420MPa低合金高强海工用钢焊缝金属韧化机理的研究

作     者：巴凌志 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王东坡;孟宪群

授予年度：2019年

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 082002[工学-油气田开发工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：高强低合金钢 针状体素体 马奥组元 夹杂物 韧脆转变温度 裂纹尖端位移 

摘      要：本文通过测量韧脆转变温度DBTT和海工钢厚板裂纹尖端张开位移CTOD,研究了420 MPa级别Si-Mn、Si-Mn-Ni、Si-Mn-Ti-B三种合金系埋弧焊焊缝金属的韧化机理。并对比其硬度、拉伸等机械性能,探究三种合金系焊材对大热输入的适应性。研究结果表明:Si-Mn合金系在Mn含量为1.21%时,DBTT最低,取得最优韧性。Si含量在0.1～0.4%之间时,Mn含量的增加促进了焊缝金属夹杂物的形成,从而激发大量针状铁素体AF形核,提高冲击韧性。但Mn含量超过1.21%继续增加时,淬硬性增加,重结晶区域内大尺寸马奥组元MA含量增加,恶化韧性。Si-Mn-Ni合金系在Mn含量0.9%,Ni含量2.6%时显著了降低了DBTT,韧脆转变温度曲线没有出现明显的低温脆性现象,取得最优韧性。Ni元素的添加,韧化了基体,消耗更多的裂纹萌生功,并且促进了粒状贝氏体GB的形成,细小的GB阻碍裂纹的扩展。Si-Mn-Ti-B合金系中,B元素偏聚于原奥氏体晶界处,抑制了先共析铁素体GBF的形成,增大了凝固温度,使晶粒细化;Ti元素易氧化,生成大量含有Ti氧化物的夹杂物,主要分布在原奥氏体晶粒内,为AF提供大量的形核质点,降低形核功。同时Ti的添加也显著地降低了重结晶区的晶粒尺寸。在热输入适应范围试验中发现三种合金系焊接热输入过大,都会引起韧性的恶化,而Si-Mn-Ti-B合金系对大热输入适应性最佳。其中,15～45 k J/cm的热输入范围内,Si-Mn合金系在30 k J/cm时取得最佳韧性,热输入过高过低都会引起DBTT的升高。随着热输入的增加,夹杂物的尺寸增大,数量和面密度都减小,进而导致AF形核质点减少,含量降低。并且大热输入使重结晶区域的深度增加,MA组元等脆性第二相含量增加约3%,晶粒尺寸也显剧增大,微裂纹萌生和扩展降低了自由能。在厚板CTOD三点弯曲试验中,Mn和Ti-B元素均能促进AF的形成,但Ti-B的促进作用更加高效。对比于Mn,Ti-B的夹杂物含量从9.6×10/mm增加至1.3×10/mm。此外,还增加了20%以上大角度晶界以及平均晶粒尺寸降低了1.3μm。此外,Ti-B焊缝中的细小MA比Si-Mn中多22%,而焊缝细小颗粒状的MA可以使裂纹扩展偏移甚至停止,从而达到优化CTOD的目的。