（材料加工工程专业论文）800mpa级针状铁素体马氏体双相钢厚板的研制.pdf

东北大学博士学位论文一和0 咖阻级针状铁素体马氏体双相钢厚板的研制 摘要 本文在分析铁素钵马氏体双福钢研究现状以及针状铁素体优势的基础上指 出了当前双相钢研究中的不足之处，探讨了开发热轧双相钢厚板的意义和应用前 景，重点指出开发针状铁素体马氏体双檑锈的必要性，提出了本文的研究目标， 并确定了本文的研究思路和主要研究内容。 首先采用材料设计的基本原理和方法，从焊接性、针状铁素体的形成条件以 及经济性出发，考虑各种化学成分的影响，设计了热聿针状铁索体马氏体双相钢 厚板：的化学成分。接着从开发强度级别为8 0 0 m p a 低屈强比热轧双相钢出发，从 理论上得出了满足此种要求的轧制工艺制度；根据热轧双相钢厚板的合金成分和 轧制工艺特点，初步设计了试验钢的轧制工艺路线。通过对设计的l ，种不同成 分的试验钢，采用不同的热轧工艺，从屈强比、强度等设计要求和降低成本角度 优选出钢的合金元素的最佳范围为：c o 0 5 - 0 1 ，s i 0 3 0 - = 0 5 0 咙，m n l 5 0 2 0 ， p o 0 1 5 ，s 0 ，0 1 0 ，t i 0 0 1 - q 。0 2 ，n b 0 0 3 - 0 0 6 n i 0 2 0 - 0 ，3 0 和a 1 0 ，0 2 0 0 0 5 0 。 从微观组织的角度对试验钢良好的综合力学性能的原因进行了深入研究。实 验结果表明，试验钢优异的力学性能归因于合理的化学成分和工艺，及其台理添 加微台金元素，在这些综合因素条件下，得到了具有细小晶粒的针状铁索体都马 氏体双相组织。大量的铁素体和马氏体小角度晶界的存在：大大提高了材料的韧 性。析出相粒子的结构分析表明，商温析出韵m 碳氯纯物，可作为后续n b 和v 碳氮化物析出的形核核心；n b 既可依附于t i 的碳氮化物析出，也可单独形成 n b 碳氮化物；v 碳化物则主要依附于先析出的m 和t i 碳氯化物作为核心而析 出。而n b 、t i 的碳氮化物可艟会成为针状铁素体的形核核心。 采用热模拟方法研究了工艺参数( 包括加热温度、变形温度、变形量、停冷 温度以及冷却速度) 对优选成分的试验钢板显微组织的影响，并测定了试验铜的 c c t 曲线。结果表明，不同工艺参数对最终产品的组织有不同的影响：加热温 度不适宜太高；变形需要进行再结晶和非再结晶两阶段控制，且变形量需要台理 的分配；轧后需要进行段时间的弛豫待温，而冷却速度和停冷温度也要控制在 一定的范围之内。另外，该钢种的c c t 曲线虽没有明显的卷取窗口，但铁素体 摘要 ( 包括多边形铁素体和针状铁素体) 转变区范围很大，即存在很大的冷却速度窗 口，贝氏体转变区明显左移且右端封1 ：3 。根据不同工艺参数对试验钢显微组织的 影响，从而提出了试验钢的轧制和冷却工艺制度为：加热温度1 1 0 0 1 2 0 0 ，第 一阶段终轧温度1 0 0 0 - 1 1 0 0 。c ，总变形率4 5 - 5 5 ，第二阶段开轧温度8 5 0 9 0 0 ，总变形率6 0 7 0 ，终轧温度7 8 0 8 5 0 c ，轧后空冷时间4 0 1 2 0 s ，水冷速度 5 - 2 5 c s ，出水温度2 0 0 - 5 0 0 。c 。 利用有限元分析对第4 章中提出的轧制工艺制度进行了验证，根据终轧后水 冷时厚板不同节点的温度变化计算结果发现，厚度为2 5 m m 的钢板水冷时虽然不 同部位冷却速度不尽相同，但各部分的冷却速度均在1 0 3 0 。c s ，满足获得针状 铁素体+ 马氏体双相组织的工艺要求，从而最终确定了适合于工业生产条件下热 轧厚扳双相钢的成分和相应的轧制工艺制度。对优化出的第1 种成分的钢种和轧 制工艺制度进行了验证，所得试验钢的综合力学性能全部满足设计要求，表明优 化出的钢种其轧制工艺制度适合于实际生产。 对试验钢进行的焊接性能计算和焊接热模拟试验结果表明，本文开发的针状 铁素体+ 马氏体双相试验钢具有较低的冷裂纹敏感性倾向、较低的预热温度。在 一2 0 。c 、焊接热输入达到3 0 k j c m 的条件下和在- 4 0 ，焊接热输入低于2 5 k j c m 的条件下，焊接接头仍具有良好的冲击韧性，表明开发的针状铁素体+ 马氏体双 相钢厚板具有良好的焊接性。 关键词：a f + m 双相钢，t m c p ，焊接性，低屈强比 变! ! 奎兰蔓主堂堡篁苎二! ! ! 堡：丝竺鉴壁塞苎兰垦笪翌塑塑壁堡箜堑型 a b s t r a c t i nt h et h e s i s ，t h el a c ko f d u a l - p h a s es t e e lr e s e a r c hw a sp o i n t e do u to nt h eb a s i so f t h ec u r r e n ts t a t u so f f e r r i t e - m a r t e n s i t ed u a l - p h a s es t e e l sa n dt h ea d v a n t a g e so f a c i c u l a r f e r r i t e a l s o ，t h es i g n i f i c a n c ea n da p p l i c a t i o np r o s p e c to fd e v e l o p i n gt h eh o tr o l l e d d u a l - p h a s eh e a v ys t e e lp l a t e sw a sd i s c u s s e dw i t ha ne m p h a s i so nt h en e c e s s i t yo f d e v e l o p i n ga c i c u l a rf e r r i t ep l u sm a r t e n s i t ed u a l - p h a s es t e e l s b a s e do nt h ea b o v e ，t h e r e s e a r c ho b j e c t i v e sw a sp r o p o s e d ，a n dt h er e s e a r c hp l a na sw e l la st h ec o n t e n tw a s d e t e r m i n e d i ti st h ef i r s tt i m et oe m p l o yt h eb a s i cp r i n c i p l e so f m a t e r i a l sd e s i g nt od e v e l o pa n e w t y p eo fh o tr o l l e da c i c u l a rf e r r i t ea n dm a r t e n s i t e ( a f + h 0d u a l - p h a s eh e a v ys t e e l p l a t ea p p l i c a b l ef o ri n d u s t r i a lp r o d u c t i o na n dt h ec o r r e s p o n d i n gr o l l i n gs c h e d u l e f i r s t o fa l l ，s t a r t i n gf r o mt h ed e v e l o p m e n to f8 0 0 m p ag r a d eh o t - r o l l e dd u a l - p h a s es t e e l ，t h e r o l l i n gs c h e d u l es a t i s f y i n gt h er e q u i r e m e n t sw a sd e r i v e dt h e o r e t i c a l l y i nt h el i g h to f t h ec h a r a c t e r i s t i c so fa l l o yc o m p o s i t i o na n dr o l l i n gp r o c e s so fh o t - r o l l e dd u a l p h a s e h e a v ys t e e lp l a t e ，ap r i m a r yc o m p o s i t i o n a lr a n g ea n dr o l l i n gs c h e d u l e sf o rt h et e s t i n g s t e e l sw e r ed e s i g n e d f r o mt h ed e s i g n e d1 3t e s t i n gs t e e l sw i t hd i f f e r e n tc o m p o s i t i o n s a n dh o tr o l l i n gp r o c e s s e s ，t h eo p t i m u ma l l o yc o m p o s i t i o nw a so b t a i n e da se v i d e n c e d f r o mt h ea s p e c t so fh o tr o l l i n gp r o c e s s e s ，y i e l d - t o s t r e n g t hr a t i o ，t e n s i l es t r e n g t ha n d c o s tr e d u c t i o ne t c ，n a m e l y ，c o 0 5 o 1 ，s i 0 3 0 - 4 ) 5 0 ，m n l 5 0 2 0 ，p 墨o 0 1 5 ， s 8 0 0 m p a ，屈强比o 6 5 0 7 5 ；延伸率 1 9 ；2 0 c 时的横向v 型冲击吸收功 ，4 7 j ，焊接裂纹敏感性指数p o m p 0 2 5 ( p c m = c + s i 3 0 + ( m n + c u 十n i + c r ) 2 0 + n i ，6 0 + m o 1 5 + v 1 0 + 5 b ) 。 东北大学博士学位论文- - 8 0 0 m p a 级针状铁素体马氏体双相钢厚板的研制 1 4 2 研究思路 根据前面1 2 2 的介绍，双相钢的性能取决于硬相马氏体和软相铁素体的体 积分数、形貌和晶粒尺寸，即不仅马氏体和铁素体的比例存在一最佳值，它们的 形貌和晶粒尺寸也是有力的控制因素：其中马氏体最好细小且较为弥散分布，而 铁素体也最好细小且减少晶界铁素体的量，可以同时保证高的强韧性以及好的屈 强比。而合金元素和工艺条件则可以控制体积分数、形貌和晶粒尺寸的决定性因 素，其中合金元素也是焊接性优劣的评价。 考虑到晶界铁素体和多边形铁素体对双相钢强度和韧性的不利影响，本文的 微观组织设计上希望引入针状铁素体而且尽可能减少晶界铁素体作为双相钢中 的软相。具体原因为：针状铁素体具有良好的组织均匀性、较小的等效晶粒尺寸， 而且在针状铁素体中，裂纹在扩展过程中不断受到彼此咬合、相互交错分布的针 片状条束的阻碍，因此具有较高的韧性 1 0 0 , 1 0 6 】。比如 1 1 4 】，在9 0 0 。c 下，随着收缩 率的增加，针状铁素体的抗拉强度和屈服强度均逐渐增加，在5 0 6 0 收缩率时 达到最大，之后迅速降低；其低温冲击吸收功在6 0 。c 时仍能达到1 0 0 j 左右，表 现出极其优异的冲击韧性。许多文献指出f l l 5 。1 ” ，对于碳含量小于o 1 0 的针状 铁素体，通常作为高止裂材料的首选组织形态。另外，考虑在奥氏体分解过程中， 如果能生成了更多的针状铁素体，由于针状铁素体是在晶内形核的，将使得要转 变成马氏体的残余奥氏体为针状铁素体所分割，从而较为均匀的分布于针状铁素 体之间，这样有利于形成较为细小、弥散的马氏体组织，有利于增加材料的强韧 性。最后，由于在热轧后可能形成针状铁素体的钢，在焊接过程中一般会形成针 状铁素体和贝氏体的混合物【1 0 1 】，可使焊接性能得到保障。 本研究的主要思路为：( 1 ) 从所需要的性能和工艺特点出发，采用材料设计的 思想，以保证强韧性和焊接性为原则，设计出可能的成分；( 2 ) 考虑现有的设备和 工艺能力，采用物理冶金模型，并辅以有限元等手段，初步确定工艺制度；( 3 ) 采 用初步确定的工艺制度通过试验轧机，并结合力学试验，对成分进行初步筛选； ( 4 ) 利用金相、电镜、e b s d 等手段，研究其微观组织，并分析其对性能的影响； ( 5 ) 利用热模拟等试验手段，对设计工艺进行优化，最后通过各种试验和检测手段， 确定最终的工艺制度；( 6 ) 按照对工程结构钢主要力学与工艺性能的要求，对试验 钢板进行深入系统的研究，探讨开发钢种的应用前景。 第1 章绪论 1 4 3 研究内容 第2 章：从所需要的性能和工艺特点出发，采用材料设计的思想，以保证 强韧性和焊接性为原则，设计出可能的成分，并考虑现有的设备和工艺能力， 从组织性能关系以及工艺条件对组织影响的角度出发，通过已有的模型，设 计初步的工艺制度。 第3 章：设计的不同成分的钢，通过性能试验结果，分析不同成分的影响， 并确定最好的成分组合。 第4 章：通过电镜、e b s d 等手段，对钢的微观组织和结构进行研究，并分 析微合金元素的析出。 第5 章：通过热模拟条件下采用不同工艺制度获得的组织的研究，得到不 同工艺参数对组织的影响。 第6 章：采用通过有限元对热轧的过程进行模拟而获得的温度和变形的分 布，与上面获得的不同工艺参数对组织的影响相联系，从而制定最终的工艺 制度。 第7 章：通过计算和热模拟，研究试验钢的可焊性。 第8 章：给出总的结论。 1 5 本章小结 本章主要介绍了选题背景及应用意义、双相钢目前的研究现状、双相钢研究 方面存在不足之处以及针状铁索体的优势，指出了开发针状铁素体+ 马氏体双相 钢厚板的意义和应用前景，结合宝钢实际提出了本课题的研究思路、目标以及主 要研究内容。 参考文献 1 】徐寅，建筑行业钢材市场调查研究报告，中国钢铁协会，2 0 0 4 ，1 2 2 】孙邦明，杨才富，张永权，高层建筑用钢的发展，宽厚板，2 0 0 1 ，7 ，1 - 6 3 】wh m c f a r l a n d , u sp a t e n t3 3 7 8 3 6 0 ，1 9 6 8 4 】马鸣图，吴宝榕，双相钢一物理和力学冶金，北京：冶金工业出版社，1 9 8 8 东北大学博士学位论文一8 0 卟i p a 级针状铁素体马氏体双相钢厚板的研制 5 】r gd a v i e s ，d e f o r m a t i o nb e h a v i o ro f av - s t r e n g t h e n e dd u a lp h a s es t e e l ，m e t a l l - t r a n s - ， 1 9 7 8 ，9 a ，4 1 5 2 6 】r gd a v i e s ，i n f l u e n c eo fm a r t e n s i t ec o m p o s i t i o na n dc o n t e n to nt h ep r o p e r t i e so fd u a l p h a s es t e e l s ，m e t a l l t r a n s ，1 9 7 8 ，9 a ，6 7 1 6 7 9 7 a r m a r d e r , n ee f f e c to f h e a tt r e a t m e n to nt h ep r o p e r t i e sa n ds 廿l i e t u r eo f m o l y b d e n u m a n dv a n a d i u md u a l - p h a s es t e e l s , m e t a l l t r a n s ，1 9 8 1 ，1 2 a ，1 5 6 9 - 1 5 7 9 8 】th t l p e r , s e n d o ，e ta 1 ，e f f e c to f v o l u r n ef r a c t i o no f c o n s t i t u e n tp h a s e so nt h es t r e s s s t r a i n r e l a t i o n s h i po f d u a lp h a s es t e e l s ，i s i ji n t e r , ，1 9 9 9 ，3 9 ，2 8 8 2 9 4 9 】m e r d o g a n ，s t e k e l i ，t h ee f f e c to fm a r t e n s i t ev o l u m ef r a c t i o na n dp a r t i c l es i z eo nt h e t e n s i l ep r o p e r t i e so fas u r f a c e - c a r b u r i z e da i s i8 6 2 0s t e e lw i t had u a l - p h a s ec o r e m i c r o s t r u c t u r e ，m a t e r , c h a r a c t ，2 0 0 3 ，4 9 ，4 4 5 - 4 5 4 【1 0 】s k i m ，s ，l e e ，e f f e c t so fm a r t e n s i t em o r p h o l o g ya n dv o l u m ef r a c t i o no nq u a s i - s t a t i ca n d d y n a m i cd e f o r m a t i o nb e h a v i o ro fd u a l - p h a s es t e e l , m e t a l l m a t e r t r a n s ，2 0 0 0 ，3 1 a ， 1 7 5 3 1 7 6 0 【11 】b h w a n g ，tc a n ，s e ta 1 ，e f f e c t so f f e r r i t eg r a i ns i z ea n dm a r t e n s i t ev o l u m ef r a c t i o no n q u a s i - s t a t i ca n dd y n a m i cd e f o r m a t i o np r o p e r t