微鋯鋼大熱輸入焊接熱影響區(qū)性能及組織演變規(guī)律的研究.pdf

1、近年，隨著鋼鐵構(gòu)件的大型化和大跨度化，焊接作為鋼材二次加工的重要環(huán)節(jié)越來越被重視，為了節(jié)約焊接工時，降低構(gòu)件制造成本，大熱輸入焊接新技術(shù)被廣泛應(yīng)用于造船、海洋工程、大型儲罐和高層建筑等大型裝備制造領(lǐng)域。由于鋼材在大熱輸入焊接過程中，熔合線附近的粗晶熱影響區(qū)(Coarse Grain Heat Affected Zone，CGHAZ)溫度通常在1400℃左右或者更高，極容易導(dǎo)致奧氏體晶粒粗化并在焊后的冷卻過程中生成上貝氏體(Upper B

2、ainite，UB)、側(cè)板條鐵素體(Side Plate Ferrite，SPF)等脆性組織，造成焊接接頭的強度和韌性惡化，嚴(yán)重影響構(gòu)件的使用安全和服役性能。在此背景下，基于大熱輸入焊接的粗晶熱影響區(qū)組織性能控制技術(shù)及其對應(yīng)鋼種的研究開發(fā)備受關(guān)注。本文擬根據(jù)大熱輸入焊接用鋼的工藝特點及作用原理，從合金元素選擇、物理冶金工藝優(yōu)化、焊接熱影響區(qū)連續(xù)冷卻相轉(zhuǎn)變行為、第二相粒子釘扎奧氏體機制和晶內(nèi)針狀鐵素體(Acicular Ferrite，A

3、F)形核機制等方面，研究分析微鋯鋼大熱輸入焊接熱影響區(qū)性能及組織轉(zhuǎn)變規(guī)律。論文的主要研究工作及成果如下：
　　(1)根據(jù)氧化物冶金技術(shù)的基本原理，合理設(shè)計大熱輸入焊接用鋼的化學(xué)成分;制定出能夠有效抑制奧氏體晶粒長大、促進晶內(nèi)針狀鐵素體(AF)形核，改善大熱輸入焊接熱影響區(qū)韌性的工藝路線。
　　(2)利用Formastor-Ⅱ型全自動相變儀，對焊接熱影響區(qū)組織的相變行為進行了系統(tǒng)研究，繪制出微鋯鋼焊接熱影響區(qū)連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變SH-

4、CCT圖。
　　(3)研究分析了Zr對鋼中夾雜物的影響規(guī)律。結(jié)果表明，由于ZrOx和MnS有著相近似的晶體結(jié)構(gòu)，因此添加適量的Zr元素有助于鋼中MnS的球化，將長條狀的MnS夾雜轉(zhuǎn)變成以ZrOx為核心的球形復(fù)合夾雜，該復(fù)合夾雜物，具有較好的熱穩(wěn)定性，能有效地釘扎奧氏體晶界，阻止奧氏體晶粒過分長大。
　　(4)通過改變熱處理工藝，研究分析了不同原始奧氏體晶粒尺寸下晶內(nèi)AF組織的演變規(guī)律。結(jié)果表明，晶內(nèi)AF的數(shù)量隨奧氏體晶粒尺寸

5、的增加而增大，其原因是奧氏體晶粒尺寸的增加，降低了奧氏體晶界面積，從而減少了晶界鐵素體組織的潛在形核位置，有利于晶內(nèi)AF在夾雜物上形核;在冷卻條件相同的情況下，奧氏體晶粒尺寸小于臨界奧氏體晶粒尺寸時，相變以晶界鐵素體相變?yōu)橹鳎笥谂R界奧氏體晶粒尺寸時，相變以晶內(nèi)AF相變?yōu)橹鳌?br>　　(5)對粗晶熱影響區(qū)中M-A組元的研究結(jié)果表明，含Zr鋼中的M-A組元尺寸要明顯小于不含Zr鋼中的M-A組元尺寸。當(dāng)M-A組元的平均尺寸從5μm減小到

6、2.2μm時，臨界應(yīng)力σc從1941 MPa增加到2926 MPa，M-A組元臨界應(yīng)力σc越大，則M-A組元越不易產(chǎn)生裂紋，降低粗晶熱影響區(qū)中M-A組元的尺寸是提高大熱輸入焊接熱影響區(qū)韌性的有效途徑。
　　(6)利用電子探針電子顯微鏡等對微鋯實驗鋼中促進AF在粗晶熱影響區(qū)中形核的夾雜物分析結(jié)果表明，由于Zr的離子半徑與Mn的離子半徑相接近，在Zr的氧化物周圍容易形成錳貧瘠區(qū)，增加了奧氏體向鐵素體相變的化學(xué)驅(qū)動力，促進了AF在橢球形

7、Zr和MnS組成的復(fù)合夾雜物上形核并且長大。因此，鋼中添加適量的Zr元素有助于促進粗晶熱影響區(qū)中AF的形成，改善大熱輸入熱循環(huán)后粗晶熱影響區(qū)的沖擊韌性。
　　(7)在熱輸入能量為100至1000 kJ/cm的范圍內(nèi)，研究分析了微鋯實驗鋼粗晶熱影響區(qū)沖擊韌性與焊接熱輸入的關(guān)系。結(jié)果表明，實驗鋼在100～1000 kJ/cm的熱輸入范圍內(nèi)-20℃沖擊功均大于123J，說明微鋯試驗鋼具有很好的粗晶熱影響區(qū)低溫沖擊韌性。研究過程中還發(fā)現(xiàn)，

8、實驗鋼的-20℃沖擊隨熱輸入的增加呈先上升后下降的趨勢變化，其原因是粗晶熱影響區(qū)沖擊韌性不僅與晶內(nèi)AF的數(shù)量、大小和分布狀態(tài)有關(guān)還與原始奧氏體的晶粒尺寸有關(guān)，適當(dāng)增大原奧氏體晶粒尺寸，能減少奧氏體晶界的總面積，從而使晶界鐵素體潛在的形核位置減少，有利于相變向晶內(nèi)偏移，增加晶內(nèi)AF在夾雜物上形核并長大，提高大熱輸入焊接熱影響區(qū)的沖擊韌性。
　　(8)研究分析了大熱輸入粗晶熱影響區(qū)中晶內(nèi)AF的形核和長大機制，認(rèn)為在相變發(fā)生初期，一次A

9、F首先在夾雜物上形核并長大，在隨后的相變過程中，由于一次AF上面存在大量的位錯提供了碳擴散的通道，加速了界面周圍碳的擴散，造成了一次AF界面碳濃度梯度，為二次AF在其界面形核提供了驅(qū)動力。二次AF的數(shù)量要遠遠多于一次AF，因此，二次AF對阻止裂紋的擴展，改善熱影響區(qū)的韌性起了主要的作用。
　　(9)氣電立焊實物實驗的結(jié)果表明，微鋯試驗鋼在經(jīng)過熱輸入為120 kJ/cm的大熱輸入焊接后后，距離熔合線1mm處的熱影響區(qū)沖擊功在100J