【摘 要】
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目前特种船舶结构用超高强马氏体调质钢采用NiCrMoV高合金成分体系,难以兼顾可焊接性能,不能满足未来船体结构大型化需求。引入铜时效析出强化机制在保持钢的高强度和高韧性同时,可以显著降低钢的碳当量,取消或降低焊前预热和焊后热处理工序要求,从而极大改善了大型船体结构焊接作业工况。铜时效强化效果取决于时效过程中铜析出颗粒的密度和尺寸,单一富铜纳米相颗粒容易粗化而降低强化效果,因此发展出了 Cu+M2C
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目前特种船舶结构用超高强马氏体调质钢采用NiCrMoV高合金成分体系,难以兼顾可焊接性能,不能满足未来船体结构大型化需求。引入铜时效析出强化机制在保持钢的高强度和高韧性同时,可以显著降低钢的碳当量,取消或降低焊前预热和焊后热处理工序要求,从而极大改善了大型船体结构焊接作业工况。铜时效强化效果取决于时效过程中铜析出颗粒的密度和尺寸,单一富铜纳米相颗粒容易粗化而降低强化效果,因此发展出了 Cu+M2C、Cu+NiAl等复合析出成分体系,以进一步提高强度。本文在传统铜时效高强钢基础上,设计出大型船体结构用785MPa级以上的易焊接原型钢,开展了成分体系和时效工艺实验研究,实验钢强度、韧性和可焊接性能达到技术指标要求,可以为将来工业化试制提供技术指导。研究了 CuMn和CuAl两种体系四种成分实验钢（CuMn、CuMnTi和CuAl、CuMoAl）热力学平衡相变、连续冷却转变行为、显微组织特征、固溶和时效工艺、强度和韧性变化等,并通过焊接热模拟初步检验实验钢的可焊接性,主要研究结果如下:（1）CuMn和CuAl系钢平衡相变和析出行为:高温条件下CuMn钢和CuMnTi钢只有部分δ-Fe形成,而CuAl和CuMoAl钢存在完全的δ-Fe温度区;CuMn和CuMnTi钢有Cu、NbC、M2C、M23C、M6C等多种析出相,CuAl钢只有Cu、NbC和渗碳体析出,CuMoAl钢渗碳体析出受到抑制,形成了 M2C、MC和M6C多种碳化物。（2）连续冷却转变行为:CuMn钢与CuMnTi钢在低于2℃/s的冷速下得到板条、粒状贝氏体组织,在高于5℃/s冷速下得到马氏体组织;而CuAl钢在低于10℃/s冷速下得到铁素体组织,在高于10℃/s得到贝氏体组织;CuMoAl实验钢在2℃/s冷速下得到粒状贝氏体组织,在高于5℃/s冷速下得到板条贝氏体组织。（3）力学性能随时效热处理工艺变化趋势:时效温度在300℃～500℃范围内,实验钢强度随时效温度升高而升高,500℃时获得最高强度,但同时出现了明显的回火脆性;当时效温度高于500℃屈服强度下降,韧性提高;较佳强韧匹配时效温度为550℃，CuMn钢屈服强度为994 MPa,CuMnTi钢屈服强度为1055 MPa,CuAl钢屈服强度为1000MPa,CuMoAl 钢屈服强度为 944 MPa。（4）时效后基体组织与析出:CuMn钢时效后基体组织为高密度位错板条组织,基体中析出大量球形颗粒,平均直径约8.3 nm;CuMnTi钢时效后显微组织细化,大角度晶界含量增加,提高了强度和冲击韧性。CuAl钢时效后以板条贝氏体为主,板条内析出高密度球状颗粒,平均直径约10.3 nm;CuMoAl钢时效后基体组织主要为粒状贝氏体,并降低了大角晶界含量,强度和韧性下降。（5）焊接性初步评价:实验表明四种钢在17.5 kJ/cm模拟焊接热输入量条件下热影响区-40℃冲击功均高于40 J（5mm厚非标试样）,满足焊接韧性指标要求。
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