低合金高强耐候钢的性能研究

低合金高强耐候钢的性能研究

与普通低合金高钢相比，抗逆性低合金高钢具有cu、cr、ni等元素的添加，具有良好的耐腐蚀性和力学。研究普遍认为Cu和Cr元素对合金耐腐蚀性能有明显的提升作用,而其中Cu元素的作用最为显著,其可通过在钢的表面形成致密的保护性锈层,从而提高耐候钢的耐腐蚀性能,郝献超等研究发现,Cu和Cr元素协同作用明显改善了合金在含Cl-海洋环境中的耐蚀性能。然而,虽然Cu元素在提高合金耐蚀性的作用已经十分明确,但关于Cu与Cr协同加入时,尤其在模拟酸性的内陆大气环境中的作用,尚缺乏详细的探讨。同时文献中研究Cu元素对合金力学性能的影响均在Cu含量大于1%时,而对于Cu含量相对较低的耐候钢,其对力学性能的影响却鲜见报道。因此,研究Cu和Cr元素对合金的力学性能及耐腐蚀性能的影响规律,不仅可对二者各自的作用机理起到补充的作用,同时对低合金高强耐候钢的生产和应用有着重要的指导意义。本文以普通的低合金高强度耐候钢为基础,设计了不同Cu含量和Cr含量的耐候钢,研究Cu和Cr对耐候钢力学性能的影响规律,并探讨二者协同作用对合金耐腐蚀性能的影响。1实验材料和方法1.1试验结果及化学成分设计了具有不同Cu含量和Cr含量的耐候钢各4种,其中一种元素含量变化时,另一种元素含量保持不变。冶炼不同Cu含量合金时,首先利用真空感应熔炼冶炼50kg的母合金,然后等分成4份,分别加入不同量的Cu再重新熔炼,制备成4种不同成分的铸锭;采用相同的方法冶炼不同Cr含量的合金。得到8种合金主要的化学成分见表1。将打磨后的铸锭在1050℃锻造成35mm厚的板坯,并在1050℃下轧制成14mm厚的钢板,然后在650℃进行保温20min空冷的退火处理。1.2试样的制备采用OlympusDP12型光学显微镜对试样进行微观组织观察。试样用砂纸逐级打磨至2000号后抛光,浸蚀剂采用8%的硝酸酒精,浸蚀时间为8s。采用HITACHIS-3400型扫描电镜对合金拉伸断口及冲击断口进行观察。1.3冲击性能测试参照国家标准GB/T228-2002制备M10mm×55mm的拉伸试样,试验设备为AG-100kN电子万能试验机。试验温度为室温(约为25℃),拉伸速率为2mm/min。每组试验进行3次,试验结果取平均值。根据国家标准GB/T229-2007进行冲击性能测试。实验设备为RKP450型示波冲击试验机,试验标准打击能为450J。冲击试验的试样尺寸为10mm×10mm×55mm,V型缺口。对于低温冲击试验,试样浸入由无水乙醇和液氮所配制的一定温度的溶液中保温10min,以保证整个试样达到所要求的温度。1.4周期浸渍试验周期浸润试验的试样尺寸为100mm×50mm×2mm,经磨床加工表面精度Ra达到0.7μm。试验前打孔打号,然后用丙酮和酒精清洗后称重,质量精确到0.001g。周期浸润试验在DW-UD-3型浸渍干湿复合循环试验机内进行。浸润溶液为0.01mol/L的NaHSO3,每个循环周期为60min,其中在温度为40℃的条件下浸渍6min,再湿润6min,然后在温度为50℃干燥48min。试样加速腐蚀72个周期。试样腐蚀后按如下方式计算失重率:式中:W为腐蚀失重率,单位g/(m2·h);G0、G1分别为试样原始质量和腐蚀除锈后质量,单位g;a、b、c分别为试样的长度、宽度和厚度,单位mm;t为实验时间,单位h。每组取5个平行试样,取其平均值。2结果与分析2.1cr含量对金室温下金合金组织的影响分别对不同Cu和Cr含量的实验室冶炼合金进行微观组织观察,其组织形貌如图1所示。可以看出,各合金室温下的组织均由黑色的珠光体和白色等轴状的铁素体组成。随着Cu含量的增加,珠光体形态略有变化,合金中铁素体的含量减小;而随Cr含量的增加,珠光体含量略有增加,横向带状组织也更为明显。同时,不同Cu和Cr含量的钢的铁素体晶粒大小相对比较均匀,都保持着较高的晶粒度,晶粒尺寸约为20μm。2.2cu和cr0.65合金的拉伸断口观察对不同Cu和Cr含量的合金的进行拉伸性能测试,根据实验数据作出合金力学性能与Cu元素含量关系图,如图2所示。从图2(a)中可以看出,当Cu含量为0.11%时,合金的屈服强度只有339MPa,随Cu含量增加,合金的屈服强度逐渐升高,超过了350MPa,虽然伸长率略有下降,但是都超过30%,说明合金具有优良的强度及塑性。而Cr含量从0.26%变化到0.85%,钢板的屈服强度均超过了350MPa,并且略有上升,这是由于Cr的固溶强化所致。由合金的拉伸应力-应变曲线经过转化可得真应力-真应变曲线,然后对该曲线求导则可得到合金的加工硬化率曲线。图3和图4分别为不同Cu含量和不同Cr含量合金的拉伸真应力应变曲线和加工硬化率曲线。与工程应力应变曲线相对应,合金的加工硬化率曲线也分为几个阶段,如图3和图4所示。A之前对应弹性变形阶段,AB间对应屈服阶段,BC对应加工硬化阶段,C之后对应塑性失稳阶段。其中BC段用以表征材料的加工硬化能力。从图3中可以看出,Cu0.11和Cu0.52两种合金的加工硬化率曲线几乎重合,即Cu含量从0.11%增加到0.52%,合金的加工硬化率并没有明显的增加;同时Cr含量从0.26%增加到0.85%,合金的加工硬化率曲线同样没有明显变化。但是值得注意的是,不论是Cu含量增加还是Cr含量增加,合金的加工硬化率曲线波动更为明显,应该是合金元素引起应力集中所致。利用扫描电镜(SEM)对Cu0.52和Cr0.85合金的拉伸断口纤维区进行微观形貌观察,如图5所示。可以看出,两种合金的断口并没有明显差别,断口中均呈现韧窝形貌,表现为典型的韧性断裂特征,这与合金具有较高的伸长率一致。2.3cu含量对合金冲击韧性的影响分别在RT、0、-20、-40、-50和-60℃6个温度对不同Cu和Cr含量的合金进行冲击性能测试,测试结果如表2及表3所示。表2为不同Cu含量合金的冲击性能结果,从表中可以看出,从室温至-60℃的温度范围内,不同Cu含量合金的冲击韧性值都比较高,达到300J左右,仅有Cu含量为0.11%的Cu0.11合金在-60℃时的冲击功较低,但也超过了100J,这说明合金具有优良的低温冲击性能,这一方面是由于合金的晶粒比较细小(如图1所示);另一方面,合金在断裂前产生了严重的塑性变形。图6为合金冲击断口纵截面的形貌图,可以看出在裂纹尖端附近,铁素体和珠光体都发生了明显的塑性变形,吸收了冲击过程的大部分能量,因而使得合金具有良好的冲击性能。虽然合金的冲击功均比较高,没有明显的脆性断裂,但是随测试温度降低,合金的冲击功出现了明显的下降,并且合金Cu含量从0.11%到0.52%,韧脆转变温度从-60℃上升到了-20℃,这说明Cu元素的加入,使得合金的冲击韧性有了一定的损失。这是由于随Cu含量的增加,合金中珠光体含量也增加,如图1(a)、1(b)所示。作为合金的强化相,珠光体在合金塑性变形时更容易产生应力集中,因此高Cu含量合金的冲击韧性对温度更为敏感,即在较高的温度就产生了明显的冲击功下降。同时由二元相图可知,室温下Cu在Fe中的溶解度为0.3%左右,因此随Cu含量增加,超过基体的溶解度,则会有部分Cu以ε-Cu的形式析出,这也会使得合金在冲击过程中产生应力集中,导致一定的塑性损失。因此随Cu元素含量增加,合金的冲击韧性逐渐下降。表3为不同Cr含量合金不同温度的冲击测试结果。可以看出,不同Cr含量的钢冲击吸收功都比较高,室温下超过300J,-60℃也能达到200J,并且数值间的稳定性也比较好。当Cr含量为0.85%时,合金的韧脆转变温度为-20℃左右;而当Cr含量较低时,合金韧脆转变温度都在-30℃以下。一般认为,当合金中加入Cr含量小于1.2%时,能够提高合金的室温冲击韧性。本研究发现,随Cr含量增加,合金韧脆转变温度的升高,可能是由于Cr元素固溶于铁素体中,塑性变形时产生应力集中,因此低温冲击时更容易发生断裂。图7为Cu0.11合金在室温和-60℃的冲击断口宏观形貌。其中图7(a)中可以看到明显的剪切唇和撕裂棱,表面合金断裂前发生了严重的塑性变形,吸收了较多的能量,因而冲击功比较高;而在-60℃的冲击断口图7(b)则较为平坦,出现了明显的解理断裂的特征。图8为该合金分别在室温和-60℃的冲击断口的微观形貌,可以看出,当测试温度为室温时,合金纤维区由大量拉长的韧窝组成,这是其冲击韧性高的主要原因;而-60℃时的断口则出现了明显的河流花样,为解理断裂,同时断口中没有出现沿晶裂纹,这与其100J左右的冲击功是相对应的。2.4cu和cr元素的联合应用不同Cu和Cr含量的合金经72h的周期浸润腐蚀后所测得的腐蚀失重对比如图9所示。当合金中的Cu含量较低时,合金的腐蚀失重率高达1.73g/(m2·h),但是随着Cu含量的增加,合金的失重率明显降低,当合金中的Cu含量达到0.28%时,腐蚀失重率为仅为1.20g/(m2·h),不足Cu0.11合金失重率的70%。这充分说明Cu元素具有提高合金耐腐蚀性的作用,同时从图9(b)中可以看出,随Cr含量从0.26%变化到0.85%,合金的腐蚀失重率并没有明显的变化,基本维持在1.20g/(m2·h)左右,这表明单独增加Cr元素的含量对合金的耐腐蚀性能没有明显的提升作用,只有通过二者的联合加入才能大幅度的提高合金的耐蚀性。随着Cu含量的增加,合金的腐蚀失重率在一定Cu含量范围内逐渐保持稳定,但当Cu含量达到0.52%时,合金的腐蚀失重率进一步下降,仅为1.00g/(m2·h)。图10为Cr0.26合金和Cu0.52合金的锈层截面形貌图,该合金Cr含量分别为0.26%和0.41%,Cu含量分别为0.29%和0.52%。从图中可以看出,Cr0.26合金锈层厚度超过30μm,并且锈层与基体减产生了明显的裂纹,而Cu0.52合金锈层厚度仅为20μm左右,并且沿长度方向比较均匀,这与其较低的腐蚀失重率是一致的。同时,合金锈层比较致密,可以有效地防止基体受到进一步的侵蚀,这也说明Cu和Cr两种元素的加入明显提高了合金的耐腐蚀性能。上述研究结果表明Cu和Cr元素的联合添加可以大幅提高低合金高强耐候钢的耐腐蚀性能。这是由于合金在腐蚀过程中,基体逐渐被腐蚀介质侵蚀,Cu元素从基体中脱离出来,在基体表面沉积并逐渐积累,这便形成了Cu元素在锈层内部的富集,阻塞腐蚀介质直接接触基体的通道,降低了腐蚀速率;Cr元素在腐蚀过程也富集于基体表面,形成铁铬铜的多元合金氧化物,填塞锈层的微裂纹和孔洞,从而增加锈层的致密度。在钢表面富集的Cu和Cr元素协同作用