氧化物冶金的应用讲解.docx

氧化物冶金的应用摘 要：阐述了氧化物冶金的相关应用，重点说明氧化物冶金技术作为一项新的冶金工艺在材料加工领域的重要作用，并简单介绍了新一代氧化物冶金技术的基本原理。关键词：氧化物冶金；大线能量焊接；晶内铁素体；非调质钢1 大线能量焊接钢板被广泛用于诸如建筑、桥梁、压力容器、储罐、管线和船舶等基础建设和大型建筑中。建筑构件的大型化和高层化发展趋势要求钢板的厚度增加，同时具有更高的综合性能，包括更高的力学性能、高效的加工性能以及优良的抗腐蚀性能和抗疲劳破坏性能等。但是，随着钢板强度的提高，其冲击韧度和焊接性能显著下降，焊接裂纹敏感性增加。特别是随着焊接线能量的提高，传统低合金高强钢的焊接热影响区性能(强度、韧性)恶化，易产生焊接冷裂纹问题，给大型结构钢的制造带来困难。由于焊接为厚板加工的主要方式，满足大线能量焊接性能也逐步成为各种钢种所具备的一种性能。提高钢大线能量焊接性能的主要技术手段钢大线能量焊接的主要难点在于其热影响区(HAZ)的强度和韧性随着输入线能量的增大而降低。因此，HAZ的韧性成为制约钢大线能量焊接的关键因素。为了解决HAZ的韧性问题，国内外相继开展了大线能量焊接用钢的研究工作，提出的改善韧性的方法主要有：1.奥氏体晶粒的细化；2.HAZ组织的改善；3.添加合金元素控制钢的显微结构；4.采用先进的生产工艺控制组织。在厚板的大线能量焊接热循环过程中，融合线附近的温度分布可以用示意图1表示。焊接金属内部的温度高于焊接金属和母材的熔点。融合线附近将加热到1400℃或更高的温度，离融合线越远温度越低。随着焊接线能量输入的增加，在随后的γFe→αFe相变温度区间，融合线附近的冷却速度更慢。于是融合线附近的微观组织将形成粗晶粒区CGZ(Coarse Grain Zone),这些CGZ的韧性降低，形成局部脆性区LBZ(Local Brittle Zone)，故应用氧化物冶金改善融合线附近的微观组织、细化奥氏体晶粒、提高LBZ的韧性。粗晶粒区韧性劣化的原因在于，经过控轧控冷（TMCP)形成的微细组织遭到了破坏，在大线能量焊接之后形成了新的脆性组织。融合线附近微观组织的示意图如图2所示。由于在1400℃以上的高温保持了相当长的时间，奥氏体晶粒显著长大。在许多情况下，粗大的晶界铁素体GBF（Grain Boundary Ferrite）沿原奥氏体晶界形成，粗大的侧板条铁素体FSP（Ferrite Side Plates）以原奥氏体晶界为起点生长。而在原奥氏体晶粒内部，微观组织转变成上贝氏体Bu(Upper Bainite)组织，包括M-A(Martensite-Austenite)组元。这将导致焊接热影响区韧性显著降低。图1 焊接过程中融合线附近的温度分布图2 融合线附近微观组织的示意图作为提高焊接热影响去韧性主要措施的氧化物冶金技术的作用原理主要由两种。其一是利用在钢种微细分布的夹杂物，在焊接的高温过程中钉扎奥氏体境界的移动，从而阻止奥氏体晶粒的长大。对于晶粒成长的钉扎效果可以用Zener的公式表示为式中，R为晶粒的半径；A为常数；r为第二项粒子的半径；f为第二项粒子的体积分率。根据这个公式可以知道，如果第二项粒子在钢中弥散分布、非常细小，并且具有足够大的体积分数，就能够抑制晶粒的长大。图3是利用第二相粒子抑制晶粒长大的示意图，图中清楚地显示了第二项粒子钉扎奥氏体晶界移动的效果，由此可以抑制晶粒的长大。在大线能量焊接过程中，为了阻止粗晶粒的成长，通常使用高温下稳定的氮化物和氧化物的微粒来抑制奥氏体晶粒的长大。图3 微观夹杂物钉扎晶界移动的示意图氧化物冶金的另一个作用原理是控制焊接热影响区奥氏体晶粒内部的微观组织，这是因为许多氧化物和氮化物多能有效地作为晶内铁素体IGF(Intragranular Ferrite)的形核核心发挥作用。对比上贝氏体，IGF具有良好的韧性。另外，IGF的成长能够有效地抑制粗大的GBF和FSP的形成。利用Ti2O3粒子促进IGF形成原理的示意图如图4所示。由于Ti2O3粒子具有阳离子空位，这可以促进MnS、BN和TiN粒子优先在Ti2O3粒子表面析出。MnS、BN和TiN粒子，有利于IGF在Ti2O3粒子周围的成长。图4 Ti2O3粒子促进晶内铁素体生长得原理2非调质钢调质处理：淬火后高温回火的热处理方法称为调质处理。高温回火是指在500-650℃之间进行回火。调质可以使钢的性能，材质得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合机械性能。调质处理后得到回火索氏体。所谓调质钢，一般是指含碳量在0.3-0.6%的中碳钢或低合金钢。一般用这类钢制作的零件要求具有很好的综合机械性能，即在保持较高的强度的同时又具有很好的塑性和韧性，人们往往使用调质处理来达到这个目的，所以人们习惯上就把这一类钢称作调