作为一种比煤和石油更高效、更清洁的能源,液化天然气(LNG)在全球的需求量日益增长,包括我国在内的许多国家都在建设或计划建设大批LNG项目。9Ni钢是LNG储罐建造中最为常用的低温钢。随着镍价格的不断提高,镍合金化占9Ni钢制造成本的比重越来越大,节量化和低成本化成为了镍系低温钢发展的一个重要方向。如何通过合理的成分和工艺优化,在降低9Ni钢中Ni含量的前提下,使钢依然具有良好的低温性能,是节镍型低温钢研发所面临的关键问题。本文旨在开发一种与传统9Ni钢性能相当的新型节镍型7Ni钢,并探索其强韧化工艺和机理,为节镍型低温钢工业化生产提供参考。本文首先在文献调研和前期实验的基础上,大致确定了 7Ni钢成分范围和热处理工艺思路;然后对QLT工艺参数及重要合金元素对钢组织和性能的影响规律以及韧化机理进行了系统研究,并初步探讨了 7Ni钢的TMCP工艺;最终研发出了具有出色低温性能的7Ni钢。取得的主要结果如下:1.初步设计了不同Mn、Si、Nb、Cu含量的7Ni钢,对比了不同成分和不同工艺情况下的7Ni钢低温韧性,发现含低Mn、高Si及少量Nb的低温钢表现出良好的韧性。在此基础上确定了节镍型7Ni低温钢成分设计思路,测定了 7Ni钢的Ac1和Ac3温度,研究了 7Ni钢进行连续冷却转变过程,绘制出了钢的静态和动态CCT曲线。2.综合利用OM、SEM、TEM、XRD等分析手段研究了 QLT工艺中不同工艺参数下7Ni钢中显微组织演变和逆变奥氏体的形成、数量、形态和稳定性对钢力学性能的影响规律。随高温淬火温度的升高,钢的强韧性下降,高温淬火温度为830 ℃时,晶粒与马氏体板条束最为细化,逆变奥氏体数量最多。随亚温淬火温度的升高,钢的低温韧性先升高后降低,在690 ℃时,其综合低温力学性能最佳。亚温淬火温度提高,组织结构的尺寸不会发生显著变化,钢的韧性主要受逆变奥氏体数量和稳定性的综合影响。数量适中而稳定性较高的逆变奥氏体更有利于钢韧性的改善。提高回火温度到580 ℃,可改善钢的低温力学性能,优化组织结构,并获得较多数量的逆变奥氏体。3.研究了 Mn、Nb和Si元素含量对7Ni钢组织和性能的影响。当钢中Mn含量在较低范围变化时,不会对原奥氏体晶粒尺寸产生显著影响;钢中逆变奥氏体的数量会随钢中Mn含量的增加而持续增加,但当Mn含量超过一定值时,钢中逆变奥氏体的稳定性会发生下降;逆变奥氏体的分布会随Mn含量的增加而发生改变;相比于钢的低温强度,改变钢中Mn含量对低温韧性的影响更为显著。添加微量Nb元素,对7Ni钢原奥氏体晶粒和显微组织结构细化效果十分显著;当Nb含量在0.025 wt.%～0.05 wt.%之间时,钢中有纳米级别的球形含Nb相析出,弥散分布在晶界及晶界附近;随着Nb含量增加,可观察到的逆变奥氏体数量也明显增多,主要分布在晶界处,但是Nb不直接影响逆变奥氏体的形成;增加钢中的Nb含量,钢的抗拉强度和屈服强度都先升高后降低,低温韧性则呈现持续升高趋势。适量增加钢中的Si含量,可以使钢的微观组织结构得到细化,并能同时改善钢的低温强度和低温韧性。4.通过热模拟实验对7Ni钢的轧制工艺做了初步的探索。研究了 7Ni钢在高温变形过程中的动态再结晶行为,计算出了 7Ni钢的再结晶激活能为322 KJ/mol,绘制了动态再结晶的RTT曲线,同时,建立了 7Ni钢高温变形阻力数学模型。利用热模拟试验机研究了 TMCP工艺参数对7Ni钢组织和性能的影响,结果表明,轧制压下量增大或是轧后降温速度的提高,都可以使样品的显微组织发生一定细化,但对样品的拉伸性能有着不同的影响。5.通过分析钢中组织演变对低温韧性影响规律,发现7Ni钢的韧化机理在于:晶粒尺寸和马氏体板条束的细化,可以阻碍裂纹扩展,使裂纹钝化;逆变奥氏体数量和稳定性会综合影响钢的韧性,在不严重降低稳定性的前提下,增加逆变奥氏体数量可改善钢的韧性;薄膜长条状逆变奥氏体的存在能够更好的抑制裂纹扩展,提高钢的韧性;分布在晶界处的逆变奥氏体可净化晶界,提高晶界韧性。6.将优化后的7Ni钢与传统9Ni钢组织和力学性能做了对比,二者显微组织无明显差别,且优化后的7Ni钢力学性能已达到与传统9Ni钢相当的水平,主要力学性能指标满足9Ni钢标准要求。上述研究结果表明:本文所研制的7Ni钢既达到了降低合金化成本的要求,也保证了钢在低温环境中服役的安全性,其在LNG工程上具有巨大的应用潜力。