金屬材料課設(shè)論文

1、武漢科技大學(xué)課程設(shè)計(jì)論文課程設(shè)計(jì)論文題目： 一種超低碳微合金針狀鐵素體鋼的設(shè)計(jì)學(xué) 院:理學(xué)院專 業(yè):材料物理學(xué) 號:201307120057學(xué)生姓名:杜文兵指導(dǎo)教師:吳開明 張莉芹日 期:2016.5.6 摘要目前我國西氣東輸?shù)却笮晚?xiàng)目相繼投入使用，國家對于管線鋼的需要日益增加。為降低管線建設(shè)和運(yùn)營成本，我國急需設(shè)計(jì)出高性能低成本的管線鋼。而要生產(chǎn)出更高強(qiáng)韌性的管線鋼就必須對其進(jìn)行合理的合金設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)根據(jù)管線鋼的性能設(shè)計(jì)出了一種合理的合金成分。并通過JMatpro軟件模擬計(jì)算樣品的CCT、TTT曲線，分析針狀鐵素體的轉(zhuǎn)變溫度并設(shè)計(jì)合適的熱處理工藝。關(guān)鍵字：熱處理；微合金化；管線鋼；成分設(shè)計(jì)Ab

2、stract Some large projects such as West-Esat gas transmission are being constructed in our country right now.The need for pipeline steel increase day by day.Our country need to design a high-performance and inexpensive pipeline in order to reduce cost of pipeline construction.In order to produce fur

3、ther high strength and toughness pipeline steel,alloy design must be reasonable done. We designed a reasonable alloy composition on the basic of performance of pipeline in the experiment.And we analyze the transition temperature of the ferrite and design appropriate heat treatment process by JMatpro

4、 software simulation samples CCT, TTT curve.Keywords: Heat treatment; Micro alloying;Pipeline steel;Composition design目錄摘要1Abastract21 文獻(xiàn)綜述41.1 前言41.2 管線鋼生產(chǎn)工藝41.3 針狀鐵素體組織形態(tài)51.4 針狀鐵管線鋼中合金元素的選取52 管線鋼軋制工藝要求72.1 加熱72.2 粗軋72.3 代溫72.4 精軋72.4 精軋72.5 冷卻73 鋼種設(shè)計(jì)73.1 成分設(shè)計(jì)73.2 JMatpro計(jì)算軟件模擬TTT和CCT曲線83.3 工藝流程103

5、.4 強(qiáng)度分析113.5 焊接性能分析134 總結(jié)13參考文獻(xiàn)13第一章 文獻(xiàn)綜述1.1前言管線管鋼是指用于輸送石油、天然氣等的大口徑焊接鋼管用熱軋卷板或?qū)捄癜?。管線鋼在使用過程中，處理要求具有較高的耐壓強(qiáng)度外，還要求具有較高的低溫韌性和優(yōu)良的焊接性能。 現(xiàn)代管線鋼屬于低碳或超低碳的微合金化鋼。管線鋼工程的發(fā)展趨勢是大管徑、高壓富氣輸送、高冷和腐蝕的服役環(huán)境、海底管線的厚壁化。因此現(xiàn)代管線鋼應(yīng)具有高強(qiáng)度、低包申格效應(yīng)、高韌性和抗脆性、低焊接碳素量和良好焊接性、以及抗HIC和抗H2S腐蝕。目前，國外飯發(fā)達(dá)國家以開始廣泛使用X70和X80管線鋼并在積極研發(fā)X100及X120管線鋼且已取得一定成果，

6、我國管線鋼起步雖然較晚，但進(jìn)步很快，目前已能穩(wěn)定生產(chǎn)使用X65、X70、X80管線鋼且已開始了X100和X120管線鋼的研究。其中X70管線鋼的主要結(jié)構(gòu)多為針狀鐵素體結(jié)構(gòu)，不僅具有良好的低溫韌性，而且具有低的包申格性能和良好的焊接性，同時具有高的韌性和止裂性能。X70管線鋼一般采用低碳-錳-鈮系為基礎(chǔ)，再適當(dāng)添加其他的合金元素。1.2管線鋼的生產(chǎn)工藝 目前在國內(nèi)管線鋼的生產(chǎn)工藝主要有：常規(guī)半連續(xù)熱連軋、CSP連鑄連軋、中厚板機(jī)組、爐卷機(jī)組。1.2.1半連續(xù)軋機(jī) 包括1架爐卷機(jī)及5機(jī)架精軋機(jī)。在半連續(xù)軋機(jī)上，鋼帶在精軋道次所經(jīng)歷的熱軋從鋼帶的一端到另一端實(shí)質(zhì)上是恒定的。在精軋機(jī)上道次間的時間通常

7、少于3S。1.2.2CSP連鑄軋機(jī)在CSP生產(chǎn)線上對含有鈮、釩、鈦復(fù)合微合金化的低碳錳鋼采用合適的控軋控冷和卷取工藝，可以保證鋼的力學(xué)性能和顯微組織符合現(xiàn)代X60管線鋼的技術(shù)要求，符合現(xiàn)代管線鋼的發(fā)展趨勢。1.2.3中厚板機(jī)組 主要生產(chǎn)寬厚板，用于直縫埋弧焊管的生產(chǎn)，直縫埋弧焊管質(zhì)量可靠，廣泛應(yīng)用于油氣高壓輸送主干線上。1.2.4爐卷軋機(jī)爐卷軋機(jī)包括一家往復(fù)式粗軋機(jī)和4架往復(fù)式精軋機(jī)。在精軋機(jī)兩邊的輸送線上安裝了兩臺熱卷軋機(jī)。輸出輥道通常包括一套 層冷流冷卻系統(tǒng)和一個卷取站，在爐卷軋機(jī)上，鋼帶整個長度上的熱機(jī)械歷史明顯變化，尤其是在微合金化鋼生產(chǎn)中，將強(qiáng)烈影響精軋機(jī)上生產(chǎn)的再結(jié)晶程度，晶粒長大

8、及析出，并且導(dǎo)致整個帶鋼長度上終極顯微組織和性能的劇烈變化。其工藝特點(diǎn)是投資本錢相對低。1.3針狀鐵素體的組織形態(tài)針狀鐵素體是指低合金高強(qiáng)度鋼中所形成的一種不同于鐵素體-珠光體的類貝氏體組織。針狀鐵素體具有不規(guī)則的鐵素體晶粒，基體中分布著高密度的位錯，通過多邊形鐵素體和貝氏體轉(zhuǎn)變溫度之間的溫度區(qū)間奧氏體分解形成。此種轉(zhuǎn)變可以通過奧氏體溫度區(qū)間快速冷卻而得到。 a） 放大倍數(shù)200倍 b)放大500倍圖1.1金相組織圖1.4鐵素體管線鋼中合金元素的選取1.4.1碳碳是增加鋼的強(qiáng)度的有效元素，但是隨著含碳量的增加會導(dǎo)致焊接性惡化，韌性下降，同時偏析加劇。當(dāng)碳含量超過0.04%時，當(dāng)導(dǎo)管線鋼抗HIC

9、的能力下降，當(dāng)碳含量超過0.05%時，當(dāng)導(dǎo)致錳和磷的偏析加劇。目前，隨著管線鋼的級別提高，碳含量一般逐漸降低。對于寒冷狀態(tài)含硫環(huán)境的管線鋼，如果過度降低碳含量（<0.01%),熱影響區(qū)的境界將脆化,并引發(fā)熱影響區(qū)發(fā)生HIC和韌性的降低。目前認(rèn)為最佳碳含量應(yīng)控制在0.01%0.05%。1.4.2錳鋼中含碳量的降低使屈服強(qiáng)度下降，可以使用錳代替碳保證其強(qiáng)度。另外錳還能推遲鐵素體-珠光體的轉(zhuǎn)變，并降低貝氏體的轉(zhuǎn)變溫度，有利于形成細(xì)晶粒組織。錳對管線鋼有固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、和相變強(qiáng)度有影響。錳在提高強(qiáng)度的同時，還可以提高鋼的韌性，降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度。但錳含量過高會對管線鋼的焊接性能造成不利影響。1

10、.4.3硫硫是管線鋼中影響鋼的抗HIC和抗SSC能力的主要元素。隨著含硫量的增加，敏感性顯著增加；只有當(dāng)<0.0012%時，HIC明顯降低。值得注意的是硫易與錳結(jié)合生成MnS夾雜物，當(dāng)MnS夾雜變成粒狀夾雜物時，隨著剛強(qiáng)度的增加，單純降低硫含量不能防止HIC。1.4.4磷由于磷是一種易偏析的元素，在偏析區(qū)其淬硬性約為碳的兩倍。此外磷還會惡化管線鋼的焊接性能，顯著降低鋼的低溫沖擊韌性，提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，使鋼管發(fā)生冷脆。對于高質(zhì)量的管線鋼應(yīng)嚴(yán)格控制鋼中的磷含量。1.4.5鉬管線鋼中含量的增加會使其抗拉強(qiáng)度提升。鋼中鉬有利于針狀組織的發(fā)展，隨著鋼中鉬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，針狀鐵素體的含量增加，

11、因此能在極低的碳含量中得到很高的強(qiáng)度。在連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變中，鉬元素的加入使相點(diǎn)的溫度降低，在相同的冷卻條件下更容易發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，并使其CCT曲線向右移。1.4.6鈮鈮是管線鋼中不可或缺的元素，能改善低溫韌性。鈮由于在板坯加熱過程中固溶于奧氏體中，在軋制變形過程中具有抑制奧氏體再結(jié)晶和細(xì)晶奧氏體晶粒的作用。其碳氮化合物在軋制后的冷卻過程中沉淀析出，對鋼板具有析出強(qiáng)化作用。1.4.7其他元素管線鋼中加入微量的釩，可以通過增加沉淀硬化效果來提高鋼板的強(qiáng)度。鋼中加入微量的鈦可以通過提高鋼的晶粒粗化溫度來促進(jìn)晶粒細(xì)化，達(dá)到提高鋼板強(qiáng)度和韌性的目的。銅能有效地提高抗大氣腐蝕和顯著減少氫質(zhì)裂紋產(chǎn)生的能力。第二

12、章 管線鋼軋制工藝的要求2.1加熱 鋼坯的加熱溫度決定著奧氏體的原始晶粒度和合金元素的固溶溫度，并直接影響鋼板的最終性能。通常加熱溫度為11801220。2.2粗軋 軋制一般為5道次，道次間應(yīng)保證充分的動態(tài)再結(jié)晶，粗軋終了溫度應(yīng)控制在9801020，粗軋變形量應(yīng)50%。2.3代溫 粗軋結(jié)束至精軋開始前也應(yīng)保證充分的恢復(fù)再結(jié)晶，其代溫時間一般為100秒左右。2.4精軋 精軋基本上均處于未在結(jié)晶軋制過程，精軋變形量應(yīng)75%，終軋溫度可根據(jù)強(qiáng)度的需要控制在780850。2.5冷卻 冷卻速度盡可能大一點(diǎn)，一般在520/秒范圍內(nèi)，根據(jù)軋機(jī)類型和冷卻裝置的不同，冷卻速度也有所不同。冷卻終了溫度可根據(jù)強(qiáng)度需

13、要控制在630850，高強(qiáng)度管線鋼也可控制在350450。冷卻采用后冷卻方式可以較低的屈強(qiáng)比。第三章 鋼種設(shè)計(jì)3.1成分設(shè)計(jì)3.1.1性能要求 管線鋼的性能要求： 高強(qiáng)度； 高韌性和低的韌脆轉(zhuǎn)變溫度； 良好的焊接性； 抗氫致裂紋(HIC)和硫化物應(yīng)力腐蝕斷裂(SCC)；3.1.2具體成分 成分設(shè)計(jì)：主要是根據(jù)各種合金元素在鋼中的作用，對比目前成熟的管線鋼成分要求，針對針狀鐵素體對合金元素的要求，對管線鋼成分做出進(jìn)一步的優(yōu)化。通過改變合金元素的含量，分析鋼中合金化元素的添加量對鋼種組織和性能的影響。表3.1 新型鋼種的合金成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)wt%）元素CMnSPMoNiVCuNbCrSi成分（%）0

14、.0451.850.0010.0040.300.230.0430.080.040.030.253.2JMatpro計(jì)算軟件模擬TTT和CCT曲線3.2.1關(guān)于JMatPro的簡介 JMatPro是英國Sente Software公司開發(fā)的,一款功能強(qiáng)大的材料性能模擬軟件，可以用來計(jì)算金屬材料的多種性能。它是一個基于材料類型的軟件，不同的材料類型有不同的模塊。JMatPro 特別針對工業(yè)用合金如鎳基超合金、鋼鐵(如不銹鋼，高強(qiáng)低合金鋼，鑄鐵)、鋁合金、鎂合金和鈦合金等，計(jì)算各種各樣的材料性能。簡單而直覺式的圖形用戶界面設(shè)計(jì)，任何工程師或者研究人員都非常容易使用。3.2.2JMatpro模擬TTT

15、曲線及其分析圖3.1樣品的TTT 模擬所得的TTT曲線可以得出，珠光體開始生成的最高溫度為664.1，貝氏體開始生成的溫度為598.3鐵素體生成的溫度為837.1。由于管線鋼中添加的合金元素Mn、Mo、Nb、Ti、V、Si，合金元素融入奧氏體中增大了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，使C曲線向右邊移動，并使得Ms點(diǎn)降低；而合金元素Mo、Ti、V融入奧氏體后，不僅僅使得C曲線位置向右移動，而且還改變了C曲線的形狀，使C曲線出現(xiàn)珠光體轉(zhuǎn)變和貝氏體轉(zhuǎn)變兩區(qū)域。3.2.3JMatpro模擬CCT曲線及其分析圖3.2 樣品的CCT圖 由模擬曲線可知，在不同的轉(zhuǎn)變溫度下，可以得到鐵素體、珠光體和貝氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。其中在

16、837.1開始有奧氏體向鐵素體轉(zhuǎn)變，在664.1開始有奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變。在598.3開始得到貝氏體的轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，而當(dāng)溫度達(dá)到433以下時才會得到馬氏體轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。對于采用不同的冷卻速度，得到的產(chǎn)物也不相同。從圖中可以看出，在0.15.0/s的冷卻速率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F素體和珠光體，在5.050/s的冷卻速率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為鐵素體和貝氏體。因此，要得到針狀鐵素體管線鋼，終扎后合適的冷卻速度為1030/s，冷卻速度過快得到的是馬氏體組織，冷卻速度過慢會得到多邊形鐵素體組織。3.3工藝流程3.3.1超純凈鋼冶煉技術(shù) 高性能鋼充分應(yīng)用超純凈鋼的冶煉技術(shù)，從入爐鐵水開始對S等有害元素進(jìn)行控制，中間經(jīng)真空除氣和

17、爐外精煉，并采用鈣處理對夾雜物進(jìn)行球化處理，使鋼中沒有明顯的纖維狀組織或條狀夾雜物，從而保證鋼質(zhì)的高純凈度。并采用電磁攪拌和連鑄輕壓下，盡量提高鋼的成分和組織的均勻性。3.3.2控軋控冷工藝技術(shù)該技術(shù)主要從鋼坯再熱、軋鋼和軋后冷卻等幾個方面控制。再加熱溫度對于微合金的固溶量有較大影響，一般X80的再加熱溫度宜選擇在11501180。窗體頂端 再加熱溫度對一些微合金元素的固溶量有很大影響。加熱溫度過低將存在部分未溶碳氮化物，它們不可能阻止奧氏體再結(jié)晶的作用；加熱溫度過高則使奧氏體晶粒顯著粗化，由于形變晶粒細(xì)化效果與初始晶粒尺寸有密切關(guān)系，因此粗大的奧氏體晶粒將削弱形變晶粒細(xì)化效果。一般X80管線

18、鋼的再加熱溫度宜選擇在11501180。 為了細(xì)化鐵素體晶粒，在奧氏體再結(jié)晶區(qū)粗軋時進(jìn)行多道次大變形量軋制，保證大的壓下率，使奧氏體晶粒充分破碎，同時保證粗軋的結(jié)束溫度處于完全再結(jié)晶區(qū)，不能進(jìn)入部分再結(jié)晶區(qū)，以避免產(chǎn)生混晶組織。于 950以下非再結(jié)晶溫度區(qū)進(jìn)行連續(xù)精軋，并增加精軋壓下率，可使奧氏體晶粒充分壓扁，并在晶粒內(nèi)部形成滑移帶，為鐵素體轉(zhuǎn)變時提供更多的形核位置?？刂凭垑合侣蕦@著提高鋼的強(qiáng)度尤其是屈服強(qiáng)度，細(xì)化晶粒，改善韌性。在未再結(jié)晶區(qū)軋制時形變量越大，形變晶粒細(xì)化效果越好。窗體頂端 當(dāng)終軋溫度提高時，屈服強(qiáng)度下降，這是由于終軋溫度降低，位錯密度增加，強(qiáng)化效果增強(qiáng)。但終軋溫度不宜低于

19、 Ar3,否則將進(jìn)入兩相區(qū)軋制，得到不均勻混晶組織，韌脆轉(zhuǎn)折溫度明顯上升。 對于針狀鐵素體型微合金化鋼，其強(qiáng)化除了通過固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化外，還通過位錯強(qiáng)化、沉淀強(qiáng)化等方式來實(shí)現(xiàn)。降低終軋溫度，可以使奧氏體在形變過程中產(chǎn)生的大量位錯得以保留下來，從而增加最終轉(zhuǎn)變產(chǎn)物中的位錯密度，提高鋼的強(qiáng)度。 低碳微合金化鋼在相同的變形條件下，隨軋后冷卻速度的提高晶粒明顯變細(xì)。當(dāng)鋼中含有一定量的 Mn、Mo 等元素時，隨冷卻速度的提高，先共析鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變被抑制，組織中開始出現(xiàn)貝氏體和馬奧組織等低溫轉(zhuǎn)變產(chǎn)物，鋼的強(qiáng)度提高。窗體底端3.4強(qiáng)度分析屈服強(qiáng)度預(yù)測可由下式估算： （3-1） 點(diǎn)陣摩擦阻力，按文獻(xiàn)大約

20、為50Mpa。固溶強(qiáng)化能力，計(jì)算公式采用： （3-2） ki為第i元素的固溶強(qiáng)化系數(shù)(MPa/wt%)，xi為第i組元在固溶體中濃度。各元素在固溶體中的含量占總加入量的比例為：Mn, Mo在固溶體中的含量取加入量的90和70； Si、P取100。另外，各合金元素選用系數(shù)ki 取Si(86)，Mn(50)，Mo(22)，P(470)，V(3)，Ti(80.5)，Ni（20），Cr（30）。預(yù)測固溶強(qiáng)化引起的強(qiáng)化項(xiàng)約為129.7MPa。 A86×0.2550×1.8522×0.3470×0.0043×0.04380.5×0.0220

21、15;0.2330×0.03129.7MPa位錯強(qiáng)化，按位錯密度對屈服應(yīng)力的通用公式估算： （3-3）估算位錯面密度1´10/mm2´10/mm，m8´10MPa，b2.5´10mm，對于立方金屬多晶體為0.5，密排六方金屬為1.1。計(jì)算時取1.5*108/，為0.5, 因此引起的強(qiáng)化122.45MPa。析出強(qiáng)化。 （3-4） 取析出質(zhì)點(diǎn)直徑d=20nm，析出物間距l(xiāng)=250nm，估算99.63MPa。間隙原子引起的強(qiáng)化，主要是C, N原子強(qiáng)化，用近似公式9.4´10´f，f值在10左右（大部分C,N進(jìn)入析出相），引起強(qiáng)化 94MPa。晶粒細(xì)化：取k為20N/mm-3/2，取dz9nm（dz為晶粒尺寸），由此引起的強(qiáng)化：估算 210.82MPa。因?yàn)樵诳剀埧乩滗撝校Ы鐝?qiáng)化效應(yīng)與位錯強(qiáng)化效應(yīng)本質(zhì)上屬于同一類型，因此與一般不能重復(fù)計(jì)算，可取其中大的一個，本鋼中去選取