论文部分内容阅读
[摘 要] 双相钢作为一种先进结构高强钢，具有连续屈服现象，屈服强度高，抗拉强度高，初始加工硬化速率高，应变速率敏感性高，强度和延性匹配好等优点，在工业生产中已经得到了广泛的应用。研究低成本高性能的用于压力容器的新型双相钢，对于减少压力容器的厚度，节约材料，减轻容器的重量，节约能源改善环境具有重要的现实意义。
本文对传统压力容器中用钢Q235和Q345的合金成分进行了改善，设计出一种新的钢的成分，并通过适当的热处理工艺，在实验室条件下试制成新型的压力容器用双相钢。并采用机械性能测试、金相和扫描电镜分析等方法，对新型双相钢的性能进行了研究，并与传统的Q235和Q345的性能进行了对比。
[关键词] 压力容器 双相钢 力学性能 冲击功
1.绪论
1.1 压力容器用钢特点
压力容器用钢的特点是：有较高的强度、好的韧性、较低的缺口敏感性、良好的加工工艺性能和焊接性能。
1.2.双相钢的性能特点
由于双相钢有强化相相变组织强化、细晶强化、析出强化、固溶强化、亚结构强化及利用残留奥氏体等强韧化手段，使其具有优良的综合力学性能。
双相钢的力学性能特征是：具有连续屈服现象，且屈服强度高，抗拉强度高，初始加工硬化速率高，应变速率敏感性高，强度和延性匹配好等。
（1）双相钢具有很好的强度和塑性匹配，具有较低的屈强比（Rp0.2/Rm）、较高的均匀延伸率和高的初始加工硬化率，连续屈服。双相钢和传统低合金高强度的应力应变曲线的对比见图1-1所示。
低的屈服强度使冲压构件易于成形，回弹小，同时冲压模具的磨损也较小。无屈服延伸，应力应变曲线呈平滑的拱形，可避免成形零件表面起皱，因而不需要附加的精整轧制或其它附加操作。高的抗拉强度可以使构件具有较高的帽形机构压溃抗力、撞击能量吸收能力和疲劳强度。双相钢与相同强度级别低合金高强度钢相比均匀延伸率和总延伸率较大，其均匀延伸和总延伸率可提高三分之一甚至一倍。双相钢的应力应变曲线的最大载荷附近有平坦区，并覆盖了较宽应变范围，表明双相钢在单向拉伸时形成的缩颈是扩散的。双相钢具有高的初始加工硬化率，如果以0.2%应变的条件变形抗力来判断，屈服强度为280～350MPa的双相钢并非是高强度钢，然而由于其初始加工硬化率高，在应变达到3～4%以后，双相钢变形抗力一般可达500～550MPa。因此，只需较小变形，就可使由双相钢制成的冲压构件的变形抗力达到低合金高强度钢的水平，从而使双相钢构件可像低合金高强度钢一样使用。
（2）双相钢板材具有顺板面纵向与横向力学性能差异小的特点，即具有良好的各向同性。
（3）双相钢具有良好的抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能，这是由于处于铁素体中的高硬度的强化相阻止了裂纹的扩展，从而提高了双相钢的冲击韧性。
（4）双相钢具有良好的焊接性能。这种钢具有适中的淬透性，焊点强韧性配合较好。其成分设计采用了低的C当量（Ceq）和裂纹敏感系数（Pm），从而使其具有较好的焊接性能。双相钢显微组织对点焊引起的软化并不敏感；低的屈强比可以保证材料在低于断裂应力时出现塑性变形，从而使焊点周围的应力集中影响减小。
1.3 双相钢的显微组织
自双相钢产生以来，国内外学者对双相钢的显微组织进行了大量的研究，以期建立组织与性能的关系。
大量研究结果揭示：F+M双相钢的显微组织随其化学成分和获得双相组织的方式而变化，已开发的双相钢组织分为无序组织和定向排列纤维组织两大类。无序组织又可分为弥散分布型（塑性良好的铁素体上弥散分布着高强度岛状马氏体）、纤维状双相混合型（平行针状马氏体与铁素体相交错而呈纤维状）、高位错亚晶结构型组织（具有高密度位错的亚晶结构马氏体呈网状或群落状位于铁素体晶界）三种情况。目前开发的双相钢基本上都是无序组织，其显微组织与普通高强钢不同，普通的高强钢（如图1－2(a)）是通过控制轧制以细化晶粒，并且通过微合金元素的碳氮化物析出强化基体，而双相钢（如图1－2(b)）是在纯净的铁素体晶界或晶内弥散分布着较硬的马氏体相，其比例一般不超过20％[。
(a)普通高强钢(b)双相钢
图1-2 普通高强钢与双相钢的显微模型对比
2.目的
本文的主要研究目的是通过改善传统压力容器用钢Q235和Q345的合金成分，设计出一种新的钢的成分，并通过适当的热处理工艺，在实验室条件下试制新型的压力容器所用双相钢。同时希望能将该双相钢用在压力容器上，利用其强度高兼有好的塑性的优点，可以适当减少压力容器的厚度，节约材料，减轻容器的重量。
本文主要技术路线为：
对新炼制的钢种选择适当的双相热处理工艺，通过力学性能测试和V型断口冲击试验、金相组织观察和SEM微观形貌表征等方法对得到的新型双相钢的力学性能和微观组织进行分析与研究。同时通过与Q235和Q345的性能和微观组织的对比，不断优化热处理工艺，以期得到适用于压力容器的新型的双相钢。对该种双相钢在压力容器中的使用可行性进行评定，为压力容器所用钢板的选材提供实验指导。
2.1 新型双相钢的成分设计和熔炼
为研究新型双相钢与Q235、Q345压力容器用钢的组织与性能，根据当前传统压力容器所用钢板多为Q235和Q345的实际情况，结合JmatPro软件，，设计出一种新的钢的成分。
设计成分和熔炼所得到的钢的实际成分如表2-1所示。
2.2热处理工艺设计
通过对设计钢种在双相区退火热处理，得到了研究所用的双相钢。双相处理工艺具体如下：其中测定其力学性能的拉伸试样在两相区775℃温度下不完全奥氏体化保温100s，然后水淬到室温。两相区775℃温度下不完全奥氏体化保温180s，然后水淬到室温。双相钢的热处理工艺示意图如图2-1所示。
（实线为拉伸试样，虚线为冲击试样）
作为对比试样，热轧Q235、Q345钢采取正火处理：拉伸试样和冲击试样均900℃完全奥氏体化保温5分钟后空冷到室温。Q235、Q345钢的热处理工艺示意图如图2-2所示
3.分析
通过对双相处理得到的双相钢试样的力学性能与显微组织与压力容器常用的Q235和Q345钢进行对比，从而分析双相钢在性能与组织上的特点，以为研究适用于压力容器的新型双相钢提供实验依据。
3.1 力学性能分析
表3-1为双相钢、Q235和Q345钢三种成分钢的拉伸力学性能，经设计热处理工艺处理后的屈服强度、抗拉强度和延伸率等力学参数如表中所示。
从表3-1的拉伸结果可以看出，钢经设计双相工艺处理后的屈服强度和抗拉强度都明显比Q235和Q345高，屈服强度达到了838.67Mpa，抗拉强度也达到了1506.145Mpa，其延伸率和断面收缩率分别为22.70%和30.89%，略低于Q235和Q345。
3.2 冲击功数据分析
表3-2为双相钢、Q235和Q345钢三种成分钢的冲击性能，具体冲击功数值如表3-2所示。
从表中的冲击实验结果，可以看出，设计双相钢的室温和低温（-40℃）冲击性能均较Q235和Q345低，但基本满足标准Q235和Q345钢的设计要求。
3.3金相（OM）和扫描电镜显微组织（SEM）分析
双相钢组织主要是铁素体加上马氏体组成。准确测定钢中各相含量以及正确鉴别各相对研究双相钢组织和性能之间的关系极为重要。基于以上考虑，本文通过金相和扫描电镜观察，正确鉴别双相钢中多相组织，为多相组织钢种的压力容器的应用和研究提供借鉴。
3.4 Q235和Q345钢显微组织分析
热轧Q235和Q345钢进行正火处理后得到的金相显微组织如图3-4所示。根据形貌分析，其正火后的显微组织均以铁素体和珠光体为主。
图3-4（a）和（c）是Q235钢的金相照片，根据形貌分析，我们可知道显微组织主要由铁素体和部分珠光体组成，铁素体含量明显多于珠光体含量。两种组织很清晰地就可辨别出来，其中亮色的部分为铁素体，灰暗色部分为珠光体。
图3-4（b）和（d）是Q345钢的金相照片，我们可知道组织和Q235一样，主要由铁素体和珠光体组成，二者含量相当，两种组织很清晰的就可辨别出来，其中亮色的部分为铁素体，灰色部分为珠光体。
唯一不同的是Q345的晶粒比Q245的要更加精细一点，由表2-1可知，这主要是由于Q345的Mn含量远高于Q235，根据2.2节设计双相钢中各合金元素的作用所述，Mn主要通过固溶强化降低γ→α相变温度而促使晶粒细化，马氏体转变温度Ms，改变相变后的微观组织。正因为Mn的细化晶粒作用，Q345经过正火处理后得到的组织要比Q235的细小。
（通过扫描电镜SEM进行进一步的组织观察，以得到更微观的放大组织照片。
图3-5是Q235和Q345正火处理后相应的扫描电镜形貌照片，其组织主要为细片状珠光体和铁素体基体，不同的是在SEM形貌照片中各相呈现相反的衬度，即铁素体呈灰暗色，而珠光体则呈亮色。
扫描形貌中，在珠光体片层间弥散着大量的碳化物，同时在珠光体和铁素体交界处存在少量未分解的残余奥氏体。而由于Q345中Mn含量较多，其淬透性要好于Q235，因此，在其组织中可以观察到极少量的板条状马氏体组织。
3.5 双相钢的显微组织分析
图3-6是双相钢的OM与SEM照片，根据（a）和（b）的金相组织分析，我们可知道组织主要由铁素体和板条马氏体组成，两种组织很清晰的就可辨别出来，其中亮色的部分为铁素体，灰色部分为马氏体。
而在SEM形貌照片（图（c）和（d））中各相呈现相反的衬度，即铁素体呈暗色，而马氏体则呈亮色。
可以看出，双相钢中的组织与Q235、Q345钢的组织明显不同，其主要以板条状马氏体和铁素体为主，同时含有少量的残余奥氏体。由于其成分中加入了一定量的Nb微合金元素，起到晶粒细化作用，因此其晶粒非常细小。
（a）100×（b）500×
（c）1000× （d）3000×
4.结论
本文对传统压力容器用钢Q235和Q345的合金成分进行了改善，设计出一种新的钢的成分，并通过适当的热处理工艺，在实验室条件下试制成新型的压力容器用双相钢。采用机械性能测试、金相和扫描电镜分析等方法，对新型双相钢的性能进行了研究，并与传统的Q235和Q345的性能进行了对比，结果表明：本文设计得到的双相钢的屈服强度和抗拉强度远高于传统压力容器用钢Q235和Q345，体现了合金成分改善和热处理工艺对钢强度提高的作用。双相钢有强化相相变组织强化、细晶强化、析出强化、固溶强化、亚结构强化及利用残留奥氏体等强韧化手段，使其具有优良的综合力学性能。
（表格见135页）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
本文对传统压力容器中用钢Q235和Q345的合金成分进行了改善，设计出一种新的钢的成分，并通过适当的热处理工艺，在实验室条件下试制成新型的压力容器用双相钢。并采用机械性能测试、金相和扫描电镜分析等方法，对新型双相钢的性能进行了研究，并与传统的Q235和Q345的性能进行了对比。
[关键词] 压力容器 双相钢 力学性能 冲击功
1.绪论
1.1 压力容器用钢特点
压力容器用钢的特点是：有较高的强度、好的韧性、较低的缺口敏感性、良好的加工工艺性能和焊接性能。
1.2.双相钢的性能特点
由于双相钢有强化相相变组织强化、细晶强化、析出强化、固溶强化、亚结构强化及利用残留奥氏体等强韧化手段，使其具有优良的综合力学性能。
双相钢的力学性能特征是：具有连续屈服现象，且屈服强度高，抗拉强度高，初始加工硬化速率高，应变速率敏感性高，强度和延性匹配好等。
（1）双相钢具有很好的强度和塑性匹配，具有较低的屈强比（Rp0.2/Rm）、较高的均匀延伸率和高的初始加工硬化率，连续屈服。双相钢和传统低合金高强度的应力应变曲线的对比见图1-1所示。
低的屈服强度使冲压构件易于成形，回弹小，同时冲压模具的磨损也较小。无屈服延伸，应力应变曲线呈平滑的拱形，可避免成形零件表面起皱，因而不需要附加的精整轧制或其它附加操作。高的抗拉强度可以使构件具有较高的帽形机构压溃抗力、撞击能量吸收能力和疲劳强度。双相钢与相同强度级别低合金高强度钢相比均匀延伸率和总延伸率较大，其均匀延伸和总延伸率可提高三分之一甚至一倍。双相钢的应力应变曲线的最大载荷附近有平坦区，并覆盖了较宽应变范围，表明双相钢在单向拉伸时形成的缩颈是扩散的。双相钢具有高的初始加工硬化率，如果以0.2%应变的条件变形抗力来判断，屈服强度为280～350MPa的双相钢并非是高强度钢，然而由于其初始加工硬化率高，在应变达到3～4%以后，双相钢变形抗力一般可达500～550MPa。因此，只需较小变形，就可使由双相钢制成的冲压构件的变形抗力达到低合金高强度钢的水平，从而使双相钢构件可像低合金高强度钢一样使用。
（2）双相钢板材具有顺板面纵向与横向力学性能差异小的特点，即具有良好的各向同性。
（3）双相钢具有良好的抗疲劳性能和抗应力腐蚀性能，这是由于处于铁素体中的高硬度的强化相阻止了裂纹的扩展，从而提高了双相钢的冲击韧性。
（4）双相钢具有良好的焊接性能。这种钢具有适中的淬透性，焊点强韧性配合较好。其成分设计采用了低的C当量（Ceq）和裂纹敏感系数（Pm），从而使其具有较好的焊接性能。双相钢显微组织对点焊引起的软化并不敏感；低的屈强比可以保证材料在低于断裂应力时出现塑性变形，从而使焊点周围的应力集中影响减小。
1.3 双相钢的显微组织
自双相钢产生以来，国内外学者对双相钢的显微组织进行了大量的研究，以期建立组织与性能的关系。
大量研究结果揭示：F+M双相钢的显微组织随其化学成分和获得双相组织的方式而变化，已开发的双相钢组织分为无序组织和定向排列纤维组织两大类。无序组织又可分为弥散分布型（塑性良好的铁素体上弥散分布着高强度岛状马氏体）、纤维状双相混合型（平行针状马氏体与铁素体相交错而呈纤维状）、高位错亚晶结构型组织（具有高密度位错的亚晶结构马氏体呈网状或群落状位于铁素体晶界）三种情况。目前开发的双相钢基本上都是无序组织，其显微组织与普通高强钢不同，普通的高强钢（如图1－2(a)）是通过控制轧制以细化晶粒，并且通过微合金元素的碳氮化物析出强化基体，而双相钢（如图1－2(b)）是在纯净的铁素体晶界或晶内弥散分布着较硬的马氏体相，其比例一般不超过20％[。
(a)普通高强钢(b)双相钢
图1-2 普通高强钢与双相钢的显微模型对比
2.目的
本文的主要研究目的是通过改善传统压力容器用钢Q235和Q345的合金成分，设计出一种新的钢的成分，并通过适当的热处理工艺，在实验室条件下试制新型的压力容器所用双相钢。同时希望能将该双相钢用在压力容器上，利用其强度高兼有好的塑性的优点，可以适当减少压力容器的厚度，节约材料，减轻容器的重量。
本文主要技术路线为：
对新炼制的钢种选择适当的双相热处理工艺，通过力学性能测试和V型断口冲击试验、金相组织观察和SEM微观形貌表征等方法对得到的新型双相钢的力学性能和微观组织进行分析与研究。同时通过与Q235和Q345的性能和微观组织的对比，不断优化热处理工艺，以期得到适用于压力容器的新型的双相钢。对该种双相钢在压力容器中的使用可行性进行评定，为压力容器所用钢板的选材提供实验指导。
2.1 新型双相钢的成分设计和熔炼
为研究新型双相钢与Q235、Q345压力容器用钢的组织与性能，根据当前传统压力容器所用钢板多为Q235和Q345的实际情况，结合JmatPro软件，，设计出一种新的钢的成分。
设计成分和熔炼所得到的钢的实际成分如表2-1所示。
2.2热处理工艺设计
通过对设计钢种在双相区退火热处理，得到了研究所用的双相钢。双相处理工艺具体如下：其中测定其力学性能的拉伸试样在两相区775℃温度下不完全奥氏体化保温100s，然后水淬到室温。两相区775℃温度下不完全奥氏体化保温180s，然后水淬到室温。双相钢的热处理工艺示意图如图2-1所示。
（实线为拉伸试样，虚线为冲击试样）
作为对比试样，热轧Q235、Q345钢采取正火处理：拉伸试样和冲击试样均900℃完全奥氏体化保温5分钟后空冷到室温。Q235、Q345钢的热处理工艺示意图如图2-2所示
3.分析
通过对双相处理得到的双相钢试样的力学性能与显微组织与压力容器常用的Q235和Q345钢进行对比，从而分析双相钢在性能与组织上的特点，以为研究适用于压力容器的新型双相钢提供实验依据。
3.1 力学性能分析
表3-1为双相钢、Q235和Q345钢三种成分钢的拉伸力学性能，经设计热处理工艺处理后的屈服强度、抗拉强度和延伸率等力学参数如表中所示。
从表3-1的拉伸结果可以看出，钢经设计双相工艺处理后的屈服强度和抗拉强度都明显比Q235和Q345高，屈服强度达到了838.67Mpa，抗拉强度也达到了1506.145Mpa，其延伸率和断面收缩率分别为22.70%和30.89%，略低于Q235和Q345。
3.2 冲击功数据分析
表3-2为双相钢、Q235和Q345钢三种成分钢的冲击性能，具体冲击功数值如表3-2所示。
从表中的冲击实验结果，可以看出，设计双相钢的室温和低温（-40℃）冲击性能均较Q235和Q345低，但基本满足标准Q235和Q345钢的设计要求。
3.3金相（OM）和扫描电镜显微组织（SEM）分析
双相钢组织主要是铁素体加上马氏体组成。准确测定钢中各相含量以及正确鉴别各相对研究双相钢组织和性能之间的关系极为重要。基于以上考虑，本文通过金相和扫描电镜观察，正确鉴别双相钢中多相组织，为多相组织钢种的压力容器的应用和研究提供借鉴。
3.4 Q235和Q345钢显微组织分析
热轧Q235和Q345钢进行正火处理后得到的金相显微组织如图3-4所示。根据形貌分析，其正火后的显微组织均以铁素体和珠光体为主。
图3-4（a）和（c）是Q235钢的金相照片，根据形貌分析，我们可知道显微组织主要由铁素体和部分珠光体组成，铁素体含量明显多于珠光体含量。两种组织很清晰地就可辨别出来，其中亮色的部分为铁素体，灰暗色部分为珠光体。
图3-4（b）和（d）是Q345钢的金相照片，我们可知道组织和Q235一样，主要由铁素体和珠光体组成，二者含量相当，两种组织很清晰的就可辨别出来，其中亮色的部分为铁素体，灰色部分为珠光体。
唯一不同的是Q345的晶粒比Q245的要更加精细一点，由表2-1可知，这主要是由于Q345的Mn含量远高于Q235，根据2.2节设计双相钢中各合金元素的作用所述，Mn主要通过固溶强化降低γ→α相变温度而促使晶粒细化，马氏体转变温度Ms，改变相变后的微观组织。正因为Mn的细化晶粒作用，Q345经过正火处理后得到的组织要比Q235的细小。
（通过扫描电镜SEM进行进一步的组织观察，以得到更微观的放大组织照片。
图3-5是Q235和Q345正火处理后相应的扫描电镜形貌照片，其组织主要为细片状珠光体和铁素体基体，不同的是在SEM形貌照片中各相呈现相反的衬度，即铁素体呈灰暗色，而珠光体则呈亮色。
扫描形貌中，在珠光体片层间弥散着大量的碳化物，同时在珠光体和铁素体交界处存在少量未分解的残余奥氏体。而由于Q345中Mn含量较多，其淬透性要好于Q235，因此，在其组织中可以观察到极少量的板条状马氏体组织。
3.5 双相钢的显微组织分析
图3-6是双相钢的OM与SEM照片，根据（a）和（b）的金相组织分析，我们可知道组织主要由铁素体和板条马氏体组成，两种组织很清晰的就可辨别出来，其中亮色的部分为铁素体，灰色部分为马氏体。
而在SEM形貌照片（图（c）和（d））中各相呈现相反的衬度，即铁素体呈暗色，而马氏体则呈亮色。
可以看出，双相钢中的组织与Q235、Q345钢的组织明显不同，其主要以板条状马氏体和铁素体为主，同时含有少量的残余奥氏体。由于其成分中加入了一定量的Nb微合金元素，起到晶粒细化作用，因此其晶粒非常细小。
（a）100×（b）500×
（c）1000× （d）3000×
4.结论
本文对传统压力容器用钢Q235和Q345的合金成分进行了改善，设计出一种新的钢的成分，并通过适当的热处理工艺，在实验室条件下试制成新型的压力容器用双相钢。采用机械性能测试、金相和扫描电镜分析等方法，对新型双相钢的性能进行了研究，并与传统的Q235和Q345的性能进行了对比，结果表明：本文设计得到的双相钢的屈服强度和抗拉强度远高于传统压力容器用钢Q235和Q345，体现了合金成分改善和热处理工艺对钢强度提高的作用。双相钢有强化相相变组织强化、细晶强化、析出强化、固溶强化、亚结构强化及利用残留奥氏体等强韧化手段，使其具有优良的综合力学性能。
（表格见135页）
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文