摘要
随着我国液化天然气(LNG)储罐、核聚变反应堆和极低温风洞等大型低温工程建设的开展，极低温环境对结构材料存在迫切的需求。而传统极低温材料存在低温性能不足、成本高昂等问题，因此开发高性能低成本的新型极低温用钢成为必然趋势。高锰奥氏体钢具有良好的极低温韧性、低周疲劳性能、无磁和成本低廉等特点，在极低温领域具有巨大的应用潜力。然而，在目前的研究和应用中，高锰钢仍然存在屈服强度和极低温韧性调控矛盾、极低温下变形机理不明确和焊接困难等问题。为此，本文在重点研发计划项目“超低温及严苛腐蚀条件下低成本容器用钢开发与应用”的支持下，围绕高锰奥氏体钢强韧性调控、焊接性能和极低温下的变形行为等方面展开了系统的研究，开发出LNG用和液氦用高锰钢。主要研究工作及结论如下: (1)V合金化对极低温用高锰钢组织及力学性能的影响 本研究将冷轧TWIP(Twining Induced Plasticity)钢常用的V微合金化方法借鉴到极低温用高锰钢的强化中，以Fe-Mn-Al-C系高锰钢为基础，设计了不同V含量(0、0.3和0.6wt.％)的实验钢，发现当V添加量为0.3wt.％时，组织中很难发现VC析出，屈服强度提高31MPa,而极低温韧性并没有降低;当V添加量达到0.6wt.％时，高锰钢的屈服强度可显著提高108MPa,强度的提高来源于沉淀强化和硬化组织强化的共同贡献。V添加量不论是0.3wt.％还是0.6wt.％，其细化晶粒和固溶强化的效果都较弱，但0.6wt.％的V添加会抑制热轧过程中的回复和再结晶过程，造成热轧板中出现硬化组织，极低温冲击吸收功因而出现小幅的降低，但仍能保持在121J的较高水平。 (2)时效处理对极低温用高锰钢组织与力学性能的影响 0.6V钢中沉淀强化效果存在进一步提升的空间，希望通过后续时效处理进一步强化0.6V钢。本研究对实验钢进行了500和800℃等温时效处理，发现500℃时效后实验钢屈服强度小幅提高35MPa,800℃时效处理后实验钢的屈服强度显著增加106MPa,但是极低温冲击吸收功也下降了53J,表现出显著的时效脆化现象。韧性降低的主要原因有两点:(ⅰ)800℃时效处理后钢中偏析带上存在更多微米级的VC析出，诱使变形过程中微裂纹萌生并沿偏析带传播;(ⅱ)800℃时效处理后钢中晶界处存在明显的VC析出现象和V、C元素偏聚现象，这降低了界面结合力，提高了晶界处的局部层错能，抑制了孪生激活，进一步恶化了极低温韧性。 (3)高碳合金设计极低温用高锰钢的组织演变及强韧化机理研究 除时效强化外，适当提高C含量也能促进沉淀相的析出。本研究对0.6V钢进行了C含量的优化设计，探究C在极低温用高锰钢中的作用。设计了C含量分别为0.6和0.8wt.％两种实验钢。研究发现增加0.2wt.％的C含量可以显著提高实验钢的屈服强度121MPa,而两种实验钢的极低温冲击吸收功相当，均在120J以上。分析表明，0.8C钢屈服强度的提高主要来源于固溶和沉淀强化;而韧性保持较高水平的原因归结于两点:(ⅰ)较高的C含量促进了回复和再结晶过程，热轧板中硬化组织的体积分数因此显著减少，促进了变形过程中的位错滑移和孪生;(ⅱ)弥散细小的VC析出与奥氏体基体保持半共格关系，这在提高强度的同时保留了良好的极低温韧性。 (4)极低温用高锰钢双强化组织设计及其对强韧性的影响 在组织演变规律及强韧化机理方面，本研究对0.3V钢进行了组织优化设计，开发出未再结晶区控制轧制工艺并制备了一种具有双强化组织特征(再结晶和变形奥氏体复合)的极低温用高锰钢。该实验钢硬化组织的体积分数为24％，混合法则计算表明，24％的硬化组织可以贡献36％的屈服强度增量。与完全再结晶的样品相比，双强化设计实验钢的屈服强度可以显著提高86MPa。同时，双强化组织中软化的奥氏体可以充分促进位错滑移和孪生，软化组织中孪晶体积分数为11.4％,远高于硬化组织中的4％。因此，软化奥氏体中活跃的孪生行为和位错滑移赋予了实验钢良好的塑性变形能力，它在-196℃下冲击吸收功相比于完全再结晶态仅降低17J,屈服强度和极低温冲击吸收功可分别达到485MPa和123J。 (5)LNG用高锰钢中试原型钢的开发及焊接性能研究 基于上述研究，进行了LNG用高锰钢的开发和中试原型钢的制备，同时，对该原型钢进行了焊接性能评价方面的研究。使用自研的Ni基焊材对高锰钢进行了自动保护金属极电弧焊，焊接接头在-196℃下的屈服强度、抗拉强度和延伸率可分别达到804MPa、1027MPa和11.2％，焊接接头各部位的极低温冲击吸收功均高于55J。虽然溶质偏析导致的受抑制的孪生行为、不均匀的显微组织和热影响区硬化的奥氏体等因素使粗晶热影响区极低温韧性相对母材有一定的下降，但焊接接头的整体力学性能完全满足LNG储罐的建造要求。 (6)液氦用高锰钢极低温变形行为与抗时效脆性研究 基于高锰钢良好低温性能和无磁的特性，本研究通过Al合金化以及晶粒尺寸的一体化控制，制备出兼具优异抗时效脆性及-269℃高强高韧特性的高锰钢。优化后的实验钢在650℃下时效处理240h后，(Fe，Mn)23C6型碳化物的析出从根本上得到了抑制，实现了晶界偏聚行为与晶界强度的有效控制。-269℃下高锰钢的强度和塑性均有了大幅度的提高，获得了-269℃下屈服强度为1117MPa、抗拉强度为1480MPa、延伸率为34.2％、断裂韧性为255MPa·m0.5的力学性能。断裂韧性方面，发现了极低温韧性的反尺寸效应，首次揭示了在液氦温度下，Taylor晶格、微带和纳米孪晶等变形微结构协同增韧、提高粗晶样品断裂韧性的微观作用机制。
NETL