[发明专利]具有优异的低温韧性的超高强度钢

说明书

发明领域

本发明涉及焊接时基体板与热影响区(HAZ)均具有优异低温韧性的超高强度、可焊接、低合金钢板。并且，本发明涉及该钢板的生产方法。

发明背景

在下面的说明中定义了许多术语。为了方便起见，直接在权利要求书的前面给出了一个术语表。

经常地，需要在低温，即低于约-40℃(-40°F)的温度下贮存和运输加压的挥发性流体。例如，需要在约1035kPa(150Psia)至7590kPa(11OOPsia)的压力范围内以及约-123℃(-190°F)至-62℃(-80°F)的温度下，贮存和运输加压的液化天然气(PLNG)的容器。也需要在低温下安全且经济地贮存和运输其它具有高蒸汽压的挥发性流体，如甲烷、乙烷及丙烷的容器。由于此类容器由焊接钢建造而成，因此，所述钢在工作条件下，其基体钢及HAZ处均须具有充分的强度来承受流体的压力，还须具有充分的韧性来防止断裂，即失效事件的发生。

韧脆转变温度(DBTT)将结构钢划分为两个断裂方式。在低于DBTT的温度下，钢的失效倾向于以低能量解理(脆性)断裂方式出现，而在高于DBTT的温度下，钢的失效倾向于以高能量的延性断裂方式发生。建造用于上述的低温应用场合以及其它的承载、低温服役场合的贮存及运输容器中所用的焊接钢的DBTT必须远低于基体钢与热影响区的工作温度，以避免发生由低能量的解理断裂所导致的失效。

通常用于低温结构场合的含镍钢，如镍含量大于约3wt％的钢具有低的DBTT，但其抗拉强度也较低。典型地，市售的含镍量分别为3．5wt％，5．5wt％和9wt％的钢的DBTT分别约为-100℃(-150°F)，-155℃(-250°F)和-175℃(-280°F)，抗拉强度最高分别为约485MPa(70Ksi)，620MPa(90Ksi)和830MPa(120Ksi)。为了实现所述强度与韧性的组合，这些钢一般需进行价格昂贵的处理，如双退火处理。在低温应用场合，工业上目前在使用这些工业含镍钢，原因在它们的低温韧性好，但必须针对它们相对低的抗拉强度进行设计。所述设计一般为满足承载、低温场合的要求，要求的钢的厚度过大。因此，由于这些钢的成本高以及所要求的厚度过高，所以这些含镍钢在承载、低温场合的使用一般很昂贵。

另一方面，几种市售的现有技术的低碳以及中碳高强度、低合金(HSLA)钢，例如，AISI4320或4330钢，均存在提供较佳抗拉强度(例如高于约830MPa(120Ksi))以及低成本生产的潜力，但所述钢一般DBTT较高，并且，特别是在焊接热影响区(HAZ)的DBTT较高。一般地，所述钢的焊接性和低温韧性随抗拉强度的增加而下降。正是出于这一原因，一般才未考虑在低温场合使用当前市售的现有技术的HSLA。所述钢中HAZ处的DBTT高的原因一般在于在粗晶粒且经亚稳再加热的HAZ处，即被加热至约Ac₁转变点与约Ac₃转变点之间的温度的HAZ处，形成了由焊接热循环所致的不良显微组织(见术语表中Ac₁及Ac₃转变点的定义)。DBTT随HAZ处的晶粒尺寸与脆性显微组织的组元，如马氏体-奥氏体(MA)岛的增加而明显升高。例如，现有技术水平的HSLA钢，用于油及气体的输送的X100管线的HAZ处的DBTT高于约-50℃(-60°F)。能量贮存及运输领域中存在很明显的需求，就是开发将上述商品化的含镍钢的低温韧性性能与HSLA钢的高强度及低成本的特点相结合，同时也具有优异的焊接性和所要求的厚截面能力，即在大于约2．5cm(1英寸)的厚度时显微组织与性能(如强度和韧性)均大体均匀一致的新钢种。

在非低温场合，大部分市售的现有技术水平的低碳与中碳HSLA钢由于强度高时其韧性较低，因此，它们或者在只相当于其强度水平的几分之一的条件下设计使用，或者，被处理成较低强度，以获得满意的韧性。在工程应用场合，所述这些方法造成截面厚度的增加，并且，因此，使构件的重量增加，而且最终导致其成本比HSLA钢的高强度潜力得以充分利用时的成本高。在某些关键场合，例如高性能齿轮，使用含镍超过3wt％的钢(如AISI48XX，SAE93XX等)以保证充分的韧性。这种方法虽获得了HSLA钢的较佳强度，但却使成本明显增加。使用标准的商品化的HSLA钢时遇到的另一个问题是HAZ处的氢致开裂，特别是采用低热输入焊接时，这一问题尤为突出。