高强度桥梁用宽厚板的研制

论文摘要

交通运输业的迅速发展带动了桥梁的建设,使桥梁用钢的需求量剧增,同时也对桥梁钢的强度、韧性、焊接性、耐候性等提出了更高的要求。但目前国内生产的桥梁钢强度较低,焊接性能和耐候性能等不能完全满足要求。在这种背景下,东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室与首钢总公司联合攻关,进行高强度桥梁钢的研制与开发。其目标是采用微合金成分设计和控轧控冷工艺相结合的方法,生产出屈服强度≥460MPa、厚度≤60mm的热轧宽厚板,以满足国内对高等级桥梁用钢的需求。本文从460级桥梁钢所要求的屈服强度、抗拉强度、低温韧性、焊接性及耐候性出发,进行化学成分设计和控轧控冷工艺的制定,并在4300mm宽厚板轧机上进行Q460q的工业试制。试制结果表明,各项性能指标已达到新的桥梁钢国家标准的要求。论文的主要工作如下：（1）采用低碳微合金化思想进行Q460q及Q460qNH钢的成分设计,对于Q460q采用Nb、V、Ti的复合添加,而在Q460qNH钢中添加Cu、Cr、Ni来提高耐候性能。（2）以Q460q和Q460qNH钢为研究对象,在Gleeble 2000热模拟机上进行不同参数的单道次压缩实验,通过对应力-应变曲线的分析,研究变形过程的动态回复和动态再结晶过程。结果表明,变形温度和应变速率是影响奥氏体变形行为的主要因素,降低变形温度和增大应变速率均不利于动态再结晶的发生,当应变速率超过5s-1时,变形过程很难发生动态再结晶。在热模拟实验机上进行不同参数的双道次压缩实验,通过对应力-应变曲线和软化率的分析,研究变形后的静态过程,可知变形温度对变形后高温保温过程中奥氏体静态再结晶行为有很大的影响,变形温度越高,奥氏体软化程度高,软化率大。在实验基础上建立了实验钢静态再结晶软化率数学模型。（3）根据热膨胀曲线和金相观察结果,对实验钢奥氏体变形条件对连续冷却相变和显微组织的影响进行研究。研究表明：a)由CCT曲线可知,实验钢经过奥氏体区变形后,促进了铁素体的析出,存在较宽的铁素体析出区,因此,可以充分利用其冷却转变曲线的特点,综合利用细晶强化、贝氏体相变强化方式。b)奥氏体未再结晶区变形造成的晶界破坏和位错交集抑制贝氏体形核长大,使得贝氏体相变开始温度降低。同时,奥氏体未再结晶区变形对粒状贝氏体精细结构产生重要影响,粒状贝氏体晶团得到细化,M/A岛分布趋于杂乱、弦长减小。（4）以Q460q为研究对象,在4300mm宽厚板轧机上进行工业试制,试制钢板的力学性能为：屈服强度490-540MPa,抗拉强度580-645MPa,延伸率22.0-29.0%,-40℃冲击功≥115J,达到了预定的研究目标。（5）利用R>0的正弦波对Q460q及Q460qNH钢的疲劳S-N曲线进行测试,通过实验得到了Q460q及Q460qNH钢的疲劳极限分别为492MPa和470MPa。同时,采用埋弧焊对工业试制Q460q钢进行焊接实验,实验结果表明Q460q具有良好的焊接性能,焊接接头的强度不低于母材,在-40℃-20℃的实验温度下,Q460q的焊缝和热影响区均表现出较好的冲击韧性。（6）通过干湿交替循环实验及电化学测极化曲线实验,可知耐候钢SPA-H和Q460qNH钢的腐蚀增重速度比碳钢Q460q缓慢得多,而且随着腐蚀时间的延长,其差别也更加明显,其中SPA-H钢的腐蚀增重速度要比Q460qNH更缓慢。通过观察实验钢锈层断面可以看到,腐蚀过程中耐候钢的锈层比较明显地分为内外两层,内锈层致密,外锈层疏松、多孔,而Q460q钢的内外锈层区别不大,都是疏松、多孔的,对钢基体起到保护性作用的是内锈层。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外桥梁用钢的研究概况
• 1.2.1 国内桥梁钢的发展历程及现状
• 1.2.2 国外桥梁钢的发展现状
• 1.2.3 耐候桥梁钢的发展
• 1.3 合金元素在微合金钢中的作用
• 1.3.1 铌在控轧控冷中的作用
• 1.3.2 钒在控轧控冷中的作用
• 1.3.3 钛在控轧控冷中的作用
• 1.3.4 耐候钢中Cu、Cr、Ni的作用
• 1.4 微合金钢的控轧控冷工艺
• 1.4.1 控制轧制工艺
• 1.4.2 控制冷却工艺
• 1.4.3 宽厚板控轧控冷工艺的特点
• 1.5 奥氏体变形对贝氏体相变的影响
• 1.5.1 钢中贝氏体相变
• 1.5.2 奥氏体变形对贝氏体相变的影响
• 1.6 本文的工作背景及研究内容
• 1.6.1 本文的工作背景
• 1.6.2 本文的研究内容
• 2 460MPa级桥梁钢的实验室研制
• 2.1 化学成分设计指导思想
• 2.2 实验方案
• 2.2.1 实验材料
• 2.2.2 实验方法
• 2.3 实验结果
• 2.3.1 Q460q钢的力学性能及金相组织
• 2.3.2 Q460qNH钢的力学性能及金相组织
• 2.4 讨论
• 2.4.1 终冷温度对实验钢性能的影响
• 2.4.2 精轧温度对实验钢性能的影响
• 2.4.3 碳含量对实验钢性能的影响
• 2.4.4 精轧温度对M/A组织的影响
• 2.5 本章小节
• 3 奥氏体高温变形行为的研究
• 3.1 实验方法
• 3.1.1 实验材料与装置
• 3.1.2 实验方案
• 3.2 实验结果
• 3.2.1 单道次压缩实验结果
• 3.2.2 双道次压缩实验结果
• 3.3 讨论
• 3.3.1 高温变形过程的动态行为及其影响因素
• 3.3.2 变形抗力模型
• 3.3.3 静态再结晶模型
• 3.4 本章小结
• 4 奥氏体变形对桥梁钢连续冷却相变的影响
• 4.1 实验方法
• 4.1.1 实验材料与设备
• 4.1.2 实验方案
• 4.2 连续冷却相变动力学曲线（CCT曲线）
• 4.2.1 连续冷却相变动力学曲线分析
• 4.2.2 显微组织
• 4.3 讨论
• 4.3.1 变形对奥氏体→铁素体转变的影响
• 4.3.2 变形对奥氏体→贝氏体转变的影响
• 4.4 本章小节
• 5 桥梁钢的工业试制
• 5.1 第一次工业试制
• 5.1.1 化学成分和轧制工艺
• 5.1.2 第一次工业试制钢的性能和组织
• 5.2 第二次工业试制
• 5.2.1 化学成分和轧制工艺
• 5.2.2 第二次工业试制钢的性能和组织
• 5.3 讨论
• 5.4 第三次工业试制
• 5.4.1 化学成分和轧制工艺
• 5.4.2 第三次工业试制钢的性能和组织
• 5.5 裂纹的压合
• 5.6 本章小结
• 6 桥梁钢使用性能的研究
• 6.1 桥梁钢的疲劳性能
• 6.1.1 实验材料与方法
• 6.1.2 实验结果与分析
• 6.1.3 桥梁钢的断裂过程
• 6.2 桥梁钢的焊接性能
• 6.2.1 实验材料与实验方法
• 6.2.2 实验结果
• 6.3 桥梁钢耐候性能的研究
• 6.3.1 实验材料
• 6.3.2 实验方法
• 6.3.3 实验结果与分析
• 6.3.4 耐蚀机理的分析讨论
• 6.4 本章小节
• 7 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的研究工作及成果
• 致谢
• 作者简介