《铌在高强度可焊接工字钢和其他结构钢中的应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《铌在高强度可焊接工字钢和其他结构钢中的应用（20页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、铌在高强度可焊接工字钢和其它结构钢中的应用 Boris Donnay and Henri Grober Research Center of ProfilARBED 66.rue de Luxembourg， 4009 Esch-sur-Alzette, uxembourg 摘要： 铌在高强度结构钢中获得了广泛的应用，高强钢的发展是近十年的主要冶金成就之一。与其它材料，尤其是钢筋混凝土的竞争，极大地促进了结构钢的发展。为保证结构钢的市场份额，促进了简便的生产技术和精炼技术的发展，这使得对钢的焊接性和缺口冲击韧性的要求越来越高。最近十年，钢的产量也明显提高。对氧气转炉和电弧炉冶炼的钢都可以进行精
2、炼。与原先模铸不同，模铸工艺越来越被连铸工艺取代。各种不同的轧制工艺也应用于轧制生产中：传统的轧制、正常的轧制、控制轧制。铌经常用于钢中，或者单独添加，或者与其它元素如 Ti、 V 复合添加。添加 Nb 细化了钢的组织，可降低碳当量，提高钢的韧性和焊接性能。这对原钢材尤为有利。Nb 还能够提高钢的强度，对氮含量较高的钢，如用电炉冶炼的钢，铌的作用尤为突出，通过固定 N，降低了钢中自由 N 的含量，从而提高韧性。从这个角度来讲，Nb 比 Al 或 Ti 有优势，Nb 不降低连铸生产效率。在提高钢的强度方面，Nb更为有效，当采用控制轧制工艺时，含 Nb 钢的强度最高。每一种生产工艺可覆盖一定的钢号
3、和厚度范围，超过某一允许值，韧性或焊接性很难达到技术要求。当采用控制轧制工艺生产 S460（ 65Ksi）钢时，最大厚度可达 125mm。铌微合金工字钢能满足最严格的标准要求，不管是热轧状态还是经过 8KJ/cm 50KJ/cm 线能量焊接后，都能达到强度、塑性和韧性的良好配合。现代高强钢使建筑、桥梁、海洋结构等领域的材料成本和制造费用相应降低。 1 引言 高强钢的发展是最近十年冶金工业最具意义的成就。目前能达到强度、塑性、韧性、成型性和焊接性的完美结合，使成本较低的钢材年产量约占世界结构钢的 10%的市场份额。 回顾一下冶金史上高强度结构钢的发展，20 世纪初期，结构工程师们使用的单一品种钢
4、，按照牛津英语词典，这种钢被称为“低碳钢”，意思是“低碳、柔软、易加工”按照Duckworth 和 Baird的解释，低碳钢没有特意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， 0.40.7%Mn，0.10.5%Si ，其余为 S、P 和其它元素。低碳钢的屈服强度约为 250MPa。 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
5、，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 和 Mn 含量使钢的焊接性能变差；(d) 断裂韧性比低强度钢的低。 与其它材料的竞争，尤其是钢筋混凝土，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技术和精炼技术，这使得对钢的焊接性和缺口冲击韧性要求越来越高。对19421949 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了调查和研究，奠定了金属断裂力学的基础。 主要通过以下工艺提高钢的性能： （1 ） 限制 C 含量 （2 ） 提高洁净度，包括降低 S、P 含量 （3 ） Al 脱氧，微合金化，常化轧制和后来的控
6、制轧制 上述工艺细化了钢的组织，提高了钢的强度和韧性。 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。 在下列条件下，需要材料具有更高的韧性： （1 ） 疲劳载荷下的工程结构 （2 ） 低的服役温度 （3 ） 高屈服强度 （4 ） 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。 北极地
7、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 API2 MT2。 表 1 概括了现代结构钢钢种的特点。 2 生产工艺 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。常连铸成小方坯、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 BISRA 的试验结果， 1968 年在 Algoma 开始了钢梁连铸，以此作为工字钢的近终形铸造。该技术后来
8、被日本的川崎制铁、日本钢铁和日本钢管、美国的 Nucor Yamato、Chaparrol 和西北钢铁公司、欧洲的 ProfilARBED 等公司采用。 图 1 示出了欧洲 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。 图 1 半成品和热轧产品 图 2 示出 了 ProfilARBED 公司生产大工字钢的示意图。钢水由电弧炉冶炼，连铸成工字钢。 图 2 ProfilARBED 公司的生产线 连铸后， 初
9、轧前， 工字钢在 步进炉中重新加热， 由两 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。 表 1 欧洲和 ASTM 标准中结构钢钢号(30mm 厚，单位重量634kg/m) 熔 炼 分 析 拉 伸 试 验 冲 击 试 验 标准 钢号 C Mn P S Si Al NbV Re MPaRm MPa A*%温度 冲击功J S235JR 0.2 1.4 0.045 0.045 - - - - 0.35 20 27S235J0 0.17 1.4 0.04 0.04 - - - - 0.35225 340-470 26 0 27S275JR 0.21 1.5 0.045 0.0
10、45 - - - - 0.4 20 27S275J0 0.18 1.5 0.04 0.04 - - - - 0.4265 410-560 22 0 27S355JR 0.24 1.6 0.045 0.045 0.55 - - - 0.45 20 27EN10025 (1993) S355J0 0.2 1.6 0.04 0.04 0.55 - - - 0.45345 490-630 22 0 27S355M 0.16 1.6 0.035 0.03 0.5 0.02 0.05 0.1 0.39 -20 40S355ML 0.16 1.6 0.03 0.025 0.5 0.02 0.05 0.1 0
11、.39345 450-610 22 -50 27S420M 0.18 1.7 0.035 0.03 0.5 0.02 0.05 0.12 0.45 -20 40S420ML 0.18 1.7 0.03 0.025 0.5 0.02 0.05 0.12 0.45400 500-660 19 -50 27S460M 0.18 1.7 0.035 0.03 0.6 0.02 0.05 0.12 0.46 -20 40EN10113-1 (1993) S460ML 0.18 1.7 0.03 0.025 0.6 0.02 0.05 0.12 0.46440 530-720 17 -50 27S355G
12、4 0.16 1.6 0.035 0.03 0.5 0.02 0.05 0.1 -20 50S355G11 0.14 1.65 0.025 0.015 0.55 0.015 0.04 0.06 -40 50S355G12 0.14 1.65 0.02 0.007 0.55 0.015 0.04 0.06345450-610460-62022 -40 50S420G3 0.14 1.65 0.025 0.015 0.55 0.015 0.05 0.08 -40 60S420G4 0.14 1.65 0.02 0.007 0.55 0.015 0.05 0.08410 500-690 19 -40
13、 60S460G3 0.14 1.7 0.025 0.015 0.55 0.015 0.05 0.08 -40 60EN10225 (2000) S460G4 0.14 1.7 0.02 0.007 0.55 0.015 0.05 0.08440 530-720 17 -40 60A36(1997) 0.26 0.8 0.04 0.05 0.4 - - - 250 400-550 18 Gr50 0.23 1.35 0.04 0.05 0.4 - 0.05 0.15 345 450 18A572 (1997) Gr65 0.23 1.65 0.04 0.05 0.4 - 0.05 0.15 4
14、50 550 15A992 (1998) Gr50 0.23 1.5 0.035 0.045 0.4 - 0.05 0.11345-450450 18Gr50 0.12 1.6 0.03 0.03 0.4 - 0.05 0.06 0.38 345 450 18 20 54A913(1997)Gr65 0.16 1.6 0.03 0.03 0.4 - 0.05 0.06 0.43 450 550 15 20 54*EN 标准：A5d ASTM 标准：A200 2.1 大工字钢的传统轧制工艺 半成品被加热到 1250（ 2280F ）左右，经 1520 道次轧制。而对铸锭，需加热到1300（ 23
15、70F ），可能需经 40 道次轧制，工字钢的道次压下率为 420% ，终轧温度高于 1000（ 1830F ），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（210F ）。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。 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 50，而不是 200 300），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） 。表 2 是50Ksi 工字钢的化学成分。 表 2 20mm 厚 50Ksi 钢的化学成分（Wt % ）（终轧温度 1050（1920F ） C Si Mn P S Ti Nb Cu+Cr+Ni N 0.08 0.2 1.5 0.02 0.02 0.015 0.022 0.4 0.0085 该成分设计已成功用于工业生产。热轧过程中温度高，意味着钢中的 Nb 仍保持固溶状态，即使在终轧温度时，也没有 Nb 的碳化物析出。Nb 在钢中以固
