高强钢低匹配焊缝组织与性能分析开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

随着工程机械向大型化、轻量化发展,高强钢被广泛应用于工程机械结构件的制造[1]。国外先进钢铁企业如JFE、新日铁住金、SSAB、蒂森克虏伯和安赛乐米塔尔开发的工程机械用高强钢品种全、质量好,具有高强度、高韧性、 优良的焊接性和成形性等特点。国内工程机械用高强钢的开发起步较晚,强度级别和品种质量都与国外存在一定的差距[2]。广泛用于石油、化工、气体分离和贮运气体的压力容器使用条件苛刻,多数容器内装有易燃易爆气体,并具有一定压力,容易发生爆炸事故。因此,要求压力容器钢具有较好的韧性。此外,压力容器绝大多数由钢板拼焊而成。在制造过程中钢板要经受冷热加工和焊接,所以要求压力容器钢具有良好的工艺性能[3]

对于我国这样一个人口资源大国,压力容器钢板是关系到国计民生的特殊材料,是冶金行业的短线产品。近年来,我国锅炉、压力容器用钢板不仅在产量上具备了一定规模,而且部分企业在实物质量上也逐步接近发达国家锅炉、压力容器用钢板的水平。到目前为止,我国已形成了具有一定生产规模、规格日渐增多、质量逐步提高的锅炉和压力容器用钢板的生产体系。目前,世界各国均将压力容器列为重要的监检产品,由国家指定的专门机构,按照国家规定的法规和标准实施监督检查和技术检验。随着压力容器的应用范围不断扩大(如应用于海洋工程及寒冷地区),对压力容器用钢也不断提出了更高的强韧性要求。如何在保证其高强要求的前提下,保证其较好的韧性及工艺性能,仍然是高强钢进一步发展、完善的所要解决的首要问题。

为满足压力容器的最低强度要求,通常需要在普通碳素钢的基础上添加少量Mn、Si,低合金高强钢以Mn为主加元素符合我国的资源特点,所以C-Mn系低合金高强钢是压力容器一种较常使用的钢材,Mn系贝氏体钢便是其中之一。20世纪70年代方鸿生教授等人研究发现[45]:Mn元素在钢的冷却过程中,在γ、α两相中浓度并无较大差别,但在γ/α界面富集程度很大。Mn在相界面的浓度的浓度峰势必对界面迁移产生拖曳作用,使得铁素体生长显著延迟。另外Mn在界面富集也降低了相界面附近奥氏体基体内碳的活度及活度梯度,导致碳在奥氏体中的扩散速度降低,进一步抑制了铁素体生长。此拖曳作用还显著降低贝氏体相变驱动力及贝氏体相变温度,细化贝氏体尺寸。同时Mn还具有一定的脱氧、脱硫效果,可改善钢材热加工性能。最基本的便有我国的GB3531中的16MnDR,这类钢产量高使用面广,在承压设备中用量较大,使用时间长,制造工艺比较成熟[6]

不过由于Mn、C、Si含量必须控制在一定范围内,否则导致钢的韧性下降,且产生氢致裂纹的倾向增大,所以仅仅添加Mn、Si无法满足强度要求更高的结构件。方鸿升、徐光平、冯春等人对此作了进一步研究[78],通过控制Mn含量在一定范围内,通过降低C含量并添加Cr、Ni进一步得到C-Mn-Si-Ni/C-Mn-Si-Cr合金系的无碳化物贝氏体/马氏体(CFB/M)复相高强钢,可消除碳化物的不良影响,由残余奥氏体代替碳化物减少裂纹源,同时引入氢陷阱,减小延迟裂纹(氢致裂纹)的影响;此外还有仿晶界铁素体/粒状贝氏体(FGBA/BG)高强钢,仿晶界铁素体可以使裂纹尖端钝化,防止裂纹迅速扩展。

随着我国冶金设备的发展,以TMCP为代表的控冷工艺逐渐可以实现。同时BQamp;P工艺的引入使Mn系贝氏体钢不仅能够保证高强度,同时其塑性、韧性均较好,从而无须添加过多较为贵重的Ni,而采用廉价的Mn、Cr、Si即可,大大节省了生产成本,显著提高经济效益。不过,由于贝氏体组织的复杂性,现阶段运用数值模拟软件对部分Mn系贝氏体钢加热/冷却的组织转变进行精确计算仍存在较大困难,还需要研究者不断攻克。

除贝氏体高强钢外,调制高强钢是压力容器另一种常用的高强度钢,常见的调制高强钢包括07MnCrMoVR、07MnNiMoVDR及12MnNiVR等。低合金钢通过淬火+高温回火,室温组织以均匀分布的回火索氏体为主,为了保证强韧性匹配较好,通常低合金调制钢含碳量较低。

上海交通大学李传维、韩利战、刘庆冬等人对回火温度及回火时间对压力容器用钢(SA508Gr.3)的组织性能的影响进行了专门的研究。对回火时间的研究表明[9],SA508Gr.3 钢在650℃ 回火时,材料的硬度和强度逐渐下降,材料的冲击韧性随着回火时间的延长先上升,至5h 时,材料的冲击韧性达到峰值,随后材料的冲击韧性逐渐下降。回火过程中,材料中的M/A首先分解为铁素体和堆积的碳化物,脆性相的分解显著提高了材料的冲击韧性,随后马氏体中的细小板条首先合并,碳向铁素体基体扩散,至5h时,材料的组织最为均匀,没有明显降低冲击韧性的新相生成,此时冲击韧性达到最大值。继续延长回火时间,贝氏体铁素体板条发生合并再结晶,同时基体中均匀析出M2C

SA508Gr.3钢淬火后得到的组织为粒状贝氏体和少量下贝氏体的混合组织,在 5 8 0 -6 4 0 ℃ 区间回火5h,显微组织均为铁素体基体和在原M/A岛处堆积的Fe3C碳化物 ;在650℃回火5h后,M/A岛分解得到的细小板条发生合并和粗化,Fe3C碳化物转发生球化和长大,新形成的M2C碳化物弥散分布在铁素体基体中;当温度升高至660℃及更高,发生明显的铁素体再结晶,并在晶界处观察到新生成的M/A岛组织。随着回火温度的提高,材料的冲击吸收功首先从142J增加到 252J(650℃),随后降低至47J,而其抗拉强度呈现出相反的趋势。研究表明[10]:除了基体组织的软化效应、铁素体再结晶,第二相的形貌和分布外,M/A岛的状态能够明显改变诱发裂纹萌生的临界断裂应力,是影响SA508Gr.3钢性能的一个关键因素。因此,对调制刚而言,回火时间、回火温度是影响钢材性能的重要因素,在实际生产中必须予以严格的控制。

对于用于低温环境的调制高强钢,从安全性考虑,大部分储罐选择了低温钢材并且丙烯和乙烯储罐的设计温度由20世纪80年代的-20~-35℃,降到当今的-30~-50℃,还出现了乙烯设计温度选用-104℃的先例。1985年前,我国压力容器调质高强度钢几乎全部依赖进口,特别是日本低裂纹敏感性调质高强度钢。GB150-1989 首先将国产低温压力容器用调质高强度钢列入,经过十余年的努力,完善了我国压力容器调质高强度钢标准。

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