耐候橋梁鋼成分設(shè)計(jì)與組織性能研究.docx

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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型由先共析鐵素

3、體+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的質(zhì)量分

4、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)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：①不同氯離子濃度下,銹層中的腐蝕產(chǎn)物均為Fe3O4、γ-FeOOH、α-FeOOH、β-Fe

5、OOH和Amorphous;隨著實(shí)驗(yàn)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(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。②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、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(zhǎng),有利于保護(hù)性銹層的形成。γ-FeOO

6、H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(zhǎng)方式影響。③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、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)(溫度

7、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=146487.3·Z-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始溫度升高,鐵素體相變存在的冷

8、卻速度范圍擴(kuò)大,鐵素體晶粒尺寸減小,體積分?jǐn)?shù)增加。變形溫度由850℃降低為800℃時(shí),鐵素體相變開始溫度降低,貝氏體相變開始溫度升高,鐵素體相變存在的