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1封面+任务书+开题报告
江西理工大学
本科毕业设计(论文)
题目:
回火工艺对X120级管线钢组织与性能的影响
学院:
材料科学与工程学院
专业:
材料成型及控制工程
班级:
材型081班
学号:
29
学生:
李员妹
指导教师:
齐亮职称:
讲师
时间:
2012年5月26日
江西理工大学
本科毕业设计(论文)任务书
材料科学与工程学院材料成型及控制工程专业2008级(2012届)1班学号29
学生李员妹
题目:
回火工艺对X120级管线钢组织与性能的影响
原始依据(包括设计(论文)的工作基础、研究条件、应用环境、工作目的等):
X120级管线钢的应用具有巨大的经济效益,可使长距离油气管线工程造价降低5%~18%,主要体现在节约材料、提高输送压力和运输量、减小施工量、降低维护费用、优化整体方案等方面。
如使用X120取代X70级管线钢,可使成本降低38%左右。
国外开展X120级管线钢研究的企业主要有新日铁、住友金属、JFE、欧洲钢管等。
新日铁公司与埃克森美孚公司合作首先试制成功,并于2004年联合加拿大传输管线有限公司(TCPL)在北阿尔伯达安装了1.6km的X120级管线,以研究冬季严酷条件下的可施工性。
国内开展X120级管线钢研究始于2005年,武钢、鞍钢、宝钢、北科大、西安管材所的科研部门正在开展该产品的研究,目前仍处在试验探索和理论研究阶段。
X120管线钢的碳含量一般为0.05%,(Cu+Ni+Cr+Mo)≤2%,并加入微合金化元素V、Nb、Ti、B。
通过控制轧制和控制冷却工艺,该钢具有高强度、高韧性和良好的焊接性。
生产X120管线钢的热处理过程有在线热处理工艺装JFE-HOP,间断直接淬火(IDQ),直接淬火DQT工艺和淬火-配分(Q&P)工艺技术等。
生产X120级管线钢其中一种可行性工艺为DQ(或TMCP)+回火,因此,研究回火工艺对X120高强度管线钢组织性能的影响具有重要意义。
通过合理的组织、成分设计,本实验对实验钢进行了相变规律和轧后回火工艺研究,结合金相、扫描电镜、显微硬度等分析手段进行表征,欲期能够得到相应的实验性结论,指导生产实践。
主要内容和要求:
(包括设计(研究)内容、主要指标与技术参数,并根据课题性质对学生提出具体要求):
试验钢在实验室真空感应炉中冶炼,真空浇铸成钢锭后,将铸锭锻造成矩形断面钢坯,试样加热至1000℃保温2min,然后分别以0.5℃/S、1℃/S、3℃/S、5℃/S、10℃/S、20℃/S、30℃/S、50℃/S的冷速将试样冷却至室温,测得试样在冷却过程中的膨胀曲线,在温度-膨胀量曲线有突变的地方做切线得到各冷速下的相变点温度。
将热膨胀后的试样沿横向用线切割机剖开,经过砂纸打磨及抛光,制成金相试样,用4%的硝酸酒精溶液侵蚀抛光好的试样表面大概20S,然后在金相显微镜下观察其室温组织。
根据研究的需要,将实验钢板按照回火温度在箱式回火炉中进行回火处理,随炉加热至相应的温度。
取九个试样分别做在不同回火温度下的实验,其中一个定为原样,其他回火温度分别为250℃,300℃,350℃,400℃,450℃,500℃,550℃,600℃,保温1小时。
另取八个试样,回火温度350℃时,保温时间分别为20min,40min,60min,80min。
将回火温度设定在350℃,将其中四个试样放入热处理炉中,随炉加热,当温度上升到350℃时开始计时,当时间到20min时取出一个试样空冷,再过20min取出第二个试样空冷,如此到第四个试样回火完成。
回火温度400℃时,保温时间分别为20min,40min,60min,80min。
步骤同上述。
回火后,制备金相样品,将实验钢进行机械磨制、机械抛光,用4%的硝酸酒精溶液浸蚀,并及时在吹风机下吹干,在金相显微镜和扫描电镜观察组织,测量它们的洛氏硬度值。
研究不同回火温度和回火时间对X120级管线试验钢组织、性能的影响规律,为工业生产提供试验依据。
1.研究X120级管线试验钢连续冷却相变规律及观察其显微组织。
2.研究不同回火温度对X120级管线试验钢光学和电子显微组织,力学性能的影响规律。
3.研究不同回火时间对X120级管线试验钢光学和电子显微组织,力学性能的影响规律。
日程安排:
2012年2月27日-2012年3月31日:
查阅文献,收集资料,开题报告,实验准备。
2012年4月1日-2012年4月30日:
进行实验研究、编写文献综述。
2012年5月1日-2012年月5月20日:
样品检测、撰写论文。
2012年5月21日-2012年6月初:
按要求装订成册,准备毕业论文答辩。
主要参考文献和书目:
[1]王路兵,武会宾,任毅,等.X120级管线钢DQ-T工艺试验研究[J].金属热处理,2007,32(10):
44–47.
[2]李鹤林.油气输送钢管的发展动向与展望[J].焊管,2004,27(6):
1-11.
[3]郑磊,傅俊岩.高等级管线钢的发展现状[J].钢铁,2006,41(10):
l-10.
[4]任易,张帅,王爽,等.830MPa级含铬管线钢的研究[J].冶金材料,2009,16(3):
273.
[5]OkaguchiS,MakinoH,HamadaM,etal.DevelopmentandMechanicalPropertiesofX120Linepipe[C]//Proceedingsof13thInternationalOffshoreandPolarEngineeringConference.Honolulu:
ISOPE,2003:
36.
[6]ShanmugamS,RamisettiNK,MisraRDK,etal.MicrostructureandHighStrength-ToughnessCombinationofaNew700MPaNb-MicroalloyedPipelineSteel[J].MaterialsScienceandEngineering,2008,478A(1/2):
26.
[7]BeidokhtiB,KoukabiAH,DolatiA.EffectofTitaniumAdditionontheMicrostructureandInclusionFormationinSubmergedArcWeldedHSLAPipelineSteel[J].JournalofMaterialsProcessingTechnology,2009,209:
4027.
[8]LeeSunghak,KwonDongil,LeeYoungKook,etal.TransformationStrengtheningbyTher-momechanicalTreatmentsinC-Mn-Ni-NbSteels[J].MetallurgicalandMaterialsTransactions,1995,26A:
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[9]HwangByoungchul,LeeSunghak,KimYoungMin,etal.CorrelationofRollingCondition,Microstructure,andLow-TemperatureToughnessofX70PipelineSteels[J].MetallurgicalandMaterialsTransactions,2005,36A(7):
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[10]吴慧斌,尚成佳,杨善武,等.超细低碳贝氏体钢的回火显微组织和力学性能[J].冶金研究院学报,2004,40(11):
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[11]AsahiH,HaraT.DevelopmentofPlateandSeamWeldingTechnologyforX120Linepipe[J].InternationalJournalOffshoreandPolarEngineering,2004,14
(1):
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[12]DhuaSK,MukerjeeD,SarmaDS.InfluenceofThermomechanicalTreatmentsontheMicr-ostructureandMechanicalPropertiesofHSLA-100SteelPlates[J].MetallurgicalandMaterialsTransactions,2003,34A
(2):
241.
[13]刘东宇,许红,杨昆,等.贝氏体/马氏体的混合组织对低碳合金钢强度和韧性的影响[J].冶金研究院学报,2004,13(3):
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[14]温玉清.超细晶粒钢[M].北京:
冶金工业出版社,2003.
[15]程林恒,康永林,李先浩,等.高温回火对600MPa低碳贝氏体钢显微结构及力学性能的影响[J].北京科技大学学报,2009,31(8):
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[16]彭正权.提高低碳微合金板伸长的轧制技术[J].机械研究与应用,2007,20(6):
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[17]BarsantiL,HillenbrandHG,MannucciG,etal.Possibleuseofnewmaterialsforhighpressurelinepipeconstruction:
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[18]MitsuhiroOkatsu.MetallurgicalandmechanicalfeaturesofX100linepipessteel[C]//PipeDreamer'sConference,2002.
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[20]DougFairchild.X120pipelinedevelopmentforlongdistancegastransmissionlines[C]//ReportofSeminarForumofX100/120GradeHighPerformancePipeSteelBeijing,China,2005:
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[21]王仪康,潘家华.高性能管线钢[R]//ReportofX100/X120HighStrengthLinePipeInternationalForumBeijing,China,2005:
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[22]李曼云,孙本荣.钢的控制轧制和控制冷却技术手册[M].北京:
冶金工业出版社,1990.
[23]邹庆华.钢的成分、回火温度与硬度之间的关系[J].金属热处理,1994(3):
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[24]AndrewsKW.Empiricalformulaeforcalculationofsometransformationtemperature[J].JISI,1965,203(7):
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[25]贺信莱,尚成嘉,杨善武,等.高性能低碳贝氏体钢[M].北京:
冶金工业出版社,2008.
[26]GrangeRA,StewartHM.Thetemperaturerangeofmartensiteformation[J].TransAIME,1946,167:
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[27]PaysonP,SavageCH.Martensitereactioninalloysteels[J].TransASM,1944,33:
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[28]康军艳,余伟,陈银莉.回火工艺对针状铁素体钢组织和性能的影响[J].钢铁,2006,41(9):
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[30]余伟,谢勇,武会宾,等.X120管线钢的连续冷却相变及显微组织[J].材料热处理学报,2011,32(3):
62-66.
[31]谢勇.X120高级别管线钢的开发[D].北京:
北京科技大学,2007.
指导教师(签字):
年月日
注:
本表可自主延伸,各专业根据需要调整。
江西理工大学
本科毕业设计(论文)开题报告
材料科学与工程学院材料成型及控制工程专业2008级(2012届)1班学号29
学生李员妹
题目:
回火工艺对X120级管线钢组织与性能的影响
本课题来源及研究现状:
管线运输是陆地和海上长距离输送石油、天然气最经济合理的运输方式,近年来管道输送技术的不断发展促进了对管线钢的研制和开发。
国内的无缝钢管企业在生产管线钢管时多采用调质工艺生产。
通常,由板材制成管线的钢或非调质的管线钢的成分设计思路,都是在低碳锰钢的基础上加微合金化元素如V、Ti、Nb、N等。
随着工业的发展和生活方式的现代化,国际上对石油天然气的需求持续增长,石油天然气的供不应求使世界对管线用钢的需求量不断加大。
为了提高管道输送能力,节约建设成本,管线用钢逐渐向高强度、高韧性和良好的焊接性等方面发展。
目前,世界上已经研制成功的最高级别管线用钢为X120级,最小屈服强度为827MPa。
X120级管线钢的应用具有巨大的经济效益,可使长距离油气管线工程造价降低5%~18%,主要体现在节约材料、提高输送压力和运输量、减小施工量、降低维护费用、优化整体方案等方面。
如使用X120取代X70级管线钢,可使成本降低38%左右。
国外开展X120级管线钢研究的企业主要有新日铁、住友金属、JFE、欧洲钢管等。
新日铁公司与埃克森美孚公司合作首先试制成功,并于2004年联合加拿大传输管线有限公司(TCPL)在北阿尔伯达安装了1.6km的X120级管线,以研究冬季严酷条件下的可施工性。
国内开展X120级管线钢研究始于2005年,武钢、鞍钢、宝钢、北科大、西安管材所的科研部门正在开展该产品的研究,目前仍处在试验探索和理论研究阶段。
X120管线钢的碳含量一般为0.05%,(Cu+Ni+Cr+Mo)≤2%,并加入微合金化元素V、Nb、Ti、B。
通过控轧和强控冷工艺,该钢具有高强度、高韧性和良好的焊接性。
生产X120管线钢的热处理过程有在线热处理工艺装置JFE-HOP,间断直接淬火(IDQ),直接淬火DQT工艺和淬火-配分(Q&P)工艺技术等。
在线热处理(HOP)工艺,JFE在西日本钢铁厂的Fukuyama厚板厂安装了HOP(在线热处理工艺)装置,这是一种螺线管型感应加热设备,在生产线上临近热矫机,位于加速冷却装置之后,与Super-OLAC(超级在线加速冷却工艺)相结合。
采用传统TMCP工艺时,钢板经过控轧、加速冷却、然后空冷;而采用HOP技术时,钢板快速冷却后立即通过感应线圈进行快速加热处理。
结果,通过控制相变获得了多种性能,碳化物和第二相同时析出,这是传统工艺达不到的。
在线热处理工艺(HOP)由3个阶段组成:
(1)ACC停止与等温过程;
(2)HOP热处理过程;(3)空冷。
IDQ工艺,新日铁公司开发的X120管线钢选用了以下贝氏体(LB)为主的显微组织,通过采用间断直接淬火(IDQ)工艺获得。
钢板经再结晶区和未再结晶区轧制后直接淬火,控制终冷温度在贝氏体转变区,终冷开始时表面温度低于中心,随后由于温度差,热量从中心向表面传递,最终表面和中心温度趋于一致,其实质相当于自回火过程。
在此工艺中,板坯加热温度、未再结晶区变形量以及终冷温度都是很重要的技术参数。
板坯加热温度决定轧制前的原奥氏体晶粒;未再结晶区变形量决定原奥氏体晶粒的扁平化(pancake)程度,随着扁平化程度增加,韧脆转变温度降低。
在较高温度终冷得到的是蜕化上贝氏体组织,而终冷温度较低时得到的是下贝氏体,由于下贝氏体较蜕化上贝氏体组织具有更好的强度和韧性,故采用较低温度终冷。
DQT工艺,DQT工艺采用再结晶区与未再结晶区两阶段控轧,轧后直接淬火,450℃回火得到了最佳的力学性能。
研发的X120级管线钢组织为下贝氏体与回火马氏体,与HOP、IDQ相比,提高了相变强化的程度,同时在回火过程中,有ε-Cu的时效析出。
在此工艺中,主要影响因素为板坯加热温度、轧制工艺、直接淬火过程中的板形控制与回火温度。
采用两阶段轧制,应注意避免在部分再结晶区变形,防止出现混晶;直接淬火过程,要求钢板上下表面冷速相同,以免发生钢板翘曲,对设备有较高的要求。
Q&P工艺,Q&P(QuenchingandPartitioning)工艺机理是基于碳在马氏体/奥氏体混合组织中的扩散。
尽管在Q&P工艺与传统Q&T(QuenchingandTempering)工艺下,马氏体形成热力学机制相同,但两者微观组织的演变机理及最终构成完全不同。
在Q&T工艺中,回火马氏体形成时,渗碳体的形成消耗了部分碳,而且残余奥氏体分解。
而Q&P工艺却有意地抑制了Fe-c化物的析出,并使残余奥氏体稳定而不被分解,从而保持了良好的韧性。
生产X120级管线钢其中一种可行性工艺为DQ(或TMCP)+回火,因此,研究回火工艺对X120高强度管线钢组织性能的影响具有重要意义。
通过合理的组织、成分设计,本实验对实验钢进行了相变规律和轧后回火工艺研究,结合金相、扫描电镜、显微硬度等分析手段进行表征,研究了不同回火温度对试验钢组织、性能的影响规律。
欲期能够得到相应的实验性结论,指导生产实践。
X120采用以下贝氏体(LB)为主的显微组织或铁素体-贝氏体双相组织,通过IDQ(轧后直接淬火)或HOP工艺获得。
为保证X120级别管线钢的高强度、高韧性、良好焊接性能、高止裂性能,钢的成分设计上采取低碳或超低碳的低合金成分,通过控制冷却工艺获得低碳贝氏体、低碳马氏体或两者的混合组织,以期在保证力学性能的同时降低合金含量。
组织和成分设计是开发高性能管线钢的重要环节。
研究X120级管线用钢的相变规律是开发新型的高强度石油输送管的基础,将为加工制造工艺和相关的工程试验提供重要依据。
随着冷却速度的增加,X120级管线钢的奥氏体向铁素体,珠光体转变温度显著降低,铁素体数量明显减少,铁素体晶粒尺寸也随着减少,珠光体减少,贝氏体数量不断增多,组织由多边形铁素体向针状铁素体转变。
在试验工艺范围内,随着回火温度的升高和回火时间的延长,试验钢强度出现波动起伏现象,并主要受M/A岛及碳化物分解、析出强化、位错密度降低等因素影响;材料回火后性能与轧态性能相比,屈服强度出现波动起伏现象,抗拉强度下降明显,材料塑性显著改善,延伸率大幅度提高,冲击韧性没有下降。
课题研究目标、内容、方法和手段:
1.课题研究目标:
研究X120级管线试验钢连续冷却相变规律及回火工艺处理,研究不同回火温度和回火时间对X120级管线试验钢组织、性能的影响规律,为工业生产提供试验依据。
2.课题研究内容:
1.研究X120级管线试验钢连续冷却相变规律及观察其显微组织。
2.研究不同回火温度对X120级管线试验钢光学和电子显微组织,力学性能的影响规律。
3.研究不同回火时间对X120级管线试验钢光学和电子显微组织,力学性能的影响规律。
3.课题研究方法和手段:
试验钢在实验室真空感应炉中冶炼,真空浇铸成钢锭后,将铸锭锻造成矩形断面钢坯,试样加热至1000℃保温2min,然后分别以0.5℃/S、1℃/S、3℃/S、5℃/S、10℃/S、20℃/S、30℃/S、50℃/S的冷速将试样冷却至室温,测得试样在冷却过程中的膨胀曲线,在温度-膨胀量曲线有突变的地方做切线得到各冷速下的相变点温度。
将热膨胀后的试样沿横向用线切割机剖开,经过砂纸打磨及抛光,制成金相试样,用4%的硝酸酒精溶液侵蚀抛光好的试样表面大概20s,然后在金相显微镜下观察其室温组织。
根据研究的需要,将实验钢板按照回火温度在箱式回火炉中进行回火处理,随炉加热至相应的温度。
取九个试样分别做在不同回火温度下的实验,其中一个定为原样,其他回火温度分别为250℃,300℃,350℃,400℃,450℃,500℃,550℃,600℃,保温1小时。
另取八个试样,回火温度350℃时,保温时间分别为20min,40min,60min,80min。
将回火温度设定在350℃,将其中四个试样放入热处理炉中,随炉加热到所需温度,当温度上升到350℃时开始计时,当时间到20min时取出一个试样空冷,再过20min取出第二个试样空冷,如此到第四个试样回火完成。
回火温度400℃时,保温时间分别为20min,40min,60min,80min。
步骤同上述。
回火后,制备金相样品,将实验钢进行机械磨制、机械抛光,用4%的硝酸酒精溶液浸蚀,并及时在吹风机下吹干,在金相显微镜和扫描电镜观察组织,测量它们的洛氏硬度值。
研究不同回火温度和回火时间对X120级管线试验钢组织、性能的影响规律,为工业生产提供试验依据。
设计(论文)提纲及进度安排:
2012年2月27日-2012年3月31日:
查阅文献,收集资料,开题报告,实验准备。
2012年4月1日-2012年4月30日:
进行实验研究、编写文献综述。
2012年5月1日-2012年5月20日:
样品检测、撰写论文。
2012年5月21日-2012年6月初:
按要求装订成册,准备毕业论文答辩。
主要参考文献和书目:
[1]王路兵,武会宾,任毅,等.X120级管线钢DQ-T工艺试验研究[J].金属热处理,2007,32(10):
44–47.
[2]李鹤林.油气输送钢管的发展动向与展望[J].焊管,2004,27(6):
1-11.
[3]郑磊,傅俊岩.高等级管线钢的发展现状[J].钢铁,2006,41(10):
l-10.
[4]任易,张帅,王爽,等.830MPa级含铬管线钢的研究[J].冶金材料,2009,16(3):
273.
[5]OkaguchiS,MakinoH,HamadaM,etal.DevelopmentandMechanicalPropertiesofX120Linepipe[C]//Proceedingsof13thInternationalOffshoreandPolarEngineeringConference.Honolulu:
ISOPE,2003:
36.
[6]ShanmugamS,RamisettiNK,MisraRDK,etal.MicrostructureandHighStrength-ToughnessCombinationofaNew700MPaNb-MicroalloyedPipelineSteel[J].MaterialsScienceandEngineering,2008,478A(1/2):
26.
[7]BeidokhtiB,KoukabiAH,DolatiA.EffectofTitaniumAdd
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