Q500EHPS桥梁钢力学性能和耐蚀性能的调控研究

摘要

钢结构桥梁正在向高速、重载、大跨和整体焊接节点的方向发展，为满足这些要求，现有的桥梁钢亟待进一步升级，集高强度、高韧性、低屈强比、易焊接和高耐蚀等多项性能为一体的高性能桥梁钢是未来发展趋势。其中，屈服强度500 MPa级高性能 Q500EHPS桥梁钢是沪通长江大桥、芜湖长江二桥等大跨度重载铁路钢桥建造所急需的主要材料，要求兼顾上述多项性能，技术难度极大。为此，本文研究了合金成分-轧制工艺-微观组织-力学性能之间的影响规律及相关性，优化了合金成分和轧制工艺，研究了Cr-Ni-Cu合金元素、组织类型和夹杂物类型对均匀腐蚀和点蚀行为的影响规律，从而对综合力学性能和耐蚀性能进行了调控，在此基础，开展了高性能Q500EHPS桥梁钢的工业试制及性能评价研究。
　　本文首先通过实验室材料设计、冶炼和轧制，重点研究了C、Cr、Mo、Nb等合金元素对试验钢综合力学性能的影响，优化设计了一种满足 Q500EHPS所有力学性能要求的目标化学成分，即0.055C-0.25Si-1.55Mn-0.20Cu-0.15Cr-0.25Ni-0.20Mo-0.040Nb-0.030V-0.015Ti。
　　针对优化合金成分的试验钢，通过热机械轧制过程模拟及模拟样品力学性能测试，结合微观组织表征，研究了终轧温度、开冷温度、冷却速度和返红温度等控轧控冷工艺关键参数对 Q500EHPS桥梁钢微观组织（铁素体晶粒、位错、析出物和马氏体/奥氏体（M/A）岛等）和综合力学性能（屈服强度、抗拉强度、屈强比和冲击功）的影响规律。结果表明，当控轧控冷工艺的目标参数控制在终轧温度830℃、开冷温度780℃、返红温度500-550℃，冷速15-25℃/s时，屈服强度≥500 MPa、-40℃ KV2冲击功≥200 J、屈强比≤0.84，具有优异的综合力学性能。小角度晶界、位错、析出粒子和M/A岛对屈服强度均有贡献，屈服强度与粒状贝氏体铁素体和准多边形铁素体的平均有效晶粒尺寸 MED-1/22°≤θ≤15°之间存在线性关系，符合 Hall-Petch公式。M/A岛增多使抗拉强度的增量高于屈强服度的增量，有利于降低屈强比。随粒状贝氏体铁素体和准多边形铁素体细化，M/A岛的尺寸减小，大角晶界（MTA>15°）晶粒所占的比例增加，低温冲击韧性显著提高。
　　针对典型 Q500EHPS钢，通过电化学测试、周浸、浸泡等试验，利用极化曲线测量、失重法、锈层的SEM/EDS/XRD分析、点蚀LSCM三维原位观察等，研究了Cr-Ni-Cu合金元素、组织类型及夹杂物类型对锈层结构及腐蚀行为的影响规律及作用机理。结果表明，Cr-Ni-Cu合金元素提高了基体组织的热力学稳定性，在锈层中发生富集，使稳定α-FeOOH相与亚稳γ-FeOOH相之间的体积比值提高，促进了致密稳定锈层的形成，提高了耐蚀性；不同类型组织的耐蚀性从高到低的排序是：均匀贝氏体＞准多边形铁素体+粒状贝氏体+M/A岛＞铁素体+珠光体＞铁素体+马氏体；C a-Al-O-S球型复合夹杂物所引起的初期点蚀，本质上是一种电偶腐蚀，且试验钢在0.01 M NaHSO3溶液中的腐蚀明显弱于在3％NaCl中溶液中的腐蚀，硫化物在其中主要起导电作用。
　　据上述结果，开展了 Q500EHPS钢的工业试制。结果表明，Q500EHPS钢的各项力学性能均满足GB/T714标准的要求，且屈强比≤0.85，-40℃冲击功富余量较大；Ceq(%)≤0.45且Pcm(%)≤0.20，焊接性能优异，焊接工艺评定试验结果全部合格；耐蚀指数IJ≥1.0，耐蚀性优于普通桥梁钢。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 高性能桥梁钢的现状及发展趋势

1.2 桥梁钢成分和组织设计

1.3 桥梁钢高性能机理研究

1.4本项目研究目标和内容

第2章 合金成分和轧制工艺对试验钢力学性能的影响

2.1引言

2.2成分与力学性能的关系

2.3 控轧控冷工艺对力学性能的影响

2.4 成分和工艺窗口的确定

2.5试验钢的成分和工艺的实验室验证

2.5 本章小结

第3章Q500EHPS钢强韧化和低屈强比调控机理研究

3.1 引言

3.2试验材料及方法

3.3试验钢的微观组织特征及演变规律

3.4 强化机制研究

3.5 韧化机理研究

3.6 低屈强比机理分析

3.7 本章小结

第4章 合金元素和组织对Q500EHPS钢腐蚀性能的影响

4.1引言

4.2试验材料与方法

4.3 试验结果与分析

4.4 耐蚀机理分析

4.5高耐蚀性成分和工艺综合控制要求

4.6 本章小结

第5章 点蚀初期腐蚀行为研究

5.1 引言

5.2 试验材料及方法

5.3 试验结果与分析

5.4 耐蚀机理研究

5.5 高耐蚀性成分和工艺综合控制要求

5.6 本章小结

第6章 高性能Q500EHPS桥梁钢工业试制

6.1 引言

6.2 冶炼-连铸-轧制工艺要点设计

6.3 试制过程

6.4 综合性能评价

6.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢