随着我国能源需求的增加和石油化工行业的发展,需要大量的Ni系低温钢来制造各种液化气体储罐和运输船。由于液化气体温度极低且具有可燃性,为确保安全性要求Ni系低温钢在超低温条件下需要具备较高的强韧性和良好的焊接性能。目前液化天然气(LNG)和液化石油气(LPG)等液化气储罐和船逐渐向大型化发展,对Ni系低温钢的强度和低温韧性提出了更高的要求。我国Ni系低温钢的发展较晚,目前生产中还存在许多问题。特别是关于Ni含量对组织演变规律和强韧化机理的研究尚需深入研究。本文系统研究了 Ni系低温钢高温变形行为、相变行为、QT(Quenching and Tempering)热处理工艺对组织演变规律和力学性能的影响。并分析了 QT工艺条件下Ni含量对Ni系低温钢冲击韧性的影响机理。在此基础上,提出了控制低Ni钢逆转奥氏体为目标的新工艺,用于低Ni钢板的开发。论文主要研究工作如下:(1)通过单道次压缩实验,研究了 Ni系低温钢的高温变形行为,分析了 Ni对奥氏体再结晶的影响,并建立了 Ni系低温钢的本构方程。分析了 Ni系低温钢变形抗力的影响因素并建立了变形抗力模型。通过双道次压缩实验,研究了 Ni系低温钢的静态再结晶行为,结果表明静态再结晶软化率随变形温度的升高和道次间隔时间的延长而增加。在相同的变形温度和道次间隔时间条件下,3.5%Ni钢静态再结晶软化率高于5%Ni钢,表明Ni能够降低静态再结晶软化率,抑制静态再结晶的发生。(2)研究了四种成分的Ni系低温钢连续冷却过程中奥氏体相变规律和Ni含量对相变行为的影响。结果表明:Ni系低温钢组织随着冷却速度的增加由多边形铁素体逐渐向板条马氏体过渡。随着Ni含量的增加,铁素体相变开始温度逐渐降低,平均晶粒尺寸减小。Ni元素可以缩小铁素体相变区间,扩大马氏体相变区间,并显著降低马氏体的临界冷却速度。(3)研究了 QT热处理工艺条件下Ni含量对显微组织和力学性能的影响。结果表明:QT工艺处理的的Ni系低温钢组织均为回火马氏体和一定量的逆转奥氏体。当Ni质量分数由3.5%增加到9%时,逆转奥氏体体积分数由0%增加到6.3%。冲击实验结果表明随着Ni含量的增加,实验钢韧脆转变温度降低,-196℃冲击功增加。逆转奥氏体体积分数的增加是冲击韧性改善的主要原因。根据实验数据可以拟合得到-196℃冲击功与逆转奥氏体体积分数的经验公式:Ev=10+11.1Vγ’+3Vγ’2。逆转奥氏体的韧化机理主要为:(1)逆转奥氏体吸收回火马氏体基体中C、Mn、Ni等元素,消除渗碳体的析出,净化基体,从而提高了基体的塑性变形能力;(2)在冲击过程中发生马氏体相变,可以缓解裂纹尖端应力集中并阻碍裂纹扩展。(4)为了降低Ni含量,本文提出了控制低Ni钢逆转奥氏体为目标的新工艺(TMCP-UFC-LT)。3.5%Ni、5%Ni 和 7%Ni 钢经 TMCP-UFC-LT 工艺处理的组织均为回火马氏体、临界铁素体和一定量的逆转奥氏体。TMCP-UFC-LT工艺条件下逆转奥氏体存在两种形态,一种为分布在板条间的针状逆转奥氏体;另一种为分布在原奥氏体晶界和板条束界处的块状逆转奥氏体。随着回火温度的增加,逆转奥氏体体积分数增加,细针状逆转奥氏体的宽度也逐渐增加,形貌逐渐变为短棒状或不规则块状。逆转奥氏体尺寸的增加以及其中富集的C、Mn、Ni等合金元素含量的降低,导致逆转奥氏体稳定性下降。亚稳的逆转奥氏体在低温条件下重新转变为新鲜马氏体,容易导致微裂纹在相界面处形成,损害钢板的低温韧性。(5)TMCP-UFC-LT工艺明显改善了 Ni系低温钢的低温韧性。3.5%Ni钢在-135 ℃的冲击功为237 J,相对于传统QT工艺提高了 129 J。5%Ni钢在-196 ℃的冲击功为185 J,相对于传统QT工艺提高了 156 J。7%Ni钢在-196 ℃的冲击功为222 J,相对于传统QT工艺提高了 113 J。实现了减Ni钢板的开发。与QLT(Quenching,Lamellarizing and Tempering)工艺相比,TMCP-UFC-LT工艺处理的钢板拥有更高的强度。而且TMCP-UFC-LT工艺省去了重新奥氏体化和淬火过程,实现了节能降耗。可见TMCP-UFC-LT工艺可以有效提高Ni系低温钢的强韧性。(6)与QT工艺相比,TMCP-UFC-LT工艺处理的Ni系低温钢裂纹扩展功显著增加,说明其显微组织具有很好的抵抗裂纹扩展的能力。细小的有效晶粒和适量稳定性高且弥散分布的针状逆转奥氏体是TMCP-UFC-LT工艺处理的实验钢具有优异低温韧性的主要原因。相比在大角度晶界处析出的块状逆转奥氏体,针状逆转奥氏体分布更加弥散,能够更有效地阻碍裂纹扩展,提高裂纹扩展功,从而有利于获得优异的低温韧性。基于以上研究结果,结合南钢3500 mm炉卷轧机生产线,成功实现了 Ni系低温钢的工业化生产,钢板具有良好的低温韧性和较高的强度。