低合金高強度船體鋼焊接熱影響區(qū)韌化機理研究.pdf

1、為改善低合金高強度船體鋼焊接性和提高船體鋼大熱輸入焊接的適應性,本文研究了超低碳合金設計以及鋼中第二相粒子(包括碳氮化物、氧化物)對低合金高強度船體鋼焊接熱影響區(qū)(Heat Affected Zone,以下簡稱HAZ)組織和性能的影響,探討了HAZ的韌化機理。結果表明,采用超低碳成分設計,大幅度地降低鋼中的碳含量及碳當量,利用細晶強化或Cu的時效沉淀強化作用可以彌補降碳帶來的強度損失。采用上述技術思路設計的超低碳440MPa和550MP

2、a試驗鋼較傳統(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,焊接過程中促進鐵素體形核的能力最強；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氧化物促進了晶內針狀鐵素體的形核,抑制了晶界鐵素體和側板條鐵素體的向晶內的生長,間接的細化

3、了粗大的奧氏體晶粒尺寸；在Ti處理鋼中,同時添加微量Mg(約0.0010％)或Zr(約0.0043％)可進一步細化第二相粒子的尺寸,增大第二相粒子的表面積,從而進一步增強第二相粒子促進晶內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級較高碳含量的船體鋼基礎上,分別開展了超低碳合金成分設計。為保證設計強度,440MPa級船體鋼主要采用Nb微合金化+TMCP工藝彌補降碳帶來的強度損失

4、,550MPa級船體鋼則主要利用Cu在時效過程中的彌散沉淀強化提高鋼的強度。結果表明:采用超低碳合金設計后,兩種強度級別的試驗鋼母材均獲得了良好的強韌性配合,HAZ低溫韌性和抗冷裂紋敏感性顯著提高,實現(xiàn)了試驗鋼0℃不預熱焊接的目標。研究發(fā)現(xiàn),采用超低碳+細晶強化或超低碳+時效沉淀強化兩種技術思路,研制高強度、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,系統(tǒng)的研究了Ti2

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

6、Mn形成貧Mn區(qū)(MDZ),促進了鐵素體相變。第三類為在界面上和鋼不發(fā)生反應,也不能促進鐵素體相變,TiN屬于此類。奧氏體化溫度對Ti2O3誘導鐵素體形核存在顯著影響,研究首次發(fā)現(xiàn),Ti2O3誘導晶內鐵素體相變取決于Mn在奧氏體中的擴散速度。奧氏體化溫度較高(>950℃)時,Mn在奧氏體中擴散較快,易形成貧Mn區(qū),顯著促進鐵素體相變。反之,Ti2O3促進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

7、鐵素體形核的能力最強。
　　 研究了Ti及Ti復合氧化物對HAZ組織性能的影響,同時對Al、Ti處理鋼焊接粗晶區(qū)連續(xù)冷卻相變規(guī)律進行了深入探討。結果表明,Ti及Ti的復合氧化物具有促進晶內針狀鐵素體形核的能力,大熱輸入焊接時HAZ的低溫韌性顯著提高。Ti處理鋼焊接粗晶區(qū)連續(xù)冷卻過程中。晶界鐵素體、側板條鐵素體以及晶內鐵素體的相變開始溫度基本相同,但各自長大的動力學條件不同。晶界鐵素體在725～650℃溫度區(qū)間快速長大,而側板條鐵

8、素體和晶內鐵素體則在650～500℃溫度區(qū)間快速長大。針狀鐵素體在晶內第二相央雜物上形核長大后抑制了側板條鐵素體沿著奧氏體晶界向晶內的生長。試驗結果還表明,在鋼中獲得大量的、細小的、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關鍵。
　　 在Ti氧化物顯著促進晶內鐵素體相變、大幅度提高HAZ韌性的基礎上,為進一步細化含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Ti處理鋼中第二相粒子尺寸及其大熱輸

9、入焊接時HAZ組織和韌性的影響。研究首次發(fā)現(xiàn),Mg含量對鋼中第二相粒子的類型、尺寸存在顯著影響。當鋼中添加12ppmMg時,鋼中形成等摩爾數(shù)的Ti2O3和Mg2TiO4氧化物夾雜,此時鋼中含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氧化物聚集長大的能力,有效的細化了第二相氧化物夾雜的尺寸,提高了氧化物夾雜促進針狀鐵素體形核的能力。Zr含量對鋼中第二相粒子的類型和尺寸同樣存在顯著