工程结构钢课件

18四月2024工程结构钢本章要点工程结构钢基本要求低合金高强度结构钢的合金化铁素体-珠光体钢微珠光体低合金高强度钢针状铁素体钢低碳贝氏体和马氏体钢双相钢新一代钢铁材料低合金高强度钢发展趋势4/18/20242工程结构钢工程结构钢是指专门用来制造工程结构件的一大类钢种。在钢总产量中，工程结构钢占90％左右。工程结构钢包括碳素钢和低合金高强度钢。低合金高强度钢是指在碳含量低于0.25%的普通碳素钢的基础上，通过添加一种或多种少量合金元素（低于3%），使钢的强度明显高于碳素钢的一类工程结构用钢，统称低合金高强度钢。按用途可分为结构钢、耐腐蚀钢、低温用钢、耐磨钢、钢筋钢、钢轨钢及其他专业用钢等4/18/202432.1工程结构钢基本要求

工程结构件长期受静载；互相无相对运动受大气（海水）的侵蚀；有些构件受疲劳冲击；一般在-50~100℃范围内使用；如：桥梁、船舶等受到像风力或海浪冲击.服役条件生产工艺焊接是构成金属结构的常用方法；一般都要经过如剪切、冲孔、热弯、深冲等成型工艺技术要求

1、足够的强度与韧度（特别是低温韧度）；2、良好的焊接性和成型工艺性；3、良好的耐腐蚀性；4、低的成本。4/18/202442.2低合金高强度结构钢的合金化Me对HSLA力学性能影响C↑固溶强化效果和珠光体含量，低成本。↑C，↓塑、韧性，↓焊接性、冷成型。如0.1%C，TK为-50℃，0.3%C，TK为50℃一般均应限制在0.2%以下Si最常用且较经济的元素。强化F较显著，1%Si，σs↑85MPa，↑TK，量多时可大为降低塑韧性，所以Si控制在<1.1%4/18/202452.2低合金高强度结构钢的合金化Me对HSLA力学性能影响Mn固溶强化作用大，1%Mn，σs↑33MPa。约有3/4量溶入F中，弱的细晶作用，↓TK。同样量多时可大为降低塑韧性.所以Mn控制在<1.8%。Nb/VTi/Al形成稳定细小的K等，粒子2~10nm，既细晶又沉淀强化，↑σs，↑δ、AK，综合效果↓TK。改善焊接性。作用顺序:Ti>Nb>Al>V。4/18/202462.2低合金高强度结构钢的合金化Me对HSLA力学性能影响Re脱氧去硫吸氢作用，改善塑韧性，↓TK所以，低合金高强度钢的基本成分应考虑低碳，稍高的锰含量，并适当用硅强化。4/18/20247

合金元素对低合金高强度钢的固溶强化

钢的韧－脆转折温度与碳含量的关系

4/18/20248（a）强化机制的影响（b）成分的影响图F-P钢的各种强化机制和成份对屈服强度和韧-脆转折温度的影响

4/18/202492.2低合金高强度结构钢的合金化Me对焊接性和耐大气腐蚀性的影响CC↑→焊缝处硬化与脆化倾向↑，焊接裂纹↑。提高淬透性的Me种类及其数量也应适当控制，如Cr、Mn、Mo、Ni等。CuP

↑耐大气腐蚀性最有效的元素。一般含量:0.025~0.25%Cu

，0.05~0.15％P

。↑P，冷脆和时效倾向增加。→用Al脱氧→细晶粒钢。复合加入适量元素，则↑钢耐蚀性效果更佳。如090CuPCrNi-A、09CuP、09CuPCrNi-B4/18/202410时效现象低碳工程构件经加工或高温冷却后，在室温或较低温度下放置一段时间，钢的性能会发生明显变化的现象。（淬火时效和机械时效）产生原因C、N等间隙原子偏聚或内吸附于位错等晶体缺陷处。提高硬度、降低塑性和韧度。如：某钢板刚变形时，AK120J，十天后降为35J；焊接钢板在三个月后由92J降为33J。4/18/202411思考题：

退火后的低C钢板一般在深冲前，先进行一次少量变形的平整加工，然后再进行深冲，为什么?4/18/2024122.3铁素体-珠光体钢碳素结构钢Q+最低屈服强度值(MPa)；+质量等级符号(A、B、C、D、E)+脱氧方法符号如Q235AF、Q235BZ一般以热轧空冷状态供应钢板沸腾钢—F；镇静钢—Z；半镇静钢—b；特殊镇静钢—TZ4/18/2024132.3铁素体-珠光体钢碳素结构钢（GB/T700－1988）

4/18/2024142.3铁素体-珠光体钢低合金高强度结构钢（屈服强度提高25%～100%）都是镇静钢或特殊镇静钢，其牌号中没有表示脱氧方法的符号。如Q345C屈服点从300～650MPa分为六级，也可采用两位阿拉伯数字（表示平均含碳量的万分之几）和化学元素符号，按顺序表示，如16Mn。*说明：通常情况下，屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢。4/18/2024152.3铁素体-珠光体钢最新研究成果：如F晶粒尺寸细化到μ级，则F-P类低合金高强度钢的强度也可达到800MPaF-P类型是工程结构钢中最主要的一类钢。有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五个牌号。根据质量要求分为A、B、C、D四个等级。A、B级为普通质量级；C级为优质级；D级和E级为特殊质量级，有低温冲击韧性要求。

组织：10~25％片层状P+75~90％多边形F。4/18/202416低碳铁素体/珠光体钢超细晶强韧化与控制技术

——2004年度国家科学技术进步一等奖主要特点超细晶粒、高洁净度、高均匀性。生产节约能源和资源，不用或少用Me，改善环境，↓成本，具有更高的经济效益。如何形成微米级的超细晶是该项目的核心技术和难点。具体指标采用形变诱导F相变，可把F晶粒细化到2-5μm（碳钢）和1～2μm（微合金钢）。碳钢的σs由200MPa提高到350～400MPa；低合金钢由350～400MPa提高到600～700MPa。4/18/202417

低碳铁素体/珠光体钢超细晶钢材生产工艺控制和不同的制品4/18/2024182.4微珠光体低合金高强度钢强化机理对F-P钢,P量每↑10%，将使TK↑22℃。油气管线用钢:↓C,<0.1%；为保证σ，就必须采用其它不损害或少损害焊接性和韧度的强化措施。→析出强化和晶粒细化↑钢性能。→Nb、V、Ti微合金化和控轧处理工艺。4/18/202419控制轧制和控制冷却技术高温形变热处理→F大幅度晶粒细化→↑强度和韧度。控制轧制和控制冷却的组织变化模式图

图中轧制温度向右边降低，上层表示奥氏体组织变化，下层表示奥氏体开始相变后组织及F核的形成

4/18/202420图

各种轧制程序模式图CR：控制轧制；AcC:控制冷却

4/18/2024212.4微珠光体低合金高强度钢微合金元素的作用阻止加热时奥氏体晶粒长大抑制奥氏体形变再结晶

在热加工过程中，奥氏体会发生形变再结晶使晶粒回复粗大。但应变动态析出Nb、V、Ti的碳氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上起钉轧作用，有效地阻止奥氏体再结晶时晶界和位错的运动，从而抑制奥氏体形变再结晶。4/18/202422

微合金元素对钢的屈服强度的影响（σG：晶粒细化σPh：析出强化）

4/18/2024232.5针状铁素体钢基本特点针状铁素体（acicularferrite，简写AF）钢实际上属于超低碳贝氏体钢。≤0.06％C+适量Mn、Mo、Nb等→具有高密度位错（1010cm－2）亚结构的“针状F”组织（超低碳B）。σs达700~800MPa，低温冲击韧性、焊接性更好.用于现场焊接条件及其寒冷地带管线。被称为21世纪的控轧钢。4/18/2024242.6低碳贝氏体和马氏体钢低碳贝氏体钢是指含碳量为0.10~0.15%，使用状态组织为B的钢。贝氏体钢通常是在轧制空冷或控制冷却，直接获得B组织。由于B的相变强化，低碳贝氏体钢与相同含碳量的铁素体-珠光体型钢相比，具有更高的强度和良好的韧度，屈服强度可达450~980MPa.4/18/202425主要特点合金元素是保证在较宽的冷速范围内获得以贝氏体为主的组织成分特点:?0.5%左右Mo+微量B（0.005%）+Mn、Cr、Ni等+Nb、Ti、V主要用于制造容器的板材。

14MnMoV和14MnMoVBRE钢是我国发展的低碳贝氏体钢，屈服强度为490MPa级4/18/2024262.6低碳贝氏体和马氏体钢低碳马氏体≤0.16%C，加入Mo、Nb、V、B及控制Mn或Cr与之配合→淬火回火处理组织为低碳回火马氏体。BHS-1钢的成分为0.10C-1.80Mn-0.45Mo-0.05Nb。锻轧后空冷或直接淬火并自回火。达到合金调质钢调质后的性能水平。制造汽车的轮臂托架、操纵杆、车轴、转向联动节和拉杆等，也可用于冷墩、冷拨及制作高强度紧固件。4/18/2024272.7双相钢成分成分：~0.2%C，1.2~1.5%Si，0.8~1.5%Mn，~0.45%Cr，~0.4%Mo，少量V、Nb、Ti。组织

F+M组织，F基体上分布不连续岛状混合型M（<20%）→双相钢。F中非常干净，C、N等间隙原子很少；C和Me大部分在M中.性能低σs，且是连续屈服，无屈服平台和上、下屈服；均匀塑变能力强，总延伸率较大，冷加工性能好；加工硬化率n值大，成型后σs可达500~700MPa。4/18/202428强度MPa双相钢600400普通钢

20010203040应变/%双相钢和普通钢应力应变曲线的比较4/18/202429应用

冲压型双相钢主要是板材，广泛用于各种容器和汽车冲压件。非冲压双相钢有棒材、线材、钢筋薄壁无缝钢管等产品。钢材经热轧后控制冷却，得到F加M双相钢组织，然后经冷拨、冷墩等工艺制成成品。可用于汽车的大梁和滚型车轮，汽车的前后保险杠、发动机悬置梁等，使用双相钢可使汽车重量降低10~30%4/18/2024304/18/2024312.8新一代钢铁材料国家973项目“新一代钢铁材料”重大基础研究首席科学家翁宇庆教授。项目的设想是把占全国钢材总产量70%的三类钢，即碳素、低合金、合金结构钢的强度或使用寿命提高一倍。研究人员提出了碳素结构钢的σs由目前的200MPa提高到400MPa，低合金结构钢的σs由目前的400MPa提高到800MPa，合金结构钢σs由800MPa提高到1500MPa。新一代钢铁材料性能的提高，还有望降低目前约占全国总能耗1/10的钢铁工业对能源、资源的消耗。4/18/202432先进钢铁材料技术的进展钢铁研究总院先进钢铁材料技术国家工程研究中心董瀚摘要：钢铁材料是不断发展的先进材料，它依然是本世纪的主要结构材料。先进钢铁材料具有环境友好、性能优良、资源节约、成本低廉的特征。本文从钢铁材料理论进展出发，评述微合金化钢、超细晶粒钢、氮合金化不锈钢、高质量特殊钢、钢材组织性能预报和材料信息化技术等重要的先进钢铁材料技术进展。4/18/202433低合金高强度钢发展趋势低碳超低碳<0.06%甚至<0.02%高纯净化微合金化技术控