本發(fā)明涉及鋼鐵材料，具體為一種抗凍融耐凍土腐蝕的低合金結(jié)構(gòu)鋼及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、我國土壤類型有40多種，不同地區(qū)的土壤由于氣候和地域的差別性質(zhì)有較大的差別，其中不同類型的土壤其孔隙度、含水量、保溫性能等都不相同。土壤的ph值與侵蝕性離子的類型則與當?shù)氐沫h(huán)境有關(guān)。由于土壤環(huán)境和氣候的復雜性，金屬材料在土壤中的腐蝕也是不盡相同。土壤環(huán)境中的腐蝕性離子(陰離子)以及一些可以產(chǎn)生腐蝕性離子的細菌是土壤腐蝕的誘因，同時土壤中水分以及含氧量也會影響金屬材料在土壤中的腐蝕速率。金屬在土壤中受到的腐蝕均為電化學腐蝕，其中的腐蝕類型主要有：微電池腐蝕、宏電池腐蝕、雜散電流腐蝕和微生物腐蝕。

2、通常將設(shè)計溫度低于或等于-20℃稱為低溫，在該環(huán)境下服役的鋼材統(tǒng)稱為低溫鋼。低溫鋼是結(jié)構(gòu)鋼的重要品種，有鐵素體低溫鋼和奧氏體低溫鋼；鐵素體鋼一般存在明顯的韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度，當溫度降低至某個臨界值時，韌性會突然下降。因此，鐵素體鋼不宜在其轉(zhuǎn)變溫度以下使用。通常需添加合金元素如錳、鎳等，以降低韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度。奧氏體鋼具有較高的低溫韌性，一般沒有韌性-脆性轉(zhuǎn)變溫度。根據(jù)合金成分不同，可分為不同系列，如fe-cr-ni系、fe-cr-ni-mn系和fe-mn-al系奧氏體低溫無磁鋼。

3、隨著經(jīng)濟發(fā)展、國防需求及國家公路建設(shè)進程的持續(xù)推進，高原凍土地區(qū)高速公路建設(shè)需求逐年遞增。然而，在全球氣候變暖背景下，高原凍土長周期凍融導致高速公路橋梁、隧道等關(guān)鍵工程用混凝土開裂嚴重，威脅高速公路服役安全。由于低合金鋼優(yōu)異的強韌性和低溫性能，采用抗凍融鋼結(jié)構(gòu)橋梁替代鋼混結(jié)構(gòu)橋梁，減輕對地基的壓力和低溫開裂風險，提高公路使用壽命，減少養(yǎng)護維修次數(shù)?！耙詷虼贰笔蔷徑庠搯栴}的有效方案。但在相對低溫、高含冰量凍土地區(qū)，結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)受低溫凍融、土壤腐蝕、復雜載荷等外部環(huán)境，以及變形、焊接導致的組織演變，極易發(fā)生低溫-力學-電化學耦合作用下的環(huán)境敏感斷裂失效，威脅橋梁服役安全。亟需開發(fā)高服役性能鋼，滿足高原凍土高速公路建設(shè)需求。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的主要目的是提出一種抗凍融耐凍土腐蝕的低合金結(jié)構(gòu)鋼及其制備方法。

2、為解決上述技術(shù)問題，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

3、一種抗凍融耐凍土腐蝕的低合金結(jié)構(gòu)鋼，以重量百分含量計，其組成為：

4、c：0.011～0.099％，si：0.051～0.310％，mn：1.192～1.610％，ni：0.102～1.126％，cr：0.141～0.200％，cu：0.094～0.301％，ti：0.009～0.016％，zr：0.001～0.018％，re：0.001～0.015％，其余為fe及不可避免的雜質(zhì)；

5、且c元素和si元素的質(zhì)量百分含量還同時滿足公式：

6、0.19％≤c+si≤0.25％，和si/c＝1～8；

7、zr元素和re元素的質(zhì)量百分含量還同時滿足公式：

8、0.001％≤re+zr≤0.014％，和re/zr＝1～6。

9、作為本發(fā)明所述的一種抗凍融耐凍土腐蝕的低合金結(jié)構(gòu)鋼的優(yōu)選方案，其中：以重量百分含量計，其組成為：

10、c：0.03～0.09％，si：0.13～0.30％，mn：1.4～1.55％，ni：0.52～1.126％，cr：0.150～0.200％，cu：0.094～0.301，ti：0.009～0.016％，zr：0.001～0.018％，re：0.001～0.01％，其余為fe及不可避免的雜質(zhì)。

11、作為本發(fā)明所述的一種抗凍融耐凍土腐蝕的低合金結(jié)構(gòu)鋼的優(yōu)選方案，其中：以重量百分含量計，其組成為：c：0.05％，si：0.20％，mn：1.5％，ni：0.5％，cr：0.19，cu：0.20，ti：0.012％，zr：0.0015％，re：0.006％，其余為fe及不可避免的雜質(zhì)。

12、作為本發(fā)明所述的一種抗凍融耐凍土腐蝕的低合金結(jié)構(gòu)鋼的優(yōu)選方案，其中：在不可避免的雜質(zhì)中，p元素、s元素、o元素、n元素和h元素的質(zhì)量百分含量分別滿足：p≤0.0049％，s≤0.0010％，o≤0.0049％，n≤0.0039％，h≤0.00019。

13、作為本發(fā)明所述的一種抗凍融耐凍土腐蝕的低合金結(jié)構(gòu)鋼的優(yōu)選方案，其中：所述低合金結(jié)構(gòu)鋼的微觀組織類型為鐵素體-珠光體帶狀組織，所述低合金結(jié)構(gòu)鋼的微觀組織的有效晶粒尺寸≤10μm。

14、作為本發(fā)明所述的一種抗凍融耐凍土腐蝕的低合金結(jié)構(gòu)鋼的優(yōu)選方案，其中：所述低合金結(jié)構(gòu)鋼在-40℃溫度下的v型缺口沖擊吸收功大于300j，抗拉強度≥410mpa，屈服強度≥480mpa，延伸率≥30％。

15、為解決上述技術(shù)問題，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，本發(fā)明提供了如下技術(shù)方案：

16、一種上述的抗凍融耐凍土腐蝕的低合金結(jié)構(gòu)鋼的制備方法，包括如下步驟：

17、s1、感應冶煉前對鋼模進行充分烘烤，對冶煉原料進行充分的表面除鐵鱗，合金元素原料按照計算量加入；在真空感應爐中熔化鋼水后逐步加入合金元素原料，待所有合金元素原料全部融入鋼水后進行連鑄，得到鑄坯；

18、s2、對所述鑄坯進行加熱保溫，之后鑄坯連續(xù)進行粗軋、精軋，并控制精軋終點溫度為750～850℃，軋后水冷至410～550℃，再自然冷卻至室溫，得到低合金結(jié)構(gòu)鋼。

19、作為本發(fā)明所述的抗凍融耐凍土腐蝕的低合金結(jié)構(gòu)鋼的制備方法的優(yōu)選方案，其中：所述步驟s1中，將純鐵、銅、鉻鐵、鎳一同加入真空感應爐中使其完全熔化后充入保護性氣體維持真空狀態(tài)，加入碳、硅、鋯鐵、錳合金待熔化后加入鈦鐵、稀土進行得到鋼水，將所述鋼水的出爐溫度調(diào)整為1450～1550℃，所述鋼水中的自由氧含量為10～20ppm。

20、作為本發(fā)明所述的抗凍融耐凍土腐蝕的低合金結(jié)構(gòu)鋼的制備方法的優(yōu)選方案，其中：所述步驟s1中，所述的稀土包括鑭和鈰，所述鑭元素和鈰元素的重量比為(34～36)：(64～66)。

21、作為本發(fā)明所述的抗凍融耐凍土腐蝕的低合金結(jié)構(gòu)鋼的制備方法的優(yōu)選方案，其中：所述步驟s2中，加熱溫度為1200～1300℃，保溫時間為3～4h，粗軋終點溫度為950～990℃。

22、本發(fā)明的有益效果如下：

23、本發(fā)明提出一種抗凍融耐凍土腐蝕的低合金結(jié)構(gòu)鋼及其制備方法，采用與現(xiàn)有技術(shù)完全不同的成分設(shè)計，實現(xiàn)抗凍融耐凍土腐蝕的要求，同時簡約化成分設(shè)計，輔以zr-ti-re復合脫氧與微合金化的抗凍融鋼可控制備、降低環(huán)境斷裂敏感性，實現(xiàn)抗凍融鋼成分結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計；本發(fā)明通過低碳當量設(shè)計，鋼板具有優(yōu)異的焊接性能；采用ti、zr、re的復合微合金化，配合tmcp軋制參數(shù)調(diào)控，實現(xiàn)鋼板晶粒細小、強韌性高。該種耐凍融腐蝕鋼尤其適用于低溫和凍融環(huán)境使用的高原凍土公路、鐵路、橋梁等結(jié)構(gòu)材料，該種材料除了低溫韌性及其優(yōu)越外，還具有高強度、易焊接、耐凍融等顯著特點。