船舶及海洋工程用耐蚀E36钢板的性能分析

采用耐蚀微合金化、冶金质量控制、夹杂物改性及组织控制的耐蚀性改进技术思路,对E36钢进行了耐蚀性改进研究,并结合控轧控冷工艺对耐蚀E36钢板进行试制。结果表明,微合金化有助于提高钢的自腐蚀电位,高洁净度控制和夹杂物改性可降低点蚀敏感性,组织控制可减小复相组织选择性腐蚀倾向;试制钢板耐海水腐蚀性能较传统E36钢板有了大幅提升,其在酸性氯离子环境中的腐蚀速率降至0.59mm/a,耐蚀性较传统E36钢提高约4.6倍。

我国海洋工程用钢发展现状

海洋工程用钢（简称“海工用钢”）主要是针对海洋工程装备所需的钢材品种。与陆地环境不同，海洋环境装备除要面对高低温、高压、高湿、氯盐腐蚀、微生物腐蚀以及承受海风、海浪、洋流作用，还要面对台风、浮冰、地震等自然灾害，总体上，钢材需要满足极端、特殊环境下的性能需要。因此，一般情况下海工用钢也是钢材品种中的精品，需要采用高精技术手段和工艺生产，对产品的可靠性和安全性要求较高。由于海洋工程装备及结构件是在苛刻的腐蚀性环境下工作，其水下结构长期受到海水及生物的侵蚀，因此对其耐蚀性提出了较高的要求。

碳含量对船体钢耐蚀性的影响

通过干湿循环腐蚀试验模拟热带海洋大气环境,采用光学显微镜、扫描电子显微镜、X射线衍射、动电位极化曲线、阻抗谱测试等表征手段,研究了不同碳含量对船体钢耐蚀性的影响。结果表明,降碳会减少钢中珠光体含量,使腐蚀产物中具有稳定结构的α-FeOOH的比例增加,从而提高基体的电位,并使得腐蚀产物膜层电阻和电荷转移电阻增大,形成粘附性好、稳定、致密的锈层,表现出良好的耐蚀性。

淬火-回火热处理对超高强Fe-Mn-Al-C合金钢组织与力学性能影响研究

对一种成分为Fe-8Mn-8Al-0.8C的Fe-Mn-Al-C系超高强合金钢的热轧钢板进行“淬火+回火”热处理试验,研究其力学性能和微观组织。结果表明,试验用钢在热轧后由铁素体、奥氏体以及κ-碳化物三种物相组成,且组织呈现明显的带状,经热处理后κ-碳化物消除,热轧板在900℃保温1 h后水淬200℃回火60 min后呈现最优整体力学性能,抗拉强度达到1410 MPa,延伸率为29%,强塑积达到41 GPa·%。

两相区淬火温度对Ni-Cr-Mo-V系高强船体钢组织及性能的影响

为改善高强船体钢高屈强比、回火区间窄的问题,研究了两相区二次淬火温度对Ni-Cr-Mo-V系高强船体钢组织及性能的影响。通过改变二次淬火温度,研究实验钢冲击拉伸性能和显微组织的变化规律,并通过OM、TEM、XRD衍射等方法进行表征。结果表明,在淬火温度区间内,材料的性能表现出两种变化趋势。当淬火温度在640~700℃时,实验钢的强度随着二次淬火温度的上升而增加,而韧性下降。在该淬火温度范围内,实验钢的机械性能由铁素体+马氏体的双相组织和逆转变奥氏体的含量决定。随着二次淬火温度的上升,双相组织中铁素体的比例从40%降至10%,逆转变奥氏体的含量从11%下降至1%。当二次淬火温度从700℃增加到780℃时,实验钢的强度和韧性变化不明显,原因是二次淬火的温度已经超过了A3温度,实验钢组织转变为单一的马氏体组织,奥氏体晶粒尺寸变化不大(7.3~8.5μm)。综上,在680℃下进行两相区二次淬火可以获得最佳的强度和韧性匹配。

终轧温度与终冷温度对440 MPa级船体钢组织与性能的影响

围绕船体钢强度升级与高效焊接的需求,设计了低C-Nb-V复合微合金化钢,研究了不同终轧温度与不同终冷温度下440 MPa级船体钢的组织与力学性能。结果表明:在未再结晶区终轧,随着终轧温度的降低,钢的晶粒得到细化,临界区轧制使钢中大小角度晶界密度大幅提高,同时带状珠光体逐渐退化,组织由铁素体+珠光体逐渐演变为准多边形铁素体+少量珠光体,在力学性能上体现为强度逐渐提高而-40℃冲击功保持稳定。随着终冷温度的降低,晶粒细化不明显,但是钢中大、小角度晶界密度显著提高,钢的组织由铁素体+珠光体转变为准多边形铁素体+珠光体,再转变为贝氏体+针状铁素体,在力学性能上体现为强度与-40℃冲击功的一并提高。

油套管特殊螺纹接头密封结构弹塑性数值仿真与试验研究

薄壁油套管特殊螺纹加工时的管端厚度和“黑皮扣”是影响螺纹连接强度和加工效率的因素之一。应用大型通用有限元软件ABAQUS,针对薄壁油套管特殊螺纹接头管端缩口和未缩口以及中径位置调整后的密封性能进行弹塑性分析,建立了不同复合载荷条件下,中径位置优化前后结构以及缩口工艺与密封面接触压力之间的对应关系。结果表明,上扣后,结构优化前后的接触压力相差不大,压缩时,优化后的结构密封面上最大接触压力降低,接触长度增加,整个密封面上各点压力趋于平缓;而在拉伸时,优化后结构密封面上接触压力升高,分布均匀,接触长度增加,拉伸性能相对更好。缩口后的最大接触压力与未缩口时相当,但是接触长度增加,降低泄漏风险。经过试验验证,优化后的结构经过缩口,提高了管体的加工成材率,并且保证了气密封性能和螺纹连接强度,与模拟结果一致。

高强耐候钢在NaCl溶液中的腐蚀锈层特征和耐腐蚀性研究

为了研究高强耐候钢Q450NQR1和B2在2.0%Na Cl溶液中的腐蚀锈层特征,获得其耐腐蚀性规律。采用交流阻抗谱(Electrochemical impedance spectroscopy,EIS)、X射线衍射仪(X-ray diffracmeter,XRD)、扫描电镜(Scanning electron microscope,SEM)和电感耦合等离子体(Inductively coupled plasma,ICP)手段分析它们的腐蚀行为和锈层特征,并讨论合金元素Cu、Ni、Cr、Mo等对耐腐蚀性的影响。结果表明:B2耐候钢的耐蚀性要优于Q450NQR1耐候钢的,其锈层表现出较高的电荷转移电阻(Rt)特征;两种耐候钢的非连续性(Non-adherent rusts,NAR)和连续性(Adherent rusts,AR)型锈层物相组成分别一致,但含量有差别;NAR型锈层主要由大量的γ-Fe OOH和少量的Fe_3O_4、α-Fe OOH组成,紧贴基体的AR型锈层几乎全为Fe_3O_4。Cu、Ni、Cr、Mo合金元素在两种锈层中的分布不同,影响着NAR型锈和AR型锈的协同保护作用,从而改变了基体表面的锈层特征,稳定锈层的存在可显著抑制Cl-渗入,有助于改善材料耐腐蚀性。

抗大变形管线钢热影响区软化问题的研究

为了研究抗大变形管线钢热影响区出现软化区的具体原因,本文采用焊接热模拟实验研究了X80级抗大变形管线钢的焊接热循环过程,结合金相显微镜、扫描电镜、EBSD、透射电镜和冲击实验,分析了热影响区软化区的组织变化、晶体学特征和冲击韧性.结果表明:当母材组织为多边形铁素体+贝氏体时,焊接热影响区的软化区出现在峰值温度600~700℃的高温回火区,此时组织转变成硬度较低的粗大铁素体+回火贝氏体,并且回复过程加快,组织中亚结构的大幅度减少和位错密度的显著降低是产生软化区的主要原因;软化区的韧性较好,但是在800℃的临界区,M/A组元发生了聚集和粗化,并且大角度晶界比例降低,导致了韧性低谷的出现.

低碳钒微合金钢的淬透性研究

利用钢-淬透性的末端淬火实验,结合碳化钒的析出热力学计算,研究V对低碳钢淬透性的影响。结果表明:随着V含量的增加,实验钢的淬透性提高。VC的热力学计算结果表明,在880℃淬火温度下,0.22C钢中固溶V含量随着钢中添加的V含量增加而增加。当钢中添加V含量大于0.137%(质量分数)时,VC将在奥氏体中析出,固溶C含量开始减少。综合考虑固溶C含量、固溶V含量及原始奥氏体晶粒尺寸等因素,对实验钢理想临界直径进行计算,发现理想临界直径的变化趋势与末端淬火实验结果相吻合。

高铜镍结构钢高温氧化层和内表层缺陷研究

为了改善高铜镍结构钢的热加工性能,对其高温氧化行为进行了研究.通过扫描电镜和热力学计算分析了氧化层的形貌和组成.研究表明:实验钢氧化层厚度随温度的升高和时间的延长基本呈线性增大;温度高于1 150℃条件下氧化层和基体间出现氧化产物沿奥氏体晶界分布的网状过渡层,该结构属于一种内表层缺陷.Cu以固溶体形式存在于氧化层中.高温氧化过程中形成的富Si液相向奥氏体晶界渗透是形成这种内表层缺陷的主要原因,而钢中含量较高的Ni加大了氧化层与基体间界面的粗糙度,两种元素协同作用促进形貌复杂的过渡层的形成.

高速车轮钢的组织韧化工艺及机理研究

为改善高速车轮钢韧性,从而提高高速车轮运行安全性,通过改变辗轧变形温度(tD)及踏面淬火温度(tQ),系统研究了热处理工艺对车轮钢力学性能的影响.采用光学、扫描电子显微(SEM)技术、电子背散射技术(EBSD)、定量金相技术等研究了车轮钢珠光体组织.试验结果表明:车轮钢韧性随着tD与tQ的降低而升高,强度变化不大;tD与tQ的降低导致奥氏体晶粒尺寸减小,同时得到细化的珠光体球团组织,是韧性优化的直接原因.进一步断口分析与EBSD分析表明,单个珠光体球团可形成一个解理面,且解理面滑移带终止于珠光体球团界,与珠光体球团内部小角度晶界相对应,可认为珠光体球团是车轮钢韧性的控制单元.

TSCR流程Ti微合金化超高强钢的第二相析出行为研究

利用Gleeble-1500D模拟机进行了Ti微合金钢的热模拟试验,研究了其在薄板坯连铸连轧(TSCR)流程下Ti(C,N)沉淀析出行为。结果表明,Ti微合金钢在TSCR流程中存在两类含Ti析出物:正方形的或矩形的TiN和球形或不规则形状TiC。TiN析出物主要在连铸凝固前钢液中和铸坯均匀化加热时析出,在连轧时起到抑制动态再结晶晶粒生长的作用;而TiC析出物主要是在连轧和卷取时析出,对Ti微合金钢起沉淀强化作用。为了提高Ti微合金钢沉淀强化效果,应在TSCR流程中增加TiC的体积分数和减小TiC的尺寸。

含铜时效钢焊接粗晶区组织转变特征研究

采用Gleeble-3800焊接热模拟机模拟研究了含铜时效钢焊接粗晶区的组织转变规律,测定了SHCCT曲线,分析研究了冷却速度对其组织形貌、晶粒度和硬度的影响规律。结果表明,冷却速度较快时(t_(8/5)<15 s),含铜钢的焊接粗晶区组织以板条贝氏体为主,晶粒尺寸相对较小,硬度较高;冷却速度较慢时(t_(8/5)>40 s),焊接粗晶区的组织主要由粒状贝氏体构成,原始奥氏体晶粒尺寸粗大,同时在铁素体基体上分布着较多大尺寸的M-A岛,M-A岛的形成导致焊接粗晶区的低温韧性严重恶化。

高钢级厚壁管线钢低温断裂韧性控制技术研究

针对厚规格X80管线钢低温断裂韧性控制难题,从理论层面揭示了DWTT断裂韧性的影响机制,并通过实验室轧钢试验和工业试验证实了相变前奥氏体晶粒尺寸和室温组织中的马奥岛是影响厚规格X80管线钢DWTT性能的两大主要因素。借助热模拟试验研究得出了细化奥氏体晶粒尺寸和马奥岛的主要技术措施。结果表明,尽量避免粗轧高温区在5%~8%变形、适当提高Nb含量、提高粗轧最后两道次变形量和缩短间隔时间,可以使奥氏体再结晶晶粒尺寸控制在20μm以下;适当降低终轧温度、提高冷却速率、选择合理的终冷温度,可以将组织中马奥岛体积分数降低到10%以下,平均颗粒尺寸减小到1μm以下。

电渣重熔过程中渣系对NiCrMoV合金钢电渣锭洁净度的影响

针对NiCrMoV合金钢电渣重熔过程中Ti元素的烧损严重问题,通过实验室实验和热力学计算研究了不同渣系对电渣锭化学成分及夹杂物数量、成分和尺寸分布的影响规律。结果表明,电渣重熔后电渣锭中总氧含量明显增加,由自耗电极的15.1×10^(-6)增加至(31.3~42.1)×10^(-6),夹杂物数密度增加至6.54~15.95个/mm^(2),而氮含量变化不大;采用渣系70%CaF_(2)-30%Al_(2)O_(3)和55%CaF_(2)-25%Al_(2)O_(3)-17%CaO-3%MgO时,电渣锭中Ti元素的烧损严重,夹杂物以Al_(2)O_(3)为主,渣相中添加一定量的TiO_(2)能较好地控制重熔后Ti的烧损,夹杂物类型主要由Al_(2)O_(3)、Al_(2)O_(3)-CaOTiO_(2)、其他氧化物夹杂组成,且夹杂物中TiO2含量明显增加;通过热力学计算,揭示了渣相中添加TiO2对稳定电渣锭中Ti元素含量的作用机理;综合考虑重熔后电渣锭的洁净度水平,确定了合适的电渣重熔渣相成分(50%CaF_(2)-25%Al_(2)O_(3)-17%CaO-_(3)%MgO-5%TiO_(2))。

Si含量对10CrNiCuSi钢氧化铁皮的影响

为改善10CrNiCuSi船体钢表面质量,设计了Si含量为0.08%~0.65%的试验钢,研究了其在1150~1250℃下的高温氧化行为,利用弯曲试验评价了试验钢氧化铁皮的剥离性,并讨论分析了Si含量对富Si反应产物与氧化增重的影响。结果表明:在低于Fe_(2)SiO_(4)-FeO共晶温度条件下,随着Si含量增加,固态Fe_(2)SiO_(4)含量增加,其对氧化反应的抑制程度增加,氧化增重呈现下降趋势;在高于Fe_(2)SiO_(4)-FeO共晶温度条件下,随着Si含量在0.20%~0.65%范围内增加,液相含量增加,加快了氧化反应,氧化增重呈现上升趋势。富Si产物的液化现象对氧化铁皮的剥离性具有重要影响,富Si液相浸入基体和FeO中,形成锚状或网格状形态,造成内氧化层与基体界面平直度严重恶化,导致氧化铁皮难以剥离。随着Si含量的增加,氧化铁皮剥离难度进一步加大。温度和Si含量是改善10CrNiCuSi钢表面质量的关键因素,根据本实验研究结果,建议控制Si含量不高于0.20%,加热温度不高于1150℃。

Nb含量对X80管线钢环焊接头热影响区韧性的影响

采用热膨胀仪、光学显微镜、扫描电镜和透射电镜等研究了不同Nb含量对X80管线钢环焊接头热影响区中不同位置的显微组织、大角度晶界分布及韧性的影响。结果表明:高Nb钢(0.055%Nb)中较多固溶的Nb降低了γ→α的转变温度,促进了粒状贝氏体形成。0.055%Nb钢中的临界粗晶热影响区(ICCGHAZ)及亚临界粗晶热影响区(SCGHAZ)韧性显著恶化。ICCGHAZ韧性降低的原因是原奥氏体晶界上形成尺寸较大的链状M/A组元所致,而SCGHAZ则是由于有效晶粒尺寸变大、显微组织中大角度晶界数量降低,以及贝氏体板条束边界上尺寸较大的M/A组元所致。较高的合金含量引起的亚稳奥氏体中碳含量升高是导致0.055%Nb试验钢韧性降低的主要原因。

高锰奥氏体低温钢力学性能及Hall-Petch关系的研究

高锰奥氏体低温钢作为一种经济型低温钢材料,具有非常巨大的发展空间.为进一步研究晶粒尺寸对高锰奥氏体低温钢的影响,本文对其进行了不同工艺的固溶处理,测试了不同晶粒尺寸实验钢的室温拉伸及低温冲击性能,通过扫描电镜(SEM)、背散射电子衍射(EBSD)等方法进行表征并计算其Hall-Petch关系式.-196℃冲击实验结果表明,高锰奥氏体低温钢拥有良好而稳定的超低温冲击性能,且其超低温冲击性能不随晶粒尺寸的增加而发生变化.经计算实验钢屈服强度所对应的Hall-Petch常数K_y为7. 27 MPa·mm^(0. 5),明显小于其他被研究的奥氏体高锰钢.进一步计算拉伸过程中不同真应变ε对应的Hall-Petch常数K(ε),发现在拉伸过程中,受TWIP效应产生的变形孪晶影响,K(ε)值随应变量的增加而增加;当真应变达到0. 3时,组织内变形孪晶不再继续生成,加工硬化过程不再进行,K(ε)也达到极大值.

基于激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱的管线钢裂缝区域分布分析方法研究

激光剥蚀-电感耦合等离子体质谱(LA-ICP-MS)微区分布分析技术对于管线钢的氢致开裂机理研究具有重要意义。实验系统优化了激光剥蚀载气流量、剥蚀孔径、剥蚀速率及ICP-MS载气流量、元素积分停留时间等工作参数。通过线扫描方式剥蚀GSBH40068-X-93系列标准样品,以^(57)Fe为内标,绘制了校准曲线。建立了基于管线钢中Al、Mn、Ni、Cu、Mo等元素的LA-ICP-MS定量分析方法,并利用实验方法对X80管线钢裂缝区域进行了成分分布分析。LA-ICP-MS定量分析结果与电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)测定结果相吻合,裂缝区域各元素二维分布结果与电子探针X射线显微分析(EPMA)线扫描结果相一致,证实了LA-ICP-MS方法应用于管线钢样品分布分析的准确性和有效性。各元素二维分布图直观反映了不同位置处的偏析状态,进一步揭示了样品裂缝的形成可能与Al_2O_3、MnS夹杂物、富碳相的存在及元素Mo偏析有关。实验方法有望为氢致开裂机理研究及新材料研发提供一种有效的分析及质量控制手段。