Al元素对低Mo耐火钢力学性能的影响.pdf

第 11 卷 第 3 期Vol.11,No.3CBZYJY2023 年 5 月收稿日期：2022-07-01基金项目：渤海船舶职业学院 2022 年度立项课题作者简介：万荣春（1981），男，浙江衢州人，教授，博士，研究方向：金属材料组织结构与力学性能、超高强钢的延迟开裂。Effect of Al on Mechanical Properties of Low-Mo Fire-resistant SteelAl 元素对低Mo耐火钢力学性能的影响摘要：通过对一系列低 Mo 耐火钢进行热力学计算，设计两种 Al 含量不同的低 Mo（含量约 0.30%）耐火钢，并观察微观组织和测试力学性能。热力学计算结果表明：通过添加 Al 元素可以部分代替 Mo 元素对耐火钢性能的影响，并确定低 Mo 耐火钢中 Mo 的合理含量在 0.3%左右，Mn 的合理含量在 1%左右。此外，试验结果表明通过添加 Al 元素可以增加耐火钢组织中贝氏体含量，细化晶粒。关键词：Al；低 Mo；耐火钢中图分类号：TG142.1文献标识码：A文章编号：2095-5928（2023）03-46-041.渤海船舶职业学院，辽宁 兴城 125105；2.中船黄埔文冲船舶有限公司，广东 广州 510715万荣春1，全春典2WAN Rongchun1，QUAN Chundian21.Bohai Shipbuilding Vocational College,Xingcheng 125105,China；2.Huangpu WenchongShipbuilding Company Limited,Guangzhou 510715,ChinaAbstract:Based on the thermodynamic calculation of a series of low-Mo fire-resistant steels,two kinds of low-Mo(about 0.30%)fire-resistant steels with different Al contents are designed,and the microstructure and mechanicalproperties are observed.Thermodynamic calculation shows that Al can partly replace the effect of Mo on theproperties of the fire-resistant steel.It can be determined that the reasonable content of Mo in low-Mo fire-resistantis about 0.3%,and the reasonable content of Mn is about 1%.In addition,the test results show that the addition of Alelement can increase the bainite content in the microstructure of the fire-resistant steels and refine the grain.Key words:Al;low-Mo;fire-resistant steel耐火钢具有钢结构的高强度和钢筋混凝土结构较好的耐火性能，是新型建筑用环保绿色钢材，被广泛应用于超高层建筑和大型建筑1-5。耐火钢最重要性能是高温强度。通过添加合金元素可以有效提高其高温强度，Mo 元素被认为是所有合金元素中最有效率的3-7。但受新冠疫情影响，全球通货膨胀加剧，作为稀贵金属元素 Mo的价格高企。因此，通过添加其他合金元素，来降低 Mo 元素的使用量，进而降低每吨钢成本，具有重要经济效益，同时具有一定学术价值。本文对一系列低 Mo 耐火钢进行热力学计算，分析 Mo、Nb、Mn 和 Al 对低 Mo 耐火钢临界相变温度与相变冷速的影响。同时设计两种 Al含量不同的低 Mo（含量约 0.30%）耐火钢，通过对试验钢显微组织观察、室温和高温力学性能测试，分析讨论 Al 元素对低 Mo 耐火钢的影响，为低 Mo 耐火钢的研究和开发提供参考基础。1 试验材料与方法根据现有文献和以前的研究结果5，表明 Al含量对耐火钢的性能具有一定影响，设计无 Al的 A 钢和含 0.03%Al 的 B 钢。本文的热力学计算均基于此 B 钢的化学成分，其具体成分如表 1船 舶 职 业 教 育SHIPBUILDING VOCATIONAL EDUCATION技术研究与应用Technology Research and ApplicationDOI:10.16850/ki.21-1590/g4.2023.03.01546第 11 卷 第 3 期Vol.11,No.3CBZYJY2023 年 5 月所示，其中 C 含量参照耐火钢的典型值固定为0.13%，Mo 含量则为 0.3%，以满足低 Mo 耐火钢的设计要求。表 1 试验钢的化学成分 渊质量分数袁%冤按照试验钢设计成分，配备熔炼原料。熔炼前所有原料经过 10%HCl 酸洗，以去除表面的氧化物，保证最终熔炼的铸锭成分与设计成分的一致性。酸洗后经无水乙醇清洗后烘干。然后真空钨极非耗电弧炉中翻转熔炼 5 次以保证成分均匀，最终得到 80g 左右的纽扣形铸锭。每种试验钢各熔炼 5 个纽扣试样。试验钢轧制：开轧温度为 1 050，终轧温度约为 900，将 17 mm 厚纽扣铸锭轧成 2.5 mm厚的板状试样。试验钢在 600和室温下拉伸时，应变速率都为 10-3s-1。试验钢在 600拉伸时，先将加热炉加热到 600后，放入试样，再加热到 600，其中加热时间约为 30 min，保温时间为 15 min，保温后开始拉伸，直至拉断，取下试样测量断后伸长率。取试验钢轧制态和高温拉伸后的试样，进行磨制、抛光和腐蚀，腐蚀剂为 3%的硝酸酒精溶液，利用 ZEISS 金相显微镜 Axio Vert A1 观察金相试样的微观组织形貌。2 试验结果与分析2.1 Mo、Nb、Mn 和 Al 对临界相变温度与相变冷速的影响以 B 钢的成分为基础，利用热力学计算软件JMatPro 计算 Mo、Nb、Mn 和 Al 不同含量下的CCT 和 TTT 曲线。各合金元素的变化范围基于一般耐火钢中添加的范围。图 1 为各合金元素对奥氏体化温度（Ac3）、铁素体转变开始温度（Fs）、珠光体转变开始温度（Ps）和贝氏体转变开始温度（Bs）的影响。从图 1 中可以发现在含量变化范围内 Mo、Mn 对临界转变温度影响较大，而Nb、Al 的影响相对较小。但从单位含量的影响对临界转变温度来看，Nb（对 Ac3，40.8/%）、Al（对 Ac3，95.7/%）要 大 于 Mo（对 Ac3，23.9/%）、Mn（对 Ac3，36.7/%）。而且同一合金元素对 Ac3、Fs点影响要大于 Ps和 Bs点影响。Mo、Nb、Al 对 Ac3、Fs点成正比增加，Mn对于 Ac3、Fs点成反比增加。同样 Mo、Al 对 Ps点成正比增加，Nb、Mn 对其成反比增加。同时Nb、Al 对 Bs点成正比增加，Mo、Mn 对其成反比增加。通过计算可以发现在含量变化范围内 Al和 Mo 元素对试验钢临界相变温度的影响基本类似。尽管对 Bs点影响略有不同，但在试验钢合金元素含量变化范围内也基本保持不变。以上计算说明，通过添加 Al 可以部分代替 Mo 元素对试验钢性能的影响。图 1 合金元素对试验钢临界相变温度的影响渊a冤 Mo曰渊b冤 Al曰渊c冤 Nb曰(d)Mn图 2 为各合金元素对珠光体转变完成冷速（Pf）和贝氏体转变开始冷速（Bs）。从图中同样可见在含量变化范围内 Mo、Mn 对临界转变冷速影响较大，而 Nb、Al 的影响相对较小。同时单位含量的影响对临界转变温度来看，Mo（对 Bs，0.591/s%）、Mn（对 Bs，0.073/s%）也要大于 Nb（对 Bs，0.017/s%）、Al（对 Bs，0.033/s%）。它们影响大小依次为 MoMnAlNb。临界冷速 Pf和 Bs都随着 Mo、Nb、Al 含量增加而减小。对于 Mn 有些例外，随其含量增加临界冷速 Pf先迅速减小再缓慢增大（1%Mn 时最小），临界冷速 Bs则随其含量增加一直减小。而且各C钢种AB0.130.13Si0.350.35MnMo1.000.301.000.30Cr0.350.35Nb+TiNAl0.06 0.006/0.06 0.006 0.02技术研究与应用Technology Research and ApplicationAl 元素对低 Mo 耐火钢力学性能的影响47第 11 卷 第 3 期Vol.11,No.3CBZYJY2023 年 5 月合金元素对临界冷速 Pf的影响要大于临界冷速Bs。从图中还可以见 Mo 对临界冷速Pf影响在大于 0.3%后逐渐减缓。由以上计算结果可以确定低 Mo 耐火钢中的，Mo 含量在 0.3%左右，Mn 含量在 1%左右。图 2合金元素对试验钢临界相变冷速的影响渊a冤 Mo曰渊b冤 Al曰渊c冤 Nb曰(d)Mn2.2 Al 元素对耐火钢微观组织的影响图 3 所示为试验钢轧制态显微组织，从图中可以发现轧制态主要组织为铁素体+贝氏体，白色块状区域为铁素体，灰色颗粒状或条状区域为贝氏体，且贝氏体分布相对不均匀。从图 3 还可以发现 A 钢组织中贝氏体含量比 B 钢低，在32.2%左右；A 钢组织中铁素体晶粒尺寸在 5.0m 以上，约为 5.6 m 左右，而 B 钢组织中铁素体晶粒尺寸更小（约为 4.0 m 左右），说明Al 的加入可以细化晶粒。图 3试验钢轧态显微组织渊a冤 Asteel曰渊b冤 Bsteel试验钢在 600拉伸后的组织如图 4 所示，对比图 3 可以发现拉伸前后组织有些变化，组织形状被拉长，但还是以铁素体+贝氏体为主。此外，还可以发现贝氏体含量和铁素体晶粒尺寸变化较小。图 4试验钢高温拉伸后显微组织渊a冤 Asteel曰渊b冤 Bsteel2.3 Al 元素对耐火钢高温强度的影响表 2 和表 3 分别为试验钢在室温和 600下的力学性能。从表 2 可见，在室温下 A 钢强度低于 B 钢，A 钢的屈服强度（p0.2）接近 400MPa，抗拉强度（）接近 700 MPa，也有较低的屈强比（p0.2/m=0.564），断后伸长率（A）约为 32%，能完全满足 Q345 强度级别的技术要求。在 600下，A 钢屈服强度（p0.2）接近260 MPa，高出 B 钢近 30 MPa，而p0.2（600）/p0.2（室温）的值为 0.66 最接近 2/3，两项高温指标好于 B 钢。表 2试验钢室温下力学性能表 3试验钢 600益下力学性能从图 3 中，可以发现在试验钢中添加 Al 元素，可以使试验钢中贝氏体含量增加且铁素体晶粒细化，所以添加 Al 元素的 B 钢室温强度明显高于 A 钢（屈服强度高约 35 MPa，抗拉强度高约 35 MPa）。此外由于试验钢组织中贝氏体分布不均匀，导致 A 钢平行试样室温强度差别较大。从表 3 中可以发现添加 Al 元素有利于 B 钢室温m/MPa钢种737.5p0.2/MPa420.3p0.2/mA/%29.50B726.8732.2435.1427.70.58429.00A725.2697.2411.9393.50.56433.00669.2375.131.40m/MPa钢种250.4p0.2/MPa223.9p0.2/mA/%66.00B255.4252.9228.1226.00.52867.80A299.0697.2262.3259.70.66061.00298.0257.158.20技术研究与应用Technology Research and Application船舶职业教育48第 11 卷 第 3 期Vol.11,No.3CBZYJY2023 年 5 月强度提高，但不利于 B 钢高温强度的提高。这里可能是多重因素造成的。由于 Al 元素的加入 B钢组织中贝氏体含量增加且铁素体晶粒细化，而有文献3,5表明贝氏体含量达到一定数量（体积分数约为 20%）后其对试验钢高温强度提升有限，而贝氏体组织不均匀分布也不利于试验钢高温强度提升。目前还有文献5表明高温下粗大的晶粒反而有助于试验钢高温强度的提升。此外，还有可能是由于 Al 的加入，容易有 N 形成 AlN 减弱了沉淀强化的作用，同时 Al 的加入可能使钢的夹杂增多又不利于性能，从而使 B 钢的高温性能下降。3 结论1）热力学计算结果表明，通过添加 Al 可以部分代替 Mo 元素对试验钢性能的影响。2）经过热力学计算可以确定低 Mo 耐火钢中 Mo 的合理含量在 0.3%左右（临界冷速 Pf变化减缓），Mn 的合理含量在 1%左右（临界冷速Pf变化减缓）。3）试验结果表明，通过添加 Al 元素可以增加试验钢组织中贝氏体含量，细化晶粒。但由于组织中贝氏体分布不均匀等多方面不利因素的影响，Al 元素的添加对试验钢高温强度提升有限。要职责，良好的情感体验对学生开口有着重要的帮助。因此，教师应针对学生的特点精心设计教学环节。例如，教师可以精心设计英语单词接龙、英语绕口令和同声翻译等游戏，进一步提升教学的趣味性和吸引力，使学生获得更好的学习体验和情感体验，从而提高英语学习能力。3 结语综上所述，在职业院校英语教学中应用情感教学法，教师要充分关注学生的情绪、情感，以培养学生英语素养和促进学生健康成长为第一要务，深入挖掘英语课程中的情感因素，精心设计教学过程，灵活应用多元化教学手段，充分激发学生的积极性情感，消除消极性情感，激发学生的表达欲，鼓励学生认真听、大胆说、仔细读、反复写，帮助其树立熟练掌握英语的信心。因此，在职业院校英语教学中应用情感教学法，不仅能帮助学生掌握扎实的英语知识和技能，还能提高学生的情感体验，促进学生的健康成长。（上接第 35 页）责任编辑：宋艳华参考文献院1 刘永玲,许文静,王静.以思辨能力为导向的大学英语情感教学探究J.高教学刊,2021,7(13):46-49.2 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