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1、材料强度设计学号：201102127065姓名：熊琪班级：金材们02班目：700MPa级桥梁用低碳贝氏体钢设计性能要求:1) RpO2$55OMPa Rm$700MPa Ak (-20C) N120JTc=30C2) 良好的焊接性能CeqW0.4 PcmW0.183) 良好的耐候性能设计要求：撰写格式1、任务书2、前言（表述该钢的作用和发展状况）3、化学成分设计（碳及各个合金元素的作用）4、自己查找文献的经验公式，计算Acl、Ac3、Bs、Ms等参数。5、工序设计（该钢的生产流程图及流程图工序说明）6、强度设计（进行各种强化方法的强度贡献）7、其它性能计算与说明（如焊接性能、耐候性能等）8、文
2、献总结（每个学生独立查阅与该类钢相关的五篇以上文献总结）9、参考文献建造桥梁的钢材是属于建筑结构用钢的一环，不过基于桥梁建筑结构设计与 使用环境特殊考量，现代桥梁用钢的性质要求会比一般结构用钢多，桥梁用钢一 般需具备强度、韧性、鏗接性、耐疲劳性与耐候等性质要求。尤其桥梁的设计使 用年限愈来愈长，欧美与日本对于桥梁的建造材料的选用，U前更进展到高功能 桥梁用钢的开发，钢材除了强度等机械性质之要求外，另外提高錦接效率及耐候 （海边耐盐害）性的考量更是目前发展之趋势。微合金低碳贝氏体钢是一类高强度、高韧性、焊接性能优良的新一代钢种， 主要应用在丄程机械、造船和石油天然气输送管线等行业，山于该钢种高的
3、强 度和优异的低温韧性，引起世界各国研究者的瞩LI。低碳贝氏体钢主要分为两大 类:一类是以美国和加拿大为代表的Fe_Cu-Nb-B系列，另一类是以日本为代表 的Fe-Mn-Nb-B系列。此类钢大幅减少了碳的含量，钢的强度不再依赖碳的含 量，而是以贝氏体基体组织中的位错强化、微合金钢经控轧控冷后组织细化强化 及V、Nb、Ti微合金元素的析出强化和e-Cu沉淀强化为主，从而使该类钢 强韧性匹配极佳，尤其是焊接性能较传统的HY系列等钢种有了大幅度提高，在 0 C以上不需进行预热和焊后热处理，所以制造和维修成本都得到降低。通过采 取不同的冷却工艺，可以改变微合金低碳贝氏体钢中相变产物的类型、各相变 组
4、织的比例、组织细化等，从而改善钢的性能。低碳贝氏体钢以极为细小的各种形态的贝氏体板条组织为基本的组织特征， 并加以Nb、Ti、Ho、V、Cu的析出强化。这类钢的强度不再依靠钢中碳含量， 而主要通过细晶强化，位错及亚结构强化，抚，钛，饥微合金元素析出强化.以 及 -Cu沉淀强化等方式来保证，钢的强韧性匹配极佳，尤其是具有优良的野 外焊接性能和抗氢致开裂能力。这类钢中碳含量很低（小于0. 05 %）,因此碳 的危害、碳化物析出的影响等问题儿乎完全消除，特别是焊接性能极佳，热影响 粗晶区在各种冷却条件下均能得到极高韧性的贝氏体组织，具有很低的焊接裂纹 敬感性，可以实现焊前不预热、焊后不热处理，无任何
5、淬硬倾向，这是其它类型 钢所无法比拟的。三工序设计炉外脱硫T炼铁T铁水热送T转炉炼钢T脱氧（成分分析）T VOD （脱气）-LF T加合金元素T中间包（测温）T连铸T铸坯检查探伤T均热（温度确 定）9初轧（温度确定）9精轧（温度确定）9控制冷却（制度确定）T热处 理（制度确定）T检查分析T成品入库炼铁：炉外脱硫是为了减少炼铁过程中含朵质硫含量，避免对钢的耐蚀性和焊接 性产生不良影响。铁水热送：把炼好的铁水进行下一步处理。转炉炼钢：进一步降低碳含量，除去钢液中的杂质，清洁钢。VOD：脱气处理也是为了减少钢液中的气体，最重要的是减少钢液中氢气的含量, 防止引起氢脆，对焊接性能也有影响。LF：进一步
6、进行成分分析，确定钢液中各元素的含量。盛钢桶：向钢中添加合金元素，达到设讣的要求。中间包：测温以保证添加的合金元素能够完全熔解。连铸：把钢液倒到模型中凝固，初步成型。铸胚检查探伤：检查铸件中是否有裂纹，砂眼，大的偏析，夹杂，防止在以后的轧制过程中发生开裂。均热温度：为控制轧制控制冷却实施做准备。控制轧制：将钢坯切成小试为控制轧制控制冷却实施做准备。试样尺寸 15X15X 300mm,加热至880C进行变形量分别为30%、20%、10%的 轧制。控制冷却：分别在780C, 750C水淬3s, 4s,再空冷。检查分析：检查样品是否符合标准合金成分:元素CSiMnpSCrMo含量（%）0.080.4
7、01.000.010.0020.0250.30元素NiNbVTiCuB含量（%）0.230.050.010.020.130.005四.根据经验公式，计算AC1 AC3 Bs Ms等参数如下:= 723 + 255/ -+15Cr-15Ni + 30W + 40Mo + 50V=723 + 25x 0.23-7xl.87 + 15x 0.025-15x0.23 + 0 + 40x0.27 + 50x0.006=730.59CA3 = 908 一 223.7C + 438.5P + 30.49S； + 37.92V - 34.4A/n- 23M - 200(C - 0.54 + 0.06M)=90
8、8 一 223.7 x 0.043 + 438.5 x0.010 + 30.49 x 0.23 + 37.92 x 0.006- 34.4 xl.87-23x 0.23 - 200(0.043 -0.54 + 0.06 x 0.23)= 930.1CBs =830-270C - 90Mn - 37M 70Cr - 83Mo=830 一 270 x 0.043-90x1.87-37x0.23-70x0.025-83x0.27= 617.42CMs =561 474C 33Mt? 17C 17M 21Mo= 561-474x0.043-33x1.87-17x0.025-21x0.27=468.90
9、C五化学成分设计根据用钢的性能要求，采用低碳(0. 05-0. 1%)或超低碳(W0.03)以及V、 M。、Si等元素，各元素的作用及含量如下：C：是C曲线右移，保证获得低碳贝氏体，可提高钢件的焊接性能及韧性， 同时消除钢中的偏析，保证钢的性能均匀，设计任务书要求裂纹敏感系数PcmW 0.18,因此选用超低碳更为合适，初步确定C%为0. 08%oV：细晶强化作用显著，析出强化，可以用分阶段控轧控冷技术得到精细组织，实现高强韧要求。一般0. 035-0. 055%的Nb和少量的V。取0. 0熬的Nb和0. 01% 的V。Mo:在钢中加入Mo和B可以显著的推迟P转变，从而在冷却过程中更容易得 到B
10、组织。此外，M。可以细化晶粒，B具有提高韧性的作用。初步确定其含量 M。%为 0. 3%及微量的 B （0.01%）。Mn：可提高其强度和耐磨性，塑性亦不错。所以它能细化组织，以利于在厚 板中亦可以获得均匀的B组织。一般结构钢中其含量为0.5-1.4%,初步确定其 含量为1. 0%oP：固溶强化效果强，提高耐大气腐蚀能力，但同时显著降低塑韧性，增加 脆性，因此要严格控制。一般0. 02%,取P%为0. 01%oSi：脱氧能力较强，是炼钢常用的脱氧剂。故一般钢中均含Si,其量W0. 5%。 初步确定为0. 4%o六强度设计b、.=升“ + b$ + aDG + j(1) 晶格摩擦阻力Opn -
11、60Mpa(2) 置换固溶强化6 =YJKiXia,=86X0.4X1.0+350X0.01 X1.0+50X 1.0X0.8+22X0.3X0.5 =34.4+3.5+48+3.3=90.2MPa(3) 位错(晶粒细化)强化= 8.5x104x2.0x10-7 x(lxlOs)22 +18x(1 1x1O_3)_22= V2202 +1802 =284.25MPa(4) 沉淀强化勺,=0.298(/,/A)xln(0.8r/7)= O.298x(8.5xlO4x2.OxlO-7/1.5xlO4)xln(O.8xlO_5/2.5xlO7)=40.25X3.466=139.5MPa所以b、, (
12、Mpa) = f + b$ + Jg + J=60+90.2+284.25+139.5=573.95MPa满足RpO. 2550MPa的要求。R.n= Rp0.2+ kd,/2=573.95+190.7Mpa=764.65Mpa700MPa,符合要求。七.其他相关性能计算(1) 焊接性能碳当量C(%)=C + -Mn + Si + -Mo+ 丄 V 525412= 0.05 + 1x1.2 + x 0.5+ 1x0.3 + xO.Ol 525412=0.05+0.024+0.02+0.04+0.0008 =0.38裂纹敏感系数二 0.05+兰 + 兰+ 22+0.0120301510=0.15
13、满足 CeqWO. 4PcmO. 18 的要求。(2) 韧脆转变温度7( C) = -19 + 44|Si + 0.26(b/,+b/)G+bJ-11.5d 2二-19 + 44 x 0.5 + 0.26x(139.3 + 284.25 + 90.2)-11.5(5x10-3)=-19+22+135.32-162.6=30.523 C(3) 熔点TL=1538-S Atx%=153865C5Mn8Si2Mo=153865X0.045X 1.08X0.52X0.2=1512C八.设计总结超低碳贝氏体钢是近20年来国际上新发展的一大类高强度、高韧性、多用 途的钢种。ULCB钢主要分为两大类：一是以
14、美国和加拿大为代表的CuNbB 系列；是以日本为代表的MnNbB系列。我国开发的MnNbB系列钢属于 贝氏体钢2喝,该类钢的合金成分设计已突破原有的高强度低合金钢的模式， 大幅度地减少了钢中碳的含量(硼(C)W0. 05%),彻底消除了碳对贝氏体钢韧性 的损伤，钢的强度不再依赖碳的含量，而是主要靠位错强化、微合金钢控轧强化、 细化晶粒强化以及e-Cu的沉淀强化等手段来保证钢的强度水平，从而使该类钢 强韧性匹配极佳，尤其是焊接性能较传统的需要调质处理的HY-1)贝氏体铁素 体的基本结构单元是一系列的板条，板条边界山位错墙组成，板条内存在大量高 密度的位错，回火前其位错形态分两类，一类是轧制过程中产生的相互缠结成团 的高密度位错，这些位错上有许多细小的析出物；另一类是贝氏体相变时产生的 位错,基本平行排列，分布较均匀，它们并不相互缠结，其上也没有析出物。参考文献1 GB/ T71 4 - 2000桥梁用结构钢【2】700MPa级低碳贝氏体钢的热处理工艺研究作者：康永林 王克鲁 孙浩 于浩等热处理学报3同济大学桥梁结构研究室.邕江大跨度组合吊桥动力特性测试报告：研究报 告1上海：同济大学,1 987
