca或Mg單個(gè)氧化物形成元素以及Ti-Ca、Ti-Mg、Ca-Mg兩個(gè)氧化物形成元素微合金化對(duì)提高100kJ/cm大線能量HAZ強(qiáng)韌性更為有利

3、。 試驗(yàn)鋼母材組織為內(nèi)部存在亞結(jié)構(gòu)的鐵素體+少量珠光體組織，隨焊接線能量增大，HAZ組織按貝氏體（或貝氏體+少量IAF）→少量貝氏體+IAF→晶界鐵素體+IAF組織變化。試驗(yàn)鋼母材與不同線能量焊接HAZ沖擊斷口掃描電鏡及透射電鏡復(fù)合析出物成分能譜分析結(jié)果與相應(yīng)的微合金化系列一致。Ca系、Mg系、Ca-Mg系和Ti-Ca-Mg系試驗(yàn)鋼與Ti系試驗(yàn)鋼相比潔凈度指數(shù)明顯降低，其中Ti-Ca-Mg系試驗(yàn)鋼潔凈度指數(shù)最小，潔凈度最高，且T

4、i-Ca-Mg系試驗(yàn)鋼夾雜物的平均粒徑最小。Ca、Mg微合金化對(duì)夾雜球化變性作用較顯著，Ti-Ca-Mg微合金化對(duì)夾雜物球化效果最好。堿土金屬元素Ca、Mg以復(fù)合氧化物的形式出現(xiàn)，且大多數(shù)復(fù)合析出物都富含Mn和S。IAF以含Ca、Mg的尺寸為500nm～3μm的非金屬氧化物夾雜為核心形核生成。不同微合金化系列有效的IAF形核核心數(shù)量不同，導(dǎo)致HAZ組織中IAF體積分?jǐn)?shù)和HAZ強(qiáng)韌性相應(yīng)發(fā)生變化。IAF形核核心較多的微合金化系列，其IAF

5、體積分?jǐn)?shù)較高，且IAF相對(duì)比較細(xì)小，IAF數(shù)量的增多可抑制品界鐵素體的長(zhǎng)大和粗化。HAZ組織中IAF相對(duì)數(shù)量及晶界鐵素體的形態(tài)是影響HAZ強(qiáng)韌性的決定性因素。 基于Ca、Mg對(duì)鋼質(zhì)的凈化作用和夾雜物變性特性，一方面可提高母材強(qiáng)韌性，另一方面，可使HAZ獲得小尺度表面含MnS的析出物，促進(jìn)IAF形核，提高HAZ強(qiáng)韌性。而Ti與堿土金屬元素Ca、Mg或Ca-Mg的復(fù)合微合金化，可促進(jìn)MnS在堿土金屬Ca、Mg及Ca-Mg鋼復(fù)合析出物

6、表面的析出，又增強(qiáng)了析出物對(duì)IAF的形核能力，進(jìn)一步提高了HAZ強(qiáng)韌性。HAZ不同析出物的IAF形核能力按Ca（O，S）-MnS或Mg（O，S）-MnS、氧化鈦-MnS或CaMg（O，S）-MnS、TiCa（O，S）-MnS或TiMg（O，S）-MnS、TiCaMg（O，S）-MnS的順序增大。 堿土金屬Ca、Mg微合金化鋼HAZ中IAF形核機(jī)制包括兩個(gè)方面：一方面，在HAZ析出物表面均不同程度存在MnS，該MnS可通過(guò)適當(dāng)提高

7、復(fù)合析出物與鐵素體之間的晶格匹配度和適當(dāng)降低復(fù)合析出物與奧氏體的平均熱膨脹系數(shù)差異，抑制高溫下先共析鐵素體的生成，提高IAF形核能力和體積分?jǐn)?shù)；另一方面，HAZ中的一定量的尺寸為500nm～3μm的復(fù)合析出物，可提高其周圍的應(yīng)變能，增大IAF相變驅(qū)動(dòng)力。不同微合金化系列占主導(dǎo)地位的IAF形核機(jī)制不盡相同。 試驗(yàn)優(yōu)化出新鋼種的化學(xué)成分，并結(jié)合某鋼鐵企業(yè)設(shè)備及工藝流程狀況，提出了新鋼種合理的內(nèi)控冶煉化學(xué)成分范圍及控制軋制生產(chǎn)工藝，結(jié)