耐候橋梁鋼成分設(shè)計(jì)與組織性能研究

1、耐候橋梁鋼成分設(shè)計(jì)與組織性能研究沿海地區(qū)橋梁建設(shè)迅速發(fā)展 , 不僅擴(kuò)大了橋梁鋼的需求量 , 而且對(duì)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(qiáng)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(hù)性的銹層 , 無(wú)法有效阻止大氣中腐蝕介質(zhì)對(duì)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(kāi)發(fā)在海洋大氣環(huán)境中安全、 長(zhǎng)效使用的耐候橋梁鋼。 針對(duì)耐候橋梁鋼的性能需求 , 本文從成分設(shè)計(jì)、冶煉及軋制入手 , 對(duì)耐候橋梁鋼的顯微組織、力學(xué)性能和耐候性能進(jìn)行了研究

2、, 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(xì)探討鋼在大氣腐蝕過(guò)程中的控制環(huán)節(jié)。同時(shí) , 為進(jìn)一步改善鋼的性能 , 本文對(duì)一種典型的耐候橋梁鋼的熱變形行為和連續(xù)冷卻過(guò)程中的相變行為進(jìn)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?jī)?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)計(jì)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(duì)耐候橋梁鋼連續(xù)冷卻過(guò)程中相變行為的影響 , 為實(shí)驗(yàn)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(lèi)型由先共析鐵素體

3、+珠光體貝氏體 , 鐵素體相變存在的冷卻速率范圍減小擴(kuò)散形核長(zhǎng)大機(jī)制受到抑制。冷卻速度為 0.5-1 s 時(shí) ,Mn 元素顯著影響鋼的組織構(gòu)成； 冷卻速度為 2-10 s 時(shí),Cr 、Mo、 Mn元素有效抑制鐵素體形成；冷卻速度為 20 /s 時(shí) ,Cr 、Mo、 Ni 、Mn元素對(duì)鋼的組織類(lèi)型無(wú)明顯影響。 (3) 系統(tǒng)研究了 C、Mn、Cr、Ni 、Mo元素對(duì)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(shí)間對(duì)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?jǐn)?shù)均低于鋼基體中的；當(dāng) Ni 在銹層中質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到 1.82%, 形成的銹層具有陽(yáng)離子選擇性； 隨著銹層中 Mn的

4、質(zhì)量分?jǐn)?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)量分?jǐn)?shù)的增加 , 鋼的強(qiáng)度增加；向鋼中添加 0.43%Cr, 鐵素體的析出長(zhǎng)大受到了抑制 , 鋼的抗拉強(qiáng)度提高 , 塑性和韌性降低；當(dāng)鋼中 Mn的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由 0.75%增至 1.46%時(shí) , 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(qiáng)度增加 , 而塑性和韌性降低。 (4) 通過(guò)研究不同環(huán)境中 , 銹層的組成和結(jié)構(gòu)對(duì)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(jī)制。結(jié)果表明：不同氯離子濃度下 , 銹層中的腐蝕產(chǎn)物均為 Fe3O4、 -FeOOH、

5、 -FeOOH、 -FeOOH和 Amorphous;隨著實(shí)驗(yàn)條件中氯離子濃度的增加, 銹層中 Fe3O4、-FeOOH和 -FeOOH含量增加 ,Amorphous 含量降低 , 促進(jìn)了銹層向內(nèi)生長(zhǎng) , 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(hù)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(hù)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。在含氯離子的環(huán)境中 , 耐候鋼中 Ni 、Cu、Cr 和 Mo元素抑制了 Fe3O4、-FeOOH和 -FeOOH的生成及銹層的結(jié)晶 , 阻礙了銹層向內(nèi)生長(zhǎng) , 有利于保護(hù)性銹層的

6、形成。 -FeOOH分布于外銹層 , -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(zhǎng)方式影響。在模擬工業(yè)大氣環(huán)境中, 銹層中的腐蝕產(chǎn)物主要由 Fe3O4、 -FeOOH、-FeOOH和 -FeOOH組成； -FeOOH和 -FeOOH在銹層中均勻分布 , -FeOOH在外銹層中分布。在兩種不同的典型環(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(shí)驗(yàn) , 研究了一種典型耐候橋梁鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶行為 , 分析了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶過(guò)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)

7、 ( 溫度補(bǔ)償應(yīng)變速率參數(shù) ) 之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式 , 并利用 Avrami 方程定量分析了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶動(dòng)力學(xué)過(guò)程的影響因素。 結(jié)果表明：溫度和應(yīng)變速率均會(huì)對(duì)耐候橋梁鋼的動(dòng)態(tài)再結(jié)晶速率產(chǎn)生影響 , 其中應(yīng)變速率對(duì)其影響更為顯著 , 應(yīng)變速率每增加一個(gè)數(shù)量級(jí) , 動(dòng)態(tài)再結(jié)晶時(shí)間降低約 0.85 個(gè)數(shù)量級(jí)。動(dòng)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(dòng)態(tài)再結(jié)晶晶粒尺寸 dDRX與 Z 的關(guān)系為：dDRX=146487.3Z-0.207(6) 利用熱模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果 , 研究了變形條件對(duì)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(shí), 鐵素體和貝氏體相變開(kāi)始溫度升高 , 鐵素體相變存在的冷卻速度