Al-Ti-Mg(Ca)复合脱氧对抗大变形管线钢中的夹杂物、钢的组织及性能的影响研究

【摘要】利用钢中纳米、微米级氧化物细化钢的组织、改善钢的性能，关键在于控制氧化物粒子的成分、尺寸、数量、分布等特性，深入研究这些特征及析出物析出行为的变化对钢的组织及性能的影响，具有重要的理论及应用价值。本文以高洁净度、高性能的抗大变形管线钢为对象，通过Al-Ti-Mg(Ca)复合脱氧产物生成热力学、长大动力学计算，提出了细小氧化物生成条件；利用真空感应炉冶炼了镁、钙处理的钛脱氧钢、铝脱氧钢，采用实验轧机及控轧控冷+弛豫工艺轧制了实验钢板；通过扫描电镜及性能检测等手段系统研究了钢中氧化物粒子的特征、硫化锰析出行为及夹杂物粒子诱导相变机制，以及夹杂物特征对钢的组织、力学性能、抗氢致裂纹（HIC）及焊接性能的影响，主要研究结果如下：Al-Ti-Mg(Ca)-O体系复合脱氧热力学及脱氧产物长大动力学计算结果表明，当钛含量为0.01%时，Als含量应小于0.004%，钢中优先生成钛的氧化物；凝固过程冷却速率为100（500）K/min时，钢中二次夹杂物尺寸为1.1（0.5）μm；镁、钙强脱氧剂快速降低氧的过饱和度及复合脱氧产物高熔点、难聚集的性质，降低了夹杂物扩散长大与碰撞长大的趋势，有效细化了复合脱氧钢中夹杂物。采用电镜及性能检测手段对钢的微观组织与力学性能的检测结果表明，与铝脱氧钢的大量粒状贝氏体组织不同，钛脱氧钢由多边形铁素体+大量针状铁素体组成；两种脱氧工艺的钢均具有良好的抗大变形性，应力-应变曲线没有明显屈服平台，均匀延伸率大于13%，屈强比小于0.85，断面延伸率为60～70%；在镁处理条件下，与铝脱氧钢相比，钛脱氧钢冲击功（-25℃）较高，表明钢中大量含钛氧化物粒子发挥细化组织、提高冲击韧性的作用；而在钙处理条件下，二者冲击韧性差异不明显，氧化物粒子具有细化组织及裂纹源的双重作用。采用扫描电镜及激光共聚焦高温扫描显微镜（CLSM）在线动态观察等方法研究了夹杂物的二维、三维特征、硫化锰析出行为及其细化组织的作用机制，结果表明，钛-镁复合脱氧钢中夹杂物中钛、锰元素面扫描分布基本一致；硫化锰易在较高钛氧化物含量处局部析出，夹杂物阳离子空位机制及贫锰机制对其诱导针状铁素体形成发挥主导作用。与铝脱氧钢相比，钛脱氧钢中夹杂物钛氧化物含量较多，数量更多、粒径更小，变形率小（1～2）；作为硫化锰析出核心，优化了其分布及形态，降低MnS及氧化物的危害，钛脱氧工艺具有硫化锰夹杂的变性作用。采用CLSM在线观察了实验钢中夹杂物（析出物）的高温钉扎、细化组织效果，结果表明，在1250℃、1400℃保温过程中，晶粒尺寸分别控制在40～70μm、90～160μm内，起钉扎作用的主体分别为单独析出的第二相粒子、氧化物粒子；与镁处理钢相比，钙处理钢晶粒长大趋势较小，这是氧化物粒子降低钉扎粒子数量（1250℃）及尺寸均匀、细小晶粒竞争性长大（1400℃）、降低长大趋势的结果。采用标准NACE溶液对试验钢板进行了抗HIC实验，结果表明，钢板均对HIC不敏感，未发现脱氧工艺、夹杂数量及变形率与HIC敏感性的对应关系，但HIC裂纹及氢鼓泡与大于5μm的夹杂物数量有较强相关性。采用Gleeble2000热模拟了试验钢板焊接工艺，检测了热影响区（HAZ)维氏硬度、显微组织及-25℃CharpyV型冲击性能，结果表明，硬度随焊接能量（20、30、50KJ/cm）的增加而下降，但钛脱氧钢HAZ硬度比铝脱氧钢下降少，钛氧化物粒子发挥了细化组织作用；随焊接能量增加，与Ti-Mg复合脱氧钢相比，Ti-Ca复合脱氧钢HAZ晶粒长大幅度小，而且大角度晶粒相互交错，冲击韧性下降少，钢中大量氧化物粒子具有裂纹源及降低了单独析出相的钉扎效果的负作用。本研究通过钛+强脱氧剂复合脱氧热力学计算，揭示了夹杂物细化机制；系统研究了夹杂物特征、硫化锰的析出行为，以及诱导针状铁素体作用，揭示了夹杂物诱导相变机制，提出了氧化物冶金的夹杂物变性新功能；热模拟研究发现了Ti-Ca复合脱氧工艺有效改善焊接性能，提出了钢中细小氧化物的复合作用，为氧化物冶金的应用研究提供了系统的思路及重点研究方向。
【作者】郑万；
【导师】李光强；
【作者基本信息】武汉科技大学，冶金工程，2014，博士
【关键词】抗大变形管线钢；氧化物冶金；Al-Ti-Mg(Ca)复合脱氧；夹杂物特性；焊接热影响区；

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