錳、鉻及釩氮合金化在低碳耐候鋼中的作用機(jī)理.pdf

1、耐候鋼是一種成本低廉、綜合性能良好的低合金結(jié)構(gòu)用鋼,不僅具有良好的耐大氣腐蝕性能,還具有優(yōu)良的力學(xué)、焊接等綜合性能。目前,耐候鋼向降低碳含量方向發(fā)展,并利用微合金化和組織強(qiáng)化等措施提高強(qiáng)度,既保證了焊接性,同時(shí)又獲得高強(qiáng)度和高韌性。
　　 在此研究背景下,本論文在保證耐候性和焊接性前提下,采取降低碳含量以提高耐候鋼韌性,采取增加錳、鉻含量以及釩氮微合金化措施以提高耐候鋼強(qiáng)度。分別研究了上述成分設(shè)計(jì)在非控軋控冷條件下對(duì)耐候鋼強(qiáng)度和

2、韌性的影響。結(jié)合相應(yīng)研究手段,本文系統(tǒng)分析和探討了各合金元素對(duì)耐候鋼組織、力學(xué)性能以及耐腐蝕性能的影響規(guī)律和作用機(jī)理。研究成果可為設(shè)計(jì)和開發(fā)新一代耐候鋼提供理論依據(jù)。
　　 力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明,兩組高氮-釩合金化耐候鋼(錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.50％和1.31％)取得了良好的強(qiáng)韌化效果,屈服強(qiáng)度分別達(dá)到了555MPa和610MPa,并且具有較高的加工硬化性能,抗拉強(qiáng)度達(dá)650MPa和705MPa;塑性和韌性均滿足相同強(qiáng)度級(jí)別耐候鋼的使用要

3、求。
　　 熱力學(xué)分析證明,本實(shí)驗(yàn)高氮-釩成分設(shè)計(jì)(0.0320％N-0.096V和0.0358％N-0.083V)明顯提高了釩的高溫析出能力,釩開始析出溫度達(dá)1130℃以上,850℃釩析出率達(dá)90％以上;而如果采取常規(guī)氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.0050％)設(shè)計(jì),則析出溫度降至1000℃以下,850℃釩的析出率低于20％。動(dòng)力學(xué)分析表明,850℃終軋溫度下VN完全析出時(shí)間＜110s;透射電鏡分析表明VN顆粒尺寸分布在20nm～300nm,

4、達(dá)到了VN析出強(qiáng)化臨界顆粒尺寸7.89nm;高溫析出的VN顆粒起到了很好的細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化作用,兩項(xiàng)加和對(duì)屈服強(qiáng)度貢獻(xiàn)率達(dá)70％以上。
　　 極化曲線測(cè)試和腐蝕減重實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),釩氮合金化能夠降低耐候鋼的腐蝕速率;電化學(xué)阻抗譜(EIS)測(cè)試和銹層分析實(shí)驗(yàn)表明:釩氮合金化耐候鋼具有良好的抑制點(diǎn)蝕能力,腐蝕反應(yīng)在鋼基體表面更加均勻進(jìn)行,而且銹層具有較高的電荷傳導(dǎo)電阻,絕緣性能增強(qiáng);釩氮合金化改變了鉻的富集方式,鉻富集區(qū)域由內(nèi)銹層擴(kuò)展至

5、外銹層,這與其它實(shí)驗(yàn)?zāi)秃蜾撚兴煌?釩氮合金化耐候鋼銹層中α-FeOOH含量較高,α-FeOOH與γ-FeOOH比值較大,表明釩氮合金化有利于生成熱力學(xué)穩(wěn)定的銹層。
　　 錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至0.93％,對(duì)耐候鋼強(qiáng)化效果較弱,屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度分別為345MPa和485MPa,而錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.50％增至1.36％,屈服強(qiáng)度由390MPa增至435MPa,并且獲得了高加工硬化性能,抗拉強(qiáng)度達(dá)到600MPa,塑性和韌性亦處于較高水平,強(qiáng)

6、韌化效果較好。動(dòng)態(tài)熱模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至1.36％,Ar3溫度可降低60℃～80℃,具有較好的細(xì)化鐵素體晶粒作用,并且耐候鋼的淬透性明顯增強(qiáng),在本實(shí)驗(yàn)最大冷速15℃·S-1下,貝氏體體積分?jǐn)?shù)接近100％。極化曲線測(cè)試和腐蝕減重實(shí)驗(yàn)表明,增加錳含量耐候鋼腐蝕速率有小幅增加;EIS測(cè)試和銹層截面形貌顯示,增加耐候鋼錳質(zhì)量分?jǐn)?shù),點(diǎn)蝕特征增強(qiáng),經(jīng)熱力學(xué)分析認(rèn)為這與錳元素具有較高的腐蝕傾向性有關(guān);EIS測(cè)試發(fā)現(xiàn)增加錳含量對(duì)銹層絕緣性能沒有明

7、顯影響,電子探針結(jié)果表明錳均勻分布于內(nèi)外銹層中,沒有發(fā)生富集現(xiàn)象,銹層物相分析表明銹層中α-FeOOH略有增加,而α-FeOOH與γ-FeOOH比值降低,說(shuō)明錳對(duì)穩(wěn)定銹層的生成沒有明顯影響。
　　 熱模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),耐候鋼中鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.62％增至1.50％,Ar3溫度沒有明顯變化,淬透性有所提升,15℃·s-1冷速下,貝氏體所占體積分?jǐn)?shù)由12.8％增至23％。力學(xué)實(shí)驗(yàn)表明,增加鉻含量對(duì)耐候鋼強(qiáng)化作用較弱,屈服強(qiáng)度僅為350MP

8、a,雖然加工硬化性能略有增強(qiáng),但并未獲得高抗拉強(qiáng)度,為460MPa;然而卻獲得了高塑性和高韌性;極化曲線測(cè)試與腐蝕減重實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.62％增至1.50％,耐候鋼腐蝕速率降低。EIS測(cè)試顯示,其腐蝕反應(yīng)初期具有較強(qiáng)的點(diǎn)蝕反應(yīng)特征,然而點(diǎn)蝕反應(yīng)被迅速抑制,而且阻抗模圖表明有絕緣性能較好的銹層生成;電子探針分析發(fā)現(xiàn),增加耐候鋼鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)銹層結(jié)構(gòu)沒有明顯影響,而銹層物相分析則表明,α-FeOOH含量顯著增加,α-FeOOH與γ-F