我国建造大型原油储罐用高强度钢板一直依赖国外进口,为摆脱这种不利局面,原油储罐用钢必须国产化。为提高施工效率,原油储罐在建造过程中要求采用大热输入的气电立焊,但焊后热影响区尤其是粗晶热影响区的韧性会急剧下降,如何成功解决这一难题已成为钢板国产化的关键。Nb作为重要的合金元素可提高钢板力学性能,尤其是抗拉强度,但Nb对焊后热影响区冲击韧性的影响却一直存在争议。因此在既保证强度又不显著降低韧性的前提下,经受大热输入焊接的原油储罐用高强钢板中是否添加Nb及添加量的多少值得深入研究。为此,在实验室冶炼并轧制了3炉Nb含量不同(0% Nb、0.015% Nb、0.026% Nb)的原油储罐用高强钢,经调质处理后,钢基体组织均为回火贝氏体+少量铁素体,添加Nb使室温组织细化,抗拉强度均大于610MPa,-40℃低温冲击韧性良好。针对上述3种成分钢,采用热模拟的方法,制定了粗晶热影响区连续冷却转变CCT图;采用力学性能测试、金相显微分析(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)从不同尺度分析了经不同热输入及不同峰值温度焊后模拟热影响区的组织与性能,探讨了Nb对粗晶热影响区组织转变的影响机制,全面分析了Nb含量、热输入、峰值温度、冲击韧性之间的关系;研究了M-A (Martensite-Austenite)组元对粗晶区冲击韧性的影响,并对粗晶区析出颗粒相形态、尺寸、分布做了深入分析,取得如下主要结果:对不含Nb与含0.026%Nb钢的模拟焊接粗晶热影响区连续冷却转变的组织与性能研究表明,在冷却速度1°C/s~125°C/s范围内,随冷却速度增加,转变开始温度Ts降低,且0.026%Nb钢的Ts全部低于不含Nb钢,表明添加0.026%Nb将相变开始推向更低的温度。两者粗晶区相变动力学曲线均呈“S”形,曲线数据与J-M-A方程拟合良好。对不同热输入时原油储罐用高强钢模拟焊接粗晶热影响区的组织与性能研究表明,在热输入30~100kJ/cm范围内,随Nb含量的增加,冲击吸收功逐渐降低。其中,小热输入(30~40kJ/cm)时,降低幅度不大,此时Nb促使形成了韧性优良的低碳马氏体;大热输入(60~100kJ/cm)时,添加0.026%Nb则严重恶化冲击韧性,韧性恶化的机理归结为:相对于贝氏体相变界面运动,固溶Nb对铁素体相变界面运动起了相对较大的拖曳作用,耗散较多的自由能,抑制了铁素体相变,同时促进韧性较差的粒状贝氏体形成。实际大热输入(100kJ/cm)气电立焊时,焊接接头热影响区总宽度7.5~8mm左右,但添加0.026%Nb相比不加Nb可使粗晶区宽度增加约1.5mm。距熔合线0~1mm为冲击韧性严重下降区,且Nb的添加量越多,韧性降低越严重。距熔合线5~6mm处出现明显软化现象,随Nb含量的增加,软化得到改善。对四种原油储罐用高强钢大热输入(100kJ/cm)模拟焊接粗晶热影响区M-A组元与冲击韧性的研究表明,冲击韧性与M-A组元面积百分数呈反比关系,且块状M-A组元对韧性的损害大于条状M-A组元,随块状M-A组元出现几率的增加,韧性呈下降趋势。并对M-A组元面积百分数、块状组元出现几率与冲击韧性的相关性作了回归分析,回归方程有效,显著性良好。对不同热输入模拟焊接粗晶热影响区析出颗粒相的研究表明,不含Nb钢基体中存在有矩形TiN颗粒及相当一部分椭圆或长条形状的VC、M3C、M23C6型碳化物,焊后粗晶区非矩形颗粒相消失,随热输入增加,TiN颗粒粗化,粗化过程排除原有TiN颗粒的等温长大,而仅与颗粒相的溶解、再沉淀有关。添加0.026%Nb钢基体颗粒相为椭球形或近似立方体的核上附着有帽状突出物的(Ti, Nb)(C, N)颗粒,平均颗粒半径由未添加Nb时的7.9nm增加至9.32nm,随焊接热输入增加,颗粒相逐渐变为立方形,接近TiN的形状,且颗粒粗化,这与Ostwald熟化过程有关,是由于TiC、NbC、NbN的固溶及小颗粒溶解、并重新沉淀析出而导致的。针对热模拟所用焊接热循环过程的特殊性,分别考虑升温、等温及降温三个阶段,提出了计算粗晶区不同热输入后颗粒相尺寸新的预测公式,对不同热输入颗粒相尺寸的计算结果与实际测量结果吻合较好。