鈮在高強(qiáng)度可焊接工字鋼和其它結(jié)構(gòu)鋼中的應(yīng)用

1、鈮在高在高強(qiáng)度可度可焊接工字接工字鋼和其它和其它結(jié)構(gòu)鋼中的中的應(yīng)用[我的鋼鐵]2005年4月7日11:381.生產(chǎn)工藝長材既可用氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉，也可用電弧爐冶煉，并更多地采用連鑄工藝生產(chǎn)。過去，連鑄機(jī)經(jīng)常連鑄生產(chǎn)小方坯、大鋼坯作為半成品，最近也鏈成工字鋼形狀。根據(jù)1964年BISRA的試驗(yàn)結(jié)果，1968年在Algoma開始了鋼梁連鑄，以此作為工字鋼的近終形連鑄。該技術(shù)后來被歐美公司采用。連鑄后，初軋前，工字鋼在步進(jìn)爐中重新加熱，由兩可逆萬

2、能軋機(jī)軋制并由萬能軋機(jī)終軋。軋機(jī)孔型不同，軋制產(chǎn)品的斷面不同。1.1大工字鋼的傳統(tǒng)軋制工藝半成品被加熱到1250℃左右，經(jīng)15～20道次軋制。而對鑄錠，需加熱到1300℃，可能需經(jīng)40道次軋制，工字鋼的道次壓下率為4%～20%，終軋溫度高于1000℃，工字鋼上溫度分布不均：根部和腰部連接處溫度最高，腰部的中間溫度最低，溫度的差異與工字鋼的尺寸有關(guān)，最大溫差可達(dá)100℃。按該工藝軋制，按ASTM標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評級，厚度為40mm的工字鋼晶粒度為

3、7級。為細(xì)化鋼的組織，可采用Ti－Nb微合金化，使再加熱時(shí)奧氏體晶粒相當(dāng)細(xì)小（50μ，而不是200～300μ），再結(jié)晶組織也相當(dāng)細(xì)小。實(shí)驗(yàn)室模擬結(jié)果顯示，每道次壓下率達(dá)15%即可獲得所需要的組織，力學(xué)性能達(dá)到50Ksi（抗拉強(qiáng)度≥50Ksi（344.7MPa）。表1是50Ksi工字鋼的化學(xué)成分。該成分設(shè)計(jì)已成功用于工業(yè)生產(chǎn)。熱軋過程中溫度高，意味著鋼中的Nb仍保持固溶狀態(tài)，即使在終軋溫度時(shí)，也沒有Nb的碳化物析出。Nb在鋼中以固溶狀態(tài)存

4、在時(shí)，通過延遲相變，細(xì)化鐵素體晶粒，獲得一定數(shù)量的貝氏體，從而提高鋼的強(qiáng)度。該鋼的典型組織是約80％的鐵素體，其余為貝氏體和珠光體。在相同軋制工藝條件下，按ASTM標(biāo)準(zhǔn)判斷，C—Mn鋼的晶粒度為7級，而含Nb鋼的晶粒度為9級。相變過程中或相變之后，若在鐵素體中形成NbC析出物，則鋼的強(qiáng)度可進(jìn)一步提高。通過傳統(tǒng)軋制工藝只能有限地細(xì)化晶粒，對于強(qiáng)度高于50Ksi或厚度大于20mm的鋼，為滿足韌性要求，必須采用控制軋制工藝。1.2正火熱處理正

5、火是在Ac3，相變點(diǎn)以上(通常Ac350℃)的改善熱處理，用于組織和力學(xué)性能。S355鋼熱軋態(tài)的組織為鐵素體一珠光體，常需要進(jìn)行正火處理，目的是細(xì)化組織，使組織均勻，提高鋼的韌性。組織細(xì)化的程度與原始組織有關(guān)。對于不能進(jìn)行控制軋制的鋼，尤其是厚截面鋼材，通過正火可達(dá)到很好的細(xì)化晶粒效果。對于薄截面鋼材，正火可能達(dá)不到細(xì)化的目的，這種情況下，該軋制過程可認(rèn)為是控制軋制工藝，通常稱之為“?；堉啤保瑹彳垜B(tài)的組織性能與正火后的組織和性能相似。

6、通常用Nb提高正火鋼的抗拉強(qiáng)度，Nb能夠阻止奧氏體晶粒長大，擴(kuò)大γ相區(qū)。在含si鋼中，這種效果尤為明顯。正火溫度在900℃和1050℃之間，Nb含量為0.02％～0.04％，就足以使晶粒度達(dá)到10級。與此相反，含Si鋼中不含Nb時(shí)，正火溫度為1000℃時(shí)，晶粒度為7級。Nb的碳氮化合物和Al的氮化物一樣，在1050℃仍能夠阻止奧氏體晶粒長大，這種作用尤為重要，即使在爐溫不均勻的熱處理爐中，也能獲得細(xì)小的鐵素體一珠光體組織。厚度不同，熱軋

7、態(tài)工字鋼的晶粒度為7級～9級，正火后的晶粒度達(dá)到了ll級。正火后，強(qiáng)度均略有下降。為滿足焊接性能的要求，必須具有較低的碳當(dāng)量。還必須指出，尤其對薄截面鋼材，熱處理易導(dǎo)致變形。變形后必須用矯直機(jī)矯直。1.3控軋工藝：控制軋制在奧氏體的低溫區(qū)進(jìn)行控制軋制時(shí)，含Nb鋼可以達(dá)到強(qiáng)度韌性的完美結(jié)合。軋制過程中，奧氏體首先在1050℃以上進(jìn)行變形，使奧氏體晶粒細(xì)化。如果給定總壓下率為’70％，則每道次軋制后，工字鋼采用小線能量焊接(8kJ／cm藥芯

8、焊接絲電弧焊），焊前不預(yù)熱。測定接頭不同位置的硬度分布，所有硬度值均在300HV10以下。采用了下列工藝：（1）控制軋制，加速冷卻；（2）工字鋼厚度為25mm；（3）焊接工藝，手弧焊；（4）接頭型式：平焊，氧割K型坡口；（5）焊接的軸線方向與軋制方向垂直；（6）焊接不預(yù)熱；（7）焊接線能時(shí)10～12kJcm，多道焊。焊接后，接頭的強(qiáng)度不會(huì)降低，且Nb微合金鋼的母材和接近熔合線處的韌性仍很好。必須指出，有研究工作報(bào)道，尤其是對大線能量焊接

9、，Nb和V對韌性不利，因?yàn)楫a(chǎn)生了脆性組織或碳氮化物析出相，但這種情況不太普遍，通常的焊接工藝為多道手弧焊、氣保焊和藥芯焊絲電弧焊，采用的焊接線能量較低，約為12—20kJ／cm。對含Nb微合金S460海洋結(jié)構(gòu)鋼進(jìn)行了較大線能量焊接試驗(yàn)。鋼的成分為：0.08％C，0.01％P，O.002％S，0.2％Si，0.044％Al，0.043％Nb。采用控制軋制QST工藝生產(chǎn)了厚截面工字鋼，其尺寸為360410463mm。采用下列工藝參數(shù)(1)控

10、制軋制，加速冷卻；(2)工字鋼厚度為57mm；(3)焊接工藝：埋弧焊；(4)接頭型式：平焊，氧割對稱V型坡口；(5)焊接軸線方向與軋向平行；(6)不預(yù)熱；(7)多道焊，焊接線能量35kJ／cm和50kJ／cm。按照海洋工程可焊接結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)ENl0225的要求進(jìn)行焊接試驗(yàn)，測定力學(xué)性能。測定了頭部，中心部，根部的熔合線、溶敷金屬、FL2ram等不同位置的沖擊轉(zhuǎn)變曲線，試驗(yàn)結(jié)果表明，對47J轉(zhuǎn)變溫度要求為40℃，而試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到60℃，采用埋

11、弧焊工藝經(jīng)50kJcm大線能量焊接時(shí)，熔合線上也沒有出現(xiàn)脆性。還進(jìn)行了全厚度CTOD斷裂韌性試驗(yàn)。通過測定焊接接頭裂紋尖端張開位移確定裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的臨界值。缺口位置分別開在熔敷金屬(WM)粗晶熱影響區(qū)(GCHAZ)，臨界影響區(qū)(ICHAZ)。3高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)用目前生產(chǎn)的高強(qiáng)度鋼屈服強(qiáng)度范圍為345～460MPa。選用高強(qiáng)鋼可增加載荷，或在恒載荷條件下減輕鋼結(jié)構(gòu)的重量，減輕的重量與鋼結(jié)構(gòu)的斷面和加載方式有關(guān)。高強(qiáng)鋼應(yīng)用受到屈服強(qiáng)度的限制

12、。但不是唯一的，另外一些關(guān)鍵因素是撓度和失穩(wěn)現(xiàn)象如瓢曲等，這些現(xiàn)象與鋼的楊氏模量和幾何形狀有關(guān)，而與屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度無關(guān)。剛性、撓度、隨屈服強(qiáng)度提高而提高的材料價(jià)格這三者的限制，使材料應(yīng)用時(shí)有一個(gè)最佳鋼種選擇方案。最佳的屈服強(qiáng)度范圍為355～460MPa。4結(jié)論采用現(xiàn)代生產(chǎn)工藝，結(jié)合微合金化，即使對很厚截面的結(jié)構(gòu)鋼，也能達(dá)到強(qiáng)度更高，韌性更好，更易焊接的要求。Nb在結(jié)構(gòu)鋼中獲得了廣泛的應(yīng)用，Nb具有如下優(yōu)點(diǎn)：不降低鋼的連鑄性能，可細(xì)化