【摘 要】
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低合金高强钢在船舶、桥梁、海洋平台、建筑和管线等领域应用日益广泛,为提高施工效率、降低成本,普遍采用高效的大热输入焊接技术。但是,焊接热输入的增加,会恶化焊接热影响区的性能,从而增加钢铁材料在服役过程中的安全隐患。氧化物冶金技术的核心是利用钢中微细粒子诱导针状铁素体形成和钉扎奥氏体品界,该技术可以有效改善焊接热影响区性能的恶化,因而被广泛用于焊接用钢相关领域。本课题以C-Mn钢为研究对象,通过改变
【基金项目】
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国家自然科学基金（No.51774024）；
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低合金高强钢在船舶、桥梁、海洋平台、建筑和管线等领域应用日益广泛,为提高施工效率、降低成本,普遍采用高效的大热输入焊接技术。但是,焊接热输入的增加,会恶化焊接热影响区的性能,从而增加钢铁材料在服役过程中的安全隐患。氧化物冶金技术的核心是利用钢中微细粒子诱导针状铁素体形成和钉扎奥氏体品界,该技术可以有效改善焊接热影响区性能的恶化,因而被广泛用于焊接用钢相关领域。本课题以C-Mn钢为研究对象,通过改变Ca、Mg和La的添加顺序以及添加量,系统研究了其对钢中夹杂物特性（类型、数量和尺寸分布等）和针状铁素体生成的影响:通过改变热处理制度,研究了奥氏体化温度对奥氏体晶粒尺寸和针状铁素体生成的影响规律,阐明了适宜针状铁素体生成的温度范围;探讨了焊接热输入量对焊接热影响区组织和韧性的影响规律。通过过程样的分析,研究了 Ca、Mg和La添加后钢液中夹杂物的演变过程,探讨了不同处理条件对钢中夹杂物特性和针状铁素体生成的影响。结果表明Ca、Mg和La依次添加后钢液中夹杂物由Si-Mn-Al-O依次转变为Ca-Al-O、Ca-Mg-Al-O和La-Mg-Ca-Al-O类夹杂物。最终样中的夹杂物主要为氧化物核心+MnS类的复合夹杂物,Ca处理、Ca-Mg处理和Ca-Mg-La处理后夹杂物中的氧化物核心分别为Ca-Al-Ti-O、Ca-Mg-Al-Ti-O和La-Mg-Ca-Al-Ti-O。经Ca-Mg-La处理后试样中的夹杂物平均尺寸最小,数密度最大,有更多的有效夹杂物（针状铁素体的形核核心）,能获得更高含量的针状铁素体。研究了复合处理条件下Mg、Ca和La不同添加顺序对夹杂物和组织的影响,发现不同添加顺序下,最终样中夹杂物元素组成没有变化,主要由氧化物核心和硫化物外壳组成,但夹杂物的层状结构有所不同。Mg→Ca→La或Ca→Mg→La的顺序添加时,主要是含Mg氧化物为核心,含Ca和稀土夹杂物在其外侧析出;而La在Mg之前添加时,氧化物核心主要是稀土夹杂物,同时在夹杂物的外侧会有MgO的形成。在Mg→Ca→La的添加顺序下,最终样中的夹杂物平均尺寸最小,数密度最大,能得到更多数量的有效夹杂物,诱导了更多针状铁素体的形成。在Mg→Ca→La的添加顺序下分别研究了 Mg、Ca和La添加量对钢中夹杂物特性和组织的影响,发现钢中夹杂物的主要类型为含Mg、Ca的氧化物为核心,外侧稀土夹杂物和硫化物附着析出。Mg含量的增加使得含Mg氧化物核心由Mg-Al-O转变为MgO,过高的Mg含量会导致夹杂物的碰撞聚集;适宜的Mg含量（0.001wt%-0.003wt%）下可获得更多数量的有效夹杂物,诱导更多针状铁素体的形成。钢中夹杂物数密度随Ca含量的增加先增加后降低,而平均尺寸先降低后增加;Ca含量的增加使得火杂物外侧的MnS以Mn-Ca-S的形式出现且CaS逐渐占主导,减弱了夹杂物诱导针状铁素体形核的有效性,有利于钢中获得更多针状铁素体的适宜Ca含量为0.0008wt%-0.0018wt%。La的增加使得火杂物数量先增加后保持不变,平均尺寸先降低后增加,过高的La含量会导致不规则的大尺寸稀土夹杂物的生成,火杂物诱导针状铁素体形核的能力降低。有利于钢中获得更多有效火杂物,生成更多针状铁素体的适宜La含量为0.010wt%-0.023wt%。系统研究了不同热处理条件和冷却速度对针状铁素体生成的影响,结果表明奥氏体化温度对奥氏体晶粒尺寸有较大的影响,从而影响AF的生成,奥氏体晶粒尺寸约为123μm-210μm时有利于AF的形成。连续冷却条件下,Ca处理和Mg-Ca处理钢中有利于针状铁素体生成的冷速区间为1℃/s-3℃/s,而Mg-Ca-La处理后扩宽了适宜针状铁素体生成的冷速范围（1℃/s-5℃/s）。研究了等温实验对针状铁素体生成的影响,发现Ca处理和Mg-Ca处理钢在550℃等温60s时能获得大量的针状铁素体,而La的添加促进了针状铁素体的生成,Mg-Ca-La处理钢在500℃至600℃等温60s时均能获得大量针状铁素体。利用焊接热模拟实验,研究了不同处理方式和焊接热输入量对热影响区组织和性能的影响,发现不同复合处理条件下,钢中的析出相主要由TiN、和高热稳定性的氧/硫化物+TiN类的复合析出相组成;经Mg-Ca-La复合处理后,钢中析出相的类型和数量增加,而平均尺寸由Ca处理钢的94nm降低到了 71 nm,热影响区中的奥氏体晶粒尺寸最小,冲击韧性最好（184J）。热输入为80 kJ/cm和150 kJ/cm时,Mg-Ca-La处理钢热影响区中的奥氏体晶粒尺寸分别约为157μm和160μm,热影响区的冲击韧性相差不大;热影响区中的奥氏体晶粒尺寸随热输入的进一步增加而增大,冲击韧性降低。
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