建筑用低屈强比耐火钢热轧带材的开发

摘要

高层建筑的迅速发展使建筑用钢的需求量剧增，同时也对建筑用钢的强度、抗震性、耐火性能等提出了更高的要求。但传统的建筑用钢功能单一，不能同时具有高层建筑所需的抗震及耐火功能。即使能够满足要求，也大多采用轧后热处理的方法，生产周期长，成本高。 针对这一课题，东北大学轧制技术及连轧自动化国家重点实验室与上海宝钢集团公司联合攻关，进行了高层建筑用低屈强比耐火热带钢的研制与开发。其目标是采用微合金化成分设计和控轧控冷工艺相结合的方法，生产出抗拉强度分别为400MPa级和490MPa级、低屈强比(YR＜0.80)、耐火性能好(σs(600℃/σs(RT)≥2/3)的热轧带钢，以满足国内对高层建筑用钢的需求。本文从400～490MPa级高层建筑钢所要求的屈服强度、抗拉强度、屈强比和耐火特性出发，进行了化学成分设计和制定了控轧控冷工艺，并进行了490MPa级耐火钢的工业试制。试制结果表明，各项指标均已达到日本JISG3136标准要求，论文的主要工作如下： (1)采用低碳微合金化思想进行了400MPa级和490MPa级低屈强比耐火钢成分设计。400MPa级耐火钢主要化学成分(质量分数，％)为：C≤0.045，Si≤0.25，Mn≤0.50，Mo≤0.45，Cr≤0.35，Nb0.015～0.020。490MPa级耐火钢主要化学成分为：C≤0.085，Si≤0.25，Mn≤0.65，Mo≤0.55，Cr≤0.35，Nb0.015～0.020。 (2)理论分析和实验结果表明，铁素体晶粒大小影响钢的屈强比，铁素体晶粒尺寸越小，则屈强比越高。同时，钢中的不同组织也会对低碳钢的屈强比产生影响，由多边形铁素体+贝氏体所组成的钢其屈强比要低于由多边形铁素体+珠光体所组成的钢。 (3)采用碳萃取复型和金属薄膜试样两种方法，经过透射电镜观察及能谱分析，结果发现在含Nb0.015％的控轧控冷钢中并没有含Nb的沉淀相析出，Nb仍然是以原子状态存在。 (4)基于M.Enomoto等关于Nb原子在奥氏体晶界偏聚的热力学计算结果，以及作者通过实验发现0.015％Nb钢存在奥氏体晶粒突然长大的临界温度(1240℃)、微量Nb抑制形变奥氏体静态再结晶的现象，考虑到Nb、Fe原子之间存在较大的半径差等因素，整理提出Nb原子晶界内吸附假说。 (5)通过对含0.015％Nb和不含Nb钢的奥氏体晶粒长大对比实验后发现，不仅间隙相质点通过钉扎机制可以抑制奥氏体晶粒长大，而Nb原子通过拖曳机制也可以有效地抑制奥氏体晶粒的长大。而且Nb原子可以通过拖曳机制对位错的攀移起到了限制作用，使形变奥氏体的回复、再结晶受到抑制，增加了奥氏体的形变储存能，使铁素体形核率增加，造成最终组织的细化。 (6)490MPa级Cr-Mo-Nb耐火钢600℃高温拉伸实验结果表明，600℃下耐火钢的铁素体晶内强度仍然大于晶界。因此采用细晶强化方式可以提高钢在600℃下的高温强度，而且如果在室温下细晶强化对屈服强度贡献大，则在600℃时钢的屈服强度降低的就较少，热强值σs(600℃)/σ(RT)也就越高；若在室温下细晶强化对屈服强度贡献的较小，则在600℃时钢的屈服强度降低的就越多，热强值σs(600℃)/σs(RT)也就越低。 (7)经OM和TEM观察分析，对于490MPa级Cr-Mo-Nb钢，当其终冷温度为500℃、450℃和400℃下所得到的热轧试样被加热到600℃时，热轧态下的非平衡态组织会向平衡组织转变。首先是由位向差较小、光镜下观察不到的板条铁素体合并长大，变成光镜下可以观察到多边形铁素体。其次是黑色颗粒状由马氏体和残余奥氏体所组成M/A岛在600℃下发生分解，变成了珠光体。 (8)研究表明，奥氏体未再结晶区变形对490MPa级耐火钢组织转变会产生一定的影响。当变形奥氏体以10℃/s～30℃/s连续冷却时，由于变形促进了先共析铁素体优先在奥氏体晶界位置形核，而后转变的粒状贝氏体被先共形铁素体所包围，粒状贝氏体铁素体只能在奥氏体晶内形核，属于均匀形核。而未变形奥氏体以10℃/s～30℃/s连续冷却时，通过透射电镜可以看到粒状贝氏体铁素体优先在能量和结构起伏较大的奥氏体晶界处形核，然后向一侧奥氏体晶内呈平行板条状长大，属于非均匀形核。 (9)以490MPa级低屈强比耐火钢为研究对象，采用后向冷却工艺进行了工业试制。试制结果表明此工艺可有效地降低耐火钢的屈强比。经检验，热带钢的力学性能为：屈强比为0.787～0.795，屈服强度为430～450MPa，抗拉强度为544～566MPa，延伸率24％～29％，600℃下的热强值σs(600℃)/σs(RT)为0.670～0.683。达到了预定的研究目标。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1钢结构高层建筑的发展

1.2高层建筑用钢的特点及热处理工艺

1.2.1抗震功能

1.2.2耐火功能

1.2.3焊接性能

1.2.4热处理工艺

1.3高层建筑热轧带钢的发展趋势和研究概况

1.3.1高层建筑热轧带钢的发展趋势

1.3.2高层建筑热轧带钢的力学性能

1.3.3高层建筑热轧带钢对轧制技术的要求

1.3.4钢中微合金元素的作用

1.4控轧控冷工艺在微合金钢生产上的应用

1.4.1控制轧制工艺的优点

1.4.2控制冷却工艺的优点

1.4.3控制轧制、控制冷却工艺参数特点

1.5本文工作背景及研究内容

1.5.1本文工作背景

1.5.2本文研究内容

2 400MPa级耐火钢的实验室研制

2.1化学成分设计的指导思想

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力学性能检验结果

2.3.2实验钢的显微组织

2.4讨论

2.4.1低屈强比形成分析

2.4.2铁素体晶粒尺寸对屈强比的影响

2.4.3珠光体、贝氏体含量对屈强比的影响

2.4.4终轧温度对屈强比的影响

2.4.5终冷温度对屈强比的影响

2.5本章小结

3 490MPa级耐火钢的实验室研制

3.1实验方案

3.1.1实验材料

3.1.2实验方法

3.2实验结果

3.2.1 Cr-Mo-Nb-V耐火钢力学性能及显微组织

3.2.2 Cr-Mo-V耐火钢力学性能及显微组织

3.2.3 Ct-Mo-Nb耐火钢力学性能及显微组织

3.2.4 Mo-Nb耐火钢力学性能及显微组织

3.3 讨论

3.3.1终冷温度对屈服强度、抗拉强度的影响

3.3.2终轧温度对屈服强度、抗拉强度的影响

3.3.3合金元素对屈强比及耐火性能的影响

3.4本章小结

4 Nb原子对耐火钢组织性能的影响

4.1实验方案

4.1.1实验工艺A

4.1.2实验工艺B

4.2微量Nb在钢中存在形式的分析研究

4.2.1 Nb在钢中存在形式的可能性

4.2.2实验观察结果

4.2.3 Nb原子偏聚于晶界的猜测

4.2.4含微量Nb钢奥氏体晶粒突然长大的实验现象

4.2.5微量Nb抑制形变奥氏体静态再结晶的实验现象

4.2.6 Nb原子晶界内吸附假说

4.3 Nb原子对屈服强度及铁索体晶粒尺寸的影响

4.4本章小结

5热变形和加速冷却对耐火钢组织转变的影响

5.1实验方法

5.1.1实验材料

5.1.2实验方案

5.2实验结果

5.2.1 400MPa级耐火钢动态CCT曲线及显微组织

5.2.2 490MPa级耐火钢静态CCT曲线及显微组织

5.2.3 490MPa级耐火钢动态CCT曲线及显微组织

5.3 讨论

5.3.1加速冷却对400MPa级耐火钢显微组织的影响

5.3.2热变形和加速冷却对490MPa级耐火钢显微组织的影响

5.4本章小结

6耐火钢600℃下的力学性能及焊接性能研究

6.1钢的高温强化方式

6.2低屈强比耐火钢高温强化特点

6.2.1铁素体晶粒尺寸对600℃高温强度的影响

6.2.2合金元素对钢600℃屈服强度的影响

6.2.3热轧钢600℃下的组织转变

6.3 490耐火钢焊接性能研究

6.3.1实验材料和方法

6.3.2显微组织

6.3.3硬度分布

6.4本章小结

7 490MPa级耐火钢的工业试制

7.1第1次工业试制

7.1.1化学成分及轧制工艺

7.1.2第1次工业试制带钢的力学性能及显微组织

7.2热变形后驰豫时间对铁素体晶粒尺寸的影响

7.2.1热模拟实验工艺

7.2.2不同驰豫时间的显微组织

7.3第2次工业试制

7.3.1后向层流冷却工艺

7.3.2第2次工业试制带钢的力学性能及显微组织

7.4讨论

7.4.1冷却速度对屈强比的影响

7.4.2热驰豫对γ→α相变晶粒尺寸的影响

7.5本章小结

8 结论

参考文献

致谢

攻读博士学位期间完成的论文

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