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山东大学硕士学位论文 热轧工艺对0 9 c u p t i r e 钢组织和性能的影响 摘要 ( 随着现代工业的高速发展，对具有耐大气腐蚀钢的需求量越来越大。 0 9 c u p t i r e 耐大气腐蚀钢只含有少量合金元素，价格比较便宜，耐蚀性良好，因 而常用于火车车体用材，且需求量较大。我国有丰富的合金资源，稀土等有色金 属的储备量都属于世界6 u 列，加之我国复杂的气候特点，系统地发展0 9 c u p t i r e 耐大气腐蚀钢有十分重要的意义0 为满足铁路运输的飞速发展对钢材耐冲压、耐腐蚀、高韧性、高强度的需要， 2 0 0 0 年4 月铁道部运输局下发了关于“印发铁道车辆用耐大气腐蚀钢供货技术 条件的通知”。“通知”对铁道车辆耐大气腐蚀钢提出了更高的要求，尤其对低 温冲击韧性和屈强比等指标做了较大幅度的提高。济钢现采用的常规生产工艺难 以生产出合格的新0 9 c u p t i r e 钢板。因此，根据济钢实际的生产条件，优化生产 工艺，以实现批量生产合格的新0 9 c u p t i r e 钢板是本课题的目的。 本课题以济钢生产的0 9 c u p t i r e 钢板为研究对象，模拟现场热轧条件，研究 了热轧工艺中轧制温度、压下制度、变形速率、冷却方式对0 9 c u p t i r e 钢组织和 性能的影响，以及0 9 c u p t i r e 钢在低温下的断裂机理。( 研究发现：0 9 c u p t i r e 钢 在奥氏体未再结晶区热轧时，随着终轧温度的降低，钢的屈服强度、抗拉强度、 冲击韧性、屈强比这些指标都有所上升，在奥氏体和铁素体两相区轧制时，钢板 的屈服强度、抗拉强度升高。但冲击韧性、和屈强比遭到了破坏；在一定范围内 增大终轧压下量，钢的屈服强度、抗拉强度、冲击韧性、屈强比增大，当压下量 过大时，钢的各项性能指标均有所下降；变形速度在范围较小的区域内变化时， 对钢的组织和性能的影响不大；随着冷却速度的增大，钢的屈服强度、抗拉强度 增大，但冲击韧性和屈强比降低；随着温度的降低，0 9 c u p t i r e 钢断口形貌由韧 窝断口向解理断口转变，冲击韧性降低；细小弥散的央杂物能阻碍裂纹扩展，尺 寸越小，越弥散，越有利于冲击韧性的改善，且对屈强比无不良作用；在终轧温 山东大学硕士学位论文 度和终轧压下量对冲击韧性的影响中，终轧温度的作用更强。土 关键词：耐大气腐蚀钢：控制轧制，冲击韧性：断口形貌 山东大学硕士学位论文 e f f e c to fh o tr o l l i n gs c h e d u l eo n m i c r o s t r u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r r i e s o f 0 9 c u p t i r es t i u ps t e e l a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fm o d e mi n d u s t r y , t h e r ea r gm o r er e q u i r e m e n t sf o r w e a t h e r i n g - s t e e l 0 9 c u p t i r e ，w h i c hi s o n eo fw e a t h e r i n g - s t e e lo n l yc o n t a i n sal i t t l e a l l o ye l e m e n t sw i t hc h e a pp r i c ea n d f i n e rc o r r o s i o nr e s i s t a n c e i ti so r e n l a r g e l yu s e di n t r a i nb o d y w o r k t h e r ea r ep l e n t yo fa l l o yl f e s o u r c e si no u rc o u n t r y , w h i c hi si nh i g h p l a c e i nr e s e r v eq u a n t i t yo f n o n - f e r r o u sm e t a ls u c ha sr e i nv i e w o f c o m p l i c a t ec l i m a t e o f o u r c o u n t r y , i ti sv i t a l l ys i g n i f i c a n tt od e v e l o p0 9 c u p t i r eb y t h en u m b e r s f o rs a t i s f y i n gt h en e e df o rs p e e d yd e v e l o p m e n to f r a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n , i ti s n e c e s s a r yt oi n c r e a s et h ep r e s s i n gr e s i s t a n c e ，c o r r o s i o nr e s i s t a n c e ，h i g ht e n a c i t ya n d h i g hi n t e n s i t yo f t h es t e e l t r a n s p o r to f f i c eo f r a i l w a yd e p a r t m e n ta n n o u n c e d an o t i c e o n “s u p p l y i n gt e c h n o l o g yc o n d i t i o n so fw e a t h e r i n g - s t e e lu s e di nr a i l w a yb o d y w o r k t h i sn o t i c eg i v e sh i g h e r r e q u i r e m e n t f o rw e a t h e r i n g - s t e e le s p e c i a l l yi nl o w t e m p e r a t u r e i m p a c tt o u g h n e s sa n dy i e l dr a t i o h o w e v e r , j i n a ni r o na n ds t e e lc o r p o r a t i o nc a n n o t p r o d u c eq u a l i f i e d0 9 c u p t i r eb y t h e p r e s e n tp r o c e s st e c h n o l o g y t h e r e b y , a c c o r d i n gt o t h ea c t u a lp r o d u c t i o nc o n d i t i o n , o p t i m i z i n gp m c e s sf o rp r o d u c i n g r e g u l a r0 9 c u p t d j , e s t r i ps t e e li nb a t c h i st h ep u r p o s eo f t h i st a s k i nt h i s p a p e r , t h es t u d yo b j e c ti s0 9 c u p t i r ep r o d u c e di nj i n a ni r o na n ds t e e l c o r p o r a t i o n ，i m i t a t i n g t h e s p o t h o t r o l l i n g c o n d i t i o na n d s t u d y i n g t h ee f f e c to n m i c r o s t r u c t u r e sa n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f0 9 c u p t i r es t r i ps t e e lo fh o tr o l l i n g s c h e d u l es u c ha sr o l l i n gt e m p e r a t u r e ，r e d u c t i o ns y s t e m ，d i s t o r t i o nr a t e ，c o o l i n gm o d e b e s i d e s t h o s e ，t h e f r a c t u r em e c h a n i s mi nl o w t e m p e r a t u r e i sa l s os t u d i e d t h e c o n c l u s i o ni sa sf o l l o w i n g ：w h e n0 9 c u p t i r ei sr o l l e di na u s t e n i t e n o n - r e c r y s t a l l i z a t i o n r e g m n 、o 、，oh ，a k ，o 、| oh i n c r e a s e i nt w o p h a s er e g i o n ，仃。仃hb o t he n h a n c e ， a k ，o ； oh m e e t w i t h d e s t r o y ；w h e n t h ea m o u n to f d r a u g h t i s h e i g h t e n e d i ns o m e s c o p e 山东大学硕士学位论文 o 。o h ，a k 。o ；| 口h i n c r e a s e w h e nt h ea m o u n to fd r a u g h ti s o v e ra c e r e t e d ，t h ee a c h t e c h n i c a li n d e x e sd e c l i n e ；d i s t o r t i o nr a t ed o n t g r e a t l ya f f e c tt h em j c m s t m c t u r ea n d p r o p e r t i e so f 0 9 c u p t i r ew h e ni tc h a n g e si nl e s sr a n g e ；a l o n gw i t ht h ea d do f c o o l i n g r a t e ，os ，o h g a i n ，a k ，o f o hr e d u c e ；t h ef r a c t u em o d ec h a n g e sf r o mc l e a v a g et o c a v i t ya n di m p a c tt o u g h n e s sl e s s e nw i t ht h ed e c r e a s eo ft h et e m p e r a t u r e ；t i n ya n d d i s p e r s e di n c l u s i o nc a nb l o c kt h ee x t e n do ft h ef r a c t u r e t h em o r ee x i g u o u s e ra n d d i s p e r s e d ，t h em o r ef a v o r e dt oi n c r e a s ei m p a c tt o u g h n e s s ，w h i c hd o n td o h a r mt oy i e l d r a t i o ；o nt h et w of a c t o ro f f i n a lp a s sr e d u c t i o na n d t e m p e r a t u r e ，t h el a t t e ri n f l u e n c e st h e i m p a c tt o u g h n e s s m o r e s t r o n g l y k e y w o r d s ：w e a t h e r i n g - s t e e l ，c o n t r o l l e dr o l l m g ，i m p a c tt o u g h n e s s ，f r a c t u r em o d e 山乐大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 钢铁腐蚀是钢铁与周围介质进行自发性的化学和电化学反应所造成的破坏。 曾经作过统计，我国每年为补偿巨大建筑工程的各种设备和结构的腐蚀损耗， 占年钢产量的4 0 。如果考虑到由此而造成的停工、停产和维修保养费用，则损 失更为惊人。例如美国1 9 7 6 年统计，因腐蚀造成的损失每年达1 0 0 亿美元。随 着世界工业的高速发展，对具有耐大气腐蚀性能( 简称耐候性) 的钢材需求量越 来越大。所谓耐大气腐蚀性就是钢材对大气腐蚀具有的抵抗能力。而耐大气腐蚀 钢是指在大气中比普通碳素钢具有良好耐蚀性的钢的总称。它只含有少量合金元 素，价格比较便宜。且具有良好的耐蚀性，其经济性十分明显，所以应用极为广 泛。 我国有丰富的合金资源，钒、钛、钨、钼、铌以及稀土等有色金属的储备量 都属于世界前列。加之，我国幅员辽阔，海岸线长，气候复杂。因此，根据我国 的气候特点，再加上耐候钢的诸多优点，系统地发展耐大气腐蚀用钢有十分重要 的意义。 1 2 耐候钢的发展概况 1 2 1 大气腐蚀环境分类及其特点 大气腐蚀可分为三种类型i i i ，乡村大气、工业性大气和海洋大气。由于不同 的气候因素和不同的大气污染性质，在钢表面生成不同性质的腐蚀产物，腐蚀行 为和特征也不相同。针对具体的使用环境条件来研制专用的耐大气腐蚀用钢，无 疑是必要的。 乡村大气污染度最小，钢材的腐蚀速度主要决定于所在地的降雨量、气温和 大气湿度。若环境条件使钢表面形成有利于进行电化学反应的湿膜，腐蚀就比较 严重。一般地况，普通钢材形成湿膜的临界大气湿度是6 0 7 0 9 6 ，超过此值，钢 的腐蚀速度就急剧增加。当然，钢种不同，临界湿度也有所不同。 钢在工业性大气中的腐蚀要比在乡村大气中严重得多，这是因为工业性大气 山东大学硕士学位论文 中含有对钢严重腐蚀性的污染物质，如s 吼、h 5 、n h t 、c q ! 、n 0 。和n o 、h c l 等等。 大气污染越严重，钢的腐蚀速度越大。经长期暴露后，工业性大气中的腐蚀速度 大致为乡村大气中的二倍。 海洋大气比乡村大气和工业大气具有更严重的腐蚀性，而不同的地理位置可 以有很大的差别。海洋大气对钢材腐蚀之所以严重，主要由于钢表面沉积盐粒 n a c l 、m g c i ! 等，它们有很强的吸湿性，即使在气候比较干燥的季节或地区，也 能使钢表面经常保持一层电解质湿膜，从而加剧钢的腐蚀。钢表面沉积盐粒多少 与海岸地貌、盛行风向、降雨量、距海岸距离或离海平面高度等因素有关。例如 美国在k u r eb e a c h ，n c 试验表明，大小为2 x 4 xt 8 英寸的碳钢试片分别在离 海岸8 0 尺和8 0 0 尺处进行暴露试验，经一年后试样失重分别为7 0 5 和5 8 克。 置于岩石海岸或者处于盛行风向由海洋吹向大陆中的钢结构，其腐蚀速度要比在 平坦海岸或盛行风向由大陆吹向海洋的情况下大得多。 1 2 2 耐候钢发展简史 早在本世纪初，欧美各国就重视耐大气腐蚀用钢。美国最先确定含铜钢在大 气中、特别是在工业性大气中的抗锈蚀稳定性。1 9 1 1 年，美国有两家公司出售称 为耐候钢的含铜钢，其铜含量为0 1 5 0 3 0 。图卜l 是由d e a v e s 和t r a p p 得出 的结果p l ：在工业性大气中，钢中含铜量由0 0 2 提高到0 2 0 时，可使钢每年腐 蚀速度由1 2 0 0 克米2 降到6 2 0 克米2 ，而继续提高含铜量超过0 3 0 时，不再 有更多的好处。事实上，高的含铜量不仅在资源上不允许，而且在通常的生产工 艺中难以克服热脆性弊病。 1 9 1 6 年，美国材料试验协会在工业地带、市郊和海滨大气条件下对2 6 0 种试 验钢所进行的大气暴晒试验结果表明9 1 ，c u 和p 能显著提高耐候性，从而出现了 c u p 钢。图卜2 显示了一般结构钢中含铜量及含磷量与工业性气氛中腐蚀损失的 关系，表明磷、铜复合添加比单一含铜钢更耐大气腐蚀。促使在c u p 钢基础上 进一步发展低合金高强度耐候钢主要有两方面原因：是c u p 钢虽在一般乡村 大气和工业性大气中具有很好的耐蚀性，但当环境条件十分苛刻时，例如在海洋 大气中，其耐蚀性就不很突出；二是出于钢中含有较高的磷，使钢的韧性和可焊 2 山东大学硕士学位论文 性显著下降，因而限制了在重要结构件上的使用。 未9 0 0 基 篓 6 0 0 3 ”- 一。坚竺。 0 01 0 2 0 3 0 o 5 古铜最 幽卜1不i 司含铜耸碳钢在i ：业或 乡村气氛r 的腐蚀损火 i 兰| l 一2 i ：业气氛r 碳钢的含铜 | 笠| 卜3 纯铁、碳钢、含铜钢与低合高强 磷域与脯蚀损火的关系 钢在海洋人气中的腐蚀性能比较 1 9 2 0 年，荚国u s s t e e l 公司丌始大规模研究耐候性的规律。用3 万片试样 在不同环境、不同条件的四个地区进行暴晒试验，发现钢中c u 、p 、c r 、n i 元素 适量的组合可获得优良的恻候性。并在1 9 3 3 年作为专利，丌始在市场出售，在 2 0 世纪6 0 年代人淞使j 于建筑和桥梁结构。这就是目6 u 【 ： = 界上广泛应用的 一棼墨莒。蔓一 一【一量言挂篷议n一豆逛 山东大学硕士学位论文 c o r t e n - a 钢，它在任何大气环境中均有良好的耐蚀性，堪称世界上高强度低合 金系耐候钢的先驱【3 i 。图卜3 是纯铁、碳钢、含铜钢及低合金高强度钢在海洋大 气中腐蚀性能的比较。很明显，低合金高强度钢比简单的含铜钢具有更好的耐蚀 性能。化学成分见表卜1 。 表卜1c o r t e n 钢化学成分( w t ) cm nsps i c uc rn i 0 1 20 抛500 50 0 7 0 1 502 5 0 7 50 2 5 05 503 0 1 5 00 6 5 国内耐候钢的发展较晚。我国铁道车辆以往全部使用碳钢制造，腐蚀严重， 从1 9 6 2 年着手研究含铜钢，1 9 6 5 年丌始投入生产。1 9 8 0 年武钢与铁道部协议， 着手c o r t e n - a 钢的仿制工作，并确定钢号为w s p ，其产品的耐候性、力学性能 及工艺性能均与国外的c o r - t e n - a 钢水平相当。至今，我国已形成有自己特点的 耐大气腐蚀系列钢种，其中有c u p 系列和c u 、p 、c r 、n i 系列。 1 3 耐候钢的成分特点 耐候钢与一般含铜钢的区别就在于钢中除含铜外，还含有磷、镍、铬和钛等 其它合金元素。根据各国研究，总的来说，耐候钢可大致分c u p 和c r c u 系两 种类型，前者适用于焊接性要求不太高的轻型薄结构件，后者适用于韧性和焊接 性要求高的钢结构。下面重点介绍c u p 系列中0 9 c u p t i r e 钢中各成分对耐蚀性 能的影响。 1 3 1c u 对耐大气腐蚀性能的影响 c u 是钢中最常用的耐大气腐蚀元素。以空气湿度不同，加入量也有所区别。 北方大气干燥，加入量一般为o 1 5 0 。2 5 ：南方空气潮湿，加入量0 2 5 0 3 5 。 含铜钢耐蚀机理，主要有三种见解】：一种是在大气腐蚀过程中，c u 起着活 性阴极的作用，促使钢产生阳极钝化，从而减缓了大气腐蚀：第二种是根据钢表 面有富集铜层这一现象，认为在锈蚀过程中，基体与锈蚀层之间形成一层很薄且 与基体牢固结合的铜层，随着腐蚀的发展，在锈层与铜层之间产生一氧化铜层， 4 山东大学硕士学位论文 此氧化铜层在较长时i d j 内是比较致密的，但后来也会逐步疏松，最后脱离基体而 剥落。氧化铜层剥落后，上述产生铜层的过程又重新开始。至于富集铜层中的铜， 是从溶解它的腐蚀介质中析出，还是由于铜和铁的溶解度不同而在钢表面富集， 这一点目前还尚不清楚；还有一种理论认为，由于钢中含有铜、磷等合金元素， 改变了腐蚀产物的吸湿性，使临界湿度显著提高。 1 3 2p 对耐大气腐蚀性能的影响 p 提高钢的耐大气腐蚀性能的机理，主要表现在p 元素是阳极去极化剂，在 电解质溶液中，加速钢的均匀溶解和f e 9 氧化速度，有助于在钢的表面形成均匀 纤铁矿( y f e o o h ) 锈层，促使生成非晶态羟基氧化铁致密保护膜，而提高耐腐 蚀性能。 在实际工作中，c u 和p 两者配合使用，提高耐大气腐蚀效果最显著。含c u 、 p 钢在腐蚀过程中，c u 、p 元素富集于靠近基体的锈层中，降低了f e ，0 。的结晶化 程度，形成连续致密，接近于非晶态的稳定锈层，此种锈层能够阻碍带有腐蚀性 的介质向钢体内部渗透，进而提高钢的耐大气腐蚀性能。 p 元素的加入对钢的其它性能具有不利的影响，p 恶化钢的韧性，特别是剧 烈降低钢的低温冲击韧性；另外，p 元素同时恶化钢的焊接性能，对于焊接结构 耐大气腐蚀钢一般不采用含p 钢。 1 3 3t i 元素在钢中的作用 由于t i 与n 的亲和力极强，形成t i n 颗粒，并且这种颗粒在11 5 0 0 以上就 开始形成。因此，在钢坯连铸、钢坯加热、带钢轧制等一系列过程中，t i n 颗粒 均能阻止奥氏体晶粒长大，阻碍形变奥氏体再结晶，细化晶粒。 微量t i 元素的加入还有下列作用1 ：固定了n 元素，阻止n 元素的析出， 提高钢板的抗时效性能：( 固t i n 在高温下包容氢原子，避免了氢原子的汇聚，减 少了焊接时的氢裂倾向，提高了焊接性能：t i c 微细质点的析出具有沉淀强化 作用；与钢中s ，m n 等形成粒状的复合必杂物改变了夹杂物的大小、形态及 分布，从而提高钢的冷弯性能川；提高热轧轧制力1 0 左右，对老设备不利。 5 山东大学硕士学位论文 1 3 4 稀土元素在钢中的作用 稀土元素具有高的化学活泼性，与钢中氧、硫、氢等杂质元素有很强的亲和 力和吸附作用，降低氧、硫的含量，减少了夹杂物与金属接触面的腐蚀场所1 2 0 。 在炼钢温度1 6 0 0 0 左右，稀土和氧、硫生成化合物的自由能很低，具有强烈的脱 氧、脱硫作用，生成的稀土氧化物、稀土硫氧化物和稀土硫化物的上浮排除，就 是所谓对钢液的净化作用。少量残留在钢中的夹杂物，其形态、大小和分布也都 发生了变化。在适当的钢中氧位和 r e s 比值下，生成的稀土夹杂被充分变性 为球状和椭圆状。r e 元素不但能使钢中硫化物球化，并在总夹杂量一定的情况下， 还使单位体积内央杂物的个数增加，提高了夹杂物的分散度，减少有害的大夹杂 物的数量，且有助于锈层与基体界面呈锯齿形。稀土元素对钢液的净化和变性作 用是相互关联的，对改善钢的冶金质量和各向异性，提高钢的冲击韧性具有极大 作用。 钢液中加入r e 元素降低了c u 的活度，提高了c u 的溶解度，从而提高了c u 在钢中的利用率。因此，含c u 耐腐蚀钢中加入r e 元素是合理的选择。r e 加入含 p 钢中，可减少p 的宏观偏析，使p 在钢中的分布更合理，因而充分发挥磷的耐 蚀性能。r e 元素在钢中与每种元素之间的相互作用，至今有的还不十分清楚，仍 需继续研究，尤其钢中r e 元素的加入方法还是冶金工业面临的难题。 1 4 耐候钢的性能特点 1 4 1 耐候性 以耐候性为最大特征的美国c o r - t e n 钢，其耐候性为普通钢的5 - 6 倍，为含 铜钢的2 3 倍。图卜4 为美国u s s t e e l 公司进行的耐候性试验结果1 3 1 。试验曲 线表明，c o r - t e n 钢第一年腐蚀速度最快，以后渐慢以至于停止。 关于耐候钢的耐候机理，国外进行了许多试验研究睁“】【2 ”，认为钢中由于添 a n - j 增加耐候性的合金元素而具有良好的耐候性。各种元素对钢的耐候性的影响 可综合示于图卜5 1 i 。由图可见，铜的影响最显著，故铜为耐候钢的必需元素， 磷、镍、硅为辅助元素。铜为o 2 时已能使钢具有良好的耐候性，迸一步增加铜 含量，则影响不大。铜与磷同时加入钢中。耐候性提高更显著。 6 山东大学硕士学位论文 0 孳 支5 0 芝相 嚣2 。 l o o 眸tl 骥鞋肄i1i 登掣崭千 i 8 i 缝脚肆。l 愕 1 七p f ；c o r t 鲥锕i i j 劳f tlii jb ，广 一 幽1 4c o t i e r l 钢住i ：业医剀卜5 合金元素对耐候性的影响 进行耐候性试验曲线( 1 密耳= o 0 2 5 毫米) 削候钢之所以具有致密性，关键在于它在大气腐蚀条件下生成了致密的稳定 锈层，抑制了水和i 氧气的渗透，几乎完全阻止了以后的腐蚀反应1 2 ”。对于铜磷系 耐候钔所_ i 成的锈层闷i 口已能用扫描咆镜、x 射线显微分析、x 射线衍射和电 解还原法弄清其结构。l 时候钢的稳定锈层有两层，上层是a 和y f e o o h ，下层是 铜、铬、磷浓缩并由此生成非常致密的非晶质晶石型氧化铁( f e 。0 ；) ，见图卜6 。 荔鄹l - ：t 刁雠孽：l 勰 黼辑 幽l 一6 耐候钢与等通碳素钢锈层结构情况图卜7 耐候钢耐磨试验情况 左耐候钢： 厶一斡通碳素钢 1 4 2 耐磨性 削候钢的l 刑磨性较普通钢高，抗拉强度5 0 公斤毫米? 级的耐候钢比普通6 0 公斤毫米：级的调质钢耐磨性好，与7 0 公斤毫米! 级的调质钢大致相当。根据 图1 7 所示的磨耗试验结果，耐候钢的磨耗量一般为普通钢的4 0 6 0 。耐候钢 在腐蚀j 不境r p 仍能保持良好的耐磨性i ，因此，对制造货车( 特别是漏斗车、煤 车、自卸车等) 来说，这一特点就更能得到充分的发挥。 1 4 3 涂漆效果 | | f | j 候钢的涂漆效粜比普通碳索 ；| j 9 好，防锈漆寿命是普通碳素钢的两倍多。表 山东大学硕士学位论文 1 - 2 为普通碳素钢、含铜钢、c o r t e n 钢试样防锈漆效果的比较。由表1 - 2 可见， c o r t e n 钢的涂漆层腐蚀最慢，特别是用氧化铁防锈漆的涂层效果最好。另外， 从观察郊区暴露1 4 年的涂层情况来看，普通钢的涂层全部腐蚀，c o r - t e n 钢的涂 层完好无损，并能继续起到保护作用。 表卜2几种钢材涂防锈漆效果 工业区荔区海滨 氯化铅防氯化铁防氯化船防t 化铁瞄氯亿船砧氯化蚨防 铸涂料 话馥锌格葭锌恬砬悻 蝣撩料铸豫科协涂料镑涂料备撩科 瞢迸蕞素锕 3 o2 02 52 o8 02 00c4 0 舍篇锕 4 0 55 08 5 02 05 oc5 o c o r t e n 锕 4 54 5cccc6 5 cc 普通碳素锕 9 09 02 59 9e 0 破少 1 0 8 古橱锕 5 01 0 31 03 0 徽步 5 0 c o r t e n 铜 1 0 散步徽步 o 蕞步徽步搬步 注：( 1 ) 试验材料均为热轧材料，含铜钢的铜含量为0 2 ； ( 2 ) 各试样均在大气中暴露一个月，用钢丝刷擦拭，涂以氧化铅、铬酸锌、 氧化铁的各种防锈涂料，最后再抹一层氧化铁防锈涂料。涂膜厚度2 5u ： ( 3 ) 使用年数为涂层剥离面积占整个面积2 时的使用年数； ( 4 ) 腐蚀率为8 年后显示出的严重腐蚀发生率； ( 5 ) c 表示8 年后涂层剥离在2 以下。 1 4 4 成型性能 为了保证耐候钢适用于铁道车辆，要求其具有良好的成型性能。综合加工硬 化指数n 、各向异性指数r 及成型极限图来看。耐候钢具有较好的各向同性性能， 冲压时不会出现制耳效应和硬化不均匀性2 】。 据称3 1 ，c o r t e n 钢丝毫不存在加工问题。从冷弯结果可见，冷成形没有问 题，热拉伸同样也不存在困难，最佳深拉温度为8 0 0 9 0 0 。c 。加镍( n i c u 1 2 ) 或钴时，由于形成难熔的c u n i ( c o ) 合金，铜的热脆的有害影响被消除。因此， 不含镍的耐候钢，含铜量应控制的低一些，以保证良好的成型性能。 1 4 5 焊接性熊 铜、磷是赋予钢以耐候性的元素，但又助长焊接裂纹。特别是当含磷量达到 r 山东大学硕士学位论文 0 1 以上影响更大i ”i ，这是因为当焊接金属凝固时，磷促进低熔点夹杂物的生成， 既易于产生高温裂纹，又增加低温裂纹敏感性，使焊缝的延展性和韧性变坏。然 而，磷对钢的有害作用与钢中含碳量有关，降低含碳量而使钢中碳和磷的总含量 不超过0 2 5 时，则可防止冷脆倾向。当耐候钢的含碳量和含磷量均不超过0 1 2 ， 碳和磷的总含量最高不超过0 2 4 时，可解决磷对耐候性有利而对焊接性有害的 矛盾。含铜量低于0 5 5 时，对焊接性危害不大口i 。 1 5 耐候钢的工艺理论研究 耐候钢属工程构件用钢。需要指出i ，般对工程构件用钢同时要求具有高 的使用性能和高的成蛩陛能的提法是不切实际的。因为这两者各有其组织结构和 强韧性配合的独特要求，例如前者要求具有细小的晶粒，而后者则相反的要求较 粗大的晶粒；前者要求高的盯，、盯，o 比值和一定的塑性，而后者要求较低的盯。、 盯比值和高的塑性。工程构件要求高的使用性能，如2 0 0 0 年铁道部颁布的 铁道车辆用耐大气腐蚀钢供货技术条件中要求0 9 c u p t i r e 钢扳一4 0 c 冲击功 大于2 1 j ，屈强比小于0 7 2 。因此，这里只讨论提高其使用性能的途径，而使用 性能的提高主要依靠细化晶粒的强化机制。下面将着重讨论有关铁素体基体晶粒 细化的问题。研究指出t i l l 6 | ，影响耐候钢的强韧性配合发挥作用的因素有： ( 1 ) 珠光体 归纳起来，碳原子大体上是以三种不同方式存在于钢中而 与位错产生交互作用的，即在铁素体点阵的间隙固溶、在刃位错和螺位错附近的 气团以及第二相粒子界面。在此，c 的作用方式是片状或粒状的渗碳体。所以， 钢中珠光体的强化作用实际上是c 的强化作用的反映。对于低c 的铁素体一珠光 体，一般当c o 1 时，珠光体量只约有1 0 1 5 ，在此范围内，改变珠光体量基 本上不影响屈服强度，但在流变阶段，对位错运动起阻碍作用，提高加工硬化率 和抗拉强度；另外，对冷脆转化温度有不利影响。因此，常不采用增多珠光体量 的办法来达到强化的目的。 ( 2 ) 晶粒尺寸 等轴状铁素体晶粒的细化对抗拉强度作用不大，但能有 效地增高屈服强度，同时又降低冷脆转化温度，铁素体晶界前很少有位错塞积的 现象。层错能高的铁素体细晶粒晶界可向晶粒内放出更多的点阵位错，从而可取 9 山东大学硕士学位论文 得更大的加工硬化效应；另一方面，铁素体晶粒为均匀形变，以及为多个晶粒同 时参加形变建立了条件，因而有利于塑性形变的发展。铁素体的细化晶粒是可以 将强度和塑性、韧性很好协调起来的唯一组织因素，是一个同时对钢强韧性的优 化都有价值的组织因素。这就是铁素体的细晶粒强化效应之所以受到重视并在实 际上获得广泛应用的原因。铁素体晶粒细化首先需要奥氏体晶粒细化，奥氏体晶 粒长大是一个与其晶界推移有关的过程，合金元素的第二相质点与原子在晶界和 亚晶界的布有着钉扎或拖曳晶界的作用，从而阻碍晶界推移。t i 元素的细化晶粒 作用便很强，所以耐候钢中常加入这种元素。 ( 3 ) 第二相微粒第二相沉淀在强度和韧性两方面都表现出明显的作用。 现在倾向于将第二相沉淀和晶粒细化这两个强化效应结合起来使用。t i 的碳、氮 化合物溶解度较高，在通常的正火加热条件下，部分沉淀相粒子未能溶解，其中 分布于晶界与亚品界上的第二相粒子有有抑制奥氏体晶粒长大的作用，因而有可 能获得细的铁素体晶粒，但不起强烈的硬化作用，或许还可造成组织的不均匀性。 为取得沉淀强化作用，有一个先决条件，那就是合金化合物在奥氏体中预先溶解。 若令含t i 的耐候钢产生沉淀强化作用，就必须提高奥氏体化温度，以便让更多 的t i 化合物发生溶解。但这样便将细化晶粒所必要的t i 化合物微粒也都溶解掉， 以致难以避免奥氏体晶粒粗化，于是导致粗大的铁素体晶粒。结果在铁素体基体 上均匀分稚着的第二相质点有利于屈服强度的提高，而铁素体的晶粒粗化却又同 时不利于屈服强度和冷脆转化温度的改善，显然这是一个矛盾。 在热轧条件下。耐候钢中微量t i 对铁素体的细晶粒强化和沉淀强化作用有 一定的变化规律，当t i 含量小于o 0 4 时，t i 元素的变化表现出强烈的细化晶 粒强化作用；当t i 含量大于0 0 4 时，细化晶粒强化作用保持不变，沉淀强化作 用随着微量t i 的增多而线性增高。 从以上分析可以看出：( 1 ) 变形温度是促成相变的前提条件，它对相的状态 有明显的影响。某钢厂在0 9 c u p t i r e 钢热轧试验中1 4 1 ，测得其相变点为a c 7 1 5 c ， k ；9 2 5 c ，a 。6 5 5 c ，a 。8 5 0 c 。因此其终轧温度要求高于a 。( 8 5 0 ( 2 ) 以上 2 0 3 0 c ，以免产生先共析的铁索体，使在后几道次轧制中，出现拉长的最终组 织，影响产品的塑韧性指标。( 2 ) 铁素体晶粒细化首先需要奥氏体晶粒细化，但 1 0 山东大学硕士学位论文 i 是仅靠细化奥氏体晶粒的办法来细化铁素体晶粒的作用还是很有限的，若能降低 轧制温度，使奥氏体于末再结晶状态下受到压缩，使铁素体晶粒不仅于晶界而且 于滑移带处大量生成时，则将会得到更小的铁素体晶粒组织，使材料的强韧性得 到更大的提高。( 3 ) 含铜0 2 o 3 的钢如在强氧化气氛中长时间高温加热，在钢 的表面氧化铁皮下会富集一薄层熔点低于11 0 0 c 的富铜合金。此合金约在1 1 0 0 时熔化，并侵蚀钢表面层晶界，使钢在加热及热加工时丌裂，钢表面形成可见 的无规则的曲折裂缝，多在钢带边部产生，轻者需要表面清理，重者造成钢材报 废，这种现象被称作含铜钢热加工敏感性，需要严格制定烧钢制度来解决。 1 6 选题背景及主要研究内容 铁路是国家重要的基础设施，铁路运输是国民经济能否迅速发展的关键，而 铁路运输速度的提高则取决于铁路技术装备的提高。为满足铁路运输的飞速发展 对钢材耐冲压、耐腐蚀、高韧性、高强度的需要，2 0 0 0 年4 月铁道部运输局下发 了运装货车字( 2 0 0 0 ) 第1 3 7 号文“关于印发铁道车辆用耐大气腐蚀钢供货技术 条件的通知”。“通知”对铁道车辆耐大气腐蚀钢提出了更高的要求。铁标 中的0 9 c u p t i r e - a ( & p 新0 9 c u p t i r e ) 对应原g b 4 1 7 1 中的0 9 c u p t i r e ，技术指标做 了较大幅度的提高。新0 9 c u p t i r e 钢与济钢原生产的0 9 c u p t i r e 钢相比有以下五 个特点： ( 1 ) r e 由原来加入量改为钢的成分含量( r e = o 0 1 0 0 0 4 0 ) ： ( 2 ) 钢板一4 0 c 横向冲击功大于2 1 j ； ( 3 ) 钢扳屈强比小于0 7 2 ： ( 4 ) 氧化物央杂不大于2 0 级，硫化物央杂不大于2 5 级； ( 5 ) 耐腐蚀性能指标相对腐蚀率不大于6 3 ( 对比q 2 3 5 a ) 。 以上特点同时也是生产该钢种的技术难点，显然常规生产工艺难以生产出合 格的新0 9 c u p t ir e 钢板。根据济钢实际的生产条件，在实验室研究了热轧工艺参 数对0 9 c u f r i r e 钢组织和性能的影响，以及0 9 c u p t i r e 钢在低温下的断裂机理， 寻求最佳生产工艺。以实现批量生产合格的新0 9 c u p t i r e 钢板。 山东大学硕士学位论文 第二章0 9 c u p t i r e 钢热轧工艺的试验研究 0 9 c u p t i r e 钢是使用面广，需求量较多的一个耐候钢种，与国内以往的生产 工艺相比，其质量已有所提高，但是，在低温冲击韧性及性能稳定性方面仍然有 欠缺，因此，需要探讨进一步提高0 9 c u p t i r e 钢质量特别是低温韧性的生产工艺， 使之成为综合肚能良好，能满足低温用钢要求的良好用钢。为此，本工作模拟现 场生产条件，主要对后三道轧制温度、压下制度( 压下量、涮歇时间) 、变形速 率、冷却方式( 空冷、在一定温度下保温) 对组织和性能的影响进行研究，探求 影响0 9 c u p t i r e 钢组织和性能的因素及其作用规律，为现场生产新0 9 c u f r r i r e 钢 提供试验依据和技术支持。 2 1 试验细节 2 1 1 试验材料 试验用钢板取自济南钢铁公司生产的0 9 c u p t i r e 钢板，经转炉冶炼和连铸成 坯，连铸坯通过加热炉加热至11 5 0 c ，保温1 小时后进行s l n 。从热轧粗轧后的 板坯上切取，每个小坯料尺寸为2 7 5 x1 8 0 x 3 0 ( r a m ) ，共1 0 块。坯料的化学成分 见表2 - 1 。 表2 一l 试验钢的化学成分( w t ) cs im npsc ut i r e o 0 80 2 4o 4 20 0 8 50 0 2 00 3 1 4o 0 1 5 0 2 2 2 1 2 热轧试验过程 热轧试验是在由陕西压延设备厂生产的二辊可逆式轧机上进行的。该轧机各 项参数为： 速比：2 0 i 7输入功率：1 1 0k w轮廓尺寸：2 5 0 1 4 0 x1 7 0m m 重量：8 7 0 0k g输入转速：1 0 0 0r p m 板坯加热炉为高温箱式电阻炉，炉温由温度控制柜来控制，各项参数为： 型号：r x ，3 7 一l ：j额定功率：3 7k w 最高工作温度：1 3 5 0 相数：3 相额定电压：3 8 0v工作室尺寸：8 1 0 x 5 5 0 x 3 7 5m m 2 山东大学硕士学位论文 板坯装入加热炉中随炉升温，到1 1 5 0 c 后保温1 小时，开轧温度为1 0 8 0 c 。 板坯出加热炉后共进行6 道次轧制，煎3 道次不控制温度直接轧制，后3 道次待 温按照轧制方案进行( 每道次相差5 0 c ) ，经6 道次轧制后，得到厚度为l o m m 的 试验钢板。具体轧制方案见表2 2 。 从表2 - 2 中可以看出，n o 1 、n o 3 试样压下制度相近，n o 5 、n o 6 、n o 7 试样压下制度完全相同，其它工艺条件相同只有终轧温度不同。因此，可以把 n o 1 、n o 3 试样和n o 5 、n o 6 、n o 7 试样各作为一组，讨论终轧温度对0 9 c u p t i r e 钢组织和性能的影响。 n 0 1 、n o 6 试样的终轧温度均为8 9 0 c ，n o 2 、n o 4 、n o 7 试样的终轧温度 均为8 5 0 c ，其它工艺条件相同只有压下率不同，因此可以把n o 1 、n 。6 试样和 n o 2 、n o 4 、n o 7 试样各作为一组来讨论压下率对0 9 c u p t i r e 钢组织和性能的影 响。 n o 7 、n o 1 0 试样的轧辊速度不同，各为0 7 5 m s 、0 5 0 w s ，其它工艺条件 相同，因此可以把n o 7 、n o 1 0 试样作为一组来讨论轧辊速度对0 9 c u p t j r e 钢组 织和性能的影响。 n o 7 、n o 8 、n o 9 试样的轧制速度都是0 7 5 m s ，其它工艺条件相同只有轧 后冷却条件不同，因此可以把n o 7 、n 0 8 、n o 9 试样作为一组来讨论轧后冷却 条件对0 9 c u p t i r e 钢组织和性能的影响。 温度测量采用便携式红外温度测量仪器，此仪器无需接触物体即可测量物体 表面温度，它接收所测目标辐射的红外波段能量，然后计算其表面温度。各项参 数为： 型号：3 i l r l 3船准方式：单激光 光学分辨率：1 2 0 ：1 光谱范围：8 1 4 埘测温范围：一3 0 1 2 0 0 c 热轧板在轧后空冷，或者在轧后利用水幕进行冷却，通过调节水幕的水量控 制轧后钢板的冷却速度。然后，在箱式电阻炉中保温，此炉各项参数为 型号：r x ”- - 3 7 7 6 x3 1 额定功率：3 0k w 最高工作温度：9 5 0 相数：3 相额定电压：3 8 0 2 2 0v 工作室尺寸：7 6 0 x3 7 0 x3 1 0 m m 3 山东大学硕士学位论文 董 蠢 亘 赠赠 苔 毯账 赠 pp 鹾 gg pp 址 oo 礤佥愈佥史史佥史 兰 宝 佥 嚣州州州州州州州 h州 剥 佥 佥佥 * 削 删。 u ，l t du u ， 卜卜卜t - t - - i n 毒 宣 o oo ooo o o o o o o oooo ot t 3 一 o p 0 00 00 0o 。 o o0 0 艇o o o o o o o ooo 娟 寸o o o o呻oooo 口og ooooo 纂 露o o ooo o oooo 一 u o o o口o o ooo mnnn 重 皿母| i dt t 3 n 刨 妪