（材料学专业论文）微合金化针状铁素体型管线钢组织和性能研究.pdf

上海交迥大掌博士掌位论文 微合金化针状铁素体型管线钢组织和性能研究 摘要 为降低管线的建设和运营成本、保证高压长距离输送天然气管线的安 全、可靠性，对所用钢材要求具有高强度、高韧性和良好的焊接陛能。材 料的强度与韧性、焊接性是一对矛盾。因此，对高压输气管线钢需采用较 以往“贫珠光体”组织特征的管线钢不同的组织和成分设计。本研究以微 合金化钢的晶粒细化、强韧化理论和t m c p 技术为基础，提出超低碳微合 金化管线钢的设计思想，系统地研究了西气东输工程用微合金化针状铁素 体型x 7 0 管线钢的组织和性能。 采用热模拟试验方法研究了针状铁素体型管线钢高温变形的热塑性、 变形抗力和奥氏体的连续冷却转变。结果表明：变形速率为1 0 - v s 时，在 1 0 5 0 0 c 1 2 0 0 。c 范围内具有较好的高温塑性。加大冷却速度可促进形变奥 氏体向针状铁素体的转变，并细化组织。同样变形条件下，超低碳成分的 针状铁素体管线钢与低砀； ) 【7 0 管线钢的变形抗力值差别不大。 通过拉伸试验、夏比冲击试验、示波冲击试验、落锤撕裂试验( d w t t ) 和裂纹尖端张开位移( c t o d ) 断裂韧性试验研究了针状铁素体型x 7 0 管 线钢的强度、韧性。与传统低碳贫珠光体管线钢相比，超低碳针状铁素体 管线钢强度等级相近，在拉伸曲线上表现为连续屈服；具有更高的冲击韧 性和断裂韧性、更低的夏比冲击韧脆转变温度和更低的落锤撕裂试验 ( d w t t ) 的韧脆转变温度，具有良好的抗低温动态撕裂能力；示波冲击 试验表明成分相同的情况下针状铁素体组织的试验钢较含少量珠光体组织 的试验钢具有更高的冲击韧性，对裂纹扩展具有更高的止裂能力。 采用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜对微合金化针状 铁素体管线钢组织进行显微分析。针状铁素体管线钢组织均匀细小，珠光 体带状组织已消除，铁素体晶粒边界不平直，呈明显的形变特征，并分布 着一些m - a 组元。析出相主要是啊和n b 的碳氮化物，析出相尺寸从1 0 r i m 数量级到1 0 0 r i m 数量级不等，呈均匀分布和偏聚于晶界等缺陷部位分布。 透射电镜下典型的针状铁素体精细组织呈片型的针状形态，且其中含与细 小析出相交互作用的高密度位错结构。显微组织的细化有利于提高材料的 强度和韧性。 焊接热模拟试验结果表明，试验钢粗晶区再加热脆化现象主要发生在 7 8 0 8 4 0 的再加热温度区。粗晶区脆化主要与大颗粒的m - a 组元有关。 临界再热粗晶区脆化与m - a 组元的分布形态和比例有关。随焊接线能量的 增加粗晶区的韧性下降。大线能量时形成大尺寸的m - a 组元是使韧性下降 的主要原因。m - a 组元中的残余奥氏体比例的增加有助于改善韧性。针状 铁素体x 7 0 管线钢具有好的焊接性能。 氢诱裂纹( h i c ) 性能研究表明采用超低碳超低硫成分设计的针状铁素 体x 7 0 管线钢可具有良好的抗氢诱裂纹性能。由条状硫化物和带状珠光体 产生氢诱裂纹的因素已得到较好控制：引起针状铁素体x 7 0 管线钢氢诱裂 纹的主要因素是钢中局部的成分偏析或组织偏析。 微合金化针状铁素体管线钢具有高强度、高韧性、低的韧脆转变温度 和高的断裂韧性指标，对保证高压输气管线的安全性具有重要意义。 关键词：针状铁素体，管线钢，组织，性能，微合金 上海交通大掌博士学位论文 s t u d yo fm c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t 匝s o f 加c r o a l l o y e da c i c u l a rf e r r i t e p i p e l i n es t e e l t h es t e e lu s e df o rh i g h - p r e s s u r e g a sp i p e l i n e m u s th a v eh i g h 曲嘲唱l i ，h i 曲 c r a c k - r e s i s t a n c et o u g l m e s sa n dg o o dw e l d a b i l 毋i no r d e rt og n a l t e et h es a f es e c u r i t ya n d r e l i a b i l i t y i ti sac o n t r a d i c t i o nt os n e n 酉ha n dt o u g h n e s s , w e l d a b i l 时o f am a t e r i a l t h e r e f o r e , a n e w d e s i g no f m i e r o s l r u c t m ea n dc o m p o s i t i o ni sn l d sf o rh i g h - p r e s s 嘴p i p e l i n es t e e l ，w h i c hi s q u i t ed i f f e r e n tt ot h ep i p e l i n es t e e lw i t hp o o rp e a r l i t em i c r o s l r u c t u r e b a s e do l lt h et h e o r i e so f g r a i nr e f m i n 舀蜘舀h m ga n dt o u g h e n i n go f m i c r o a l l o y e ds t e e la n dt h et e c h n o l o g yo f t m c p , t h ed e s i g ni d e ao fu l t r a - l o wc , a o o r lm i e r o a l l o y e dp i p e l i n es t e e li sp u tf o r w a r d , a n dt h e m i e r o s t m e t u r ea n d p r o p e r t i e so f m i c r o a l l o y e da e i c u l a rf e r r i t ex 7 0p i p e l i n es t e e lw h i c hu s e df o r t h e w e s l ：e a s t g 豁p i p e l i n e p r o j e c t h a v e b e e ns t u d i e d b yh e a ts i m u l a t i o n , t h el 蜘p l a s t i c 酊a th i g ht e m p e r a t u r e , d e f o r m a t i o ns t r e s sa n dc c t c u l v eo f a e i c u l a rf e n i t ep i p e l i n es t e e la f cs t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es t e e lh a sg o o dh o t p l a s t i c i t yw h e nd e f o r m i n gb e t w e e n1 0 5 0 0 c 1 2 0 0 0 ca t1 0 “| ss l r a i nr a t e ，i n c r e a s i n gc o o l i n g r a t e 蛐a c c e l e r a t ed e f o r m e da u s t e n i t et r a n s f o r m a t i o nt oa c i c u l a rf e r d t ea n dr e f i n i n g m i c r o s m m u r c t h ed i f f e r e n c eo f d e f o r m i n gs t r e s sa th i g ht e m p e r a t u r eb c t w e e l lt h es t e e lw i t h u l t r a - l o wc 印f b o f ia n dt h es t e e lw i g hl o wc a r b o ni sn o t t o om u c h b yu s i n gt e n s i l et e s t , c l i a 哪v - n o t c hi m p a c tt e s t , i n s l n n n c n ti m p a c tt e s t , d 、 广r ( a t o p w e i g h t t e a r t e s t ) a n d c t o d f i a c n a e t o u g h n 鹤t e s t , t h e 蛐t n g l l l a n d t o u g h n e s s o f a e i e u l a r f e r r i t e x t 0p i p e l i n es t e e l 勰s t u d i e d c o m p a r i n gt ot r a d i t i o n a lp i p e l i n es t e e lw i t hp o o r 删j 把，武 s a m es t e e lg r a d et h eu l t r a - l o wc a r b o na e i e u l a rf e r r i t ep i p e l i n es t e e lh a v ec o r t i n u i r i sy i e l d i n g t e n s i l ec u r v e , h i g h e rc h a r y 自m p a e tt o u g h n e s sa tl o w 缸1 1 p e 咖ba n d f r a c t u r e 细曲n e 黯l o w e r f a t t o f c h a r p y t e s t a n d d r r t 瞬tw h i c h s h o w t h e 瓣l h a s g o o d a b i l 晦t o r e s i s t a n tt h ed y n a m i c ：c r a c kt e a r i i l ga tl o wt c l n p c 相n l 哼t h er e s u l to fi n s l l a 蛐e r l ti m p a c tt e s t a b s t r a c t s h o w st h a tt h es t e e lw i l ha c i c u l a rf e r r i t eh a sh i g h e ri m p a c t 锄e 叼f l l a n 衄s t e e lw i t hp e a r i i t ea t s a m ec o m p o s i t i o n t h es t e e lw i t ha e i e u l a rf e r r i t eh a sh i g l l e ra b i l i t yt oa r r e s tc r a c ke n l a r g i n g b yo e m ，s e ma n dt e m ，m i c r o s t r u e t u r eo fm i c r o a l l o y e dp i p e l i n es 矧w i t ha e i e u l a r f e t r i t ei sa n a l y z e d t h em i 甜o s 虮j c | l h i sf i n ea n dt h e r ei sn op e a r l i t eb a n d t h eg 曲b o u n d a r i e s o ft h ef e r r i t ea p p e a rc u r l yw i t hd e f o r m e dc h a r a c t e r i s t i cc o m p a r i n gt h em i e r o s l r u c t u mo f p o l y g o n a lf e r r i t ei nt h es t e e lw i t hf e r r i t ea n dp e a r l i t e t h e r ea f es o l n ed e f o r m e db a n d sa n dm a s t r u c t u r e w i t h i n t h e f e r r i t e t h e r e a t e a l a w n u m b e r o f v e r y f i n e p r e c i p i t a t e d l 商t i c l e s , w h i c h i s m a i n l y 啊a n dn be a d 煳i t r i d e d i s t r i b u t i o no f t l l ci j a r t i c l e si su n i f o r ma n dg a t j l e r i n ga tg r a i n b o u n d a r i e s t h es i z eo ft h ep a r t i c l ei sf r o ml o n mt ol o o n m t h ef m em i c r o s t r u c n i r eo ft i l e a c i c u l a rf e r r i t ea p p e a r st h i na c i c u l a rs i a p e ，i nw h i c ht h e r ea h i g h - d e n s i t yd i s l o c a t i o n st h a t i n t e r a c tw i t hf i n ep r e c i p i t a t e dp a r t i c l e s 1 1 帕s t r e n g t ha n dt o u g h n e s so fs t e e l sc a i lb e n e f i tf r o m u n i f o r ma n df m em i e r o s l r u e t t r t h er e s u l to f w e l dh e a ts i m u l a t i o ns h o w st h a tb r i t t l eo h e n o m e n o na f t e rr e h e a t i n ga tc o a 嘲 g r a i nz o n eo f 磕h es t e e ld c c l 】l sb c | 陆蚴7 8 1 ) - - 8 4 0 c ，b r i t t l e n e s so f c o a r s eg r a i nz o n e ：i sr e l a t e dt o l a r g es i z em - au n i t b r i t t l e n e s so fc r i t i c a lr e h e a t i n gc o a 批g r a i nz o n ei sr e l a t e d 幻t h e d i s l r i b u t i o n 锄dt h es c a l eo f m - at m i t t h et o u g h n e s so f c r s eg r a i n7 0 1 1 ed e c r e a s ew i t hh e a t i n p u t 廿l 键yi f l 蝴s i 哼1 n h el a r g es i z em au n i tf o r m e db yh i g hh e a ti n p u ti sl h em a i nc a u s eo f 船t o u g h n e s sd e c r e a s i n g n ep e r c e n to fa u s t e n i t ei nm au n i ti n c r e a s i n gc a ni m p r o v e 龇 t o u g h n e s s a c i c u l a rf e r r i t ex 7 0p i p e l i n es t e e lh a sg o o dw e l da b i l i t y a e i e u l a rf e r r i t ex 7 0p i p e l i n es t e e lw i t hu l l r , h l o wc a r b o na n du l t r a - l o ws u l f u rh a sg o o d h c - r e s i s t a n c e t h ef a c t o r so f h l cf r o mb o n ds u l f i d ea n d o rb a n dp e a r l i t eh a v eb e e nc o n t r o l l e d ： t h em a i nr e a s o nt oc a u s eh i co fa e i e u l a rf e r r i t ex 7 0 p i p e l i n es t e e li sf r o ml o c a lc o m p o s i t i o n a n d o r r n i e r o s l m c t ms e g r e g a t i o n m i c r o a l l o y e da c i c u l a r f e r r i t ep i p e l i n es t e e lh 硒h i g hs 咖g t h , h i g hc r a c k - a r r e s t i n g t d u g h n e s s 锄dl o wt r a n s i t i o nt e r n s , w h i c hi sv e r yi m p o r e a i l tt o9 1 ) a r a n t e et h es a f e t yo f h i 曲p s 鳓r eg a sp i p e l i n e k e y w o r l d ：a e i c u l a r f e r r i t e ，p i o e l i n es t e e l ，m i c r o s l r u e t u m ，p r o p e r t i e s ，m i c r o a l l o y e d 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 一鹕。盈耖 日期：亿吁年乒月日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 。 不保密囵。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 日期。卿f 胪日 指导教师签名：老懈 日期：彻年月矽日 上海交通大掌博士学位论文：徽合金化针状铁素体型蕾线钢组织和性能研究 1 1 引言 第一章绪论 管道输送具有高效、安全、可靠、经济、单向、连续、环保等诸多优点，是长 距离输送石油天然气的重要运输方式。1 9 4 8 年1 9 9 7 年的五十年问全球新建的石油 天然气管线总长已超过1 6 0 万千米，目前每年仍以2 2 3 2 万千米的长度增加【1 1 。同 时，天然气正日益成为重要的能源资源口1 ，上世纪8 0 年代以来对天然气能源需求的 增加使天然气管线的增长速度超过石油等液体输送管线的增长速度，并呈不断增加的 趋判”。随着我国能源结构调整和环保需求，近年来中国天然气的用量正以每年平均 7 的增长速度增加，预计到2 0 2 0 年我国天然气的年产量将从2 0 0 0 年的3 0 0 x 1 0 8n 1 3 提高到1 , 0 0 0 x 1 0 sm “”，同时还将建设多条跨国天然气管线【4 】。 通常，世界上主要的天然气田均远离主要市场，可达数千公里之遥。改善长距 离输送的经济性对判定开发遥远的天然气气田是否经济起重要的作用。高强度管线管 的应用可使天然气生产者显著地节省长距离天然气输送管线的总成本。这些节约由材 料、建设、压缩站和集成项目运行等多领域的成本下降而获得瞄6 】。在各钢级单位长 度材料价格相同的情况下，通过应用更高强度的钢可显著降低钢管的重量和壁厚，也 可使运输和现场焊接的费用下降。目前x 7 0 强度等级的管线钢已广泛应用于石油天然 气长输管线工程，x 8 0 强度等级的管线钢也已从试验段走向工业应用【7 1 。 由于天然气的可压缩性，从管线的安全性出发对高压输气管线用钢提出更高的 韧性要求，以达到韧性止裂的目的瓯”，如西气东输工程用x 7 0 管线钢一2 0 的夏比 冲击功要求大于等于1 9 0 j 9 1 ，这远远高于以往管线要求的韧性指标。同时，为满足管 线的焊管制造和现场焊接对高强度管线钢也需具有良好的焊接性。为满足这类管线的 性能要求，超低碳针状铁素体组织设计的管线钢正日益受到关注，在中国的西气东输 第一， 绪论 工程项目中明确要求采用以针状铁素体组织为特征的管线钢【l ” “针状铁素体”有两种不同的类型。一种是通常所说呈针状的先共析铁素体的 “魏氏组织”，一般这类铁素体的一端是在晶界上形核，也有在晶内夹杂或第二相质 点上形核，对这种有利于韧化焊接金属的特定的魏氏组织铁素体有时被称为“针状铁 素体“1 5 l 。而更多描述针状铁索体的是与贝氏体相变有关，有时也称贝氏体型铁素 体，这种贝氏体与一般的上贝氏体和下贝氏体不同，属一种无碳化物贝氏体。本 文所要研究的针状铁素体型管线钢的组织就是这种贝氏体型铁素体。 本项目以我国西气东输工程为依托，系统地研究了微合金化针状铁索体型高强度 高韧性管线钢的组织和性能，为我国高等级管线钢的发展提供指导。 1 2 微合金钢的主要强韧化机制 “微合金钢”这一术语是1 9 6 2 年由瑞典的n o r e n 首先提出，并定义为“微 合金钢的基本化学成分类同于未合金化的结构用钢，在很多情况下它是一种含锰合 金或低合金钢，其中添加了少量合金元素，这种元素对钢的一种或几种性能具 有很强的或是显著的影响，而其添加的量比钢中传统意义的合金元素小1 2 个数量 级。如铝处理钢就是一例，其他例子是钒、硼、钛和铌。”雍歧龙等人【i 町认为： “从广义来说，凡是在基体化学成分中添加了微量( 不大于0 2 0 ) 的合金元素， 从而使钢的一种或几种性能具有明显变化的钢都可称为微合金钢。” 微合金钢最主要的力学性能是常温屈服强度和冲击韧脆转变温度，这是大多数 使用情况下设计选材的基本指标。材料性能是随着组织状态的不同而发生很大的变 化。因而，为获得所需用途的性能，选择适宜的合金成分体系，控制最佳的组织是 非常的重要。 作为微合金钢中最具代表性的钢种管线钢来讲，综合应用了固溶强化、细 晶强化、相变强化、析出强化、位错强化等一系列强化机制。其中，为满足管线钢 在提高强度的同时提高韧性，并降低韧脆转变温度的发展需要，晶粒细化是最主要 的强化机制，根据p e t c h 公式【”2 0 ，晶粒细化是目前唯一一种在提高强度的同时可 降低韧脆转变温度的强化机制。当强度要求进一步提高时，仅靠晶粒细化是不够的， 此时，相变强化则显得日益重要。目前，高钢级管线钢，如x 7 0 ( 屈服强度 一4 8 3 m p a ) 则从以往的“铁素体+ 珠光体”组织向“铁索体+ 贫珠光体”发展，进而发展为超 低碳的针状铁素体。对x 1 0 0 ( 屈服强度6 9 0 m p a ) 或x 1 2 0 ( 屈服强度8 2 7 m p a ) 2 上淘交通大掌博士掌位论文：敢合盘呵匕f d 状铁素体型蕾线钢组织和性能研究 的超高强度管线钢，则需采用以“铁素体+ 贝氏体+ 马氏体”为特征的显微组织 2 1 , 2 2 1 。 尽管目前对针状铁素体钢的组织分类、相变机制尚有许多争论和不清的地方， 但因其优良的性能并未影响其在工程上的应用 1 3 , 2 3 1 。 1 2 1 晶粒细化强化 晶粒细化是钢中最主要的强化方式之一，也是人们最早开始进行深入研究的强 化方式之一。h a l l 1 9 1 弄 i p e t c h t 2 0 珞自独立地得到了晶粒细化强化的h a l l 聘t c h 公式。晶 粒细化对屈服强度的贡献度可用下式表示： o g = k y d ”：( 1 - - 1 ) 式中d 为有效晶粒尺寸，对“铁素体+ 珠光体”钢即铁素体的晶粒尺寸，对扳条马氏 体组织即板条马氏体束的尺寸，对孪晶马氏体组织为奥氏体晶粒尺寸。雍歧龙等人【嘲 总结了前人关于低碳软钢q ，h a l l p e r c h 公式比例系数b 值，认为在应变速率6 1 0 4 1 ，s ，晶粒尺寸3p 至无限大( 单晶) 时，室温i q 在1 4 3 2 3 4 n r a m 。彪。一般认为 在微合金钢乃至普碳软钢中普遍采用的l ( v 为1 7 4n m m - 3 2 。 1 2 2 固溶强化 固溶强化是钢中最基本、也是人们最早研究的强化方式之一，碳原子的间隙固溶 强化是钢中最经济而最有效的强化方式。而置换固溶强化在很多合金钢中也是相当 重要的强化方式。在一般的稀网溶体中，溶质的固溶强化造成的屈服强度增量可用 下式表示： o 枷= k 枷( m i 】m i ( 1 - - 2 ) 式中( m i ) 为溶质元素m i 在固溶体中溶解的重量百分数，k m i 和m i 为常数，它们取决 于基体及溶质元素的性质。m i 的数值介于1 2 l 之间。对一般微合金钢乃至低碳软 钢，间隙固溶的碳、氮含量变化范围很小，固溶元素的强化效果可相当准确地采用 近似的直线关系式： o 枷= k 嘶( m i 】( 1 3 ) 其中k m i 大致随溶质元素在基体中的最大溶解度的倒数而成正比。目前定量计算固溶 ：g - 一， 爿r 论 强化对屈服强度的增量都是采用试验确定的系数k m i 。表1 为微合金钢和h s l a 钢中 每1 重量百分数的固溶元素所产生的屈服强度增量的数值( 即k m i 值) 的统计表”1 。 表中最后一行给出了微合金钢中推荐采用的k m 系数值。 表1 每1 重量百分数的固溶元素在q - f o 中产生的屈服强度增量数据( m p a ) t a b l ely i e l ds t r e n g t hi n c r e a s m e n to fq - f eb ys o l i d i n gl w te l e m e n t ( m p a ) cnm ns ipa ic um o v 啊c rn i 7 08 22 4 79 6803 3 3 5 4 23 2 38 3 2 2 9 1 83 78 3 4 05 96 7 7 4 3 7 03 7 5 05 08 63 5 06 03 92 2 4 5 7 04 5 7 03 2 38 4 26 7 63 8 21 0 82 98 0 53 0 4o 4 6 8 4 5 0 0 05 0 0 03 28 46 8 03 8l l- 3 03 3 4 5 7 0 3 7 5 03 7 8 34 7 0o3 81 l2 9 8 0 5 - 3 0o 一般微合金钢中固溶元素量较少，强化作用较弱，相互作用效果也就很弱，可 直接采用线性叠加法计算总的固溶强化效果。 a - f e 中的固溶强化作用主要来自弹性相互作用，与位错和第二相质点的作用有 密切联系。当溶质很低时，基体的形变特征不发生明显变化，则固溶强化与位错强 化和第二相强化的作用就可以简单地线性相加渊。 1 2 3 位错与亚结构强化 金属材料的流变应力( 以及屈服强度) 与位错密度之间的关系可表示为： t = dub p ”( 1 - 4 ) 4 上海交通大掌博士学位论文：做合金化针状铁紊体型蕾鲤钢组织和佳能研究 其中a 为比例系数1 2 习，在立方金属多晶体中a 值大约为o 5 。因此，体心立方的d f e 中位错强化对屈服强度和流变应力的贡献可乘以取向因子m ( 面心立方约为3 1 ， 体心立方约为2 ) 而得到： 0d = b p1 尼( 1 - - 5 ) 在易于交滑移的金属中，应变量超过一定程度后，位错就典型地排列成三维亚 结构，当这些亚结构的位错墙呈松散的缠结形貌时，就称为“胞状结构”，当位错墙 变窄且轮廓分明时，则称为“亚晶”。试验表明2 6 珊j 对具有十分发达的胞状结构材料， 其屈服强度和流变应力的增量为： oc s = bub d c s 1 = k c s d c s 1 ( i - 6 ) 其中d c s 为胞状结构尺寸。其比例系数k c s 由试验确定大致为o 1 2 4 n m m 。 当亚结构具有亚晶特征时，边界通常要宽整得多，位向差也更大，它已经开始 呈现出正常晶界的许多特征伫7 】，其力学行为很象晶粒，对强度的影响一般遵从： 0s o s = kub d s o - 1 尼( 1 - - 7 ) 当位错密度很低时仅考虑晶界的作用；当位错密度高时，需考虑位错密度和位 错胞状结构的作用：当位错重新排列而组成发达的亚晶时，则考虑亚晶的作用。 1 2 4 沉淀强化及质点与位错的相互作用 第二相质点与运动位错之间将产生相互作用，从而导致屈服强度和流变应力的 提高。如这些第二相是通过固溶处理后沉淀析出获得，由此产生的强化即为沉淀强 化。 根据第二相质点与运动位错相互作用的特点，可将其作用机制分为两种第一 种是位错不进入质点，只是绕过它并在它周围留下位错环，这称为o f o w a n 机制或绕 越机制。第二种是位错穿过，即切过质点，称为切过机制。o r o w a n 机制起作用时， 强化作用大致反比于质点尺寸，即质点尺寸越小，强化效果越大。切变机制起作用 时，强化作用大致正比于质点尺寸的i 2 次方，即质点尺寸越大，强化效果越大。任 何一种第二相与基体的组合，在第二相质点的尺寸较小时，切过机制起作用，而当 质点尺寸较大时，o r o w + i t n 机制起作用，其间存在一个临界质点尺寸d c ，在此时发生 第一， 绪论 第二相强化机制的转换。 微合金钢中除尺寸小于6 8 n m 的v n 质点可能以切过机制，其它微合金( v 、 t i 、n b ) 的碳氮化物均以o f o w a n 机制控制沉淀强化，可用下式估价沉淀强化作用的 大小【”i ： or g = o 3 7 3 ( u b t 4 尼) l n “d c ) ( 4b ) ) ( i 【d ) ( 1 - - 8 ) 式中f 为第二相的体积分数，系数( 1 k ) 鼍1 4 - ( 1 u ) - i y 2 。 在一般微合金元素添加范围内可获得1 5 0 4 0 0 m p a 的沉淀强化屈服强度增量。 沉淀强化是一种非常有效的重要的强化方式。单位合金元素所获得的沉淀强化增量 远较置换固溶元素的强化作用有效。在溶质浓度较低时，固溶强化与沉淀强化作用 完全具有简单的线性相加性。 1 2 5 微合金钢的韧化方式 相对于强化理论，韧化理论的发展较为滞后。这与韧性指标的不确定性和韧化 原理的复杂性有关。材料的冲击韧性指标主要有冲击韧性和冲击韧脆转变温度。目 前，工程上广泛采用标准冲击试样作为冲击韧性指标。铁素体一珠光体钢“冲击功 一温度”曲线随钢中碳含量( 亦即珠光体的量) 变化，随碳含量( 珠光体量) 的增 加钢材的上平台冲击功大大地降低，而冲击转变温度急剧升高 2 9 t ，如图1 1 所示。 蚕 墨 耋 一1 5 0 一1 1 3 0 - 5 00s o 1 0 0j l s o2 0 0 t 稻tt e m p e r a t u r e + 也 图1 一l 铁素体+ 珠光体钢碳含量( 即珠光体量) 对冲击转变温度的影响 f i g 1 - 1t h ee f f e c to f c a r b o na n dh e n c et h ep c a r l i t ec o n t e n to ni m p a e t - m m s i t i o n t e m p e r a t u r ec u r v e so f f e r r i t e - p e a r l i t es t e e l s ： g l 6 一嘉l l l 上海交矩大掌博士掌位论文： 微合金化针状铁素体型管缆钢组织和佳能研究 珠光体量在o 2 0 范围，一般钢材的冲击韧脆转变温度基本上正比于珠光体 的体积分数，有如下的关系： t p f 2 2 0 6 e 。( 1 9 ) 式中硫为珠光体的体积分数。这关系式已获得大量的试验结果证实p 4 ”。 为了深入全面地了解和掌握影响冲击转折温度的各种因素，目前主要是通过有关 的试验得出定量或半定量的经验公式。p i c k e t i n g 等人【2 争3 l l 提出了脆性矢量的概念。 脆性矢量即当钢材通过某一强化机制而使屈服强度升高1 m p a 时，相应地使钢材的冲 击韧脆转折温度升高m o ，贝u m e p 称为该强化机制的脆化矢量。如图1 2 为影响屈服 强度和冲击转交温度的诸因素之分析1 2 ”。 图1 2 影响屈服强度和冲击转变温度的因素，比值表示 屈服强度升高1 5 m p a 时冲击转变温度的变化值t 2 9 f i g 1 - 2f a c t o r so f e f f e c t i n gy i e l ds t r e n g t ha n df a t f , t h er a t i os h o w i n g t h ev a l u eo f f a t t c h a n g e dw i t hi n c r e a s i n g1 5 m p ao f y i e l ds t r e n g t h l 2 9 1 晶粒细化是钢中最主要的强化方式之一，同时，这也是钢铁材料中唯一大幅度 提高韧性的最主要的韧化方式。p e t c h 3 2 1 从有关理论推导出晶粒尺寸与冲击转变温度 t c 的关系式为： 第一章 绪论 t c = a + b i n d 一吨( 1 1 0 ) 式中a 、b 为比例系数，而d 为晶粒尺寸。 在微合金钢中，由于渗碳体对屈服强度的作用为微合金碳氮化物的作用所掩盖， 因而基本上不提高钢材的屈服强度，珠光体的瞻化矢量可认为是相当的大。即使在 不含微合金元素的普碳软钢和h s l a 钢中，珠光体的强化作用也相当小，根据g r a d r y 等人【3 3 1 的试验结果； o 陀= 2 0 6 f p e ( 1 1 1 ) 比较( 1 1 0 ) 与( 1 1 1 ) 可得珠光体的脆化矢量约为1 0 7 m p a 。可见珠光 体( 或片状渗碳体) 对韧性的危害十分严重，为此，几十年来微合金钢的一个重要 发展方向就是不断降低碳含量，亦即不断降低珠光体最( 或片状渗碳体量) ，以达到 有效地强韧化的目的【州。贫珠光体钢乃至无珠光体钢的发展，正是这种发展趋势的 明证。 对微合金钢的组织一冲击转变温度关系l r v i n e 、p i c k e t i n g 、g l a d m a n 等人口9 ，3 0 , 3 5 ”提 出铁索体一珠光体低碳软钢或h s l a 钢有以下关系式： 1 ( ) = 一1 9 + 4 4 ( s i ) + 7 0 0 ( n i ”+ 2 2 0 f p e 1 1 5 d 一抛( 1 1 2 ) 可见晶粒细化或组织细化可明显降低钢的冲击转变温度，而其它的强化机制在 提高强度的同时均提高冲击转变温度。正因为如此，近年来世界各国都在致力于超细 化钢的晶粒和组织的研究m - 4 】) ，钢的晶粒和组织细化到亚微米或更小时，钢的性能 将发生明显的变化，晶粒问的应力集中将消失，钢的强度、韧性、疲劳等性能和使用 性能可显著提高，这对降低整个社会的资源消耗、降低材料的使用成本、环保的回收 具有显著的意义。 上海交通大掌博士掌位论文：徽合金化针状铁素体型蕾线钢组织和性能研究 1 3 微合金钢的晶粒细化与t m c p 技术 如上所述，晶粒细化是目前钢铁材料强韧化机制中唯一一种在提高强度的同时 可提高材料韧性的强韧化机制，因此一直受到人们的重视。从物理冶金学的观点出 发，晶粒细化通常通过以下两个方面实现：( 1 ) 如何使晶粒从大变小这可通过 材料的形变再结晶和相变细化获得；( 2 ) 如何阻止晶粒的长大这可采用第二相 质点钉扎晶界以阻止晶粒长大 对晶粒长大的驱动力g i a d m a n e 4 2 提出： f a = ( 2o d o ) ( 3 2 2 z ) ( 1 一1 3 ) 式中。为晶界能，z 为晶粒的不均匀性因子，z = d d o ，g l a d m a n 和p i c k e r i n 9 1 4 3 1 认为一 般金属z 在1 4 l 一2 0 之间，微合金钢中z 的试验测定值约为1 7 m 。 z e n e r 4 5 1 1 9 4 8 年指出弥散第二相质点将延缓晶界的迁移。与g y 和h i q p i n s 【锎的 杂质原子拖曳理论类似，只要阻力f p 与晶界运动速度无关，则必将存在一个晶粒尺 寸阈值d c 。由于第二相质点一般并不会随晶界的运动而运动对此g l a d m a n e 4 2 1 提出： $ d e - - - - d ( 3 陀一2 ，z ) ( 6 0 ( 1 一1 4 ) 其中d c 为晶粒尺寸阈值，d 为球形第二相质点的直径，f 为第二相质点的体积分数 在微合金钢中产生阻止晶粒长大和沉淀强化效果的第二相都是稳定性很高的碳 化物、氮化物或碳氮化物。它们在钢中的溶解和沉淀质点过程是一个可逆的化学反 应过程。当固溶的合金元素很少时，第二相m p n q 在固溶体中的固溶度积可用下述 形式的公式相当准确地表述： i g ( m 】p ( n ) q ) = a - - b i ( 1 - - 1 5 ) 其中( ) 符号表示某元素处于固溶态的重量百分数，t 为绝对温度，a 、b 为常数 目前常用的n b 、v 、啊等微合金元素在奥氏体中固溶度积公式有： i g ( ( n b ) ( c ) ) y = 2 9 6 - - 7 5 1 0 t _ _ _ 0 2 4 7 1 ( 1 - - 1 6 ) i g ( ( 啊) ( n ) ) y = o 3 2 - - 8 0 0 0 t 【4 舯( 1 1 7 ) 9 第一， 爿仑 i g ( 【n b ) ( n ) ) v = 3 7 0 1 0 8 0 0 , q 1 4 9 ( 1 - - 18 ) l g ( ( v 1 ( c ) ) y = 6 7 2 9 5 0 0 t 【蚰】( 1 1 9 ) l g ( ( v ) ( n ) ) y = 3 4 6 - - 8 3 3 0 t 酬( 1 - - 2 0 ) l g ( ( t i ) 【c 】) y = 2 7 5 - - 7 5 0 0 t 【3 4 j l ( 1 2 1 ) i g ( ( a 1 ) c n ) ) y = 1 0 3 6 7 7 0 t ( 1 3 4 1 ) ( 1 - - 2 2 ) 以上述公式画出关系图可知t i n 具有最小的溶解度积，v c 的溶解度积最大。 对微合金碳氮化物存在着理想的化学配比，如n b c 原子分数比值固定为1 ，则 其重量比值应为9 2 9 0 6 1 2 0 1 1 - 7 7 4 ；而t i n 重量比值应为3 4 2 。微合金元素析出 相对晶粒长大的影响与其密度、大小和体积分数有密切的关系。不同析出状态的微 合金析出相对微合金钢的影响作用是不同的。如在板坯加热过程中，未溶的细小的 t i n 质点可阻止均热时的晶粒长大；在奥氏体形变过程中，应变诱导出现的n b ( c n ) 质点可阻止奥氏体形变再结晶，并产生一定的沉淀强化作用