新型海洋工程用系泊链钢组织与性能研究

1、目 录目 录摘 要VAbstractVI第1章 绪论11.1 引言11.2 系泊链的国内外发展状况21.2.1 系泊链的制链工艺及性能要求21.2.2 国内系泊链的发展现状21.2.3 国外系泊链的发展现状41.2.4 系泊链的发展前景41.3 系泊链对相关产业的带动51.4 合金元素在系泊链钢中的作用61.4.1 碳的作用61.4.2 硅的作用61.4.3 锰的作用61.4.4 铬的作用61.4.5 钼的作用71.4.6 镍的作用71.4.7 铝和铌的作用71.5 提高钢铁材料力学性能的方法71.5.1 形变诱导相变细化晶粒81.5.2 形变热处理细化晶粒81.5.3 合金化细化晶粒81.5

2、.4 循环加热淬火细化晶粒91.6 课题的重要意义及创新性91.6.1 课题意义91.6.2 课题创新性101.7 课题的主要研究内容与目标101.7.1 研究内容101.7.2 研究目标10第2章 实验材料与方法112.1 实验材料112.2 实验标准及仪器112.3 实验方法手段112.3.1 DTA相变点测试112.3.1 淬透性实验122.3.2 热处理工艺试验122.3.3 力学性能测试132.3.4 回火脆性试验152.3.5 显微组织观察16第3章 DTA相变点测试和淬透性实验173.1 DTA相变点测试173.2 淬透性试验173.3 本章小结19第4章 热处理工艺对实验钢组织

3、与性能的影响204.1 原始轧制态棒材的组织与性能204.2 一次加热淬火与二次循环加热淬火的组织与性能比较214.3 循环淬火温度对系泊链钢组织与性能的影响244.3.1 不同温度循环淬火后的组织观察244.3.2 不同温度淬火后的拉伸性能测试及分析254.3.3 不同温度淬火后的低温冲击性能测试及分析274.4 回火温度对系泊链钢组织与性能的影响284.4.1 不同温度回火后的组织观察294.4.2 不同温度回火后的力学性能测试及分析304.4.3 不同时间回火后的组织观察324.4.4 不同时间回火后的力学性能测试及分析334.5 回火稳定性和回火脆性研究344.5.1 回火稳定性344

4、.5.2 回火脆性研究364.6 拉伸断口形貌分析394.7 冲击断口形貌分析404.7.1 不同淬火温度对冲击断口形貌的影响404.7.2 不同回火温度对冲击断口形貌的影响424.8 讨论454.8.1 混晶的形成454.8.2 两次循环淬火对晶粒的细化474.9 本章小结49第5章 系泊链钢焊缝组织与性能研究505.1 焊缝原始组织与性能505.2 一次淬火与二次加热循环淬火的组织性能对比515.3 不同温度回火后焊缝的组织535.4 不同温度回火后焊缝的力学性能545.4.1 拉伸性能研究545.4.2 冲击性能研究555.5 不同时间回火后焊缝的组织565.6 不同时间回火后焊缝的力学

5、性能575.6.1 拉伸性能研究575.6.2 冲击性能研究585.7 本章小结58结 论59参考文献60攻读硕士学位期间发表的学位论文63致 谢64VContentsCONTENTSAbstractVChapter 1 Forwards11.1 Introduction11.2 Development of mooring chain in and abroad countries21.2.1 The manufacture technics and properties requirement of mooring chain21.2.2 The domestic development

6、status of mooring chain21.2.3 The abroad development status of mooring chain41.2.4 The development prospects of mooring chain41.3 Promotion of mooring chain on related industry51.4 Function of alloy elements in R4 level mooring chain61.4.1 Function of carbon61.4.2 Function of silicic61.4.3 Function

7、of manganic61.4.4 Function of chromic61.4.5 Function of molybdenum71.4.6 Function of falcial71.4.7 Function of aluminum and niobic71.5 The methods of improving the properties of steel materials71.5.1 Deformation induced phrase transition81.5.2 Mechnical heat treatment81.5.3 Alloying81.5.4 Cyclic hea

8、t treatment91.6 Significance and innovation of the subject91.6.1 Significance of the subject91.6.2 Innovation of the subject101.7 Experiment contents and objective101.7.1 Experiment contents101.7.2 Experiment objective10Chapter 2 Materials and methods112.1 Experiment materials112.2 Experiment standa

9、rds and equipments112.3 Experiment methods112.3.1 DTA test112.3.1 Hardenability test122.3.2 Heat treatment process122.3.3 Mechnical properties test132.3.4 tempering brittlement test152.3.5 Microstructure observation16Chapter 3 DTA transformation point test and hardenability test173.1 DTAtransformati

10、on point test173.2 Hardenability test173.2 Summary19Chapter 4 Microstructure and properties of mooring chain steel204.1 Microstructure and properties of original rolling bar204.2 The microstructure and properties comparison between quenhing and double quenching214.3 The effects of double quenching t

11、emperature on mooring chain steel244.3.1 The effects of doble quenching temperature on microstructure244.3.2 The effects of doble quenching temperature on tesile test254.3.3 The effects of doble quenching temperature on low temperature impact test274.4 The effects of tempering temperature on mooring

12、 chain steel284.4.1 The effects of tempering temperature on microstructure294.3.2 The effects of tempering temperature on mechanical properties test304.4.1 The effects of tempering time on microstructure324.4.2 The effects of tempering time on mechanical properties test334.5 Study of tempering stabl

13、ity and tempering brilleness344.5.1 Tempering stablity344.5.2 Tempering brilleness364.6 Tensile fractography analysis394.7 Impact fractography analysis404.7.1 The effects of doble quenching temperature on impact fractography404.7.2 The effects of tempering temperature on impact fractography424.8 Dis

14、cussion454.8.1 Formation of mixed grain phenomenon454.8.2 Mechanism of double quenching on grain refinement474.9 Summary49Chapter 5 Study of flash weld microstructure and properties505.1 Microstructure and properties of weld in original mooring chain steel505.2 The microstructure and properties comp

15、arison between quenhing and double quenching.51 5.3 The effects of tempering temperature on weld microstructure535.4 The effects of tempering temperature on weld mechanical properties test545.4.1 The effects of tempering temperature on tesile test545.4.2 The effects of tempering temperature on tesil

16、e test555.5 The effects of tempering time on weld microstructure565.6 The effects of tempering time on weld mechanical properties test575.6.1 The effects of tempering time on tesile test575.6.2 The effects of tempering time on tesile test585.7 Summary58Conclusion59Reference60Published papers during

17、postgraduate63Acknowledgements64Abstract摘 要摘 要海洋工程平台及其装备在海洋中主要由系泊链固定，系泊链由于长期（要求20年）服役于恶劣的海洋环境条件下，要求系泊链用钢具有高强度、高韧性、耐腐蚀等优良的综合性能。随着海洋工程装备本身的大型化和集成化以及海洋工程向深海（3000米水深）的发展，对系泊链用钢提出了更为苛刻的要求，系泊链的级别也随之逐级提高。然而研究开发更高级别的系泊链需要更多的成本，如何在已有级别系泊链的基础上，通过优化生产工艺进一步提高材料的性能就显得尤为重要。实验所用材料22MnCrNiMo钢是一种新型海洋工程用系泊链钢，主要用于制造R4

18、级系泊链，研究工作的目的是通过优化热处理工艺，发掘该材料的潜力，使之达到R4S级系泊链的综合力学性能要求。研究工作主要思路是利用循环热处理的方法细化晶粒，从而达到提高综合力学性能的目的。利用光学金相显微镜（OM）、扫描电镜（SEM）、能谱分析（EDS）、拉伸试验、低温冲击试验等重点系统地研究了两次高温快速加热循环淬火调质热处理工艺对22MnCrNiMo钢的母材及其焊缝组织和力学性能的影响规律，研究了晶粒细化的机理，以及22MnrNiMo钢的回火稳定性和回火脆性的形成原因。研究结果表明：与一次淬火相比，采用两次加热循环淬火的热处理工艺可以有效地细化晶粒，晶粒不仅可以细化到约10m，而且消除了一次

19、淬火带来的晶粒大小不均匀的问题，在930保温30分钟两次淬火后综合性能最佳，抗拉强度达到1018MPa，-20冲击功达到140J，与常规的一次淬火加回火工艺处理相比，在不损失强度的情况下，韧性提高了近40%，完全达到了R4S级系泊链的综合力学性能要求。随着两次加热淬火温度从910提高到990，晶粒尺寸先减小后增大，强度和韧性都是先增加后减小，随着回火温度从600升高到640，强度持续下降，韧性不断升高。焊缝的性能随组织变化的规律与母材基本一致。22MnrNiMo钢的回火稳定性良好，在620保温7h仍未发生再结晶。同时该钢也存在一定的回火脆性，但采用水冷可以有效避免回火脆性的发生。关键字：系泊链

20、；22MnrNiMo钢；循环淬火；力学性能；回火稳定性；回火脆性AbstractOffshore engineering platforms and their equipments were fixed mainly by mooring chain, due to long-term service (for 30 years) in harsh environmental conditions, the chains were required with good c2omprehensive performance consisting of high strength, high t

21、oughness, high corrosion resistance. With the equipments become more and more large scale and integrated, as well as developing to the deeper ocean area(3000m water depth), the mooring chain steel was required with more demanding requirements. The level increases progressively, research and developm

22、ent of higher level mooring chain need more cost, it is very important to further improve the material properties by optimizing the production process, 22MnCrNiMo steel is a new type of mooring chain steel, mainly used to manufacture R4 mooring chain. in order to explore the potential of the materia

23、l to reach the requirement of R4S mooring chain, Cyclic heat treatment was applied as a method of grain refinement, The cyclic heat treatment was consisted of double quenching and tempering (DQT). Focus on the effects of quenching and tempering temperature on microstructure and mechanical properties

24、 of base metal and welding joint. The mechanism of grain refinement、tempering stability and temper brittles were also investigated. The results showed that, compared with quenching and tempering(QT), using the double quenching and tempering(DQT) can effectively refine the grain, the grain can not on

25、ly been refined to about 10m, and eliminate of a quenching non-uniform grain size caused by quenching and tempering(QT), under quenched at 930 for 30 minutes, the best comprehensive performance can been obtained, and without loss of strength, the toughness increased by nearly 40%, the technical crit

26、eria of R4S mooring chain can be meet finely. With the double quenching temperature increased from 910 to 990, the grain size decreases firstly and then increases, the strength and toughness a increase firstly and then decrease, With the tempering temperature increased from 600 to 640, the strength

27、continued to decline, toughness continuously increased. The tempering stability of 22MnrNiMo steel was excellent, tempered at 620 for 7h, recrystallization has not occurred. At the same time, temper brittleness appeared when cooled with slower speed, and using water-cooling can effectively avoid the

28、 occurrence of temper brittleness.Key words: mooring chain; 22MnrNiMo steel；double quenching；mechanical properties; temper stability; temper brittleness第1章 绪论第1章 绪论1.1 引言当今世界，越来越多的国家把发展目光转向海洋，一场向海洋要食物、淡水、能源的“蓝色革命”浪潮席卷全球。世界各海洋大国之间在海洋经济、科技、资源、海权力量等方面的竞争日益激烈。海洋资源的开发、保护与利用已逐渐成为世界各国普遍关注的问题。尤其是随着陆上油气资源的不断

29、枯竭，海洋油气开发特别是深海油气开发已成为世界能源开发的主要领域。目前，海洋石油产量约占世界石油总产量的35%，预计2015年该比例将进一步提高到40%左右，海洋天然气产量占世界总产量的比例也将从29%提高到35%左右。用于石油开采的海洋工程装备市场目前主要由新加坡、韩国、欧洲和美国等少数国家和地区的企业所占据，我国的市场份额尚不足5%，还有很大的提升空间1。包括油气钻采平台、存储设施、工程船舶在内的海工装备2007年全球市场规模已超过3000亿美元。中海油近期宣布，将在20年内投资2000亿元，到2020年在南海深水区的年产能力达到5000万吨油当量。"十一五"期间，中海

30、油建成投产的油气田将达50个。在装备需求方面，中海油的海工装备需求将达1000亿元。 巨大的国内需求使海洋工程成为船舶工业新的增长点2。用于石油勘探和开采的海洋工程平台、船舶与浮式储油轮（FPSO）及半潜式钻井船在海况十分复杂，在深达数百米至数千米的海洋中固定，主要方式是系泊链系泊。由于链条长期浸泡在海水中，作业环境条件恶劣，对它的要求不同于一般的工业用链条钢、船舶用锚链钢和矿山用链条钢，系泊链必须能经得住深海海浪、风力无规律变力作用，且使用周期在二十年以上，因此要求系泊链用钢不仅强度高，韧性好，而且还要求具有耐海水腐蚀、抗疲劳、耐磨损及良好的焊口低温韧性等特性。当前海洋资源开发的需

31、求，海洋工程装备制造业的高速发展，为研制与开发高质量高级别系泊链提供了极大的发展空间和生机，展示了良好的发展前景，随着海洋开发的海洋航运的高速发展，海上安全的守护、护海护航的大型船舶也日益受到重视，必将得到快速发展3。加上国际上各国对石油等能源的强劲需求，海上石油工业的加快发展，世界各国对高级系泊链的需求量日益增长。随着海洋资源开发的深入发展，深海采油，海洋勘探，国防建设等海洋设施需要使用大量的系泊链。由于海洋特别是深海长期连续作业恶劣的环境条件，加之海洋设施本身的大型化和集成化，同时为了应对能源工业及造船行业对安全性和高质量的需求，研究开发具有更强的综合性能和更先进的制造工艺的系泊链是今后的

32、发展趋势。1.2 系泊链的国内外发展状况1.2.1 系泊链的制链工艺及性能要求由于恶劣的环境对系泊链钢性能要求苛刻，使得生产系泊链钢的技术要求高，生产难度大。系泊链的制链工艺为：下料电感应加热弯曲成链环接头闪光对焊去毛刺链条整体热处理成品链抛丸涂漆磁粉探伤检验包装出厂。对每环尺寸精度、焊接、热处理质量要求具有严格的一致性，因为一旦某一个环出现了问题，其中有缺陷的链环必须从整个链条中取掉而重新制作，这将大幅度地增加能耗，降低生产效率。系泊链对机械、物理和化学性能技术指标要求高。其制造过程要经数十道工序，质量影响因素多，因系泊链“粗、长、重”，制造过程全面进行质量控制十分困难。为了满足对外开放及海

33、洋工程发展的需要，根据国内实际情况开发高强韧性系泊链钢已迫在眉睫。系泊链的级别是根据不同的强度来划分的。表1.1是著名的DNV船级社对各个级别系泊链的性能要求。表1.1 DNV船级社对不同级别系泊链的最低性能要求Table1.1 Minimum mechanical properties for chains in DNV等级s/Mpab/Mpa5/%/%试验温度/°C母材冲击值/J焊口冲击值/JR3410690175006045-204030R3S490770155006549-204534R45808601250-205038R4S7009601250-205642R576010

34、001250-2058441.2.2 国内系泊链的发展现状系泊链钢技术要求高，生产难度大，产品附加值高、需求量大，其中R4、R4S、R5是目前较常用的高级别系泊链用钢。上世纪70年代以来，系泊链的制造只为少数海洋业和远洋运输业发达的欧美国家所垄断，国内近年才有少数几家特钢企业开始试制研发，虽然历经艰难困苦，但硕果累累。1996年，正茂集团有限责任公司镇江锚链厂在国内近十家高校、研究所、钢厂支持与配合下，完成了R3、R3S级系泊链的研制， R4级系泊链试制品已通过挪威DNV，美国ABS，法国BV船级社的认证。2003年，R4级系泊链形成批量生产。此举缩短了我国与发达国家海洋工程、石油平台高级别系

35、泊链技术的差距，其主要技术性能指标达到国际先进水平，具备与国内外名牌产品相竞争抗衡的能力。与国内同类的技术和产品相比，在核心技术、产品的主要技术参数和产业化等方面均有重大的突破，产品的制造设备、技术和质量均得到全面提升。镇江锚链厂生产的产品一直畅销国内外，在国内外有很大的市场占有率，有良好的高级别系泊链的研制与开发的基础，但是要实现更高级别系泊链的产业化、规模化生产，为我国船舶工业发展和国防提供现代化服务，还有一些技术难题需要克服。国内系泊链钢材料生产商主要有大冶特钢、兴澄特钢、宝钢五厂三家。兴澄牌78mm四级系泊链钢生产的系泊链，在英国北海油田使用5年后的定期例行检查中，被评定为“耐腐蚀性能

36、等综合指标高于欧洲企业，是世界上质量水平最高的，产品值得信赖”。 兴澄特钢公司的四级系泊链钢自1998年开始研发。当时，由于各国船级社只规定性能要求，没有统一的化学成分、工艺路线等标准，兴澄进行了一年多的摸索和调试，生产出了填补国内空白的高韧性、高强度四级海洋系泊链钢。当年，该产品即被评为国家级新产品，2003年获得国家发明专利的授权。兴澄现已与国内最大的锚链厂结成战略合作伙伴关系，正在联合开发质量更优、档次更高的新型系泊链钢。大冶特钢2002年上半年开发生产四级系泊链大规格钢1500多吨，大冶特钢是国内首批试制该品种的几家企业之一。其提供给正茂集团的新品种制成的链条首次在美国墨西哥

37、湾工程中一举中标。大冶特钢开发的四级系泊链用钢拥有自主知识产权，设计中元素C、Mn、Cr、Ni等和Mn、Cr当量都有自身独特的控制范围4,5，该产品能在闪光焊接设备能力较差，没有氩气保护状态下实施焊接时，焊缝在-20°C的V型冲击功可以达到60J以上，产品的各相关性能指标都非常优良。2009年，中国海洋石油总公司订造的世界第六代3000米深水半潜式钻井平台，将全部采用江苏亚星锚链股份公司自主研发的R5超高级别海洋系泊链。此前，我国海洋工程领域所需世界最高级别系泊链一直依赖进口，亚星锚链就此打破了欧洲企业在这一领域的垄断地位，3000米深水半潜式钻井平台代表当今世界钻井平台先进水平，而

38、将其固定在海洋上的系泊链需具备海洋恶况下的抗风浪、抗冲击、抗变形、抗断裂、抗疲劳等综合机械性能。由于这一产品技术难度大，生产和检验标准严格，仅有瑞典、西班牙等欧洲国家的少数公司能够批量生产，我国一直以来只能依赖进口。从2007年开始，亚星锚链投入数千万元进行自主研发，最终成功研制出该产品，并经大量试验证明了其技术可靠性，最终在国际竞争中击败世界知名供货商，一举中标。亚星锚链在R5级系泊链这一产品的生产技术、生产设备方面均处于国际领先地位，已具备批量制造该产品的条件。除中海油外，俄罗斯的一家主要石油公司也将采用亚星锚链的R5级系泊链。亚星公司目前75%的产品出口到世界各地，2008年，亚星锚链公

39、司靖江本埠生产船用锚链、系泊链共13万吨，完成销售13.5亿元，完成自营出口1.4亿美元，加上亚星公司在镇江、马鞍山的两家企业，亚星公司去年的生产量达22万吨，总销售额达22亿元。1.2.3 国外系泊链的发展现状国外系泊链的发展相对较先进，较成熟，世界范围内比较著名的系泊链公司是：西班牙的Vicinay Cadenas S.A. 和瑞典的Ramnas Bruk AB，这两家公司目前同国内的亚星锚链一样，均可以批量生产R5级系泊链，生产的R4和R5级系泊链的热处理工艺都使用Double quenching and tempering (DQT)。韩国的DAI HAN和日本的Hamanaka两家锚

40、链厂生产的最高级别系泊链是R4级，使用的热处理工艺都为quenching and tempering（QT）淬火+回火的调质热处理。各国的材料情况：目前各国使用的材料，内在物理、化学特性基本一致，区别不大，但其外表质量国外强于国内。各国制链控制手段：国外自动控制水平比国内高，生产、检测等主要靠计算机控制，但国内生产主要由计算机控制，而产品质量检测多采用人工检测。国外对系泊链的基础性研究较国内强，如腐蚀、疲劳、磨损、模拟实际使用状态的腐蚀疲劳以及每一链环的实际受力情况等，国内所作的基础研究工作不系统，大多锚链制造公司正在进行深入研究。1.2.4 系泊链的发展前景中国海洋石油工业是在20世纪90年

41、代初才发展起来的初具规模的新型工业。国内的市场主要集中在南海、渤海湾。目前国内有海洋平台或单点系泊单元大约10座左右，而中国海洋矿产资源潜在量位居世界第三（见中国海洋21世纪议程）6。世界上现有海洋平台或单点系泊单元大约300座左右。一般来说，石油钻井平台的使用年限为2030年，而现有的大量平台大多建造于20世纪70年代中后期或80年代初期。大多数需要更换新设备。除了旧设备的更新，新建平台数量也十分可观。世界各国由于对海洋资源的需求量猛增，以及海洋飓风、海啸、频繁的海洋地震等自然灾害对现有海洋平台或单点系泊单元的毁坏，实际上这些海洋工程所需的高级别系泊链数量在不断地大幅度增长。海上油气开采设备

42、的增加，导致海上工程结构物也相应增多，而对作为海上工程结构物固定连接器具的系泊链，其需求将愈来愈大。系泊链作为海洋采油、采矿装置固定物，是不可或缺的安全保障部件，其广泛应用于海上油气开采及深海作业的浮式生产储油（FPSO）船79、半潜式平台和竖筒式生产平台（SPAR）等装置，该产品技术上世纪七十年代开始形成并被瑞典Ramnas、西班牙Vicinay以及后来的日本HAMANAK等少数国家的厂家垄断，30年来没有哪个国家能打破他们的市场垄断地位。这种系泊链既要能经得住深海海浪、风力无规律变化作用，又要能达到30年不更换的质量要求，其技术难度可想而知10,11。随着海洋钻探和开发工程技术的不断进步，

43、深水的概念和范围不断扩大。20世纪90年代末，水深超过300米的海域为深水区。目前，以大于500米为深水，大于1500米则为超深水。研究和勘探实践表明，深水区油气资源潜力大，勘探前景良好。据统计，2008年全球储量在4亿桶油当量以上的重大油气发现共有14个，主要来自海洋区域尤其是深海。14个重大油气发现中，有8个来自深海区域。海洋工程已开启深海时代，随着海洋资源的开采向深海进行（目前已达3800米），其勘测、采集的平台或单点设施系泊所需的系泊链也越来越长，为了降低自身的重量，必须采用更高强度的系泊链，这样才能即降低重量，又不影响强度，因此用更加优质的钢和更先进的制造工艺制造更高级系泊链是系泊链

44、产业发展的必然趋势。1.3 系泊链对相关产业的带动随世界各国对海洋开发、海洋航运等民用军用高级别系泊链需求量的快速增长，除给系泊链研制开发自身带来巨大商机，产生较大社会效益和经济效益外，本项目的实施对促进我国及本省的船舶工业、钢铁工业发展，提升系泊链产品的质量层次，及国内国际市场的竞争力，带动我国钢铁工业及上、下相关行业的发展有重要拉动作用：（1）高级别系泊链的研制开发有利于促进我国的造船工业发展。我国到2015年将成为世界造船大国、强国，系泊链的质量提升，产品上层次，系泊链的设计制造技术水平、制造设备达到世界先进水平，将极大带动全国船用锚链质量、制造技术水平的提升。（2）高级别系泊链研制开发

45、将促进我国海洋资源的开发12。高质量高级别的系泊链是海洋工程平台与装置的安全保障。已开发的R4型系泊链试验产品已获得国际著名的挪威DNV，美国ABS，法国BV，英国LR等造船船级社认证和美国API（美国石油协会）标志使用权。R4S、R5高级别系泊链对海洋资源开发，特别是深海或超深海的油气开发海洋资源的勘探都具有很大的促进和保障作用。（3）高级别系泊链的研制开发可以强有力地带动我国及本省钢铁工业的发展。高级别系泊链链环直径几十至195mm，每环重达几十公斤至数百公斤，是高强度、高韧性，抗疲劳，耐腐蚀的合金结构钢制造的，对钢材的质量要求很高。（4）高级别系泊链研制可以促进我国锚链生产水平，促进我国

46、的锚链工业的发展，产生更大的经济效益和社会效益。高级别系泊链研制开发是集材料、机械、自动控制、焊接、锻造、热处理、无损检测等各类学科与技术的系统工程。（5）高级别系泊链的制造设备和制造技术将达到国际先进水平，高质量的系泊链将打破国外公司长期的技术垄断，产品出口量将成倍增加，将带动国内，船用锚链、系泊链的出口，提高国际市场竞争力。1.4 合金元素在系泊链钢中的作用实验所用的22CrMnNiMo钢在成分设计时应满足如下的材料特性：(1)碳当量13应保证大于1.4，以保证在镇江锚链厂现有的工艺条件下，链环焊缝处的抗拉强度及冲击韧性良好；(2)冷裂纹敏感系数14应小于0.4，同时马氏体开始转变温度应大

47、于350°C，使之保证在制链热处理过程中不产生淬火和回火裂纹。制造系泊链的棒材直径一般为70-160mm，其中70%以上都集中在70-130mm，所以还必须保证大直径链环有足够的淬透性。1.4.1 碳的作用 C在钢中与合金元素相互作用形成合金碳化物，能显著提高钢的强度，同时又可以提高钢的淬透性和淬硬性，但也使钢的塑性降低，并会降低材料的焊接性能，C也是显著提高钢的脆性转变温度的元素之一。如果C含量低于0.18%，材料的强度和力学性能指标达不到使用要求，如果C含量高于0.25%，材料的塑性指标，焊接性能及低温冲击性能达不到使用要求，所以本钢种C含量取在0.18-0.25%之间。1.4.

48、2 硅的作用Si在钢中能溶入铁素体，能提高合金钢的强度和硬度，降低钢的塑性和韧性，但过高的Si含量，特别是与Mn和Cr元素共存时，容易引起钢的晶粒粗化，增加钢的回火脆性，同时Si是显著提高钢的脆性转变温度元素之一。1.4.3 锰的作用Mn是主加的固溶强化铁素体元素，显著提高钢的强度。在钢中能溶入铁素体，强化基体，在轧后冷却时能细化珠光体且能相对提高珠光体含量，因此，能提高强度和硬度，显著提高淬透性，改善热处理性能，且对材料的塑性影响较小，当含量过低时，材料的力学性能和淬透性均很难达到系泊链的使用要求，当Mn含量过高时，大大增加了材料的淬火裂纹倾向，且加大了工件淬火后的变形趋势，对系泊链整体淬火

49、工艺十分不利。1.4.4 铬的作用Cr能显著提高材料的淬透性，同时能提高钢的抗腐蚀性和耐磨性，能抑制和降低C的扩散速度，减少钢在焊接时C的烧损，提高焊缝处的力学性能，Cr还有提高钢的淬火及回火稳定性的作用，综合考虑，如果含量低于0.8%材料淬透性达不到要求，同时材料抗腐蚀性和耐磨性差，如果高于1.4%材料的塑性指标将收到影响，同时过高的Cr会形成氧化物夹杂，降低钢的冲击韧性，增加材料淬火变形。1.4.5 钼的作用Mo能提高钢的淬透性和热强性，并能提高钢的抗腐蚀性和防止点蚀倾向等作用；可以明显地改善钢材焊缝处的淬火特性，减少淬火裂纹，提高焊缝处的冲击韧性；有效的抑制钢中有害元素的偏聚，是消除或减

50、轻钢高温（第二类）回火脆性的有效元素。1.4.6 镍的作用Ni与Fe以互溶的形式存在与钢中，使之强化，并通过细化晶粒，改善钢的低温性能，特别是韧性，可以明显的改善钢材焊缝处的冲击性能，并提高钢的淬透性和耐腐蚀性能。但是，Ni在全世界范围都是一种比较稀缺的元素，是一种重要的战略物资。作为合金化元素，能不用的尽量不用，不能不用的尽量少用，同时，如果Ni含量过高会造成氧化铁皮不易脱落现象，给链环制造工序增加困难。1.4.7 铝和铌的作用Al和Nb可以强烈阻碍奥氏体晶粒的长大，Al提高钢的抗氧化性，降低钢中气体含量，提高钢的耐磨性和疲劳强度，同时提高钢的低温性能和耐腐蚀性能，但如果含量过高，容易形成硬

51、的Al2O3夹杂，降低钢的疲劳寿命，降低钢的冲击韧性。Nb提高钢的晶粒粗化温度，降低钢的过热敏感性，同时，Nb对降低钢中的气体含量及改善钢的低温冲击韧性有显著作用。1.5 提高钢铁材料力学性能的方法钢铁材料综合力学性能优良、性能可靠、易于大规模生产，是当今社会建设和发展的基础材料。尤其是大型重工业机械、国家国防建设不可或缺的主要材料，现代社会的进步与高新技术的发展也对传统的钢铁材料领域提出了严峻的挑战，多年来学者们为提高钢铁材料的使用性能开展了广泛的研究工作，研究和生产实践表明，具有高强度兼具高韧性的钢铁材料是最理想的材料。然而，一般情况下，这两方面的性能是相互矛盾的，提高强度的同时，韧性会降

52、低，而韧性提高时也会伴随着强度的损失。研究表明，晶粒细化是能同时提高材料强度和韧性非常有效的途径15。1997年，日本通产省基础产业局启动了由日本五大钢铁公司为骨干的“超级金属”研究计划，目标是通过新的工艺路线，把金属组织控制在超细晶粒的界观尺度。在日本超级钢项目的影响下，韩国1998年也启动了“21世纪高性能结构钢”的国家项目。在1998年我国启动了“新一代钢铁材料的重大基础研究”，被列为“973”第一批启动的10个项目之一。为了满足经济和社会发展的需求，也需要研究和开发出高强度和长寿命的新一代钢铁材料16,17。其目的在于大幅度节约能源、节约资源和保护环境的前提下研究新一代钢铁材料，钢的晶

53、粒细化研究是发展新一代钢铁材料的研究重点之一。目前对晶粒细化的技术研究很多，比较成熟的工艺有：形变诱导相变(deformation induced transformation)细化、形变热处理(deformation heating treatment)细化、合金化(alloying)细化和循环加热淬火(circle heating-treatment)细化技术等等18。1.5.1 形变诱导相变细化晶粒形变诱导相变是将低碳钢加热到奥氏体相变温度Ac3以上，保温一段时间，使其奥氏体化，然后以一定速度冷却到Ar3和Ae3之间，进行大压下量变形，从而获得超细铁素体晶粒。在变形过程中，形变能的积聚使

54、 Ar3 点温度上升，在变形的同时发生铁素体相变，并且变形后进行快速冷却，以保持在变形过程中形成的超细铁素体晶粒。在形变诱导相变细化晶粒中，形变量和形变温度是两个最为重要的参数，随着形变量的增加和形变温度的降低，应变诱导铁素体相变的转变量增加，同时铁素体晶粒变细19。形变诱导相变细化晶粒主要应用于钢铁材料的控轧控冷生产过程中。在当今世界该研究领域内也属重大突破。但是形变诱导铁素体相变细化晶粒技术的局限性在于只适用于在相变过程中可发生奥氏体-铁素体相变的低碳低合金钢。1.5.2 形变热处理细化晶粒形变热处理是在金属材料上有效地综合利用形变强化（加工硬化）及相变强化，将压力加工与热处理操作相结合，

55、使成形工艺与获得最终性能统一起来的一种工艺方法。它不但能够获得一般加工处理达不到的高强度与高塑性（韧性）的良好配合，而且可以大大减化零件或钢材的生产流程，降低成本，带来好的经济效益，因而在各国受到普遍重视，得到较快的发展。成熟的形变热处理工艺有许多，但大致可分为两类：一是将钢在较低的奥氏体化温度进行变形，然后淬火；二是将淬火后的钢进行冷变形，然后奥氏体化再淬火。目前，钢的高温形变热处理已发展成理论研究和实际应用都相当成熟的工艺，在钢材或零件的生产中得到广泛的应用。1.5.3 合金化细化晶粒通过对钢铁材料微合金化可以有效地细化晶粒，其主要原因为：一是有些固溶合金化元素（如 W、Mo 等）的加入提

56、高了钢的再结晶温度，同时可降低在一定温度下晶粒长大的速度；二是一些强碳氮化物形成元素（如 V、Ti、Nb 等）与钢中的碳或氮形成尺寸为纳米级的化合物，它们对晶粒的长大起强烈的阻碍作用，并且这种纳米级的化合物所占的体积分数为 2%时，对组织的细化效果最好20。但是单纯的微合金化细化晶粒对钢铁材料组织超细化有较大的局限性，它往往是结合一定的热加工工艺进行综合细化，才能得到较好的效果。1.5.4 循环加热淬火细化晶粒本课题采用循环热处理+奥氏体相变重结晶结合的热处理工艺。所以以下重点介绍循环淬火的过程原理。循环热处理是一种行之有效的晶粒细化工艺，在提高材料综合机械性能的同时，在缩短热处理周期、节省能

57、耗、生产率高等方面也展示了良好的前景。其细化原理在于每一次奥氏体化都要经历奥氏体重新形核和长大的过程。只要加热温度不过高，保温时间不过长，所得奥氏体晶粒比原来奥氏体晶粒就小一些，经过组织转变保留到室温的组织也就更加细小。国外在应用循环热处理细化金属合金方面已取得了长足的进展，有的已进入了生产实用阶段。国内科技工作者也纷纷开展循环热处理的实际应用研究。谢艳峰、任学平21等对32Cr2MoV钢采用两次循环淬火加热处理后获得的平均晶粒尺寸为11.9m，比常规的调质工艺获得的28.3m减小了60%。综合性能也有明显的提高。当循环次数增加时，晶粒还进一步细化，韧性增加，但强度与两次加热相比有一定的降低。英国学者B.A. St