大线能量焊接用高强钢的强有序析出行为及强化机理研究

A next generation of low-cost high-strength steel for ocean engineering is developed. In jumbo size specifications, the high-strength steels have also the high mechanical property such as high strength, high low-temperature toughness, excellent high-heat-input welding and corrosion resistance in order to meet the rapid development of ship and offshore oil industry in China. This subject uses the technology of Ti-N-Vcomplex precipitation to develop the high-heat-input welding (100-200 KJ/cm) ship plate steel. The mechanism of second phase precipitation strengthening in the rolling and high-heat-input welding process was studied. The critical thickness ratio of the surface and core is put forward, when the different mechanical properties of the surface and core can not be eliminated. The mechanism of grain refinement and crack arrest toughness of surface layer in steel plate was investigated by TRRP. The influence of different microstructures in steel on the high-heat-input welding performance was studied. Therefore, the low temperature impact toughness of welded joints with high-heat-input was improved by improving the microstructure and grain refining of Heat Affected Zone (HAZ). The project will lay a theoretical foundation for the in-depth understanding of the strong order precipitation mechanism and developing high-strength steel for high heat input welding, and promote the updating and upgrading of the iron and steel products.

研发新一代低成本造船及海洋工程用钢，在大尺寸规格要求下，同样达到高强度、高低温韧性、大线能量焊接及耐腐蚀性的高性能要求，以满足我国船舶及海洋石油工业的飞速发展。本课题利用Ti-N-V复合析出技术，开发出100-200 KJ/cm的大线能量焊接船体钢或平台钢，实现在制备和大能量焊接过程中对钢中第二相析出强化的双优量化调控；通过中厚钢板回温轧制技术，研究钢板表层组织的晶粒细化机理和止裂韧性特性，在特厚板表面和芯部力学性能差异度无法消除的情况下，找出力学性能最优时表面和芯部的“临界厚度比”；研究母材的不同显微组织构成对大线能量焊接性能的影响，从而通过改善热影响区（Heat Affected Zone，HAZ）显微组织构成和HAZ晶粒细化技术来提高大线能量焊接接头的低温冲击韧性。项目将为深入认识强有序析出增强机理和开发低成本大线能量焊接用高强钢奠定理论基础，促进我国钢铁材料升级换代。

随着对海洋开发区域的日益扩大，尤其是对深海和极地资源的勘探和开发，使得船舶用钢的低温韧性更显重要，F级钢板需求量将大增。通过轧机性能和控制冷却能力的提高、合理的成分设计和TMCP工艺参数控制，以及细化晶粒来提高低温韧性。而焊接占大型海洋设备组装60%以上，但目前对船舶钢焊接后的强韧性研究，往往与其母材制备工艺过程相区分开来，并未协同考虑二者间的关系。本项目利用Ti-N-V复合析出技术，明确了V-N-Ti含量及复合元素种类和含量对碳氮化合物析出动力学的参数，包括：形核速度、析出温度范围、析出最佳温度和析出最短时间；揭示添加少量重稀土Y后，对第二相析出行为的影响规律，最终开发出100-200 KJ/cm的大线能量焊接船体钢或平台钢，实现了在制备和大能量焊接过程中对钢中第二相析出强化的双优量化调控。通过轧制回温温度、回温时间、轧制压下量等工艺参数设定，揭示了对应工艺下钢板表层显微组织演变规律。研究了大线能量焊接工艺参数对焊接接头的显微组织和形貌的影响规律，表明稀土Y能提高船板钢在大线能量焊接中粗晶区在较高热输入下的组织稳定性。在热输入增加的过程中，稀土Y能保持晶界铁素体的宽度尺寸相对稳定。在模拟焊接熔合区由熔融态至凝固过程中，稀土Y可显著细化实验钢的组织。但存在热量输入的“临界值”，当焊接热输入超过300 kJ/cm 时，稀土Y便不能起到晶粒细化和维持结构稳定性的作用。稀土Y在热轧态实验钢中的存在形式为：以原子形式在晶内固溶；在晶界处偏聚；以稀土硫氧化物、硫化物、氧化物的球状夹杂物形式存在于晶界与晶内中。经大线能量焊接后，含有稀土Y的球状夹杂物在粗晶区中的形状与尺寸变化不大，成分组成中的O含量随热输入值的增加而降低。在熔合区中，含有稀土Y夹杂物中的S元素消失不见，熔合区内的夹杂物仅以稀土氧化物形式存在，从而提高了大线能量焊接接头的低温冲击韧性。项目对深入认识强有序析出增强机理和开发低成本大线能量焊接用高强钢奠定理论基础，促进我国钢铁材料升级换代。