微量Ti对35VB螺栓钢机械性能和组织的影响

2004-11-17 00:00 来源: 我的钢铁 作者:mysteel
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徐  翔

(大冶特殊钢股份有限公司技术中心,黄石435001

        试验研究了0.001% ~ 0.035%微量Ti对成分(%)为:0.32 ~ 0.37C0.59 ~ 0.82Mn0.20 ~ 0.34Si0.07 ~ 0.09V0.0015 ~ 0.0036B35VB螺栓钢强度、塑性、冲击韧性、淬透性和断口组织的影响。试验结果表明,当Ti含量0.024%时能显著提高35VB钢的淬透性,与含0.001% ~ 0.002%Ti35VB钢相比,含0.024% ~ 0.035%Ti35VB钢屈服强度和抗张强度分别提高200Mpa延伸率△δ提高1%,断面收缩率Δφ提高10%,冲击功提高50J。钢中含0.024% ~ 0.035%的微量Ti可进一步稳定和提高35VB螺栓钢的质量。
    关键词   微量Ti  35VB螺栓钢  力学性能
    

大型钢结构工程连接用高强度螺栓钢35VB,以它良好的淬透性、抗缺口敏感性及热加工性,广泛用于国内许多重点桥梁工程上,是一种性能优良的连接件用钢。随着经济建设的不断发展,为了满足特大型、高难度工程构件的需要,有必要进一步稳定和提高35VB钢的质量水平,并就我公司生产的φ27mm、φ30mm和φ36mm规格的35VB螺栓钢中微量元素Ti对钢的组织和性能的影响进行研究。

1 试验方法 

35VB钢生产工艺线路:18t EAF + LF→岛津2300光谱仪化学成分分析→3t锭→初轧开坯→小型成材→制样→INSTRON1186材料试验机+M2N332末端淬火试验机机械性能试验。
    统计生产中35VB钢的化学成分与常规机械性能分布状况。
    分别选取生产中不同Ti含量的钢材,分析Ti与B的关系,对缺口敏感性及螺栓的楔负载进行试验。

2 试验结果 

统计35VB钢生产中任意20炉的化学成分见表1。

1  35VB钢的化学成分,20炉/%

项目 C Mn Si P S Cr Ni Ti V Bt
标准 0.31~0.37 0.5~ 0.9 0.17~0.37 0.04 0.04 - - - 0.05~0.12 0.001~0.004
试验钢 0.32~0.37 0.59~0.82 0.20~0.34 0.010~0.022 0.007~0.024 0.04~0.23 0.04~0.12 0.001~0.035 0.07~0.09 0.0015~0.0036

1所选取的2035VB钢各炉C含量的偏差ΔC0.05,ΔMn0.23%,ΔV0.02%,只是钢中微量Ti含量不同,由0.001%0.035%。将各炉的成品材取机械性能试样,经860℃淬火,430℃回火后进行拉力试验和冲击韧性检验。由试验结果(图1)可见,钢中残余微量Ti含量达0.024%时钢的强度和韧性显著增加:抗张强度υb和屈服强度υ0.2约分别增加200Mpa,冲击值ak约增加50J/cm2;延伸率Δδ增加1%,断面收缩率Δφ增加10%
   由含
0.002%Ti0.013%Ti0.033%Ti35VB钢制成φ25mm末端淬火试样(经880℃正火,870℃水冷),由末端淬火试验结果作出相对应钢的淬透性曲线见图2。由图2可见,随35VB钢中微量Ti含量的增加明显地提高了钢的淬透性。
    5炉不同Ti含量的钢材取样制成螺栓,按照GB/T1231-91规定10.9级高强度螺栓楔负载试验法,测试螺栓强度见表2。由表2可见1号样(0.002%Ti),2号样(0.013%Ti)和4号样(0.09%Ti)均为脆性断口,3号样(0.033%Ti)和5号样(0.029%Ti)为韧性断口。
    取1号(0.02%Ti)、3号(0.033%Ti)端淬试样制成金相试片,观察其淬火端及距端部6mm处组织,见图3。由图3可见,含0.002%Ti的1号样在6mm处为贝氏体+铁素体组织,而含0.033%Ti的3号样在6mm处仍为马氏体+贝氏体组织。

表2  不同Ti含量35VB钢螺栓强度

试样号 Ti 载荷/kN 断口
1 0.002 467 脆断
2 0.013 477 脆断
3 0.033 513 韧性断口
4 0.009 472 脆断
5 0.029 527 韧性断口

3 结果分析

    20炉钢中各元素含量(Ti除外)差别不大(表1),造成机械性能在较大范围波动主要因素是35VB钢中的残余Ti的作用。Ti对性能的影响,一方面是Ti在钢中形成化合物,以第二相质点弥散分布在钢中,起到弥散强化作用。另一方面35VB钢中Ti的含量偏低(通常Ti在0.03%以下作为残余元素),其强化效果有限。但在含B的35VB钢中0.024%~0.030%微量Ti对钢的强度显著影响(图1)主要是微量Ti促进钢中有效B量增加的结果。
    Ti是一种活性元素,它能与C、N、O等元素结合成Ti(N、C、O)的化合物,同时也能和Fe形成固溶体,当Ti与N、C、O等形成化合物时,将降低钢的淬透性;当Ti固溶于γ-Fe中能起到提高淬透性的效果。但由于Ti加入量少不能发挥这一作用,所以,微量Ti对淬透性的贡献主要是影响钢中酸溶硼(Bs)的含量(表3)。

表3  35VB钢中Ti含量对Bs的影响/%

试样号 Ti Bt Bs Bs/Bt
1 0.002 0.0021 0.0006 0.29
2 0.013 0.0025 0.0010 0.40
3 0.033 0.0027 0.0018 0.60

    微量B对淬透性的贡献是巨大的,但B对淬透性的贡献是以固溶B(亦称有效B)形式吸附在奥氏体晶界上才显示出来。当B与C、N、O等形成硼化物时就失去这种作用。表3中1号试样钢中Ti0.002%,钢中有效B占全B的29%,其余的B以化合物形态分布在钢中,3号试样钢中含Ti0.033%时有效B的比例占60%。由试验结果及分析可以看出,35VB钢中加Ti有细化晶粒和弥散强化的作用,但更重要的是降低了钢中游离出来N、O,形成Ti(N、O)的化合物,使随后合金化中加入的B能尽量固溶于Fe中而避免形成硼化物,从而提高淬透性(表2)。这就是B钢中常用Ti(也有用Al)来固N保B,从而充分发挥B提高钢的淬透性的作用[1]
    图3的试验结果进一步显示由于Ti含量的差异导致Bs的变化以及淬火过程中组织和硬度的变化。含0.002%Ti的1号试样淬透性低,由于Es=[12/(5+G)]×[M/12+(M/8.5)4+1]×[(1+25C3)/(1+5C4)]mm[2]计算半马氏体距为3.37mm,含0.033%Ti的3号试样出现大量贝氏体及铁素体混合组织,3号试样仍是马氏体+贝氏体组织。这种马氏体组织经回火后能获得强韧性的最佳配合,3号试样的机械性能各项指标均高于1号和2号试样,其强化的机理是马氏体相变强化作出的贡献。

4 结论

(1)    35VB钢中加入微量Ti能稳定和提高钢的性能,Ti含量达0.024%0.035时,能有效提高钢的抗拉强度、冲击韧性、抗缺口敏感性及螺栓的楔负载性能。

(2)    B钢冶炼中加Ti的主要作用是因为降低了钢液中游离的NO等活性元素含量,增加了固溶B的含量,使B能充分发挥提高钢的淬透性的功能,热处理后获得良好的组织,稳定和提高了35VB钢的机械性能指标。

(3)    35VB钢中Ti含量由0.002%提高到0.013%时,机械性能各项指标变化不大,当Ti含量提高到0.024%0.035时,机械性能指标全面提高,特别是冲击韧性、缺口强度和螺栓的楔负载强度也大幅提高。

 

参考文献

1               罗兴宏,苏铁键,范存淦,.-硼和铝硼处理对抗氧化1.25Cr-0.5Mn钢使用性能的影响.特殊钢,1998,19(2):19

2               余柏海.钢的计算机设计.北京:冶金工业出版社,1996

徐  翔,男,38岁,工程师。1990年北京科技大学化学系毕业,从事力学和光谱化学试验研究工作。

 


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