金属材料课设论文

1、武汉科技大学课程设计论文课程设计论文题目： 一种超低碳微合金针状铁素体钢的设计学 院:理学院专 业:材料物理学 号:201307120057学生姓名:杜文兵指导教师:吴开明 张莉芹日 期:2016.5.6 摘要目前我国西气东输等大型项目相继投入使用，国家对于管线钢的需要日益增加。为降低管线建设和运营成本，我国急需设计出高性能低成本的管线钢。而要生产出更高强韧性的管线钢就必须对其进行合理的合金设计。实验根据管线钢的性能设计出了一种合理的合金成分。并通过JMatpro软件模拟计算样品的CCT、TTT曲线，分析针状铁素体的转变温度并设计合适的热处理工艺。关键字：热处理；微合金化；管线钢；成分设计Ab

2、stract Some large projects such as West-Esat gas transmission are being constructed in our country right now.The need for pipeline steel increase day by day.Our country need to design a high-performance and inexpensive pipeline in order to reduce cost of pipeline construction.In order to produce fur

3、ther high strength and toughness pipeline steel,alloy design must be reasonable done. We designed a reasonable alloy composition on the basic of performance of pipeline in the experiment.And we analyze the transition temperature of the ferrite and design appropriate heat treatment process by JMatpro

4、 software simulation samples CCT, TTT curve.Keywords: Heat treatment; Micro alloying;Pipeline steel;Composition design目录摘要1Abastract21 文献综述41.1 前言41.2 管线钢生产工艺41.3 针状铁素体组织形态51.4 针状铁管线钢中合金元素的选取52 管线钢轧制工艺要求72.1 加热72.2 粗轧72.3 代温72.4 精轧72.4 精轧72.5 冷却73 钢种设计73.1 成分设计73.2 JMatpro计算软件模拟TTT和CCT曲线83.3 工艺流程103

5、.4 强度分析113.5 焊接性能分析134 总结13参考文献13第一章 文献综述1.1前言管线管钢是指用于输送石油、天然气等的大口径焊接钢管用热轧卷板或宽厚板。管线钢在使用过程中，处理要求具有较高的耐压强度外，还要求具有较高的低温韧性和优良的焊接性能。 现代管线钢属于低碳或超低碳的微合金化钢。管线钢工程的发展趋势是大管径、高压富气输送、高冷和腐蚀的服役环境、海底管线的厚壁化。因此现代管线钢应具有高强度、低包申格效应、高韧性和抗脆性、低焊接碳素量和良好焊接性、以及抗HIC和抗H2S腐蚀。目前，国外饭发达国家以开始广泛使用X70和X80管线钢并在积极研发X100及X120管线钢且已取得一定成果，

6、我国管线钢起步虽然较晚，但进步很快，目前已能稳定生产使用X65、X70、X80管线钢且已开始了X100和X120管线钢的研究。其中X70管线钢的主要结构多为针状铁素体结构，不仅具有良好的低温韧性，而且具有低的包申格性能和良好的焊接性，同时具有高的韧性和止裂性能。X70管线钢一般采用低碳-锰-铌系为基础，再适当添加其他的合金元素。1.2管线钢的生产工艺 目前在国内管线钢的生产工艺主要有：常规半连续热连轧、CSP连铸连轧、中厚板机组、炉卷机组。1.2.1半连续轧机 包括1架炉卷机及5机架精轧机。在半连续轧机上，钢带在精轧道次所经历的热轧从钢带的一端到另一端实质上是恒定的。在精轧机上道次间的时间通常

7、少于3S。1.2.2CSP连铸轧机在CSP生产线上对含有铌、钒、钛复合微合金化的低碳锰钢采用合适的控轧控冷和卷取工艺，可以保证钢的力学性能和显微组织符合现代X60管线钢的技术要求，符合现代管线钢的发展趋势。1.2.3中厚板机组 主要生产宽厚板，用于直缝埋弧焊管的生产，直缝埋弧焊管质量可靠，广泛应用于油气高压输送主干线上。1.2.4炉卷轧机炉卷轧机包括一家往复式粗轧机和4架往复式精轧机。在精轧机两边的输送线上安装了两台热卷轧机。输出辊道通常包括一套 层冷流冷却系统和一个卷取站，在炉卷轧机上，钢带整个长度上的热机械历史明显变化，尤其是在微合金化钢生产中，将强烈影响精轧机上生产的再结晶程度，晶粒长大

8、及析出，并且导致整个带钢长度上终极显微组织和性能的剧烈变化。其工艺特点是投资本钱相对低。1.3针状铁素体的组织形态针状铁素体是指低合金高强度钢中所形成的一种不同于铁素体-珠光体的类贝氏体组织。针状铁素体具有不规则的铁素体晶粒，基体中分布着高密度的位错，通过多边形铁素体和贝氏体转变温度之间的温度区间奥氏体分解形成。此种转变可以通过奥氏体温度区间快速冷却而得到。 a） 放大倍数200倍 b)放大500倍图1.1金相组织图1.4铁素体管线钢中合金元素的选取1.4.1碳碳是增加钢的强度的有效元素，但是随着含碳量的增加会导致焊接性恶化，韧性下降，同时偏析加剧。当碳含量超过0.04%时，当导管线钢抗HIC

9、的能力下降，当碳含量超过0.05%时，当导致锰和磷的偏析加剧。目前，随着管线钢的级别提高，碳含量一般逐渐降低。对于寒冷状态含硫环境的管线钢，如果过度降低碳含量（0.01%),热影响区的境界将脆化,并引发热影响区发生HIC和韧性的降低。目前认为最佳碳含量应控制在0.01%0.05%。1.4.2锰钢中含碳量的降低使屈服强度下降，可以使用锰代替碳保证其强度。另外锰还能推迟铁素体-珠光体的转变，并降低贝氏体的转变温度，有利于形成细晶粒组织。锰对管线钢有固溶强化、细晶强化、和相变强度有影响。锰在提高强度的同时，还可以提高钢的韧性，降低韧脆转变温度。但锰含量过高会对管线钢的焊接性能造成不利影响。1.4.3

10、硫硫是管线钢中影响钢的抗HIC和抗SSC能力的主要元素。随着含硫量的增加，敏感性显著增加；只有当0.0012%时，HIC明显降低。值得注意的是硫易与锰结合生成MnS夹杂物，当MnS夹杂变成粒状夹杂物时，随着刚强度的增加，单纯降低硫含量不能防止HIC。1.4.4磷由于磷是一种易偏析的元素，在偏析区其淬硬性约为碳的两倍。此外磷还会恶化管线钢的焊接性能，显著降低钢的低温冲击韧性，提高钢的脆性转变温度，使钢管发生冷脆。对于高质量的管线钢应严格控制钢中的磷含量。1.4.5钼管线钢中含量的增加会使其抗拉强度提升。钢中钼有利于针状组织的发展，随着钢中钼的质量分数的增加，针状铁素体的含量增加，因此能在极低的碳

11、含量中得到很高的强度。在连续冷却转变中，钼元素的加入使相点的温度降低，在相同的冷却条件下更容易发生贝氏体转变，并使其CCT曲线向右移。1.4.6铌铌是管线钢中不可或缺的元素，能改善低温韧性。铌由于在板坯加热过程中固溶于奥氏体中，在轧制变形过程中具有抑制奥氏体再结晶和细晶奥氏体晶粒的作用。其碳氮化合物在轧制后的冷却过程中沉淀析出，对钢板具有析出强化作用。1.4.7其他元素管线钢中加入微量的钒，可以通过增加沉淀硬化效果来提高钢板的强度。钢中加入微量的钛可以通过提高钢的晶粒粗化温度来促进晶粒细化，达到提高钢板强度和韧性的目的。铜能有效地提高抗大气腐蚀和显著减少氢质裂纹产生的能力。第二章 管线钢轧制工

12、艺的要求2.1加热 钢坯的加热温度决定着奥氏体的原始晶粒度和合金元素的固溶温度，并直接影响钢板的最终性能。通常加热温度为11801220。2.2粗轧 轧制一般为5道次，道次间应保证充分的动态再结晶，粗轧终了温度应控制在9801020，粗轧变形量应50%。2.3代温 粗轧结束至精轧开始前也应保证充分的恢复再结晶，其代温时间一般为100秒左右。2.4精轧 精轧基本上均处于未在结晶轧制过程，精轧变形量应75%，终轧温度可根据强度的需要控制在780850。2.5冷却 冷却速度尽可能大一点，一般在520/秒范围内，根据轧机类型和冷却装置的不同，冷却速度也有所不同。冷却终了温度可根据强度需要控制在6308

13、50，高强度管线钢也可控制在350450。冷却采用后冷却方式可以较低的屈强比。第三章 钢种设计3.1成分设计3.1.1性能要求 管线钢的性能要求： 高强度； 高韧性和低的韧脆转变温度； 良好的焊接性； 抗氢致裂纹(HIC)和硫化物应力腐蚀断裂(SCC)；3.1.2具体成分 成分设计：主要是根据各种合金元素在钢中的作用，对比目前成熟的管线钢成分要求，针对针状铁素体对合金元素的要求，对管线钢成分做出进一步的优化。通过改变合金元素的含量，分析钢中合金化元素的添加量对钢种组织和性能的影响。表3.1 新型钢种的合金成分（质量分数wt%）元素CMnSPMoNiVCuNbCrSi成分（%）0.0451.85

14、0.0010.0040.300.230.0430.080.040.030.253.2JMatpro计算软件模拟TTT和CCT曲线3.2.1关于JMatPro的简介 JMatPro是英国Sente Software公司开发的,一款功能强大的材料性能模拟软件，可以用来计算金属材料的多种性能。它是一个基于材料类型的软件，不同的材料类型有不同的模块。JMatPro 特别针对工业用合金如镍基超合金、钢铁(如不锈钢，高强低合金钢，铸铁)、铝合金、镁合金和钛合金等，计算各种各样的材料性能。简单而直觉式的图形用户界面设计，任何工程师或者研究人员都非常容易使用。3.2.2JMatpro模拟TTT曲线及其分析图3

15、.1样品的TTT 模拟所得的TTT曲线可以得出，珠光体开始生成的最高温度为664.1，贝氏体开始生成的温度为598.3铁素体生成的温度为837.1。由于管线钢中添加的合金元素Mn、Mo、Nb、Ti、V、Si，合金元素融入奥氏体中增大了过冷奥氏体的稳定性，使C曲线向右边移动，并使得Ms点降低；而合金元素Mo、Ti、V融入奥氏体后，不仅仅使得C曲线位置向右移动，而且还改变了C曲线的形状，使C曲线出现珠光体转变和贝氏体转变两区域。3.2.3JMatpro模拟CCT曲线及其分析图3.2 样品的CCT图 由模拟曲线可知，在不同的转变温度下，可以得到铁素体、珠光体和贝氏体的转变产物。其中在837.1开始有

16、奥氏体向铁素体转变，在664.1开始有奥氏体向珠光体转变。在598.3开始得到贝氏体的转变产物，而当温度达到433以下时才会得到马氏体转变产物。对于采用不同的冷却速度，得到的产物也不相同。从图中可以看出，在0.15.0/s的冷却速率范围内转变为铁素体和珠光体，在5.050/s的冷却速率范围内转变产物为铁素体和贝氏体。因此，要得到针状铁素体管线钢，终扎后合适的冷却速度为1030/s，冷却速度过快得到的是马氏体组织，冷却速度过慢会得到多边形铁素体组织。3.3工艺流程3.3.1超纯净钢冶炼技术 高性能钢充分应用超纯净钢的冶炼技术，从入炉铁水开始对S等有害元素进行控制，中间经真空除气和炉外精炼，并采用

17、钙处理对夹杂物进行球化处理，使钢中没有明显的纤维状组织或条状夹杂物，从而保证钢质的高纯净度。并采用电磁搅拌和连铸轻压下，尽量提高钢的成分和组织的均匀性。3.3.2控轧控冷工艺技术该技术主要从钢坯再热、轧钢和轧后冷却等几个方面控制。再加热温度对于微合金的固溶量有较大影响，一般X80的再加热温度宜选择在11501180。窗体顶端 再加热温度对一些微合金元素的固溶量有很大影响。加热温度过低将存在部分未溶碳氮化物，它们不可能阻止奥氏体再结晶的作用；加热温度过高则使奥氏体晶粒显著粗化，由于形变晶粒细化效果与初始晶粒尺寸有密切关系，因此粗大的奥氏体晶粒将削弱形变晶粒细化效果。一般X80管线钢的再加热温度宜

18、选择在11501180。 为了细化铁素体晶粒，在奥氏体再结晶区粗轧时进行多道次大变形量轧制，保证大的压下率，使奥氏体晶粒充分破碎，同时保证粗轧的结束温度处于完全再结晶区，不能进入部分再结晶区，以避免产生混晶组织。于 950以下非再结晶温度区进行连续精轧，并增加精轧压下率，可使奥氏体晶粒充分压扁，并在晶粒内部形成滑移带，为铁素体转变时提供更多的形核位置。控制精轧压下率将显著提高钢的强度尤其是屈服强度，细化晶粒，改善韧性。在未再结晶区轧制时形变量越大，形变晶粒细化效果越好。窗体顶端 当终轧温度提高时，屈服强度下降，这是由于终轧温度降低，位错密度增加，强化效果增强。但终轧温度不宜低于 Ar3,否则将

19、进入两相区轧制，得到不均匀混晶组织，韧脆转折温度明显上升。 对于针状铁素体型微合金化钢，其强化除了通过固溶强化、细晶强化外，还通过位错强化、沉淀强化等方式来实现。降低终轧温度，可以使奥氏体在形变过程中产生的大量位错得以保留下来，从而增加最终转变产物中的位错密度，提高钢的强度。 低碳微合金化钢在相同的变形条件下，随轧后冷却速度的提高晶粒明显变细。当钢中含有一定量的 Mn、Mo 等元素时，随冷却速度的提高，先共析铁素体和珠光体转变被抑制，组织中开始出现贝氏体和马奥组织等低温转变产物，钢的强度提高。窗体底端3.4强度分析屈服强度预测可由下式估算： （3-1） 点阵摩擦阻力，按文献大约为50Mpa。固

20、溶强化能力，计算公式采用： （3-2） ki为第i元素的固溶强化系数(MPa/wt%)，xi为第i组元在固溶体中浓度。各元素在固溶体中的含量占总加入量的比例为：Mn, Mo在固溶体中的含量取加入量的90和70； Si、P取100。另外，各合金元素选用系数ki 取Si(86)，Mn(50)，Mo(22)，P(470)，V(3)，Ti(80.5)，Ni（20），Cr（30）。预测固溶强化引起的强化项约为129.7MPa。 A860.25501.85220.34700.00430.04380.50.02200.23300.03129.7MPa位错强化，按位错密度对屈服应力的通用公式估算： （3-3）

21、估算位错面密度110/mm210/mm，m810MPa，b2.510mm，对于立方金属多晶体为0.5，密排六方金属为1.1。计算时取1.5*108/，为0.5, 因此引起的强化122.45MPa。析出强化。 （3-4） 取析出质点直径d=20nm，析出物间距l=250nm，估算99.63MPa。间隙原子引起的强化，主要是C, N原子强化，用近似公式9.410f，f值在10左右（大部分C,N进入析出相），引起强化 94MPa。晶粒细化：取k为20N/mm-3/2，取dz9nm（dz为晶粒尺寸），由此引起的强化：估算 210.82MPa。因为在控轧控冷钢中，晶界强化效应与位错强化效应本质上属于同一类型，因此与一般不能重复计算，可取其中大的一个，本钢中去选取122.45MPa