大线能量焊接用钢的工但艺性研究毕业论文.doc

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1、本 科 毕 业 论 文大线能量焊接用钢的工艺性研究Study on the technology of large wire energy welding steel学院名称： 专业班级： 学生姓名： 学 号： 指导教师姓名： 指导教师职称： 2015年5月毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得安阳工学院及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集

2、体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解安阳工学院关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 目录摘 要IAbstractII引 言III第一章 绪论11.1论文相关研究背景11.2论文相关研究的发展状况21.3论文相关研究设计的目的及意义3第二章 大线能量焊

3、接用钢热影响区组织和性能的研究进展42.1大线能量焊接用钢CGHAZ的组织和韧性42.1.1奥氏体晶粒42.1.2 二次组织52.2针状铁素体的形核机理52.2.1 作为针状铁素体形核核心的氧化物种类62.2.2 作为针状铁素体形核核心的夹杂物的尺寸72.2.3 针状铁素体形核机制学说7第三章 大线能量焊接船体钢的研究93.1国内外大线能量焊接用钢的研究进展103.1.1 TiO处理技术113.1.2 Mg处理技术123.1.3 TiB处理技术133.2 Ti氧化物对大线能量焊接船体钢 HAZ组织性能影响的研究143.2.1 试验材料及方法153.2.2 A1、Ti处理钢中夹杂物形成的热力学1

4、53.2.3 试验钢中夹杂物观察163.2.4 模拟焊接粗晶区的组织与性能183.2.5 微量 A1、Mg、Zr对Ti处理钢中夹杂物形成的影响193.2.6 夹杂物促进晶内针状铁素体的形核21结 论23致 谢24参考文献25大线能量焊接用钢的工艺性研究摘 要：大线能量焊接时由于高温停留时间长、相变冷却速度慢，焊接热影响区奥氏体晶粒急剧长大，得到侧板条铁素体为主的组织，韧性恶化。降低钢中的C含量及碳当量(Ceq)、细化焊接热影响区奥氏体晶粒尺寸以及改善焊接热影响区的组织是发展大线能量焊接用钢的主要技术措施。“氧化物冶金”技术利用钢中细小的氧化物，通过促进晶内针状铁素体形核明显改善焊接热影响区的组

5、织，成为大线能量焊接用钢最有效的技术途径。实验结果表明：TiMg复合处理明显细化钢中氧化物颗粒尺寸，促进了晶内针状铁素体形核，在 100200kJcm 的大线能量焊接条件下粗晶热影响区得到针状铁素体为主的组织，一20冲击功达到 350J。关键词：大线能量焊接 船体钢 氧化物冶金 焊接热影响区 低温韧性 23Study on the technology of large wire energy welding steelAbstract: As the long dwell time of high temperature and slow cooling rate in phase tran

6、sfor mation during high heat input welding， the austenite grain rapidly grew in heat affected zone (HAZ)，the microstructure was composed mainly by ferrite sideplate which deteriorated the toughness propeyThe main technical measures to develop the high heat input welding steel included de creasing th

7、e carbon content and carbon equivalent of steel，refining the austenite grain size and impro ving the microstructure of heataffected zone(HAZ)Oxide Metallurgy Technology has become the most effective technical way for high heat input welding steel by significantly improving the microstructure of heat

8、affected zone(HAZ)through stimulating acicular ferrite nucleation by making use of fine oxide particles in stee1The results showed that the TiMg composite treatment obviously refine oxide particles，and enhance the aeicular ferrite nucleation Under the hi gh heat input welding condi tion of 100kJcm t

9、o 200kJcm，the microstructure of Coarse Grain Heat Affected Zone was mainly ac icular ferriteand the impact toughness value testing at 一20 reached to 350J。Keywords: High Heat Input Welding，Ship Hull Steel，Oxide Metallurgy，Heat Affected Zone(HAZ)，LowTemperature Toughhess引 言20世纪初，自从火焰和电弧发展成为焊接热源后，焊接作为一

10、项专业化的技术才逐渐被人们认同。自从1901年瑞典人发明有药皮的焊条（标志着焊接技术的诞生）以来，焊接技术已经上百年来的经验积累和技术提高，取得了长足的进步。特别是20世纪50年代以后，焊接技术取得了更快的发展。1956年出现了以超声波和电子束作为热源的超声波焊和电子束焊；1957年出现了等离子焊弧和扩散焊；1965年和1970年出现了以激光束为热源的脉冲激光焊；20世纪末出现了搅拌摩擦和微波焊。焊接技术几乎运用了一切可以利用的热源，其中包括火焰、电弧、电阻热、超声波、摩擦热、等离子弧、电子束、激光、微波等。从19世纪末出现碳弧到20世纪末出现微波焊的发展来看，历史上每一种热源的出现，都伴随着

11、新的焊接方法的诞生，并推动了科学技术的发展。至今，焊接热源的研究与开发仍未终止，新的焊接方法和新的焊接工艺不断涌现，焊接技术已经渗透到国民经济的各个领域。科学技术的发展使新的焊接方法不断产生。20世纪80年代以后，焊接技术渗透到了社会经济和工业领域的各个方面，呈现出加速发展的趋势。在世界高科技市场竞争中，一些发达国家相继建立了各自的材料焊接研究开发中心，支持开发先进的焊接技术研究和应用。我国在材料焊接领域的研究和应用也取得了高速发展。焊接科学越来越引起更多国内外人士的关注，国内在先进焊接设备水平上与国外有一定的差距，但在工艺上研究水平和工程结构焊接应用上较为接近，在某些方面有自己的特色，例如航

12、空航天飞行器、三峡工程、奥运主体育馆建造等。随着我国经济建设的快速发展，焊接科学技术也取得了长足的进步。举世瞩目的载人航天、奥运工程、西气东输及高速列车等重大的焊接科学应用取得了辉煌的业绩。改革开放的大好形势，为焊接科学理论与工程技术的发展奠定了坚实的基础，并且创造了可持续发展的优良条件。尤其是大线能量焊接用钢的工艺性研究，在国内外也尤其的重视，因为现代发展中钢板被广泛用于诸如建筑、桥梁、压力容器、储罐、管线和船舶等基础建设和大型建筑中。建筑构件的大型化和高层化发展趋势要求钢板的厚度增加，同时具有更高的综合性能，包括更高的力学性能、高效的加工性能以及优良的抗腐蚀性能和抗疲劳破坏性能等。但是，随

13、着钢板强度的提高，其冲击韧度和焊接性能显著下降，焊接裂纹敏感性增加。特别是随着焊接线能量的提高，传统低合金高强钢的焊接热影响区性能(强度、韧性)恶化，易产生焊接冷裂纹问题，给大型钢结构的制造带来困难。由于焊接为厚板加工的主要方式，满足大线能量焊接性能也逐步成为各种钢种所具备的一种性能。所以，在追求高强度的同时，改善钢板的韧性以提高钢板的焊接性能越来越迫切。因此大线能量焊接用钢的工艺性研究，不仅能提高大型钢的生产效率，而起还能降低成本，有效的提高了国民经济又好又快的发展。焊接已经成为现代制造业不可缺少的加工方法。而且，随着科学技术进步和社会经济的发展，焊接科学与工程的应用领域还将不断地被拓宽。第

14、一章 绪论1.1论文相关研究背景20世纪70年代末,在船舶、石油、化工、水 电、城建等诸多领域,工程结构越来越朝着大型化、高参数方向发展,如大型原油储罐、大型球罐、海洋采油平台、大型管线、大跨度桥梁等。为提高大型工程结构的焊接效率,保证其使用的安全可靠性,焊接效率高的单面埋弧焊、气电焊、电渣焊等大线能量焊接技术相继被采用,这给传统的低合金高强度钢(HSLA钢)带来了新的课题,即焊接粗晶热影响区(CoarseGrainHeatAffectedZone简称CGHAZ)的强度和韧性变差,且易产生焊接冷裂纹等缺陷。为此,国内外相继开展了大线能量焊接用钢的研究。上世纪70年代末至80年代初期,日本几家钢

15、厂分别研制成功了焊接线能量可达50150kJcm的大线能量焊接用钢,如新日铁的SPV490Q、日本钢管的NK2HITEN590E2和NK2HIT2EN610E2、川崎制铁的RIVERACE690LPH和RIV2 ERACE710LPH等钢种,并申请了专利。武汉钢 铁公司于1996年在国内率先开展了s490MPa级大线能量焊接调质高强钢WH610D2的研制,并成 功用于国产10万m3原油储罐的建造。 大线能量焊接时,传统低合金高强度钢的CGHAZ强度会略有提高,但韧性极差,主要原因是奥氏体晶粒的严重长大以及二次组织由小热量输入多层多道焊时的回火马氏体+下贝氏体组织 转变为上贝氏体组织,而CGHA

16、Z的韧性是焊接结构中性能最薄弱的环节。研究结果表明,当大线能量焊接后的CGHAZ含有一定数量的针状铁素体(AF)时,将具有较高的强度和良好的低温冲击韧性。研究还发现,当焊缝金属中形成针状铁素体(AF)时,焊接接头抗解理断裂的能力增强,尤其是抗应力腐蚀和抗氢脆的能力明显提高,且AF 的含量越高,上述性能就越好。AF是过冷奥氏体在650500,于奥氏体晶内夹杂物上形核并长大,具有大角度晶界。因此,研究工作的重点集中在使CGHAZ获得一定数量的AF,并对AF的形成机制进行了研究。1.2论文相关研究的发展状况通过对提高钢大线能量焊接性技术的研究，目前国外以日本为代表的国家已经研制出很多适用于大线能量焊

17、接的钢种，其组织主要为铁素体和超低碳贝氏体。国内武钢研制了WGJ510C2和WDL610D2钢，具有较好的大线能量焊接性能，并申请了专利。此外，武钢还研制了大线能量焊接高韧性抗锌液腐蚀用钢。该钢以Nb、V等微合金元素提高钢的强度，采用Ti的复合氧化物获得50kJ/cm的抗大线能量焊接性能。如今对大线能量焊接用钢的应用已经非常广泛，其主要包括如下几个方面:船板钢：高强钢板用于造船目的在于减轻船身重量，降低油耗，也就是所谓的“节能船”。随着钢铁生产和船舶设计技术的发展，船用钢的屈服强度也从315MPa增加到355MPa。最近的趋势是使用屈服强度更高的高价值钢板，比如390MPa的屈服强度。日本已经

18、开发出系列适应大线能量焊接的船用板。如JFE公司采用MACS工艺研制了YP390船用厚钢板，该钢低N，含有少量的Nb并添加了REM-Ti，焊接接头在大线能量条件下仍具有良好的低温韧性。试验测试结果表明，钢板的性能以及在147274kJ/cm线能量下气电立焊接头的性能均满足使用要求。此外，日本还采用EWEL技术开发了YP355MPa级LPG低温船用板，抗拉强度520MPa，承受的焊接线能量为106kJ/cm；而其开发的Q390MPa钢板，在600kJ/cm的输入能量下仍具有良好的焊接性能。海洋建筑构件用钢：近年来，随着石油工业的发展，濒海构件也用到了极地和深海地区。随着强度的提高和厚度的增加，用

19、于濒海的钢板必须满足-40下的CTOD值，落锤试验时零脆转变温度TNDT低于-85以保证充足的断裂韧性和抗裂纹扩展能力。桥梁用耐候钢：现在的桥梁需要大量焊接。日本Kawasaki钢铁公司利用组织控制技术研制了超低碳贝氏体耐候钢SMA570WTMC，钢中加入了Ni、Cu、Cr、Mo和P合金元素，含碳量约0.02%。通过调整Mn量，按强度分为三个等级：400MPa级、490MPa级和570MPa级，钢板厚2575mm。在200kJ/cm的热输入条件下HAZ冲击功超过47J。用这些耐候钢制造的桥梁不用涂漆，降低了制造和维护成本。 建筑结构用钢：采用JFEEWEL技术，日本研制了包括SA440-E在内

20、的系列高韧性建筑结构钢，形成了从490MPa到590MPa的系列建筑结构钢。运用ACR技术严格控制了Ti、N含量，生产出60mm和100mm厚的SA440-E板材，其抗拉强度为590-740MPa，屈服强度约460MPa。在630kJ/cm埋弧焊和1000kJ/cm电渣焊条件下，HAZ无明显粗化，焊缝金属组织为细小的针状铁素体，奥氏体晶界处未发现粗大先共析铁素体。1.3论文相关研究设计的目的及意义钢板被广泛用于诸如建筑、桥梁、压力容器、储罐、管线和船舶等基础建设和大型建筑中。建筑构件的大型化和高层化发展趋势要求钢板的厚度增加，同时具有更高的综合性能，包括更高的力学性能、高效的加工性能以及优良的

21、抗腐蚀性能和抗疲劳破坏性能等。 但是，随着钢板强度的提高，其冲击韧度和焊接性能显著下降，焊接裂纹敏感性增加。特别是随着焊接线能量的提高，传统低合金高强钢的焊接热影响区性能(强度、韧性)恶化，易产生焊接冷裂纹问题，给大型钢结构的制造带来困难。由于焊接为厚板加工的主要方式，满足大线能量焊接性能也逐步成为各种钢种所具备的一种性能。所以，在追求高强度的同时，改善钢板的韧性以提高钢板的焊接性能越来越迫切。在科研人员们坚持不懈的努力，现阶段大线能量焊接用钢已经应用到了各行各业。应现代科技的发展趋势，大线能量焊接用钢厚度不但增加了很多，而且还具有更高的力学性能、高效的加工性能以及优良的抗腐蚀性能以及抗疲劳破

22、坏性能等。通过对大线能量焊接用钢的工艺性研究，不仅提高了建筑构件的大型化和高层化的工作效率，而且降低了生产成本，间接性的使人们的生活水平得到了提高。第二章 大线能量焊接用钢热影响区组织和性能的研究进展2.1大线能量焊接用钢CGHAZ的组织和韧性大线能量焊接用钢CGHAZ原奥氏体晶粒大小和二次组织是CGHAZ组织和韧性的两个决定性因素。原奥氏体晶粒越细小,CGHAZ的晶粒也越小,因而CGHAZ的韧性也越好;同时,希望在CGHAZ中得到一定数量的针状铁素体组织,该组织具有较大的应变和位错密度,位向杂乱,能较好地阻止裂纹扩展,因而使CGHAZ具有较高的韧性和强度。2.1.1奥氏体晶粒钢中的微合金化元

23、素形成纳米级碳或和氮化物在钢中弥散分布,阻止奥氏体长大,从而提高CGHAZ的性能。所形成的化合物熔点越高,这种作用就越明显。其中,研究Ti处理对微合金钢CGHAZ奥氏体晶粒长大的影响最多。陈茂爱等研究了Ti对HSLA钢焊接粗晶热影响区组织及韧性的影响,钢中弥散分布的TiN质点有效地阻止了奥氏体晶粒长大,从而为通过二次组织改善粗晶热影响区的韧性奠定了基础。其采用的钢中含Al量为0.045%,属于用强脱氧元素Al进行脱氧的HSLA钢,因而在其研究工作中,Ti以TiN形式存在。同时,还发现t85=120s时的vTr(27J)略低于t85=60s时的数值(t85:从800冷却到500的时间;vTr(2

24、7J):AKV=27J 时对应的温度),因为此时CGHAZ的奥氏体晶粒 长大幅度不大。还有研究发现,钢中细小弥散的TiN质点拖曳和钉扎了高温奥氏体晶界的迁移,TiN颗粒尺寸越小,数量越多,阻止奥氏体晶粒长大的作用越强。当钢中TiN接近理想化学配比3.42时,形成的TiN颗粒尺寸相对最小,数量最多。研究工作还探讨了复合添加Nb、Ti对微合金 钢CGHAZ奥氏体晶粒长大的影响。析出的(Nb、Ti)N比TiN尺寸更细小,更稳定,数量更多,可进一步细化高温奥氏体晶粒。但是,Nb对奥氏体晶粒的细化作用与钢中有效的TiN比值有关。2.1.2 二次组织 焊接热循环后,HSLA钢的CGHAZ将获得除 针状铁素

25、体外,还含有晶界铁素体、珠光体、M2A 岛的二次组织。这些组织中,AF对提高CGHAZ的韧性极为有利,而其它的组织都不同程度地使韧性下降。 从已有研究成果来看,主要是研究化学成分对二次组织形成的影响,并通过不同焊接线能量深入探讨化学成分对二次组织的影响。含Ti微合金钢的二次组织,由于钢中弥散分布的TiN质点有效地促进了针状铁素体的形成, 从而显著改善了粗晶热影响区的韧性。t85=60s时的组织以上贝氏体为主,而t85=120s时的组 织以针状铁素体为主,也就是说,随着焊接线能量提高,二次组织由以上贝氏体为主逐渐转变为以针状铁素体为主。而且珠光体的形态由非层片相间转变为层片相间,M2A岛由条状变

26、为块状,数量 减少,因而使韧性得以提高。t85=120s时的vTr(27J)还略低于t85=60s时的数值,虽然CGHAZ的奥氏体晶粒长大幅度不大,但组织改善 的有利作用大于奥氏体晶粒长大的有害作用。有学者研究了V(0、0.05%、0.11%)和Nb(0、0.03%)对低碳微合金钢CGHAZ的组织和性能的 影响。含0.05%V时,CGHAZ的晶粒最细小,韧脆转变温度最低,M2A岛的尺寸和面积百分数都最小;含0.03%Nb时,M2A岛的尺寸和面积百分数都最大,因而CGHAZ性能最差。M2A岛是使CGHAZ韧性恶化的最重要的因素。关于晶界铁素体、珠光体、M2A岛等二次组织 的形成机制,形成了比较一

27、致的认识。晶界铁素体是CGHAZ在奥氏体化后首先发生相变的产物,故也称先共析铁素体,沿原奥氏体晶界呈网状分布,形成温度范围为900700。M2A岛是在连续冷却过程中分布在块状铁素体基体上的富碳奥氏体区连续转变的产物,常存在于侧板条铁素体边界上。化学成分和冷却速度是控制上述二次组织的最主要的因素。2.2针状铁素体的形核机理近年来,日本学者将钢中有害夹杂物变性为有益的细小、弥散分布的孕育剂,从而改变夹杂物对钢材性能的影响,提高钢材强度和韧性的方法 称为氧化物冶金。氧化物冶金引起了相当多的研究,因为在微量变形或没有变形的情况下能使晶粒细化。氧化物冶金技术最早用于细化焊接特殊钢接头晶粒,因为焊接CGH

28、AZ晶粒倾向恶化,而又不能通过变形使其细化。目前,虽然关于针状铁素体(AF)的形核机理论说较多,但一致公认的是,无论是钢板,还是焊缝金属中,针状铁素体是以晶内夹杂物为形核核心形成的。2.2.1 作为针状铁素体形核核心的氧化物种类针状铁素体很少直接从夹杂物形核,析出相首先从夹杂物上析出,然后针状铁素体从析出相形核。TiN、BN和MnS从Ti2O3或TiO上析出,然后整个析出相作为铁素体的形核核心。还 有研究工作报道,MnS在夹杂物上析出,然后VN或V4C3在MnS上析出,该复合析出物对铁素体形核尤为有利。还有报道说,不需要借助于夹 杂物,TiN本身即可作为针状铁素体相变的形核核心。更进一步的研究

29、表明,析出相更倾向于从某类夹杂物形核。因为这类析出相与夹杂物具有良好的共格关系。有研究报道,阳极空位型夹杂 物吸附Mn,使MnS易于在其上析出。如果炼 钢过程中用Mn、Si、Zr代替Al脱氧时,MnS在夹杂物上析出的现象更易于观察到。关于该现象,有人提出了这样的机制:液态时,含Mn的夹杂 物对Mn的溶解度高,冷却过程中,MnS在夹杂物表面析出,该MnS就是针状铁素体优先形核的位置。KohichiYamamoto等人研究了B对含Ti2O3 钢焊接热模拟试验后HAZ的组织和韧性的影响。Ti的夹杂物以Ti2O3形式存在,Ti2O3具有阳极空 位,使MnS和TiN在其上优先形核。MnS被吸附到Ti2O

30、3后,就在Ti2O3附近形成了一个贫Mn区,吸附了TiN和含有贫Mn区的Ti2O3作为晶内铁素体(IntragranularFerrite简称IGF)的形核核心。B偏聚到奥氏体晶界,抑制了晶界铁素体的形核。Ti2O3和奥氏体基体之间的界面上,铁素体形核不 受B含量的影响,因为B被Ti2O3上的阳极空位吸附,形成了贫B区,因此,含Ti2O3的钢中加B,促进了细小的IGF的形成,即使经过大线能量焊 接,HAZ仍具有较好的韧性。关于针状铁素体形核时夹杂物所起的作用,哪类夹杂物更有利于作为针状铁素体(AF)形核核心,能促使AF形成的夹杂物需要什么特征,目 前还不清楚。各种研究成果报道,某一类型的夹 杂

31、物才能作为AF的形核核心,细氧化物夹杂,稀土氧硫化物上析出的硼氧化物,富 Al的夹杂物,TiN ,都可作为AF的形核核心。Bhatti等认为,富Al的夹杂物比富Mn的夹杂更有利于AF形核,因此,化学成分是控制AF 形成的首要因素。然而,Dowling等发现,AF的数量与氧化物成分及组成没有任何关系。综上所述,关于夹杂物上析出相优先形核及夹杂物和析出相上针状铁素体形成的研究报道很多,大多数研究都是实验现象的分析,定量研究做得很少,研究工作的结论不尽一致。在该领域的研究还须继续进行,包括丰富界面能的数据及建立氧化物冶金中针状铁素体形核的模型。药芯焊丝焊缝中的夹杂物对针状铁素体形成 的影响规律的研究

32、表明 ,焊缝金属中促进针状铁素体形成和长大的夹杂物是Ti、Mn、Si、Al、Cu形成的氧硫复合夹杂,而焊缝金属中Ni、Mo、Mn的含量和焊接线能量对非金属夹杂物的尺寸大小及化学成分影响很小。夹杂物的直径在013210m之间才能促进针状铁素体形核长大。具有高能惰性界面的夹杂物能促进针状铁素体形核长大;同时,非金属夹杂物与母相的线膨胀系数相差较大,在非金属夹杂物附近造成很大的应变能,也能促进针状铁素体形核长大。张德勤等人对微合金钢焊缝金属中夹杂物的尺寸、化学成分及其对针状铁素体形成的影响进行了研究。夹杂物在焊缝中心最多,在熔合线附近最少,随着焊接线能量增加,夹杂物尺寸变大,数量变化不明显。约90%

33、夹杂物的直径在013016m之间,在该尺寸范围内的夹杂物才能习天辉等:大线能量焊接用钢热影响区组织和性能的研究进展促进针状铁素体形核长大;夹杂物是多个物相组成的复合物,组成夹杂物的物质有:MnO2、3MnOAl2O3SiO2、TiN、CaO2Al2O3、2Al2O3等。2.2.2 作为针状铁素体形核核心的夹杂物的尺寸 余圣甫等人32 用SEM和TEM研究了高韧性DW2100型药芯焊丝焊缝金属的显微组织,测定了焊缝金属中非金属夹杂物的尺寸。夹杂物的尺寸分布在最能促进针状铁素体形核的范围(0172 m) ,焊缝金属中针状铁素体达到90%时,-20时的断裂韧性特征值012可达01151mm。他们还进

34、一步研究了低合金高强度钢药芯焊丝焊缝中夹杂物尺寸大小、化学成分与针状铁素体形成的 关系。无论是酸性还是碱性药芯焊丝,夹杂物的直径在017210m之间,有利于促进针状铁素体形核长大。 Tae2KyuLEE对低合金钢焊缝金属中夹杂物的大小作了细致的分析,根据其是否能作为针状铁素体形核核心,将夹杂物分为形核核心和非形核核心两类,而每一类又细分为两种不同的情形。能有效作为形核核心的夹杂物,尺寸范围为012110m之间。 所选用的实验钢化学成分不同,得出的最能促进针状铁素体形核的夹杂物尺寸范围也有所不同。不管在什么情况下,只有一定尺寸范围的夹杂物才能作为针状铁素体形核核心。2.2.3 针状铁素体形核机制

35、学说 针状铁素体形核机理都是关于Ti2B系钢,主要学说有以下3种:（1）形核夹杂物与基体和针状铁素体之间具有良好的共格关系,从而降低界面能,使针状铁素体很容易从析出相上形核。（2）在高应变区的夹杂物上形核。贫Mn区或和贫B区、夹杂物与基体之间热膨胀系数不同,造成高应变区,应变能提供形核能。（3）夹杂物提供的高能惰性表面,针状铁素体在夹杂物表面上形核,从而降低形核的势垒。早期的研究工作认为 ,夹杂物与AF之间小的错配度将促进针状铁素体(AF)形核,也就是说与AF具有良好共格关系的夹杂物对AF形核最有利。甚至有人认为,在夹杂物和AF片条之间可能存在取向关系,并在含V钢中进行了 实验观察。在不同的焊

36、缝金属中进行了类似的研究,但没有再现AF和夹杂物的位向关系。直到现在,焊缝金属中AF与夹杂物的位向关系仍没确立。形核核心与针状铁素体(AF)之间界面错配度低,该核心为非均质核心,如果AF与奥氏体及夹杂物具有一定的位向关系,则夹杂物易于作为形核核心。如果形核过程中形成了低错配底界面,AF和形核核心之间是有一定位向关系,而与奥氏体基体没有位向关系。但是,在很多研究中 发现,由一个夹杂物可形核长大成4个不同位向的AF,这意味着所形成的AF与夹杂物没有任何位向关系。实际上,从钢液中形成的夹杂物与奥氏体的位向关系是随机的,所形成的针状铁素体与原奥氏体晶粒的位向关系是有限的,这是由贝氏体转变的特征决定的,

37、这意味着夹杂物与铁素体的位向关系是随机的,因此,基于低错配度界面的机制是不成立的。另有研究工作认为,奥氏体与夹杂物热膨胀系数的差异所导致的热应力能促进针状铁素体(AF)形核并长大,该观点的主要依据是奥氏体和不同类型夹杂物的热膨胀系数具有很大的差异。如果该机制起作用,那么,它将对所形成AF的淬硬性和随后的相变产生相当大的影响。然而,该 学说被另外的学者否定,他们计算了由此产生的应变能,该应变能远小于相变能。除此之外,还有学者认为夹杂物附近的成分起伏对针状铁素体(AF)形成起主要作用。Farrar 和Watson最早认为,夹杂物附近的微区化学成分差异尤其是Mn含量差异,促进AF的形成。 Mabuc

38、hi等利用纳米探针成功地在MnSF基体上发现了贫Mn区,贫Mn区是因为在冷却过程中,MnS在(Mn、Si)O夹杂物上析出,并认为这是促进AF形成的最主要因素。另外一些关于贫Mn 区的工作是由Shim和Gregg等人进行的,他们发现该贫Mn区位于Ti2O3粒子附近,Ti2O3中含有大量的阳极空位,从基体中吸附Mn,因而在Ti2O3粒子周围形成了贫Mn区。 冷却过程中,夹杂物周围存在贫Mn区,该贫Mn区最有利于针状铁素体(AF)形核。实验观察到了上述两种现象,但该现象只是在热处理试样中出现,在实际施焊的焊缝隙金属中还没有观察到。在焊接热循环试验中,Mn扩散时间有限,看来很难形成贫Mn区。考虑所实际

39、施焊的焊缝金属中没有这样的相,研究者们认为贫Mn的界面 层不会起到形核核心的作用。Ricks等和Bhatti等否认了贫Mn区机制,因为在他们的研究工作中根本没发现在夹杂物附近Mn和Si的含量波动。目前,有些学者比较认同焊缝金属中夹杂物作为高能惰性界面的机制,针状铁素体在夹杂物表面上形核,从而降低形核的势垒。综上所述,夹杂物在针状铁素体(AF)形成中特殊钢的作用还远没弄清,甚至有些机理是互相矛盾的。第三章 大线能量焊接船体钢的研究当前，世界造船业正以迅猛势头向前发展。据英国劳埃德船级社统计 ，2002年全球新船承接总吨位为3060万t，2007年全球新船订单达到创纪录的24 090万载重t，比2

40、006年增长403；截至到2007年年底全球手持船舶订单50 150万载重，同比增648 ，其中中国承接新船占32。近年来，中国造船业飞速发展， 20012007年问，我国造船完工量年均速度增长 28，尤其是“十五”后三年，年均增速超过 40。据专家预测 ，10年后中国将成为世界造船中心。为了满足造船业大型化、高速化、自动化的发展要求，船体用钢也正朝着高强、高韧 、大厚度的方向发展。焊接是船体制造的关键环节，约占船舶制造成本的 17左右。随着船板厚度规格的增加，焊接效率成为船体建造关注的重要问题。大线能量焊接技术的发展和应用，显著提高了焊接施工效率，节省了船舶建造焊接成本，成为现代造船业高效制

41、造的重要手段。大线能量焊接具有焊接速度快、施工道次少、效率高等优点，但伴随焊接线能量的增加，钢板焊接热影响区高温停留时间延长、相变冷却速度减慢 ，导致热影响区 (HAZ)奥氏体晶粒急剧长大，并形成大量的侧板条铁素体组织，大大恶化焊接热影响区的韧性。多年来，人们在改善钢的焊接性方面开展了大量的研究工作。TiN技术被首先应用于改善大线能量焊接热影响区的韧性。细小弥散分布的TiN粒子在焊接过程中能钉扎奥 氏体晶界 ，阻止焊接热循环过程奥氏体晶粒的长大。但随着线能量的进一步提高，TiN粒子将会因Oustwald熟化过程发生长大、重熔 ，从而失去对奥氏体晶粒长大的抑制作用 。1990年，日本新日铁研究人

42、员首次提出“氧化物冶金”(Oxide Metallurgy) 的技术概念，为大线能量焊接用钢的发展提供了新思路。利用钢液中形成的高熔点氧化物质点， 一方面阻止焊接热循环过程奥氏体晶粒长大，另一方面促进晶内针状铁素体的形核，从而有效细化大线能量焊接时热影响区组织，改善了HAZ的韧性。目前，日本新日铁公司利用“氧化物冶金” 技术已开发 出焊接线能量超过500kJcm大线能量焊接高强度船体用钢 (YP390)，并且正在研制更高强度级别的大线能量焊接船体用钢 (YP460) 。 我国大线能量焊接船体用钢的研究工作还处在起步阶段。本章在总结国内外大线能量焊接用钢研究成果的基础上，重点介绍了不同脱氧方法对

43、船体钢中氧化物夹杂类型 、数量、尺寸和分布影响的最新研究结果，并模拟了不同热输入的大线能量焊接，研究了不同焊接线能量对热影响区组织和低温韧性的影响。3.1国内外大线能量焊接用钢的研究进展大线能量焊接时，熔合线附近在焊接瞬间将达到13501400以上的高温，奥氏体晶粒急剧长大；焊接冷却过程中，粗晶奥氏体将转变成粗大的沿晶先共析铁素体、魏氏组织铁素体(侧板条铁素体)以及粒状贝氏体等组织，导致 HAZ韧性急剧下降。为解决大线能量焊接热影响区的韧性问题，国内开展了大线能量焊接用钢的研究工作。主要的改善措施可总结为如下三个方面： (1)低c含量及低碳当量合金设计(2)HAZ晶粒控制技术 (3)HAZ组织

44、控制技术 图1士出了改善船体钢大线能量焊接热影响区韧性的主要措施和方法。 大量研究结果表明，钢中的碳含量和碳当量对焊接冷热裂纹的产生起决定性作用。微合金化和TMCP技术的应用为降低钢中的碳含量、碳当量 ，改善钢的焊接性奠定了基础。TMCP类型高强度低合金钢是在CMn钢的成分基础上，通过微合金化、控制轧制等手段，依靠晶粒细化、析出强化的强化机理 ，使 F十P钢在更低碳含量和碳当量的条件下获得了高强度、高韧性配合，大大改善了钢的焊接性。 TiN技术是最先被用于控制焊接 HAZ晶粒长大 、作为改善钢的焊接性的重要片段。研究发现，钢中细小弥散分布的TiN质点拖曳和钉扎了高温奥氏体晶界的迁移，TiN颗粒

45、尺寸越小、数量越多，阻止奥氏体晶粒长大的作用越强。然而，随着焊接线能量要求的不断提高，由于TiN颗粒在高温条件下的不断粗化和溶解，TiN阻碍奥氏体晶粒长大的作用 被大大削弱。因此，TiN技术在满足更大焊接线能量用钢方面的应用受到了限制。 最新的研究结果表明，通过控制焊接HAZ组织的方法对提高钢的焊接最为有效。 “氧化物冶金”技术为大线能量焊接用钢的发展开辟了新途径。大线能量焊接时，HAZ奥氏体 晶粒急剧长大，导致HAZ得到粗大的晶界铁素体、沿着晶界向晶内生长的侧板条铁素体 (魏氏组织)以及硬质相MA等，焊接热影响区低温韧性显著下降。采用TiO、Mg(一Ti)一O、TiB等处理技术，通过利用细小

46、的Ti氧化物促进晶内针状铁素体形核，显著改善 了焊接热影响区的组织，从而提高钢的大线能量焊接适应性。利用“氧化物冶金 ”技 术，日本已开发出焊接线能量高达500kJcm的大线能量焊接用钢。3.1.1 TiO处理技术 二十世纪70年代在焊缝金属中发现氧化物夹杂能改变焊缝的组织结构，并促进晶内铁素体的形核，从而提高焊缝的韧性和强度。 日本学者在 1990年名古屋国际钢铁大会上提出的“氧化 物冶金”技术思想，使钢中的夹杂物变害为利。 通过在钢中形成细小(颗粒直径 31_un)均匀分布的高熔点氧化物夹杂，改变了大线能量焊接 HAZ粗大的组织状态，从而保证了HAZ具有良好的韧性水平。研究发现，利用 Tj

47、的细小氧化物夹杂可以促进晶内针状铁素体形核，且在一个氧化物粒子上同时有多个针状铁素体生成。这种针状铁素体组织相互交错排列，而且铁素体片上位错密度极大，能够较好地阻止裂纹的扩展，因此这种组织具有更好的韧性。利用 TiO技术开发的大线能量焊接用钢，可使焊接线能最提高到200kJcm I副以上。利用TiO改善钢大线能量焊接性的技术关键是如何在钢中得到大量弥散分布的细小氧化物夹杂。使氧化物在凝固过程中析出是使钢中氧化物弥散分布的一个有效办法。在通常的Al镇静钢中，由于Al具有较强的脱氧能力，钢中的溶解氧含量很低，凝固过程中析出的氧化物也很少。 因此，可以利用Si、Mn、Ti等弱脱氧元素先期脱氧，使凝固前的钢液中保持一定的自由氧。由于 TiO处理技术在工业生产中实现起来十分困难，目前只有以新日铁为首的日本少数几家大钢厂将氧化物冶金技术成功地应用到造船、管线、石油储罐和海洋平台用钢上 。 3.1.2 Mg处理技术 微量Mg(Mg 0005)添