耐候橋梁鋼成分設(shè)計與組織性能研究.pdf

1、沿海地區(qū)橋梁建設(shè)迅速發(fā)展，不僅擴大了橋梁鋼的需求量，而且對橋梁鋼的綜合性能也提出了更高的要求，即要求橋梁鋼具有高強度、高韌性和良好焊接性能，而且還要有適宜的耐大氣腐蝕性能。在海洋大氣環(huán)境中，空氣中有大量的氯離子，傳統(tǒng)的耐候鋼表面難以形成保護性的銹層，無法有效阻止大氣中腐蝕介質(zhì)對鋼基體的腐蝕。因而，有必要研究橋梁鋼在海洋大氣條件下的腐蝕行為及規(guī)律，并以此為基礎(chǔ)開發(fā)在海洋大氣環(huán)境中安全、長效使用的耐候橋梁鋼。針對耐候橋梁鋼的性能需求，本文從

2、成分設(shè)計、冶煉及軋制入手，對耐候橋梁鋼的顯微組織、力學(xué)性能和耐候性能進行了研究，獲得了性能優(yōu)良的鋼種成分;并在此基礎(chǔ)上，深入分析了耐候橋梁鋼的環(huán)境適用性，詳細探討鋼在大氣腐蝕過程中的控制環(huán)節(jié)。同時，為進一步改善鋼的性能，本文對一種典型的耐候橋梁鋼的熱變形行為和連續(xù)冷卻過程中的相變行為進行了深入研究，為熱處理工藝的制定提供理論依據(jù)。本文主要研究內(nèi)容和獲得的結(jié)果如下：
　　(1)參考現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)性能需求、成本因素和生產(chǎn)技術(shù)條件，設(shè)

3、計冶煉了不同成分的耐候橋梁鋼。
　　(2)研究了冷卻速率和合金元素對耐候橋梁鋼連續(xù)冷卻過程中相變行為的影響，為實驗鋼的軋制選取了合理的冷卻制度。結(jié)果表明:隨著冷卻速度的增加，耐候橋梁鋼的相變類型由先共析鐵素體+珠光體→貝氏體，鐵素體相變存在的冷卻速率范圍減小，擴散形核長大機制受到抑制。冷卻速度為0.5～1℃/s時，Mn元素顯著影響鋼的組織構(gòu)成;冷卻速度為2～10℃/s時，Cr、Mo、Mn元素有效抑制鐵素體形成;冷卻速度為20℃/s

4、時，Cr、Mo、Ni、Mn元素對鋼的組織類型無明顯影響。
　　(3)系統(tǒng)研究了C、Mn、Cr、Ni、Mo元素對于橋梁鋼組織和力學(xué)性能的影響，分析了合金元素在不同時間對鋼腐蝕行為的影響規(guī)律。結(jié)果表明:銹層中的Ni和Mn質(zhì)量分數(shù)均低于鋼基體中的;當(dāng)Ni在銹層中質(zhì)量分數(shù)達到1.82％，形成的銹層具有陽離子選擇性;隨著銹層中Mn的質(zhì)量分數(shù)增加，銹層的致密性降低。向鋼中添加0.43％Cr和0.15％Mo，可提高銹層的致密性。隨著鋼中Ni的質(zhì)

5、量分數(shù)的增加，鋼的強度增加;向鋼中添加0.43％Cr，鐵索體的析出長大受到了抑制，鋼的抗拉強度提高，塑性和韌性降低;當(dāng)鋼中Mn的質(zhì)量分數(shù)由0.75％增至1.46％時，鋼的組織由鐵素體+貝氏體轉(zhuǎn)變?yōu)閱我坏呢愂象w組織，鋼的強度增加，而塑性和韌性降低。
　　(4)通過研究不同環(huán)境中，銹層的組成和結(jié)構(gòu)對鋼腐蝕行為的影響，探究了耐候鋼在不同環(huán)境中的腐蝕機制。結(jié)果表明:
　　①不同氯離子濃度下，銹層中的腐蝕產(chǎn)物均為Fe3O4、γ-FeO

6、OH、α-FeOOH、β-FeOOH和Amorphous;隨著實驗條件中氯離子濃度的增加，銹層中Fe3O4、β-FeOOH和α-FeOOH含量增加，Amorphous含量降低，促進了銹層向內(nèi)生長，鋼的腐蝕速率增大。此外，在氯離子濃度較低的環(huán)境中，碳鋼和耐候鋼均可以形成具有保護性的銹層;在氯離子濃度較高的條件中，碳鋼難以形成具有保護性的銹層;但在不同氯離子濃度環(huán)境中，耐候鋼的腐蝕速率均明顯低于碳鋼。
　　②在含氯離子的環(huán)境中，耐候鋼

7、中Ni、Cu、Cr和Mo元素抑制了Fe3O4、γ-FeOOH和β-FeOOH的生成及銹層的結(jié)晶，阻礙了銹層向內(nèi)生長，有利于保護性銹層的形成。γ-FeOOH分布于外銹層，β-FeOOH分布于內(nèi)銹層，腐蝕產(chǎn)物在銹層中的分布受銹層生長方式影響。
　?、墼谀M工業(yè)大氣環(huán)境中，銹層中的腐蝕產(chǎn)物主要由Fe3O4、γ-FeOOH、α-FeOOH和δ-FeOOH組成;α-FeOOH和δ-FeOOH在銹層中均勻分布，γ-FeOOH在外銹層中分布。在

8、兩種不同的典型環(huán)境中，鋼的內(nèi)外銹層形貌產(chǎn)生明顯差異，表面銹層的形貌受外界環(huán)境影響顯著，內(nèi)銹層的結(jié)構(gòu)受鋼的化學(xué)成分和外界環(huán)境共同影響。
　　(5)利用單道次壓縮實驗，研究了一種典型耐候橋梁鋼的動態(tài)再結(jié)晶行為，分析了動態(tài)再結(jié)晶過程中組織的的變化，建立了臨界應(yīng)變、臨界應(yīng)力與Z參數(shù)（溫度補償應(yīng)變速率參數(shù)）之間的經(jīng)驗關(guān)系式，并利用Avrami方程定量分析了動態(tài)再結(jié)晶動力學(xué)過程的影響因素。結(jié)果表明:溫度和應(yīng)變速率均會對耐候橋梁鋼的動態(tài)再結(jié)晶速

9、率產(chǎn)生影響，其中應(yīng)變速率對其影響更為顯著，應(yīng)變速率每增加一個數(shù)量級，動態(tài)再結(jié)晶時間降低約0.85個數(shù)量級。動態(tài)再結(jié)晶奧氏體組織受Z參數(shù)的影響很大，穩(wěn)定動態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸dDRX與Z的關(guān)系為:dDRX=146487.3·Z-0.207
　　(6)利用熱模擬實驗的結(jié)果，研究了變形條件對鐵素體相變和貝氏體相變的影響規(guī)律。結(jié)果表明:變形量由0增加到0.4時，鐵素體和貝氏體相變開始溫度升高，鐵素體相變存在的冷卻速度范圍擴大，鐵素體晶粒尺寸減