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加硼低合金高强度H型钢的研究与开发

崔国涛  
【摘要】:H型钢是一种截面面积分配更加优化、强重比更加合理的经济断面高效型材,具有抗弯能力强、施工简单、节约成本和结构重量轻等优点,已被广泛应用于高层建筑、工业厂房、桥梁结构、船舶港口、石油钻井平台等方面,所以H型钢是我国提倡发展的型材品种之一。随着低温地带资源开发和高技术领域应用,用户对高强度、高韧性(特别是良好的低温韧性)H型钢的需求量越来越大。 本课题研究的开展是鉴于在成分和工艺优化前,企业试制的原Q345E H型钢存在低温冲击韧性波动较大且-40℃冲击韧性不合要求的问题。为了找到一条适合当前生产条件的成分和工艺路线,本研究尝试从成分设计上寻求突破,首次将硼引入到低温用H型钢的开发中。经历原生产钢分析、实验室冶炼钢研究和实际生产线应用,成功开发出了具有自主知识产权的新型加硼Q345E大H型钢及其生产技术。生产出来的H型钢在热轧态即可满足-40℃低温应用的要求,为企业带来了丰厚的经济效益和社会效益,提升了我国高端H型钢的竞争力。 在本研究中,综合利用了常温拉伸试验、系列温度冲击试验、热模拟试验、光学显微镜、体视显微镜、电子探针、扫描电镜、透射电镜等试验方法和检测手段,系统研究了不同条件下的试验钢的组织和性能。本研究的重点是硼对组织和性能的影响。在以往的研究中,硼主要用来提高钢的淬透性,而在本研究中通过添加微量的硼,来达到改善低温冲击韧性的目的。 本文的研究步骤为:第一步,以企业当时试制的原Q345E H型钢为研究对象,对钢材的性能和组织进行了测试和分析,评估了其低温冲击性能,探讨影响其韧性的组织和冶金因素。第二步,提出加硼改善低温冲击韧性的思路,在实验室冶炼不同硼含量的试验钢,研究微量硼对试验钢组织和性能的影响,探寻加硼思路的可行性,并初步探讨韧化机理。第三步,对含硼试验钢进行热力物理模拟试验,研究此新钢种的相变行为,为工业化生产提供工艺参考,也为热处理工艺提供知识储备。第四步,在实验室研究的基础上指导工业化应用,并对工业化新产品进行组织和性能的研究,综合探讨韧化机理。 通过对实验室冶炼钢研究发现,硼的加入显著降低了钢的韧脆转变温度,使得钢在-40℃时的低温冲击韧性获得大幅度的提高,其冲击功远大于国标要求。强度及延伸率也没有因为硼的加入而降低。硼的加入改变了Nb(C,N)粒子的尺寸和分布,使之更均匀且弥散化,细化了转变后的铁素体晶粒,达到细晶强化的目的。钢中大部分的硼以固溶状态存在,只发现极少量的Fe23(C,B)6。硼在晶界的偏聚能够防止P、S等杂质元素的晶界偏聚,加上硼自身具有提高晶界结合力的作用,从而降低了材料的韧脆转变温度,提高材料的低温冲击韧性。 通过热力物理模拟试验,研究了含硼钢的相变行为,制定了适合当前生产条件的轧制工艺,以指导实际生产应用。加硼Q345E大H型钢的生产工艺路线为:钢坯在1250-1300℃进行均热,并保证出钢温度在1250℃以上。钢材的终轧温度范围在890-930℃之间,轧后可快冷至750℃上冷床再自然冷却。轧制过程中的总变形量、道次变形量等参数保持不变。 通过工业生产发现,生产的含硼H型钢的低温冲击性能获得大幅度的提高,证明工业化生产加硼H型钢的可行性。加硼后的H型钢中仍然存在有带状组织,但是其低温冲击功却有明显的提高,特别是在-40℃时的低温冲击功远高于国标规定值,说明带状组织不是决定H型钢冲击功高低的主要因素。通过对比同等晶粒度的含硼钢和无硼钢的低温冲击韧性,证实了硼的晶界强化对低温韧性的有效作用。因此,微量硼提高低温冲击韧性的机理归结为:(1)晶粒细化:硼和铌的复合作用使晶粒细化提高韧性;(2)晶界强化:硼在晶界的偏聚可抑制硫磷的沿晶偏聚及其引起的低温脆断,硼自身也能够提高晶界结合力,从而提高了低温冲击韧性。


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