完整版耐候钢综述课件.ppt
耐候钢综述,主要内容,为什么研究耐候钢,什么是耐候钢,耐候钢的发展历程,耐候钢的种类及化学成分,耐候钢组织、性能、夹杂物,耐候钢的应用领域,合金元素对耐候钢性能的影响,耐候性能评估,耐候钢研究,耐候钢生产关注点,一、为什么研究耐候钢,金属腐蚀现象遍及国民经济和国防建设各个领域，危害,十分严重。椐统计，材料因大气腐蚀所造成的经济损失约,占总腐蚀损失的,50,，给国民经济造成重大损失。,据工业发达国家统计，每年由于钢结构腐蚀造成的经济,损失，占国民经济生产总值的,2%4%,；目前，全世界因钢,结构腐蚀造成的经济损失达数万亿美元。,为了解决钢材在大气中的腐蚀问题，开展了耐候钢的研,究。,另外，耐候钢在使用过程中可以省掉对环境,造成污染的酸洗、镀锌工序，减少使用过程中对,环境造成的危害,实现绿色生产。,二、什么是耐候钢,GB/T4171-2008,标准中对耐候钢的定义是：,通过添加少量的合金元素如：,Cu,、,P,、,Cr,、,Ni,等，使,其在金属基体表面上形成保护层，以提高耐大气腐蚀,性能的钢。,耐候钢,耐大气腐蚀钢,因使用环境不同（通常分为乡村、工业及海洋性大气,环境），耐蚀性有差异。耐候钢有三种使用方法：裸,露使用、涂装使用、锈层稳定化处理后使用。,耐候钢的耐大气腐蚀性能为普通碳素钢的,2,8,倍,并,且使用时间愈长,耐蚀作用愈突出。,三、耐候钢发展历程,表,1,耐候钢的发展历程,年,记,述,1900,美国开始了含铜钢早期耐候钢的研究和开发,1933,美国,U.S.Steel,公司推出,Coxten2A,型低合金耐候钢,1955,日本开发耐候钢,1959,美国开始使用裸耐候钢,1961,中国开始试制,16 MnCu,钢,1965,中国试制出,09CuPTi,薄钢板,日本建成第一座耐候钢大桥,(,涂漆,),1967,中国首次用于试验车辆,日本建成第一座裸耐候钢桥,(,知多,2,号桥,),1968,日本制定,J IS 63114,“焊接构造用耐候性热轧钢材”,即,SMA,钢材标准化,1969,德国开始使用裸耐候钢,1972,英国开始使用裸耐候钢,1980,日本建成第三大川桥,(,最初用于桥梁的桁架,),1983,日本制定出将,Smaoop,作为涂装用耐候钢,Smaoow,作为不涂装用耐候钢的,it s,标准用于志染川桥,(11,型钢架,),1984,中国制定高耐候性结构钢国家标准,1988,中国初步试制出,NH235q,桥用耐候钢,1990,中国建成国内第一座裸耐候钢桥,1999,中国试制出,J T,系列塔桅高耐候性结构钢,四、耐候钢的种类及成分,国家标准,GB/T4171-2008,将耐候钢分为两类,即：高耐候,钢和焊接耐候钢。,命名方法,高耐候钢：屈服强度拼音首字母,Q+,屈服强度级别,+GNH,（高耐候）,+,质量等级。,例如：,Q295GNHB,焊接耐候钢：屈服强度拼音首字母,Q+,屈服强度级别,+NH,（耐候）,+,质量等级。,例如：,Q355NHC,高耐候钢的成分特点,高耐候钢耐腐蚀元素以,P,、,Cu,、,Cr,、,Ni,配合，达到较,高的耐蚀性能，尤其在海洋性大气环境下耐蚀性更有,效，其耐蚀性能优于焊接耐候钢，但对于要求焊接性,能较高的场合不太适用。,焊接耐候钢的成分特点,焊接耐候钢耐腐蚀元素以,Cu,、,Cr,、,Ni,配合，达到较高,的耐蚀性能，适用于陆地大气环境，其耐蚀性能和焊,接性能优良。,牌号,化学成分（,%,）,C,Si,Mn,S,P,Cu,Cr,Ni,其他元素,Q265GNH,0.12,0.100.40,0.200.50,0.020,0.070.12,0.200.45,0.300.65,0.250.50,a,b,Q295GNH,0.12,0.100.40,0.200.50,0.020,0.070.12,0.200.45,0.300.65,0.250.50,a,b,Q310GNH,0.12,0.250.75,0.200.50,0.020,0.070.12,0.200.45,0.301.25,0.65,a,b,Q355GNH,0.12,0.200.75,1.00,0.020,0.070.15,0.250.55,0.301.25,0.65,a,b,高耐候钢的牌号和化学成分,a,为改善钢的性能可添加一种或一种以上微量合金元素,:Nb 0.0150.060%,，,V 0.020.12%,，,Ti0.020.10%,Al0.020%,。若上述元素组合使用时，应至少保证一种元素的含量达到上述化学成分,的下限规定。,b,可以添加系列合金元素：,Mo0.30%,，,Zr,0.15%,牌号,化学成分（,%,）,C,Si,Mn,S,P,Cu,Cr,Ni,其他元素,Q235NH,0.13,0.100.40,0.200.60,0.030,0.030,0.250.55,0.400.80,0.65,a,b,Q295NH,0.15,0.100.50,0.301.00,0.030,0.030,0.250.55,0.400.80,0.65,a,b,Q355NH,0.16,0.50,0.501.50,0.030,0.030,0.250.55,0.400.80,0.65,a,b,Q415NH,0.12,0.65,1.10,0.030,0.025,0.200.55,0.301.25,0.120.65,a,b,Q460NH,0.12,0.65,1.50,0.030,0.025,0.200.55,0.301.25,0.120.65,a,b,c,Q500NH,0.12,0.65,2.00,0.030,0.025,0.200.55,0.301.25,0.120.65,a,b,c,Q550NH,0.16,0.65,2.00,0.030,0.025,0.200.55,0.301.25,0.120.65,a,b,c,焊接耐候钢牌号及成分,a,为改善钢的性能可添加一种或一种以上微量合金元素,:Nb 0.0150.060%,，,V 0.020.12%,，,Ti0.020.10%,Al0.020%,。若上述元素组合使用时，应至少保证一种元素的含量达到上述化学成分,的下限规定。,b,可以添加系列合金元素：,Mo0.30%,，,Zr,0.15%,c Nb,、,V,、,Ti,等三种合金元素的添加总量不应超过,0.22%,五、耐候钢的性能及组织等,耐候钢力学性能满足下表要求,冲击性能满足下表要求,耐候钢组织,钢材的金相组织应为铁素体,+,珠光体。晶粒度不小于,7,级，晶粒度,的不均匀性在三个相邻级别范围内。,非金属夹杂物要求,A,B,C,D,DS,2.5,2.0,2.5,2.0,2.0,六、耐候钢应用领域,耐候钢可以轧成热或冷板卷、型材、线材甚至管材，根据使用情况，,耐候钢可分为结构用耐候钢和焊接结构用耐候钢。前者主要用于非焊,接或焊接要求不高的结构件中，具有优良的耐大气腐蚀性能，以,Cu,P,系为主，其中,P,含量在,0,07,-0,15,之间，由于含,P,量高，,所以这类钢的屈服强度一般在,345MPa,以下，板厚一般不超过,16mm,，,美国的,ASTMA242,系列和日本,JIS,中的,SPA,系列耐候钢均属此类。焊,接结构用耐候钢，主要用于大型焊接结构中，以,Cu,Cr-Ni,系为主，,含,P,量在,0,04,以下，具有优良的焊接性能和低温韧性，应用十,分广泛，如已有美国的,ASTMA588,和,A514,系列、日本的,JIS SMA,系列,耐侯钢等型号。,耐候钢的应用领域具体有：,各,种,车,辆,铁路设施、铁路公路钢桥,集装箱,（矿山）机械设备,换热器,煤、泥、灰等输送管线,建筑,脱硫设备,通讯、电力铁塔,烟囱,七、合金元素对耐候性能的影响,与普通碳素钢相比,耐候钢具有良好的抗大气腐蚀能力。这是因为合金,元素起到了降低锈层的导电性能、阻碍腐蚀产物快速生长等作用。耐蚀特,点表现为经长期使用后才呈现出显著的耐蚀效果。可提高钢的耐大气腐蚀,性能的合金元素应满足以下条件,:,在铁中的溶解度大于在锈层中的溶解,度,;,可以与铁形成固溶体,;,可提高钢的电位。研究结果表明,耐候钢中,加入的合金元素对其耐大气腐蚀性能的影响不尽相同。,碳,碳元素对钢的耐大气腐蚀不利,同时碳对钢的,焊接性能、冷脆性能和冲压性能有影响。通常,耐候,钢中碳的质量分数被控制在,0.12%,以下。,铜和硫,当钢中加入,w(Cu)=0.2%,0.4%,时,无论在乡,村大气、工业大气或海洋大气中,都比普通碳素钢的,耐蚀性能优越。值得注意的是,铜抵消钢中硫的有,害作用的效果很明显,其作用特点是,钢中硫含量愈,高,铜降低腐蚀速率的相对效果愈显著。这是因为,铜与硫生成了难溶硫化物。,磷,磷是提高钢耐大气腐蚀性能最有效的合金元素,之一。磷在钢中能均匀溶解,有助于在钢表面形成,致密的保护膜,使其内部不被大气腐蚀。通常钢中,w(P)=0.08%,0.15%,时,其耐蚀性最佳。,铬能在钢表面形成致密的氧化膜,提高钢的,钝化能力,使锈层生长速度减慢。通常,耐候钢中,w(Cr)=0.4%,1.0%(,最高,1.3%),。当铬和铜,同时加入时,效果尤为明显。,铬,镍,镍是一种比较稳定的元素,加入镍能使钢的自,腐蚀电位向正方向变化,增加了钢的稳定性。大气,暴露试验结果表明,w(Ni)4%,时,能显著提高海,滨耐候钢的抗大气腐蚀性能。,钙,研究结果表明,耐候钢中加入微量钙不仅可以,显著改善钢的整体耐大气腐蚀性能,而且可以有效,避免耐候钢使用时出现的锈液流挂现象。钢中加入,微量钙可形成,CaO,和,CaS,溶解于钢表面的电解液,薄膜中,使腐蚀界面碱性增加,降低其侵蚀性,促进,锈层转化呈致密、保护性好的,2FeOO H,(,羟基氧化,铁）相。,锰,目前,锰对耐蚀性的影响认识不统一,大多数,学者认为,锰能提高钢对海洋大气的耐蚀性,但对,在工业大气中的耐蚀性几乎无影响。通常,耐候钢,中,w(Mn)=0.5%,2.0%,。,钼,钢中,w(Mo)=0.4%,0.5%,时,在大气腐蚀环,境下,(,尤其是在工业大气中,),其腐蚀速率可降低,50%,以上。,稀土元素,稀土元素,(RE),是不含铬、镍耐候钢的添加元素,之一。通常稀土元素的加入量小于或等于,0.2%(,质,量分数,),。稀土元素是极其活泼的元素,是很强的脱,氧剂和脱硫剂,主要对钢起净化作用。稀土元素可细,化晶粒,改变钢中夹杂物的状态,减少有害夹杂物的,数量,降低腐蚀源点,从而提高钢的抗大气腐蚀性能。,八、低合金钢耐候性评估,耐大气腐蚀指数（,I,）计算公式：,2,%),(,9,.,33,%),%)(,(,10,.,9,%),%)(,(,29,.,7,%),(,28,.,17,%),(,49,.,1,%),(,2,.,1,%),(,88,.,3,%),(,01,.,26,Cu,P,Ni,Ni,Cu,P,Si,Cr,Ni,Cu,I,?,?,?,?,?,?,?,?,适用范围：,Cu,：,0.0120.51%,Ni,：,0.051.1%,Cr,：,0.101.3%,Si,：,0.100.64%,P,：,0.010.12%,指数（,I,）越大耐候性越好；,ASTM,相关标准中要求按该公式计,算的耐候指数为,6.0,或,6.0,以上。,九、耐候钢研究,1.,对钢中磷的再在认识,通常对钢中的磷认为是有害的：提高钢的脆性转化温度、降低冲击韧性、,恶化焊接性能等。,随着含磷高强钢板在汽车上的应用，开始对钢中磷的作用进行重新认,识；磷在钢中通常以置换固溶形式存在，其固溶强化效果七倍于硅，十倍,于锰，在低碳钢中每增加,0.01%,的磷，屈服强度提高,4.15.5MPa,。,在碳含量较低钢（,0.0030.02%,）中，磷含量增加还会使塑性、韧性,增加，脆性转变温度降低。或者说磷的有害作用是磷与碳相互作用的结果，,当碳含量很低时，磷便不再是有害元素；至于磷和碳如何作用，有待进一,步研究。,造成含磷钢脆性增加的另一方面原因是磷的偏析，采取冶金措施，降,低磷的偏析，也会使钢的脆性降低。,对磷在钢中作用的再认识,2.,耐候性对比,注：,“,树林,”,为乡村大气环境；,“,中山,”,为海洋性或工业大气环境,Weight Loss-,重量损失（失重）单位：毫克,/,平方厘米；,Test period-,试验阶段，单位：年,一般钢材长期暴露在大气中，腐蚀失重,C,与暴露时间,t,满足下列关系式,:,B,At,C,?,A,、,B,为常数,上式可写作：,t,B,A,C,log,log,log,?,?,-,-,十、耐候钢生产关注点,1.,避免连铸漏钢及铸坯表面裂纹,由于耐候钢中含有较高的,Cu,P,Ni,等元素，这些元素在结晶过程,中易使钢的晶界脆化，使得钢的高温塑性非常低，容易引起漏钢事故，,因此连铸拉速不能太快。,耐候钢的碳处于亚包晶范围内，容易引起裂纹产生。同时耐候钢,中还含有较高的,Cu,P,Ni,等元素，这些元素在结晶过程中易使钢的晶,界脆化，如果在连铸过程中采用强冷，导致该钢种在冷却过程中的热,应力和组织应力较大，容易使裂纹发生扩展，而冷却太弱，由容易引,起,P,偏析，导致铸坯产生内裂。因此该钢种在连铸时应注意冷却强度。,2.,关注铸坯加热,由于,Cu,在热加工时容易产生热脆，在铸坯表面形成网裂，,从而形成钢材的表面缺陷；同时耐候钢的板坯在加热炉内加热,时，会产生很粘的氧化铁皮，如果在轧制时不能去除，就会残,留在钢材表面，造成氧化铁皮压入缺陷。,含,Cu,钢加热应采取高温、快烧加热制度，在保证钢坯加热,质量的前提下，尽可能缩短加热时间。含铜钢研究表明,10801100,是含铜钢产生表面裂纹的危险温度区，含铜钢加,热温度应低于,1080,或高于,1100,。,3.,关注轧材冷却,由于耐候钢添加了提高奥氏体稳定性的,Cu,、,Cr,、,Ni,等,合金元素，使钢的连续冷却曲线右移，在常规冷却速度下，,增加贝氏体转变的风险。贝氏体组织尤其是上贝氏体组织,的出现，会恶化钢材的塑韧性。,我公司,2013,年耐候钢角钢试轧，也反映了这个问题，金,相如下图，伸长率、冲击功也较低。,2016.1.10,
