液化天然气工程用9%Ni钢低温韧化机理与精细结构研究
Study on Microstructures and Toughening Mechanism of Nine Percent Nickel Cryogenic Steel for LNG Tanks
近十年来,液化天然气(LNG)工程用9%Ni钢在我国的研究与应用方兴未艾.为保证长期服役在-163℃以下的LNG储罐内壁用9%Ni钢材料的安令运行,应保证其具有非常优异而稳定的低温韧性水平.国际上,LNG储罐的超大型化趋势,也促进了能够应用于大厚度钢板生产的"超级9%Ni钢"的研究与开发,带动了9%Ni钢成为钢铁材料研究的近期热点领域之一针对9%Ni钢安全储备需求高的要求,本文研究不同于商用9%Ni钢QT工艺的QLT热处理方法及其与组织结构和力学性能的关系,尤其是QLT处理9%Ni钢中的逆转变奥氏体的形态、分布、数量及其稳定性.同时,为适应LNG大型化对大厚度9%Ni钢的需求,研究了Cu元素对9%Ni钢强韧化和组织结构的影响.本文主要采用了Thermo-Calc热力学计算、Dictra动力学模拟、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)和X射线衍射(XRD)法等手段进行研究,结果如下:QT工艺处理9%Ni钢,虽然工序更为简单,可获得较高的强度和较好的低温韧性,但是最佳工艺控制范围更窄,工艺条件更为苛刻;QLT工艺处理9%Ni钢,不但可获得更为优良的强韧性,大幅提高钢的低温韧性,而且拓宽了工艺控制窗口,显著改善了工艺控制的可操作性.特别是QLT处理9%Ni钢的止裂韧性显著提高.动力学模拟及实验研究显示,QLT处理后,9Ni钢中逆转变奥氏体的合金元素明显富集,尤其是Ni的局部元素浓度可以达到基体的两倍以上,其热力学稳定性提高.QLT处理9%Ni钢的逆转变奥氏体含量可达到10%以上;QT处理9%Ni钢中的逆转变奥氏体含量为3-8%,明显低于QLT工艺.热处理后9%Ni钢中一定含量逆转变奥氏体的存在是该钢具有良好低温韧性的重要因素.深入研究发现,逆转变奥氏体岛中合金元素的分布是不均匀的,Ni、Mn等奥氏体稳定元素的最高浓度倾向于出现在与基体邻近的奥氏体边缘,而其内部的浓度略低于边缘;基体的元素浓度低值出现于与奥氏体邻近的边缘,远离逆转变奥氏体的基体位置浓度则趋于接近平均浓度.合理的QT工艺或QLT工艺9%Ni钢的逆转变奥氏体均具有良好的温度稳定性和机械稳定性,但在-196℃低温和载荷的共同作用下,有发生失稳转变的倾向.逆转变奥氏体在低温载荷作用下发生相变诱导塑性是9%Ni钢获得良好低温韧性的重要原因之一添加Cu元素对9%Ni钢的强韧化有显著的影响,随着Cu含量的增加,钢的强度大幅增加,屈强比逐渐增加,而低温冲击功先增后减,在Cu含量为1.0%左右时9%Ni钢的强韧性匹配最佳.Cu对9%Ni钢的强韧化机理主要是Cu在基体中的析出强化、Cu对逆转变奥氏体形貌、分布和数量的优化以及Cu对基体的结构细化作用.Cu在逆转变奥氏体中的平均含量富集可达2倍以上.
- 作者：
- 潘涛
- 学位授予单位：
- 钢铁研究总院
- 专业名称：
- 材料学
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2015年
- 导师姓名：
- 朱静
- 中图分类号：
- TG142.1
- 关键词：
- 9；Ni钢；低温韧性；QLT热处理；逆转变奥氏体；铜；元素富集
- 9； Ni steel; cryogenic toughness; QLT; reversed Austenite; element-enriched; Copper;