耐候桥梁钢成分设计与组织性能研究

论文摘要

沿海地区桥梁建设迅速发展,不仅扩大了桥梁钢的需求量,而且对桥梁钢的综合性能也提出了更高的要求,即要求桥梁钢具有高强度、高韧性和良好焊接性能,而且还要有适宜的耐大气腐蚀性能。在海洋大气环境中,空气中有大量的氯离子,传统的耐候钢表面难以形成保护性的锈层,无法有效阻止大气中腐蚀介质对钢基体的腐蚀。因而,有必要研究桥梁钢在海洋大气条件下的腐蚀行为及规律,并以此为基础开发在海洋大气环境中安全、长效使用的耐候桥梁钢。针对耐候桥梁钢的性能需求,本文从成分设计、冶炼及轧制入手,对耐候桥梁钢的显微组织、力学性能和耐候性能进行了研究,获得了性能优良的钢种成分；并在此基础上,深入分析了耐候桥梁钢的环境适用性,详细探讨钢在大气腐蚀过程中的控制环节。同时,为进一步改善钢的性能,本文对一种典型的耐候桥梁钢的热变形行为和连续冷却过程中的相变行为进行了深入研究,为热处理工艺的制定提供理论依据。本文主要研究内容和获得的结果如下：（1）参考现有的标准,根据性能需求、成本因素和生产技术条件,设计冶炼了不同成分的耐候桥梁钢。（2）研究了冷却速率和合金元素对耐候桥梁钢连续冷却过程中相变行为的影响,为实验钢的轧制选取了合理的冷却制度。结果表明：随着冷却速度的增加,耐候桥梁钢的相变类型由先共析铁素体+珠光体→贝氏体,铁素体相变存在的冷却速率范围减小扩散形核长大机制受到抑制。冷却速度为0.5-1℃／s时,Mn元素显著影响钢的组织构成；冷却速度为2-10℃／s时,Cr、Mo、Mn元素有效抑制铁素体形成；冷却速度为20℃/s时,Cr、Mo、Ni、Mn元素对钢的组织类型无明显影响。（3）系统研究了C、Mn、Cr、Ni、Mo元素对于桥梁钢组织和力学性能的影响,分析了合金元素在不同时间对钢腐蚀行为的影响规律。结果表明：锈层中的Ni和Mn质量分数均低于钢基体中的；当Ni在锈层中质量分数达到1.82%,形成的锈层具有阳离子选择性；随着锈层中Mn的质量分数增加,锈层的致密性降低。向钢中添加0.43%Cr和0.15%Mo,可提高锈层的致密性。随着钢中Ni的质量分数的增加,钢的强度增加；向钢中添加0.43%Cr,铁素体的析出长大受到了抑制,钢的抗拉强度提高,塑性和韧性降低；当钢中Mn的质量分数由0.75%增至1.46%时,钢的组织由铁素体+贝氏体转变为单一的贝氏体组织,钢的强度增加,而塑性和韧性降低。（4）通过研究不同环境中,锈层的组成和结构对钢腐蚀行为的影响,探究了耐候钢在不同环境中的腐蚀机制。结果表明：①不同氯离子浓度下,锈层中的腐蚀产物均为Fe3O4、γ-FeOOH、α-FeOOH、 β-FeOOH和Amorphous;随着实验条件中氯离子浓度的增加,锈层中Fe3O4、β-FeOOH和α-FeOOH含量增加,Amorphous含量降低,促进了锈层向内生长,钢的腐蚀速率增大。此外,在氯离子浓度较低的环境中,碳钢和耐候钢均可以形成具有保护性的锈层；在氯离子浓度较高的条件中,碳钢难以形成具有保护性的锈层；但在不同氯离子浓度环境中,耐候钢的腐蚀速率均明显低于碳钢。②在含氯离子的环境中,耐候钢中Ni、Cu、Cr和Mo元素抑制了Fe3O4、γ-FeOOH和β-FeOOH的生成及锈层的结晶,阻碍了锈层向内生长,有利于保护性锈层的形成。γ-FeOOH分布于外锈层,β-FeOOH分布于内锈层,腐蚀产物在锈层中的分布受锈层生长方式影响。③在模拟工业大气环境中,锈层中的腐蚀产物主要由Fe3O4、γ-FeOOH、α-FeOOH和δ-FeOOH组成；α-FeOOH和δ-FeOOH在锈层中均匀分布,γ-FeOOH在外锈层中分布。在两种不同的典型环境中,钢的内外锈层形貌产生明显差异,表面锈层的形貌受外界环境影响显著,内锈层的结构受钢的化学成分和外界环境共同影响。（5）利用单道次压缩实验,研究了一种典型耐候桥梁钢的动态再结晶行为,分析了动态再结晶过程中组织的的变化,建立了临界应变、临界应力与Z参数（温度补偿应变速率参数）之间的经验关系式,并利用Avrami方程定量分析了动态再结晶动力学过程的影响因素。结果表明：温度和应变速率均会对耐候桥梁钢的动态再结晶速率产生影响,其中应变速率对其影响更为显著,应变速率每增加一个数量级,动态再结晶时间降低约0.85个数量级。动态再结晶奥氏体组织受Z参数的影响很大,稳定动态再结晶晶粒尺寸dDRX与Z的关系为：dDRX=146487.3·Z-0.207（6）利用热模拟实验的结果,研究了变形条件对铁素体相变和贝氏体相变的影响规律。结果表明：变形量由0增加到0.4时,铁素体和贝氏体相变开始温度升高,铁素体相变存在的冷却速度范围扩大,铁素体晶粒尺寸减小,体积分数增加。变形温度由850℃降低为800℃时,铁素体相变开始温度降低,贝氏体相变开始温度升高,铁素体相变存在的冷却速度范围扩大,铁素体晶粒尺寸减小,体积分数增加。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 桥梁钢发展及应用
• 1.1.1 国内桥梁钢的发展现状
• 1.1.2 国外桥梁钢的发展现状
• 1.2 耐候钢的腐蚀机理及研究方法
• 1.2.1 耐候钢的腐蚀机理
• 1.2.2 锈层的成分及锈层对腐蚀的作用机制
• 1.2.3 合金元素对于钢耐大气腐蚀性能的影响
• 1.2.4 环境因素对钢在大气中腐蚀行为的影响
• 1.2.5 钢在大气中腐蚀的研究方法
• 1.3 耐候钢强化机制和组织转变的研究现状
• 1.3.1 钢的强韧行为机理
• 1.3.2 奥氏体的高温变形行为
• 1.3.3 耐候钢的相变行为
• 1.3.3.1 合金元素对钢相变行为的影响
• 1.3.3.2 变形条件对钢相变行为的影响
• 1.4 本文主要研究内容与创新点
• 第2章 耐候桥梁钢的成分设计原则和制备
• 2.1 成分设计的原则
• 2.1.1 钢的耐候性能
• 2.1.2 钢的力学性能
• 2.1.3 钢的焊接性能
• 2.1.4 耐候桥梁钢成分的确定
• 2.2 耐候桥梁钢的制备
• 2.2.1 实验钢的冶炼
• 2.2.2 实验钢的轧制制度
• 第3章 合金元素对耐候桥梁钢相变行为的影响
• 3.1 实验材料及方法
• 3.2 Ni、Cr、Mo、Mn元素对耐候桥梁钢相变过程的影响
• 3.2.1 实验钢的连续冷却曲线
• 3.2.2 合金元素对铁素体和贝氏体相变温度的影响
• 3.2.3 实验钢显微组织的变化
• 3.2.4 钢中铁素体晶粒尺寸和体积分数的变化
• 3.2.5 合金元素对钢硬度和抗拉强度的影响
• 3.3 碳含量对耐候桥梁钢相变行为的影响
• 3.3.1 实验钢的CCT曲线
• 3.3.2 实验钢的组织变化
• 3.3.3 碳含量对耐候桥梁钢硬度的影响
• 3.4 本章小结
• 第4章 合金元素对耐候桥梁钢组织、力学性能和腐蚀性能的影响
• 4.1 实验材料及方法
• 4.2 合金元素对实验钢组织和力学性能的影响
• 4.2.1 实验钢的显微组织
• 4.2.2 实验钢的力学性能
• 4.3 Ni含量对耐候钢锈层离子选择性能的影响
• 4.3.1 腐蚀速率
• 4.3.2 电化学阻抗
• 4.3.3 锈层结构及合金元素分布
• 4.3.4 锈层中的Ni含量
• 4.4 合金元素Cr、Mo和Mn对实验钢腐蚀行为的影响
• 4.4.1 腐蚀动力学曲线
• 4.4.2 锈层的XRD物相和形貌分析
• 4.4.3 合金元素在锈层中分布
• 4.4.4 实验钢的电化学行为
• 4.5 碳含量对实验钢组织和性能的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 耐候桥梁钢环境适用性的研究
• 5. 实验材料及方法
• 5.2 耐候钢的初期腐蚀行为
• 5.3 实验钢在不同氯离子环境中的腐蚀行为
• 5.3.1 腐蚀动力学曲线
• 5.3.2 表面锈层的物质组成
• 5.3.3 锈层的结构和腐蚀产物在锈层中的分布
• 5.3.4 锈层的表面形貌及合金元素在锈层中的分布
• 5.3.5 实验钢的电化学行为
• 5.3.6 锈层结构在含氯离子环境中的演变
• 5.3.6.1 锈层中的物质在腐蚀过程中的变化
• 5.3.6.2 合金元素对锈层结构的影响
• 5.3.6.3 氯离子浓度对锈层结构的影响
• 5.4 耐候钢在两种典型大气环境中的腐蚀行为
• 5.4.1 腐蚀动力学曲线
• 5.4.2 锈层结构和腐蚀产物在锈层中的分布
• 5.4.3 合金元素在锈层中的分布和锈层表面形貌
• 5.4.4 耐候钢的电化学行为
• 5.4.4.1 电化学阻抗
• 5.4.4.2 极化曲线
• 5.4.4.3 锈层对耐候钢电化学行为的影响
• 5.4.5 环境因素对于钢腐蚀行为的影响
• 5.5 本章小结
• 第6章 典型耐候桥梁钢的高温热变形行为研究
• 6.1 实验材料及方法
• 6.2 典型耐候桥梁钢的动态再结晶行为
• 6.2.1 应力-应变曲线与组织的演变
• 6.2.2 热变形激活能和热加工方程
• 6.2.3 动态再结晶临界应变的确定
• 6.2.4 动态再结晶的动力学行为
• 6.3 形变奥氏体连续冷却过程中的相变规律
• 6.3.1 静态连续冷却过程中的相变行为
• 6.3.2 动态连续冷却过程中的相变行为
• 6.3.3 变形量对连续冷却过程中的相变行为的影响
• 6.3.4 变形温度对连续冷却过程中的相变行为的影响
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间获得成果
• 作者简介