铌在高强度可焊接工字钢和其它结构钢中的应用(上)
<p> 高强钢对于近10年冶金工业发展意义重大,目前能够满足强度、塑性、韧性、成形性和焊接性的要求,使低成本钢材年产量占世界结构钢的10%左右。</p><p> 回顾高强度结构钢的发展历程。20世纪初期,结构工程师们使用的单一品种钢,这种钢被称为“低碳钢”,意思是“低碳、柔软、易加工”,低碳钢没有特意使用除碳以外的合金元素进行强化,钢中的Mn用于脱氧,还含有稳定的硫化物,一般认为低碳钢化学成分范围:0.1%~0.25%C,0.4%~0.7%Mn,0.1%~0.5%Si,其余为S、P和其它元素。低碳钢的屈服强度约为250MPa。</p>
<p> 在1940年以前,对结构钢的主要要求是增加抗拉强度。为获得较高强度,C含量增加到0.3%,Mn含量达到1.5%左右,这种钢的应用范围不广,适应不了现代高强度结构钢的要求。它具有如下缺点:(a)厚度达到30mm的钢材,屈服强度太低,只能达到360MPa;(b)厚度增加时屈服强度下降的幅度很大;(c)高的C、Mn含量使钢的焊接性能变差;(d)断裂韧性比低强度钢低。</p>
<p> 与其它材料,尤其是钢筋混凝土的竞争,促进了结构钢的发展。为保证市场份额,开发了很多简便的生产和精炼技术,这使得对钢的焊接性和缺口冲击韧性越来越高。对1942~1949年期间发生在桥梁和船舶,尤其是著名“自由轮”的金属断裂行为进行的调查和研究,奠定了金属断裂力学的基础。</p>
<p> 主要通过以下工艺提高钢的性能:限制C含量;提高洁净度,包括降低S、P含量;Al脱氧,微合金化,常化轧制和后来的控制轧制。上述工艺细化了钢的组织,提高了钢的强度和韧性。</p>
<p> 1960年以后,修订的标准中介绍了一些新的钢号:法国的DIN17102标准、英国的BS4360标准、法国的NFA35-504标准。这些国家标准成为后来欧洲统一标准———细晶粒钢EN10113的基础。已有研究工作制订了钢抗脆性断裂的判定原则。这些工作将通常的缺口冲击试验结果和KIc值用于断裂机制。</p>
<p> 在下列条件下,需要材料具有更高的韧性:疲劳载荷下的工程结构;低的服役温度;高屈服强度;厚断面钢材。新的欧洲建筑设计规范包括了最小冲击功为27J时的温度,并依此选择相应钢号等内容。</p>
<p> 北极地区的海洋工业发展极大地促进了结构钢的发展,该地区需要在严酷的低温条件下装配工程结构。由于海洋结构承载能力有限,且随着深海石油和油气田的开发,对海洋结构而言,减轻重量成为当务之急,高强钢成为焦点。对这些苛刻环境下使用的钢材,制订了专用标准,如EN10225或API2MT2。</p>
<p> 生产工艺</p>
<p> 长条材既可用氧气转炉冶炼,也可用电弧炉冶炼,并更多地采用连铸工艺生产。连铸成小方坯、大钢坯和扁锭,作为半成品,最近也连铸成工字钢形状。根据1964年的试验,1968年开始了工字钢的近终形铸造。该技术后来被日本的川崎、日本钢铁和日本钢管、美国的纽科Yam?ato、Chaparrol和西北钢铁公司、欧洲的ProfilARBED等公司采用。</p>
<p> 欧洲PrefilARBED集团公司热轧产品的不同类型的半成品。工字梁的最大宽度达1118mm,或者最大厚度达到125mm。热轧工字钢占结构钢的比例很大。因此下面的讨论虽集中于工字钢,但其主要原理同样适用于等效厚度的其它钢材。</p>
<p> ProfilARBED公司生产大工字钢的钢水由电弧炉冶炼,连铸成工字钢。连铸后,初轧前,工字钢在步进炉中重新加热,由两台可逆万能轧机轧制并由万能轧机终轧。轧机孔型不同,轧制产品的断面不同。</p>
<p> 1大工字钢的传统轧制工艺</p>
<p> 半成品被加热到1250℃左右,经15~20道次轧制。而对铸锭,需加热到1300℃,可能需经40道次轧制,工字钢的道次压下率为4%~20%,终轧温度高于1000℃,工字梁上的温度分布不均匀:根部和腰部连接处温度最高,腰部的中间温度最低,温度的差异与工字钢的尺寸有关,最大温差可达100℃。按该工艺轧制,按ASTM标准进行评级,厚度为40mm的工字钢晶粒度为7级。</p>
<p> 为细化钢的组织,可采用Ti-Nb微合金化,使再加热时奥氏体晶粒相当细小(达50μm,而不是200~300μm),再结晶组织也相当细小。实验室模拟结果显示,每道次压下率达15%即可获得所需要的组织,力学性能达到50Ksi(抗拉强度≥50Ksi,相当于S355)。</p>
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