多相组织对钢铁结构材料韧化的影响及作用机理

Low alloy high strength steels are widely used as structural steels in national key projects. The requirements for toughness of low alloy high strength steels are higher and higher to ensure the structural safety. At present, the thickness of steel billet and product size are standardized, so the effects of fine grain strengthening, dislocation strengthening, solid solution strengthening, dispersion strengthening and residual stress on toughness have little change. Then the multiphase microstructures with different types, shapes, sizes et al. in low alloy high strength steels become the important influence factor of toughness. In this work, by taking X70 pipeline steel as the research object, the phase transformation law at different deformation volume will be studied systematically. Then typical microstructure specimens will be prepared. The stress-strain curves of each phase will be obtained by using the tensile test, nano-hardness test of each phase and theoretical analysis. A unit cell model will be built by combining numerical simulations and tensile tests, then a series of stress-strain curves of multiphase microstructure steels with different parameters will be obtained, so the elastic modulus, yield strength, tensile strength, elongation et al. of multiphase microstructure steels with different parameters will be obtained. Basing on the above results, the relationship between multiphase microstructure parameters and fracture toughness JIc as well as charpy impact toughness CVN will be studied by using numerical simulations and experimental tests. At last, the influence and mechanism of multiphase microstructures in steel and iron structural materials for toughening will be proposed.

国家重大工程项目所使用的钢结构大多是低合金高强度钢，基于结构安全性考虑对其韧性的要求越来越高。在目前坯料厚度和产品厚度规格基本定型的情况下，细晶强化、位错强化、固溶强化、弥散强化、残余应力等对材料韧性的影响基本固定，低合金高强度钢中类型、含量、尺度等不同的多相组织成为影响其韧性的重要因素。本研究拟以X70管线钢为研究对象，对其不同变形条件下的相变特性进行系统研究，制备典型相组织样品；利用拉伸实验、各单相纳米硬度测定结合理论分析得到各单相组织的拉伸应力应变曲线；采用数值模拟与拉伸实验相结合的方法建立单包模型，得到参数不同系列多相组织试验钢的应力应变曲线，获得参数不同多相组织试验钢的弹性模量、屈服强度、抗拉强度、延伸率等；基于上述研究，采用有限元数值模拟与实验测试相结合的方法研究多相组织参数与材料断裂韧性JIc和夏比冲击韧性CVN之间的关系，明确多相组织对钢铁结构材料韧化的影响及作用机理。

1. 通过系列实验得到不同变形量下试验钢的CCT曲线，结合金相、硬度试验结果对试验钢的相变特性进行系统研究，分析变形量对试验钢CCT曲线的影响规律。研究表明，随变形量增大，CCT曲线中各个相区向左上方移动； 不同变形条件下均存在两个稳定的相变区间：冷速低于2℃/s时，试验钢具有珠光体和铁素体组织；冷速在20-40℃/s时，试验钢具有针状铁素体和粒状贝氏体为主组织。试验钢硬度随冷速和变形量的增大而增大，组织基本固定时硬度变化不大，出现针状铁素体及贝氏体相变时硬度明显上升。.2. 通过拉伸实验，测定不同工艺、不同温度下试验钢的应力-应变曲线，获得各单相组织的应力应变曲线，并利用显微硬度数据进行修正。利用有限元软件ANSYS建立珠光体/铁素体（F/P）、铁素体/贝氏体（F/B）试验钢的单胞模型，模拟了不同相参数（硬相含量、形状及分布）F/P、F/B钢在不同温度下的应力-应变曲线，通过实验和模拟相结合的方法，分析了硬相含量、形状、分布对F/P、F/B试验钢力学性能的影响。发现在硬相含量相同的情况下，具有细长针状铁素体组织的管线钢具有最佳的强韧性。.3.在应力应变曲线模拟的基础上，建立F/P、F/B试验钢的断裂模型，模拟典型多相组织试验钢的JIc值，并计算相应的应力强度因子KIc值。对模拟结果与试验结果进行对比分析，建立了相含量、形状、分布与试验钢的断裂韧性JIc、KIc、夏比冲击韧性CVN之间的定量关系，明确了多相组织特征对F/P、F/B多相钢韧化的影响及作用机理。