Mg处理冶炼工艺对船板钢母材和焊接热影响区影响的研究

论文摘要

船舶用厚板是钢铁板材产品中重要的战略产品之一,而能适应大线能量焊接的船用厚板是近年来造船业最为迫切的需求。由于大线能量焊接过程焊缝附近长时间经历高温过程,钢板焊接热影响区的微观组织发生严重劣化,导致韧性急剧下降,严重影响钢板的力学性能,所以改善厚板焊接热影响区（heat affected zone（HAZ））韧性成为钢铁领域最为重要的研究课题之一。而在改善钢铁厚板焊接热影响区韧性的研究中,利用微细粒子的氧化物冶金工艺是近年来国内外最为重要的研究领域。由于Mg处理工艺引入的MgO粒子具有高温稳定并趋向于细小弥散分布的特性,所以Mg处理工艺被认为是氧化物冶金工艺中最为有效的处理手段之一,而国内Mg处理工艺的系统研究还没有报道。本文以目前使用范围广质量要求高,同时又是对大线能量焊接需求最为迫切的EH36船板钢为目标钢种,对Mg处理冶炼工艺对船板钢母材和焊接热影响区的影响进行了系统的研究。本论文根据EH36船板钢的合金体系,设计了试验钢的冶炼成分体系,利用一阶活度相互作用系数计算出钢液中各元素的活度系数,并由此计算得出Mg处理后钢液中[%O]和[%Mg]的平衡关系,为试验提供了理论依据。根据EH36船板钢和性能指标设计了试验钢TMCP轧钢工艺。分别采用常规工艺和Mg处理工艺冶炼了实验钢锭,然后采用完全相同的TMCP轧制工艺将实验钢锭轧制成实验钢厚板。对比研究了Mg处理工艺对厚钢板母材的影响,发现Mg处理工艺虽然向钢铁基体中引入了的大量的微细夹杂物粒子,但微细粒子对钢板母材的组织和性能没有影响。通过金相组织分析发现,无论是垂直于轧向还是平行于轧向上,与常规冶炼工艺的钢板相比,Mg处理钢的组织和形态没有发生变化。拉伸试验、冲击试验等力学性能检测结果表明,Mg处理钢板的横向和纵向的低温冲击性能、抗拉强度和屈服强度,与常规冶炼工艺的钢板相比力学性能基本相当。研究了钢板大线能量焊接后热影响区的韧性劣化机理进行。明确了厚钢板焊接HAZ韧性劣化的机理,即大线能量焊接过程焊缝附近长时间经历高温过程,钢板焊接热影响区的晶粒发生严重粗化,同时在冷却相变过程中生成脆性组织,造成韧性急剧下降。阐明了利用Mg处理冶炼工艺改善钢板焊接HAZ冲击韧性的机制,即利用微细粒子沉淀于奥氏体晶界,在焊接热循环的过程中作为钉扎粒子阻止奥氏体晶粒的长大,同时在在奥氏体向铁素体的固相转变过程中,利用固溶于奥氏体晶内微细夹杂物诱发晶内铁素体（IGF）的形核和长大,从而达到优化晶内组织,改善HAZ冲击韧性的作用。对比研究了Mg处理工艺对钢板焊接热影响区的低温韧性的影响,发现采用Mg处理工艺的钢板其焊接HAZ表现出了优异的低温韧性。通过对钢板热模拟焊接热影响区冲击断口的分析发现,Mg处理工艺钢的HAZ冲击断口由很多较为细小的解理断面组成,而常规冶炼工艺钢的HAZ冲击断口由面积较大的解理断面组成。冲击试验力学性能检测结果表明,钢板的HAZ平均冲击功大幅度提高,是常规冶炼工艺的钢板的5倍以上采用SEM.TEM.EDS技术相结合,对比研究了Mg处理工艺对厚钢板中微细夹杂物粒子的成分、粒径和分布密度的影响,研究表明Mg处理工艺大幅度减少微米级夹杂物（大于0.2μm）中Al2O3的存在,夹杂物的尺寸分布范围主要集中在0.2μm-1.5μm；Mg处理工艺向钢中大量引入粒径在200nm以下的小尺寸夹杂物,Mg处理钢中纳米级夹杂物（小于0.2μm）的分布密度高于常规冶炼工艺钢一个数量级。采用SEM.TEM.EDS与CSLM技术和EBSD技术相结合,对微细粒子改善厚钢板焊接HAZ冲击韧性进行了系统的研究。利用CSLM技术通过原位观察焊接热循环过程中HAZ晶粒的生长和变化情况,发现Mg处理工艺向钢中引入的大量粒径在200nm以下的小尺寸夹杂物,在钢板的焊接热输入高温区对奥氏体晶粒产生了十分显著的钉扎作用,抑制了奥氏体晶粒生长。在完全相同焊接热模拟条件下,Mg处理钢板HAZ原奥氏体晶粒平均尺寸要比常规工艺钢板原奥氏体晶粒平均尺寸小6倍。通过EBSD技术对钢焊接HAZ铁素体晶界取向差分析发现,Mg处理钢中焊接HAZ呈大角度晶界的晶内铁素体的比例显著增加。分析Mg处理钢焊接HAZ晶内组织发现,Mg处理向钢中引入的大量粒径在0.2μmn-1.5μmn的微米级夹杂物可以有效地诱发晶内针状铁素体形核生长,形成了交叉互锁状、具有大角晶界和高位错密度的针状铁素体组织,晶粒交叉互锁可以有效抑制裂纹的延伸扩展,通过优化晶内组织达到改善了HAZ冲击韧性。Mg处理冶炼工艺在对船板钢板母材的组织和性能没有产生不利影响的情况下,有效的改善了钢板大线能量焊接热影响区的韧性。

论文目录

• 目录
• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 造船用厚板的焊接性需求
• 1.3 造船用厚板焊接热影响区韧性劣化机理
• 1.3.1 焊接热影响区
• 1.3.2 HAZ劣化机理及危害
• 1.4 改善钢材热影响区韧性的方法
• 1.4.1 采用TMCP工艺降低碳当量
• 1.4.2 利用焊接材料中微细粒子改善钢材热影响区韧性
• 1.4.3 利用钢中微细粒子改善钢材热影响区韧性
• 1.5 利用细微夹杂物改善钢材热影响区韧性国内外研究现状
• 1.5.1 新日铁HTUFF技术
• 1.5.2 JFE EWEL技术
• 1.5.3 神户制钢公司的研究进展
• 1.5.4 国内的研究进展
• 1.6 本文研究内容
• 第二章 Mg处理船板钢的制备及表征
• 2.1 Mg处理船板钢的制备
• 2.1.1 冶炼实验
• 2.1.2 TMCP轧钢实验
• 2.2 Mg处理船板钢表征
• 2.2.1 铸锭分析
• 2.2.2 轧制后钢板取样分析
• 2.2.3 焊接热模拟实验
• 2.2.4 热模拟后试样分析
• 2.2.5 激光共焦扫描高温成像仪观察分析方法
• 2.2.6 钢中微细粒子评价分析方法
• 2.3 本章小结
• 第三章 热力学计算分析
• 3.1 热力学数据的选取
• 3.1.1 铁液内元素相互作用系数
• 3.1.2 标准生成吉布斯自由能
• 3.2 钢液成分
• 3.3 元素活度的计算
• 3.4 各元素的脱氧平衡
• 3.5 出钢时脱氧平衡的计算
• 3.6 钢液中[%Mg]与[%O]的平衡计算
• 3.7 本章小结
• 第四章 Mg处理对钢板铸态和轧态性能的影响
• 4.1 Mg处理对船板钢铸态性能影响
• 4.1.1 铸态金相组织
• 4.1.2 铸态奥氏体晶粒
• 4.1.3 小结
• 4.2 Mg处理对船板钢轧态性能影响
• 4.2.1 轧制后钢板的金相组织
• 4.2.2 轧制后钢板的力学性能
• 4.2.3 小结
• 4.3 Mg处理钢板连续冷却转变曲线（CCT曲线）的测定
• 4.3.1 静态连续冷却转变曲线测定
• 4.3.2 动态连续冷却转变曲线
• 4.3.3 小结
• 4.4 本章小结
• 第五章 Mg处理改善钢板HAZ冲击韧性的机理分析
• 5.1 焊接热影响区的脆化机理
• 5.2 焊接热影响区的晶粒长大机理
• 5.3 改善HAZ冲击韧性的机制
• 5.3.1 钉扎机制
• 5.3.2 组织优化机制
• 5.4 本章小结
• 第六章 Mg处理后钢中夹杂物的变化
• 6.1 微米级夹杂物（大于0.2μm）的分析
• 6.1.1 夹杂物成分分析
• 6.1.2 夹杂物粒径和分布密度分析
• 6.1.3 小结
• 6.2 纳米级夹杂物（小于0.2μm）的分析
• 6.2.1 萃取复型透射电镜观察法
• 6.2.2 电解提取夹杂物分析
• 6.2.3 萃取复型与电解提取夹杂物观察法对比分析
• 6.2.4 小结
• 6.3 本章小结
• 第七章 Mg处理对船板钢焊接HAZ组织与性能的影响
• 7.1 钢板焊接热模拟HAZ冲击性能分析
• 7.2 钢板焊接热模拟HAZ冲击断口观察分析
• 7.3 焊接热循环过程HAZ晶粒观察分析
• 7.3.1 共焦激光扫描显微镜钉扎机制观察试验
• 7.3.2 焊接热模拟HAZ晶粒尺寸观察分析
• 7.3.3 小结
• 7.4 钢板焊接热模拟HAZ组织观察分析
• 7.4.1 HAZ晶内组织EBSD分析
• 7.4.2 共焦激光扫描显微镜组织优化观察试验
• 7.4.3 HAZ晶内组织观察分析
• 7.4.4 小结
• 7.5 本章小结
• 第八章 结论及创新点
• 8.1 主要技术结论
• 8.2 本论文的创新点
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间完成的论文
• 致谢