随着船舶、建筑、桥梁、海洋平台、压力容器、石油等制造业的发展,中厚板生产和需求量日益增大,对钢板强韧性特别是焊接性能提出了更高要求。但是,焊接热影响区组织粗化造成的韧性严重恶化、焊接裂纹的几率增加等危害,是影响钢材焊接性能的关键因素。改善焊接热影响区韧性的方法有多种,最为有效的途径是通过“氧化物冶金”的方法细化焊接热影响区的组织。本课题采用了冶金热力学和动力学的分析方法,结合实验,研究了各种夹杂物粒子的形核长大规律,系统地研究了Ti-Mg/Zr脱氧夹杂物组成、分布规律及其控制条件；针对Ti-Mg/Zr脱氧夹杂物对钢材焊接热影响区的影响,开展了等温热处理实验、焊接热模拟实验以及共聚焦激光扫描显微镜观察实验,系统地研究了Ti-Mg/Zr脱氧夹杂物对组织和性能的影响规律,并探讨了其作用机理；最后,对Ti-Mg/Zr脱氧工艺开展了工业试验,考察了脱氧夹杂物的分布规律及其对组织和性能的影响。(1)基于Zener方程,计算了细化组织所需要的夹杂物的尺寸、数量以及相应的氧位；基于热力学和Ostwald熟化理论,分析讨论了Si、Mn、Ti、Al、Mg、Ca、Zr脱氧产物的形核与长大规律,发现各脱氧产物的形核率由大到小的顺序为CaO>Al2O3>MgO>ZrO2>TiO2>Ti2O3>SiO2>MnO,粒子的尺寸随时间变化由小到大顺序为MgO<CaO<ZrO2<A]2O3<TiO2<Ti2O3<MnO<SiO2;在理论分析的基础上开展了Ti-Al、 Ti-Zr、Ti-Mg、Mg和Ca的脱氧实验,研究发现Ti-Mg/Zr系脱氧剂脱氧生成的Ti-Zr-O和Ti-Mg-O为主的复合夹杂物,其个数、大小以及稳定性,符合氧化物冶金的要求。(2)对含Ti脱氧体系开展了热力学计算,结果表明：对于大线能量用船板钢,在炼钢温度下用钛脱氧时,若要优先析出Ti203颗粒,需要控制溶解氧的质量分数小于0.0063%；在凝固前沿固液两相区,当初始w[Ti]=0.005%～0.015%、w[O]=0.001%～0.005%、 w[N]=0.002%～0.006%时,E36熔炼凝固过程只有Ti203的析出,钢中的TiN主要在凝固后固相析出；Ti-Mg脱氧产物为Ti-Mg-O复合夹杂物,在炼钢条件下主要有Ti203、Mg2TiO4和MgO；随着溶解氧质量分数从0.001%增加到0.005%,夹杂物由富Mg产物向富Ti产物转变；当w[Ti]=0.005%～0.015%且w[Mg]=0.0001%～0.010%,初始w[O]=0.005%时,脱氧产物为Mg2TiO4和MgO; Ti-Mg复合脱氧时,钢液中的酸溶铝容易与Mg、O反应生成MgAl2O4,液相夹杂物和MgAl2O4都不利于粒子的氧化物冶金效果。(3) Ti-Mg/Zr脱氧工艺实验研究表明：在Ti-Zr脱氧体系中,当Zr质量分数一定时,Ti的质量分数存在最佳值。当Zr的质量分数为0.005%,Ti的质量分数为0.012%时,钢中形成的Ti-Zr-O夹杂物粒子弥散、细小,第二相强化效果明显,提升了母材的力学性能；在焊接热循环过程中,能促进针状铁素体大量形成,针状铁素体以夹杂物为核心生长,从而有效地提高了HAZ区的低温韧性,在150 kJ/cm焊接线能量条件下,253K冲击功达到272J；当Ti质量分数一定时,Mg的质量分数存在最佳值,过高过低时,夹杂物都会粗化,低温冲击韧性差,当w[Ti]=0.012%且 w[Mg]=0.0018%时,钢中所形成Ti-Mg-O夹杂物粒子弥散细小,能促进针状铁素体大量形成,从而有效提高了HAZ区的低温韧性,在150 kJ/cm焊接线能量条件下,253 K冲击功为283J。(4)开展了等温热处理、高温金相观察实验,结果表明：当冷却条件一定时,Ti、Ti-Zr和Ti-Mg脱氧试样奥氏体变化总体趋势相同,等温热处理温度越高、停留时间越长,奥氏体晶粒越粗大；由于Ti-Mg、Ti-Zr脱氧试样的晶粒长大活化能比Ti脱氧试样的大,当停留温度一定时,Ti-Mg、Ti-Zr脱氧试样中的奥氏体晶粒孕育时间比Ti脱氧试样长；而当停留时间相同时,奥氏体急剧粗化温度从1373 K提高到1573 K；夹杂物越细小、密集,钉扎作用越明显,奥氏体化时晶粒越小；夹杂物粒子数量越多,针状铁素体形核点越多,冷却后针状组织所占比例越高。(5)工业试验表明,采用Ti-Mg/Ti-Zr复合脱氧工艺后,母材的力学性能和焊接热影响区的韧性都达到国家标准。其中采用Ti-Zr脱氧钢,在经过150 kJ/cm的模拟焊接后,253 K冲击功达到了57J,超过国家标准规定的34J,而Ti-Mg脱氧钢在线能量410 kJ/cm实物焊接条件下,233 K冲击功高达170 J,远超国标规定的41J。