说明书一种低屈强比高性能桥梁钢及其制造方法
技术领域
本发明属于钢铁材料技术领域，具体涉及一种低屈强比高性能桥梁钢及其制造方法。
背景技术
随着桥梁设计和大跨度钢桥建设的发展，高性能桥梁钢取得了长足的发展。就中国而言，随着我国经济的快速发展，国家加大了对运输业的投入力度，跨江河、跨海湾公路桥及铁路桥的总里程与日俱增，如东海、杭州湾和青岛湾大跨度跨海大桥，进而促进了高强韧性桥梁钢的发展。但同国外桥梁钢相比，我国桥梁钢的发展还相对比较落后，主要体现在强度级别低、焊接性能差和耐候性能差等方面，因此迫切需要开发具有良好的塑性、低温韧性、焊接性能、冷成形性能、耐腐蚀性能及较高的强度的高性能桥梁钢。
目前，日本、美国和欧洲的桥梁钢主要向高性能方向发展。日本JFE和新日铁钢铁公司相继开发了YP500，BHS500和BHS700W系列高性能桥梁钢，其中新日铁BHS700W化学成分如表2所示。20世纪90年代以来，米塔尔美国公司先后开发了HPS50W、HPS70W和HPS100W系列高性能桥梁钢，其中HPS100W化学成分如表3所示。欧洲钢铁公司开发了S355M、S355ML、S420M、S420ML、S460M、S460ML、S690Q、S690QL和S690QL1系列桥梁钢，其中S690QL化学成分如表4所示。
从表中可以看出BHS700W中含有约0.44wt%的Mo，HPS100W中含有约0.40 ～ 0.65wt%的Mo，且二者中均含有相对较多的Ni、Cr和Cu，S690QL中含有约0.20wt%的Mo，几乎不含Ni和Cu，且碳含量高达0.16wt%，使得S690QL的焊接性能和耐候性能降低。
新日铁60mm厚BHS700W的屈服强度和抗拉强度分别为782MPa和820MPa，屈强比高达0.95，大大降低了使用安全性。米塔尔美国公司生产的HPS100W的屈服强度为690MPa，抗拉强度760 ～ 895MPa，夏比V型缺口冲击断裂临界值为48J（-34℃），且采用Q&T工艺，一方面低温韧性较差，另一方面工艺流程较长。欧洲桥梁用钢S690QL的屈服强度为690MPa，抗拉强度770 ～ 940MPa，-40℃的冲击功仅30J，也采用Q&T工艺，同样存在低温韧性差和工艺流程长的缺点。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种低屈强比高性能桥梁钢及其制造方法，目的是填补国内低屈强比、无Mo桥梁钢的研发空白。
本发明的低屈强比高性能桥梁钢，其化学成分按照质量百分比为：C 0.04 ～ 0.08%, Si 0.30 ～ 0.50%, Mn 1.10 ～ 1.80%, P ≤ 0.009%, S ≤ 0.003%, Als ≤ 0.05%, Ni 0.20 ～ 0.50%, Cr 0.30 ～0.60%, Cu 0.30 ～ 0.60%, Ti 0.01 ～ 0.03%, Nb 0.02 ～ 0.05%，余量为Fe；其金相显微组织由多种类型的高温和低温贝氏体及细化的马-奥岛组元组成；其屈服强度为700 ～ 750MPa，抗拉强度为820 ～ 960MPa，断后延伸率为16.1 ～ 19.6%，屈强比为0.78 ～ 0.86，-40℃冲击吸收功为156 ～ 196J。
本发明的低屈强比高性能桥梁钢的制造方法按照以下步骤进行：
（1）将学成分按照质量百分比为：C 0.04 ～ 0.08%, Si 0.30 ～ 0.50%, Mn 1.10 ～ 1.80%, P ≤ 0.009%, S ≤ 0.003%, Als ≤ 0.05%, Ni 0.20 ～ 0.50%, Cr 0.30 ～0.60%, Cu 0.30 ～ 0.60%, Ti 0.01 ～ 0.03%, Nb 0.02 ～ 0.05%，余量为Fe的钢坯加热至1200℃保温1 ～ 2h；
（2）对钢坯进行两阶段轧制，一阶段轧制开轧温度为1120~1165℃，终轧温度为1090~1120℃，压下率为45~65%；二阶段轧制开轧温度为910~923℃，终轧温度为860~870℃，压下率为50~70%，得到轧制钢板；
（3）轧后立即采用超快速冷却（Ultra Fast Cooling， UFC）将钢板冷却至230 ～ 520℃，然后空冷至室温，得到低屈强比高性能桥梁钢。
与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：
（1）本发明的高性能桥梁钢成分设计是采用低碳，保证了桥梁钢的焊接性能和低温韧性，同时加入一定量的Ni、Cr和Cu耐候元素，保证了桥梁钢的耐候性，更为重要的是成分不含贵金属元素Mo，还省去了热处理工艺，大大降低了生产成本，同时还具有较低的屈强比和良好的低温韧性；
（2）本发明的桥梁钢的制造方法中，在轧后采用超快速冷却，阻碍碳的充分配分，大大细化了马-奥岛组元，一方面可以提高低温韧性，另一方面有利于降低屈强比；
（3）本发明的低屈强比高性能桥梁钢具有优良的综合力学性能，当UFC终冷温度降低至236℃时，其屈服强度高达745MPa，抗拉强度高达961MPa，断后延伸率高达16.8%，-40℃冲击吸收功高达166J，屈强比低至0.78；
（4）本发明的一种低屈强比高性能桥梁钢由于有多类型的高温和低温贝氏体和细化的马-奥岛组元组成，在保证强度的同时，实现了高低温韧性和低屈强比目标，真正实现了高性能桥梁钢的开发，对于高性能桥梁钢在我国的推广应用具有重要意义，同时填补了国内低屈强比、无Mo桥梁钢的研发空白。
附图说明
图1为实施例1中的低屈强比高性能桥梁钢的典型光学显微组织图；
图2为实施例2中的低屈强比高性能桥梁钢的典型光学显微组织图；
图3为实施例3中的低屈强比高性能桥梁钢的典型光学显微组织图。
具体实施方式
实施例1
本发明的低屈强比高性能桥梁钢，其化学成分按照质量百分比为：C 0.052%, Si 0.43%, Mn 1.56%, P 0.008%, S 0.001%, Als 0.012%, Ni 0.34%, Cr 0.46%, Cu 0.45%, Ti 0.02%, Nb 0.04%，余量为Fe；其金相显微组织由多种类型的高温和低温贝氏体及细化的马-奥岛组元组成；其屈服强度为709.8MPa，抗拉强度为827.4MPa，断后延伸率为19.6%，屈强比为0.86，-40℃冲击吸收功为196.0J。
本发明的低屈强比高性能桥梁钢的制造方法按照以下步骤进行：
（1）将学成分按照质量百分比为：C 0.052%, Si 0.43%, Mn 1.56%, P 0.008%, S 0.001%, Als 0.012%, Ni 0.34%, Cr 0.46%, Cu 0.45%, Ti 0.02%, Nb 0.04%，余量为Fe的钢坯加热至1200℃保温2h；
（2）采用Φ450mm二辊可逆热轧实验轧机对钢坯进行两阶段轧制，压下规程为：90–65–48–35–25–18–14–12mm，一阶段开轧温度为1140℃，终轧温度为1120℃，二阶段轧制开轧温度920℃，终轧温度为865℃，得到轧制钢板；
（3）轧后立即采用超快速冷却将钢板冷却至520℃，然后空冷至室温，得到低屈强比高性能桥梁钢，其典型光学显微组织如图1所示，从图1中可以看出，金相组织以粒状贝氏体为主，局部存在极少量的上贝氏体，马/奥岛粗大，经检测，其屈服强度为709.8MPa，抗拉强度为827.4MPa，断后延伸率为19.6%，屈强比为0.86，-40℃冲击功为196.0J。
实施例2
本发明的低屈强比高性能桥梁钢，其化学成分按照质量百分比为：C 0.04%, Si 0.50%, Mn 1.10%, P 0.008%, S 0.001%, Als 0.012%, Ni 0.50%, Cr 0.30%, Cu 0.30%, Ti 0.03%, Nb 0.02%，余量为Fe；其金相显微组织由多种类型的高温和低温贝氏体及细化的马-奥岛组元组成；其屈服强度为748.9MPa，抗拉强度为878.4MPa，断后延伸率为16.1%，屈强比为0.85，-40℃冲击吸收功为156.0J。
本发明的低屈强比高性能桥梁钢的制造方法按照以下步骤进行：
（1）将学成分按照质量百分比为：C 0.04%, Si 0.50%, Mn 1.10%, P 0.008%, S 0.001%, Als 0.012%, Ni 0.50%, Cr 0.30%, Cu 0.30%, Ti 0.03%, Nb 0.02%，余量为Fe的钢坯加热至1200℃保温2h；
（2）采用Φ450mm二辊可逆热轧实验轧机对钢坯进行两阶段轧制，压下规程为：90–65–48–35–25–18–14–12mm，一阶段开轧温度为1120℃，终轧温度为1090℃，二阶段轧制开轧温度915℃，终轧温度为865℃，得到轧制钢板；
（3）轧后立即采用超快速冷却将钢板冷却至425℃，然后空冷至室温，得到低屈强比高性能桥梁钢，其典型光学显微组织如图2所示，从图2中可以看出，金相组织为粒状贝氏体和上贝氏体组织，马/奥岛细小，经检测，其屈服强度为748.9MPa，抗拉强度为878.4MPa，断后延伸率为16.1%，屈强比为0.85，-40℃冲击功为156.0J。
实施例3
本发明的低屈强比高性能桥梁钢，其化学成分按照质量百分比为：C 0.08%, Si 0.30%, Mn 1.80%, P 0.008%, S 0.001%, Als 0.012%, Ni 0.20%, Cr 0.60%, Cu 0.60%, Ti 0.01%, Nb 0.05%，余量为Fe；其金相显微组织由多种类型的高温和低温贝氏体及细化的马-奥岛组元组成；其屈服强度为745.3MPa，抗拉强度为959.4MPa，断后延伸率为16.8%，屈强比为0.78，-40℃冲击吸收功为166。
本发明的低屈强比高性能桥梁钢的制造方法按照以下步骤进行：
（1）将学成分按照质量百分比为：C 0.08%, Si 0.30%, Mn 1.80%, P 0.008%, S 0.001%, Als 0.012%, Ni 0.20%, Cr 0.60%, Cu 0.60%, Ti 0.01%, Nb 0.05%，余量为Fe的钢坯加热至1200℃保温2h；
（2）采用Φ450mm二辊可逆热轧实验轧机对钢坯进行两阶段轧制，压下规程为：90–65–48–35–25–18–14–12mm，一阶段开轧温度为1165℃，终轧温度为1160℃，二阶段轧制开轧温度923℃，终轧温度为870℃，得到轧制钢板；
（3）轧后立即采用超快速冷却将钢板冷却至230℃，然后空冷至室温，得到低屈强比高性能桥梁钢，其典型光学显微组织如图3所示，从图3中可以看出，金相组织为板条贝氏体和粒状贝氏体组织，马/奥岛更加细小，经检测，其屈服强度为745.3MPa，抗拉强度为959.4MPa，断后延伸率为16.8%，屈强比为0.78，-40℃冲击功为166J。