锰、铬及钒氮合金化在低碳耐候钢中的作用机理

论文摘要

耐候钢是一种成本低廉、综合性能良好的低合金结构用钢,不仅具有良好的耐大气腐蚀性能,还具有优良的力学、焊接等综合性能。目前,耐候钢向降低碳含量方向发展,并利用微合金化和组织强化等措施提高强度,既保证了焊接性,同时又获得高强度和高韧性。在此研究背景下,本论文在保证耐候性和焊接性前提下,采取降低碳含量以提高耐候钢韧性,采取增加锰、铬含量以及钒氮微合金化措施以提高耐候钢强度。分别研究了上述成分设计在非控轧控冷条件下对耐候钢强度和韧性的影响。结合相应研究手段,本文系统分析和探讨了各合金元素对耐候钢组织、力学性能以及耐腐蚀性能的影响规律和作用机理。研究成果可为设计和开发新一代耐候钢提供理论依据。力学实验表明,两组高氮—钒合金化耐候钢（锰质量分数分别为0.50%和1.31%）取得了良好的强韧化效果,屈服强度分别达到了555MPa和610MPa,并且具有较高的加工硬化性能,抗拉强度达650MPa和705MPa；塑性和韧性均满足相同强度级别耐候钢的使用要求。热力学分析证明,本实验高氮—钒成分设计（0.0320%N-0.096V和0.0358%N-0.083V）明显提高了钒的高温析出能力,钒开始析出温度达1130℃以上,85℃钒析出率达90%以上；而如果采取常规氮质量分数（0.0050%）设计,则析出温度降至1000℃以下,850℃钒的析出率低于20%。动力学分析表明,850℃终轧温度下VN完全析出时间<110s；透射电镜分析表明VN颗粒尺寸分布在20nm～300nm,达到了VN析出强化临界颗粒尺寸7.89nm；高温析出的VN颗粒起到了很好的细晶强化和沉淀强化作用,两项加和对屈服强度贡献率达70%以上。极化曲线测试和腐蚀减重实验发现,钒氮合金化能够降低耐候钢的腐蚀速率；电化学阻抗谱（EIS）测试和锈层分析实验表明：钒氮合金化耐候钢具有良好的抑制点蚀能力,腐蚀反应在钢基体表面更加均匀进行,而且锈层具有较高的电荷传导电阻,绝缘性能增强；钒氮合金化改变了铬的富集方式,铬富集区域由内锈层扩展至外锈层,这与其它实验耐候钢有所不同；钒氮合金化耐候钢锈层中α-FeOOH含量较高,α-FeOOH与γ-FeOOH比值较大,表明钒氮合金化有利于生成热力学稳定的锈层。锰质量分数增至0.93%,对耐候钢强化效果较弱,屈服强度和抗拉强度分别为345MPa和485MPa,而锰质量分数由0.50%增至1.36%,屈服强度由390MPa增至435MPa,并且获得了高加工硬化性能,抗拉强度达到600MPa,塑性和韧性亦处于较高水平,强韧化效果较好。动态热模拟实验发现锰质量分数增至1.36%,Ar3温度可降低60℃～80℃,具有较好的细化铁素体晶粒作用,并且耐候钢的淬透性明显增强,在本实验最大冷速15℃·s-1下,贝氏体体积分数接近100%。极化曲线测试和腐蚀减重实验表明,增加锰含量耐候钢腐蚀速率有小幅增加；EIS测试和锈层截面形貌显示,增加耐候钢锰质量分数,点蚀特征增强,经热力学分析认为这与锰元素具有较高的腐蚀倾向性有关；EIS测试发现增加锰含量对锈层绝缘性能没有明显影响,电子探针结果表明锰均匀分布于内外锈层中,没有发生富集现象,锈层物相分析表明锈层中α-FeOOH略有增加,而α-FeOOH与γ-FeOOH比值降低,说明锰对稳定锈层的生成没有明显影响。热模拟实验发现,耐候钢中铬质量分数由0.62%增至1.50%,Ar3温度没有明显变化,淬透性有所提升,15℃·s-1冷速下,贝氏体所占体积分数由12.8%增至23%。力学实验表明,增加铬含量对耐候钢强化作用较弱,屈服强度仅为350MPa,虽然加工硬化性能略有增强,但并未获得高抗拉强度,为460MPa；然而却获得了高塑性和高韧性；极化曲线测试与腐蚀减重实验发现,铬质量分数由0.62%增至1.50%,耐候钢腐蚀速率降低。EIS测试显示,其腐蚀反应初期具有较强的点蚀反应特征,然而点蚀反应被迅速抑制,而且阻抗模图表明有绝缘性能较好的锈层生成；电子探针分析发现,增加耐候钢铬质量分数对锈层结构没有明显影响,而锈层物相分析则表明,α-FeOOH含量显著增加,α-FeOOH与γ-FeOOH比值明显升高,说明增加铬含量加速了锈层获得稳定结构的进程。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 耐候钢发展概述

1.1.1 国外耐候钢发展概述

1.1.2 国内耐候钢发展概述

1.2 本课题研究背景及目的意义

1.3 本课题主要研究内容

第二章文献综述

2.1 耐候钢耐大气腐蚀性能的研究现状分析

2.1.1 钢的大气腐蚀反应机理

2.1.2 环境因素对钢腐蚀的影响

2.1.3 耐候钢锈层研究进展

2.1.4 耐候钢中合金元素的作用

2.2 耐候钢力学性能的研究现状分析

2.2.1 钢的强韧化机制

2.2.2 耐候钢强韧化实验研究

2.3 耐候钢微合金化的研究现状分析

2.4 钒氮复合微合金化的研究现状分析

2.5 文献评价

第三章低碳耐候钢的成分设计与制备工艺

3.1 耐候钢成分设计

3.1.1 成分设计原则

3.1.2 耐候钢成分确定

3.2 耐候钢的制备

3.2.1 真空感应炉冶炼

3.2.2 锻造

3.2.3 轧制

第四章低碳耐候钢的热模拟实验研究

4.1 研究方法

4.1.1 实验设备

4.1.2 实验步骤

4.2 锰对耐候钢CCT曲线影响分析

4.3 铬对耐候钢CCT曲线影响分析

4.4 钒氮合金化对耐候钢CCT曲线影响分析

4.5 热模拟试样硬度变化规律分析

4.5.1 热模拟试样硬度与抗拉强度的关系及变化规律

4.5.2 热模拟试样抗拉强度变化规律的微观组织分析

4.6 本章小结

第五章低碳耐候钢的力学性能研究

5.1 研究方法

5.1.1 冲击实验方法

5.1.2 拉伸实验方法

5.1.3 轧态组织分析

5.2 耐候钢的组织观察与分析

5.2.1 轧态组织金相分析

5.2.2 轧态组织透射电镜分析

5.2.3 VN析出行为的热力学与动力学分析

5.3 耐候钢的强度和塑性研究

5.3.1 工程应力应变曲线分析

5.3.2 耐候钢强化机制分析

5.3.3 真应力真应变曲线分析

5.3.4 拉伸断口分析

5.4 耐候钢的冲击韧性研究

5.4.1 不同槽型条件下耐候钢室温冲击韧性比较

5.4.2 不同温度条件下耐候钢冲击韧性研究

5.5 本章小结

第六章低碳耐候钢的电化学行为研究

6.1 研究方法

6.1.1 试样制备

6.1.2 电化学实验装置

6.1.3 极化曲线测试方法

6.1.4 电化学阻抗谱测试方法

6.2 锰对耐候钢耐腐蚀性能影响的电化学研究

6.2.1 高锰耐候钢极化曲线特征分析

6.2.2 高锰耐候钢电化学阻抗谱分析

6.3 铬对耐候钢耐腐蚀性能影响的电化学研究

6.3.1 高铬耐候钢极化曲线特征分析

6.3.2 高铬耐候钢电化学阻抗谱分析

6.4 钒氮合金化对耐候钢耐腐蚀性能影响的电化学研究

6.4.1 钒氮合金化耐候钢极化曲线特征分析

6.4.2 钒氮合金化耐候钢电化学阻抗谱分析

6.5 耐候钢中锰、铬、钒、氮的腐蚀反应机理的热力学分析

6.6 本章小结

第七章低碳耐候钢的锈层分析

7.1 研究方法

7.1.1 周期浸润腐蚀失重实验方法

7.1.2 带锈层试样制备方法

7.1.3 锈层的形貌分析方法

7.1.4 锈层中元素浓度分布分析方法

7.1.5 锈层物相分析方法

7.2 耐候钢的腐蚀失重行为研究

7.3 耐候钢的锈层分析与研究

7.3.1 锈层形貌观察

7.3.2 锈层中元素浓度分布

7.3.3 锈层物相分析

7.4 本章小节

第八章结论

参考文献

致谢

作者简介

攻读博士期间发表论文

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