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第第2章 工程结构钢章 工程结构钢 工程结构钢工程结构钢是指专门用来制造是指专门用来制造工程结构工程结构的一的一 类钢种 在钢总产量中 工程结构钢占类钢种 在钢总产量中 工程结构钢占90 左右 左右 碳素钢碳素钢 高强度低合金钢高强度低合金钢 工程结构钢工程结构钢 低合金高强度钢是指在碳含量低于低合金高强度钢是指在碳含量低于0 25 质质 量分数量分数 的普通碳素钢基础上 通过添加一种或的普通碳素钢基础上 通过添加一种或 多种合金元素多种合金元素 添加量低于添加量低于3 使钢的强度明显 使钢的强度明显 高于碳素钢的一类工程结构用钢 统称低合金高高于碳素钢的一类工程结构用钢 统称低合金高 强度钢 强度钢 本章教学要点本章教学要点 l工程构件用钢的工作条件 性能要求及合工程构件用钢的工作条件 性能要求及合 金化金化 l工程构件用钢的合金化工程构件用钢的合金化 l典型工程构件用钢典型工程构件用钢 应用背景应用背景 l工程构件钢是在普通碳素结构钢的基础上工程构件钢是在普通碳素结构钢的基础上 发展起来的 主要用于制造各种大型金属发展起来的 主要用于制造各种大型金属 结构 如桥梁 船舶 屋架 锅炉及压力结构 如桥梁 船舶 屋架 锅炉及压力 容器等 容器等 低碳铁素体低碳铁素体 珠光珠光 体钢超细晶钢材生体钢超细晶钢材生 产工艺控制和不同产工艺控制和不同 的制品的制品 2 1 工程构件用钢的工作条件 性能要求工程构件用钢的工作条件 性能要求 及合金化及合金化 2 1 1 工程结构钢服役 加工特点及要求 工程结构钢服役 加工特点及要求 1 工程结构件 工程结构件长期承受各长期承受各种种载荷载荷 静静 动载荷动载荷 2 受大气受大气 海水海水 的的侵蚀 有些侵蚀 有些构件构件受疲劳冲击 受疲劳冲击 3 一 一般般在在 50 100 范围内 范围内使用使用 如 如 桥梁桥梁 船舶船舶 等受到像风力等受到像风力或或海浪冲击海浪冲击 服役服役 条件条件 生产生产 工艺工艺 焊接焊接是构是构成成金金属属结构的结构的常常用用方法 方法 一一般都般都要要经经过过 如剪切如剪切 冲孔冲孔 热弯热弯 深冲等成深冲等成型工艺型工艺 技术技术 要求要求 1 有较有较高的高的屈屈服强度服强度 2 足够足够的的塑塑性性与韧与韧性性 特特别别是低是低温韧温韧性性 3 良好良好工艺性 工艺性 冷变形冷变形 冲压冲压 焊接焊接 剪切等 剪切等 4 良好良好的的耐腐蚀耐腐蚀性性 如耐大气腐蚀 如耐大气腐蚀 5 低的 低的成成本 本 铁素体铁素体 珠光体组织珠光体组织 碳素结构钢 碳素结构钢 Rel 300Mpa 低合金高强度钢 低合金高强度钢Rel为为300 350MPa 低碳贝氏体组织低碳贝氏体组织 Rel为为450 650MPa 铁素体组织铁素体组织 针状铁素体钢和微珠光体低合金 针状铁素体钢和微珠光体低合金 高强钢高强钢Rel为为350 550MPa 低碳马氏体组织低碳马氏体组织 这类钢经过调质处理 这类钢经过调质处理 Rel 为为650 800MPa或更高 或更高 马氏体与铁素体组织马氏体与铁素体组织Rel为为420 1000MPa 2 1 2 工程构件用钢工艺性能和耐腐蚀性的要 求工程构件用钢工艺性能和耐腐蚀性的要 求 耐腐蚀性 主要是指在大气中的抗腐蚀能力 耐腐蚀性 主要是指在大气中的抗腐蚀能力 金属构件要求焊金属构件要求焊缝缝与与母材有牢固母材有牢固的结合 强度的结合 强度不不低低 于于母材母材 焊 焊缝缝的的热影响区有较热影响区有较高的高的韧韧度 度 没有没有焊焊接接 裂纹裂纹 因而因而要求钢要求钢材必须具有良好材必须具有良好的的冷变形冷变形和和可可焊焊 性 性 金属结构金属结构使使用普通低合金高强度结构钢用普通低合金高强度结构钢后后 由由于于减减 少了少了金属构件中金属构件中材料材料的的厚厚度 度 所以必须相应所以必须相应的的提提高高 钢的耐腐蚀性 钢的耐腐蚀性 以防止由以防止由于大气腐蚀于大气腐蚀而引而引起的构件起的构件 截面截面的的减少而使减少而使金属构件过金属构件过早失效早失效 2 2 工程结构钢的合金化工程结构钢的合金化 1 C量 量 固溶强化固溶强化 细 化 晶 粒细 化 晶 粒 细晶强化细晶强化 析出碳氮化物析出碳氮化物 沉淀强化沉淀强化 增加珠光体含量 降低珠光体片层间距增加珠光体含量 降低珠光体片层间距 相变强化相变强化 显显微组织微组织 F P 采采用加合金元素或用加合金元素或热热处理处理工工 艺来艺来发展发展高品质钢高品质钢潜潜力力不不大大 必必 须依靠先进须依靠先进的工艺和制造的工艺和制造技术技术 加加入入0 35 Mo 吨吨钢钢成成 本本增增加加近近850元 元 热热处理处理 线线增增加加投资投资和生产和生产成成本 本 也耗也耗能和能和排放废排放废气气 C 1 固溶固溶强化强化F和和P 2 形成形成碳化碳化物物 沉淀沉淀强化和细晶强化 强化和细晶强化 3 C 塑塑 韧韧性性 焊接焊接性 性 冷成冷成型型 如如0 1 C TK为为 50 0 3 C TK 为为50 一 一般般均均应应限限制在制在0 25 以下以下 Si 最最常常用用且且较经较经济济的元素 强化的元素 强化F较较 显显著著 1 Si s 85MPa TK 量多量多时可时可大大为为降降低低塑韧塑韧性 性 所以所以应控应控 制在制在 0 8 固溶固溶强化作用强化作用大大 1 Mn s 33MPa 但引起但引起韧韧性性下下降降 约约有有3 4 量量溶溶入入F中 细化晶中 细化晶粒粒作用作用较较弱弱 TK 所以所以 Mn控制在控制在Nb Al V 固溶固溶于于F 固溶固溶强化强化效果最效果最显显著著 提 提 高高耐大气腐蚀耐大气腐蚀能能力 力 同同时时显显著著降降低低塑塑 性 性 韧韧性 性 增增加加脆脆性 一性 一般般控制控制 P 0 1 Mn Nb V Ti Al P Cu 作作为残留为残留元素 元素 主主要要提提高高耐大气腐耐大气腐 蚀蚀作用 一作用 一般般控制在控制在0 25 0 5 Al 主主要作要作为脱氧剂为脱氧剂来使用 来使用 提提高钢的高钢的 纯净纯净度度并并生生成成AlN起起到到细化晶细化晶粒粒和和 沉淀沉淀强化强化得得作用 作用 Re 有有净净化 化 变变质作用 质作用 脱氧去硫吸氢脱氧去硫吸氢 作用 作用 改善改善塑韧塑韧性 性 TK B 所以所以 低合金高强度钢的 低合金高强度钢的基本成分应考虑低基本成分应考虑低基本成分应考虑低基本成分应考虑低 碳 稍高的锰含量 并适当用硅强化 适当考碳 稍高的锰含量 并适当用硅强化 适当考碳 稍高的锰含量 并适当用硅强化 适当考碳 稍高的锰含量 并适当用硅强化 适当考 虑用虑用虑用虑用 B B ReRe等净化等净化等净化等净化 1 净净化作用 化作用 a 与与O N等等亲亲和和力大力大 形成形成轻轻质质难难 熔熔化合化合物物 减少并改减少并改变变非非金金属属夹杂夹杂形形 态态 改善其改善其分分布布 b 与与Pb Sn As Sb Bi等形成等形成高高 熔熔点点非非金金属属夹杂夹杂 消除消除热热脆脆 改善改善热热 塑塑性和高性和高温温强度 强度 2 变变质作用 质作用 降降低低形形核功核功 提提高高形形核率核率 细化 细化铸铸态态 组织组织 合金元素合金元素对对低合金高低合金高 强度钢的强度钢的固溶固溶强化强化 钢的钢的韧韧 脆脆转折转折温温度度 与与碳含量的碳含量的关系关系 珠光体中含珠光体中含有有渗渗碳体碳体片片 韧韧脆脆转转变温变温度度升升高高 细晶强化细晶强化 晶晶粒粒尺寸尺寸与与强度的强度的关系关系 Hall Petch公式公式 0 k d1 2 a 强化机制的影响 强化机制的影响 b 成分的影响 成分的影响 铁素体铁素体 珠光体钢的各种强化机制以及成份对屈服强珠光体钢的各种强化机制以及成份对屈服强 度和韧度和韧 脆转折温度的影响脆转折温度的影响 2 2 2 AE对焊接性和耐大气腐蚀性的影响对焊接性和耐大气腐蚀性的影响 C 焊焊缝缝处处硬硬化化与与脆脆化化倾向倾向 焊接焊接裂纹裂纹 提提高高淬透淬透性的性的Me种类及种类及 其其数量数量也也应应适当适当控制 控制 如如Cr Mn Mo Ni等等 一一般般用碳用碳当当量来量来衡衡量 量 即将即将合金元素合金元素对对焊接焊接性及性及 热热影响区硬影响区硬化化倾向倾向的的影响折影响折合合成成碳碳当当量量系系数 数 优优良良的的焊接焊接性是指 性是指 焊接焊接工艺工艺简单简单 焊 焊 缝缝与与母母材结合材结合牢牢固固 强度不低于 强度不低于母母材材 焊 焊缝缝 的的热热影响区保持影响区保持足够足够的强度的强度与韧与韧性 性 没没有有裂裂 纹纹及及各各种种缺陷缺陷 控制控制 C 10 2 13 4 5 15 24 6 VwPwCuwMow CrwNiwSiwMnw CwC 当量 Cu P 耐大气腐蚀耐大气腐蚀性性最最有有效效的元素 一的元素 一般般含含 量量 0 025 0 25 Cu 0 05 0 15 P P 冷冷脆脆和和时效时效倾向倾向增增加 加 用用Al脱脱 氧氧 细晶细晶粒粒钢 钢 复复合加合加入入适适量元素 量元素 则则 钢钢耐蚀耐蚀性性效果效果更佳更佳 如如09CuPTi 08CuPV 10MnPNbRE耐耐候候钢 钢 美国美国的的 Cr Ni Cu P系系钢钢等等 Cr Ni Re等等也也能能提提高结构钢的高结构钢的耐腐蚀耐腐蚀性 性 时效时效 现象现象 产生产生 原因原因 C N等等间间隙隙原原子子偏聚偏聚或或内内吸吸附附于于 位错位错等等晶体晶体缺陷缺陷处处 提提高高硬硬度 度 降降低低 塑塑性和性和韧韧度 度 如如 某某钢钢板刚板刚变形变形时时 AK120J 十天后十天后降降为为35J 焊接 焊接钢钢板板 在在三个月后由三个月后由92J降降为为33J 当然当然桥梁桥梁 船舶等船舶等突然断裂突然断裂的的原因很原因很多 多 共振共振 应应力力波波等等 低碳工程构件低碳工程构件经经加工或高加工或高温冷温冷却却 后后 在 在室室温温或或较较低低温温度度下放下放置置一一段段 时间时间 钢的性能 钢的性能会会发发生明显生明显变变化的化的 现象现象 淬淬火火时效时效和和机械机械时效时效 思考题思考题 退火后的低退火后的低C C钢板一般在钢板一般在 深冲前 先进行一次少量变深冲前 先进行一次少量变 形的平整加工 然后再进行形的平整加工 然后再进行 深冲 为什么深冲 为什么 2 2 铁素体铁素体 珠光体钢珠光体钢 F P类型是工程结构钢中最主要的一类钢 类型是工程结构钢中最主要的一类钢 碳素工程结构钢碳素工程结构钢 高强度低合金钢高强度低合金钢 碳素工程结构钢中碳素工程结构钢中常常含 含 C Mn Si P Al S等等 有有Q195 Q215 Q235 Q255 Q275五五 个牌号个牌号 根据根据质量要求分质量要求分为为A B C D四个四个等等级级 A B级级为为普通质量普通质量级级 C级级为为优优质质级级 D级级和和E级级为为 特特殊殊质量质量级级 有有低低温冲击韧温冲击韧性要求 性要求 一 高强度低合金钢一 高强度低合金钢 最最新研究新研究成成果果 如如F晶晶粒粒尺寸尺寸细化细化到到 级 级 则则 F P类低合金高强度钢的强度类低合金高强度钢的强度也可也可达达到到800MPa F P类型是工程结构钢中类型是工程结构钢中最主最主要的一类钢 要的一类钢 有有 Q295 Q345 Q390 Q420 Q460五个牌号五个牌号 根根 据据质量要求分质量要求分为为A B C D四个四个等等级级 A B级级 为为普通质量普通质量级级 C级级为为优优质质级级 D级级和和E级级为为特特殊殊 质量质量级级 有有低低温冲击韧温冲击韧性要求 性要求 组织组织 10 25 片层片层状状P 75 90 多多边边形形F 普通碳素普通碳素 结构钢结构钢 添加添加Mn 降降低低C 16Mn 固溶固溶强化强化 降降低低A3 细化 细化F 降降低低冷冷脆脆性及性及Tk 添加添加 Ti Nb V 15MnTi 16MnNb 15MnV 二 微合金钢二 微合金钢 Nb V Ti是常用微合金元素 单独或是常用微合金元素 单独或 复合添加 其作用主要是复合添加 其作用主要是细化晶粒细化晶粒和和沉淀强沉淀强 化化 体现在 体现在 1 抑制抑制A晶粒形变再结晶 原因 晶粒形变再结晶 原因 2 阻止阻止A晶粒长大晶粒长大 3 沉淀强化沉淀强化 4 改变钢的显微组织改变钢的显微组织 根本原因 根本原因 1 形变诱生形变诱生Nb V Ti的碳氮化物 在晶界 的碳氮化物 在晶界 亚晶界和位错上起钉轧作用 抑制奥氏体形亚晶界和位错上起钉轧作用 抑制奥氏体形 变再结晶 变再结晶 2 Nb在晶界偏聚 起钉扎作用 在晶界偏聚 起钉扎作用 沉淀析出的强化相主要是低温下析出的沉淀析出的强化相主要是低温下析出的 Nb C N 和和VC Nb 0 04 时 时 G ph Nb 0 04 时 时 ph增量大大增加 而增量大大增加 而 G保持不变 保持不变 V引起析出强化增量 引起析出强化增量 ph 最显著 而最显著 而Ti的作用处于的作用处于Nb和和V之间 之间 微合金元素对钢的屈服强度的影响微合金元素对钢的屈服强度的影响 G 晶粒细化的贡献 晶粒细化的贡献 Ph 析出强化的贡献 析出强化的贡献 石油 天然气开发 需要大量输送管线 油气石油 天然气开发 需要大量输送管线 油气 管线用钢要求有很好的焊接性 低温韧度和强度等管线用钢要求有很好的焊接性 低温韧度和强度等 综合性能 输送油气距离越长 压力越大 质量要综合性能 输送油气距离越长 压力越大 质量要 求也越高 油气管线用钢发展为微求也越高 油气管线用钢发展为微P低合金高强度低合金高强度 钢 钢 强化强化 机机理理 对对F P钢钢 P量量 1 使 使TK 22 油油气气管管线线用钢用钢必须 必须 C 0 1 为为保保证证 就就必须采必须采用用其其它它不不损害损害或或少少损害损害焊焊 接接性和性和韧韧度的强化度的强化措施措施 析出析出强化和晶强化和晶粒粒细化细化 钢性能 钢性能 Nb V Ti微微合金化和控合金化和控轧轧处理处理工艺工艺 2 3 低碳贝氏体和马氏体钢低碳贝氏体和马氏体钢 低碳贝氏体钢是指含碳量为低碳贝氏体钢是指含碳量为0 10 0 15 使用状态组织为使用状态组织为B的钢 贝氏体钢通常是轧制的钢 贝氏体钢通常是轧制 空冷或控制冷却 直接获得空冷或控制冷却 直接获得B组织 其中下贝组织 其中下贝 氏体具有更高的强度和更低的韧氏体具有更高的强度和更低的韧 脆转变温度脆转变温度 由于由于B的相变强化 低碳贝氏体钢与相同的相变强化 低碳贝氏体钢与相同 含碳量的铁素体含碳量的铁素体 珠光体型钢相比 具有更高珠光体型钢相比 具有更高 的强度和良好的韧度 屈服强度可达的强度和良好的韧度 屈服强度可达450 980 MPa 低碳贝氏体钢低碳贝氏体钢 主主要要 特点特点 添加显添加显著著推迟推迟F P转转变变的合金元素 的合金元素 保保证获证获得以得以 下下 贝氏贝氏体体为主为主的的组织组织 成成分特点分特点 0 1 0 2 C 0 5 左右左右Mo 微微量量B 0 005 Mn Cr Ni等等 Nb Ti V 主主要用于制造要用于制造容器容器的的板板材和材和其其他他钢结钢结 构 构 14MnMoV和和14MnMoVBRE钢是钢是我我国国发展发展的低的低 碳碳贝氏贝氏体钢 体钢 屈屈服强度服强度为为490 780MPa级级 低碳马氏体钢低碳马氏体钢 工程机械上相对运动部件和低温下使用部件 要工程机械上相对运动部件和低温下使用部件 要 求有更高的强度和良好的韧性 求有更高的强度和良好的韧性 0 16 C 加 加入入Mo Nb V B及控制及控制Mn或或Cr与与 之配之配合合 淬 淬火火回回火火处理处理组织组织为为低碳低碳回回火火马氏马氏体 体 BHS 1钢的钢的成成分分为为0 10C 1 80Mn 0 45Mo 0 05Nb 锻锻轧轧后后空空冷冷或或直直接接淬淬火火并并自回自回火火 达达到到合金合金调调质钢质钢 调调质质后后的性能的性能水水平平 制造制造汽车汽车的的轮臂托架轮臂托架 操纵杆操纵杆 车轴车轴 转向转向联联动动节节和和 拉杆拉杆等等 也可也可用于用于冷冷墩墩 冷冷拨拨及制作高强度及制作高强度紧紧固固件 件 2 4 针状铁素体钢针状铁素体钢 对于一些强度 焊接性 低温冲击韧性等要对于一些强度 焊接性 低温冲击韧性等要 求更高的场合 还必须采用针状铁素体低合金高强求更高的场合 还必须采用针状铁素体低合金高强 度钢 度钢 基本基本 特点特点 针针状状铁素体铁素体 acicular ferrite 简简写写AF 钢钢 实际实际上上属属于超低碳于超低碳贝氏贝氏体钢 体钢 0 06 C 适适量量Mn Mo Nb等等 具具有有高高 密密度度位错位错 1010cm 2 亚亚结构的结构的 针针状状F 组织组织 超超 低碳低碳B s达达700 800MPa 低 低温冲击韧温冲击韧性 性 焊接焊接性性更更好好 用于 用于现现场场焊接焊接条件及条件及其其寒寒冷冷地地 带管带管线线 被被称称为为21世纪世纪的控的控轧轧钢 钢 两种不同成分的X70管线钢显微组织 2 5 双相钢双相钢 成成分分 主主要要成成分分为为 0 2 C 1 2 1 5 Si 0 8 1 5 Mn 0 45 Cr 0 4 Mo 少少量量V Nb Ti 质量分数质量分数 组织组织 F M组织组织 F基体上分基体上分布布不不连续岛连续岛状状混混 合型合型M 固溶强化固溶强化 细 化 晶 粒细 化 晶 粒 细晶强化细晶强化 析出碳氮化物析出碳氮化物 沉淀强化沉淀强化 增加珠光体含量 降低珠光体片层间距增加珠光体含量 降低珠光体片层间距 相变强化相变强化 显显微组织微组织 F P 0 3011383283124680294 NiCrMoCuMnSiSnPC 每加每加1 的的AE量 屈服量 屈服强度强度值值 Mpa C是是最有效最有效的的固溶固溶强强化元化元素 素 但不利但不利于构件的焊于构件的焊接接 或或冷弯成冷弯成型 型 故含故含C量 量 0 25 P引引起起冷脆冷脆 Sn和和Cu较贵较贵 故固溶故固溶强强化元化元素用素用得最得最 多多的是的是Mn和和Si 一般一般Mn含量 含量 2 Si含量 含量 0 8 否则对塑否则对塑性 性 韧韧性 性 冷弯冷弯性和焊性和焊接接性性不利不利 固溶固溶强强化化 AE对固溶对固溶强强化化的的影响影响 钢的钢的韧韧 脆转变温脆转变温度与度与C含含 量量的的关系关系 细晶强化细晶强化 晶晶粒粒尺寸尺寸与与强度的强度的关系关系 Hall Petch公式公式 0 k d1 2 晶粒越细小晶粒越细小 屈服屈服强度强度 呈线呈线性上性上升升 C 1 固溶固溶强化强化F和和P 2 形成形成碳化碳化物物 沉淀沉淀强化和细晶强化 强化和细晶强化 3 C 塑塑 韧韧性性 焊接焊接性 性 冷成冷成型型 如如0 1 C TK为为 50 0 3 C TK 为为50 一 一般般均均应应限限制在制在0 25 以下以下 Si 最最常常用用且且较经较经济济的元素 强化的元素 强化F较较 显显著著 1 Si Rel 85MPa TK 量多量多时可时可大大为为降降低低塑韧塑韧性 性 所以所以应控应控 制在制在 0 8 固溶固溶强化作用强化作用大大 1 Mn Rel 33MPa 但引起但引起韧韧性性下下降降 约约有有3 4 量量溶溶入入F中 细化晶中 细化晶粒粒作用作用较较弱弱 TK 所以所以 Mn控制在控制在Nb Al V 固溶固溶于于F 固溶固溶强化强化效果最效果最显显著著 提 提 高高耐大气腐蚀耐大气腐蚀能能力 力 同同时时显显著著降降低低塑塑 性 性 韧韧性 性 增增加加脆脆性 一性 一般般控制控制 P 0 1 Mn Nb V Ti Al P Cu 作作为残留为残留元素 元素 主主要要提提高高耐大气腐耐大气腐 蚀蚀作用 一作用 一般般控制在控制在0 25 0 5 Al 主主要作要作为脱氧剂为脱氧剂来使用 来使用 提提高钢的高钢的 纯净纯净度度并并生生成成AlN起起到到细化晶细化晶粒粒和和 沉淀沉淀强化强化得得作用 作用 Re 有有净净化 化 变变质作用 质作用 脱氧去硫吸氢脱氧去硫吸氢 作用 作用 改善改善塑韧塑韧性 性 TK B 所以所以 低合金高强度钢的 低合金高强度钢的基本成分应考虑低基本成分应考虑低基本成分应考虑低基本成分应考虑低 碳 稍高的锰含量 并适当用硅强化 适当考碳 稍高的锰含量 并适当用硅强化 适当考碳 稍高的锰含量 并适当用硅强化 适当考碳 稍高的锰含量 并适当用硅强化 适当考 虑用虑用虑用虑用 B B ReRe等净化等净化等净化等净化 1 净净化作用 化作用 a 与与O N等等亲亲和和力大力大 形成形成轻轻质质难难 熔熔化合化合物物 减少并改减少并改变变非非金金属属夹杂夹杂形形 态态 改善其改善其分分布布 b 与与Pb Sn As Sb Bi等形成等形成高高 熔熔点点非非金金属属夹杂夹杂 消除消除热热脆脆 改善改善热热 塑塑性和高性和高温温强度 强度 2 变变质作用 质作用 降降低低形形核功核功 提提高高形形核率核率 细化 细化铸铸态态 组织组织 490 790Mpa Mo B Mn Cr V Ni 先共析 先共析 F和和P转变 转变 B形成温形成温度度 低碳低碳B组织组织 800 1000Mpa Mo Nb V B 先共析 先共析F和和P 转变转变 控控制制Mn和和Cr合理合理配比配比 低碳低碳M组织组织 1 对对C曲曲线线的的影响影响 2 对韧脆转变温对韧脆转变温度的度的影响影响 Mn Cr Ni固溶固溶在铁素体中 在铁素体中 降降低低FATT50 Si P提提高高FATT50 C N原子原子强强烈烈提提高高FATT50 少量少量Al可可降降低低FATT50 3 对对冲击冲击韧韧性的性的影响影响 1 1 5 的的Mn可可促进促进铁素体铁素体 在在形变形变时时发发生交滑移生交滑移 使使 112 111 滑移 滑移系系在低在低温温下仍下仍起起 作作用 用 同时同时 Mn还还使使三次渗三次渗 碳体碳体难难于在铁素体于在铁素体晶晶界界析析出出 减少了晶减少了晶界界的的裂纹裂纹源源 这 这将改将改 善善钢的钢的冲击冲击韧韧性 性 降降低低 FATT50 Ni的的作作用用跟跟Mn一一致致 促进促进铁素体铁素体形变形变时时发发生交滑移生交滑移 降降低低其存其存 在在温温度 度 FATT50 2 2 2 合金元素合金元素对对工程构件用钢工程构件用钢焊接焊接性和性和耐大气耐大气 腐蚀腐蚀性的性的影响影响 C 焊焊缝缝处处硬硬化化与与脆脆化化倾向倾向 焊接焊接裂纹裂纹 提提高高淬透淬透性的性的AE种类及种类及 其其数量数量也也应应适当适当控制 控制 如如Cr Mn Mo Ni等等 一一般般用碳用碳当当量来量来衡衡量 量 即将即将合金元素合金元素对对焊接焊接性及性及 热热影响区硬影响区硬化化倾向倾向的的影响折影响折合合成成碳碳当当量量系系数 数 优优良良的的焊接焊接性是指 性是指 焊接焊接工艺工艺简单简单 焊 焊 缝缝与与母母材结合材结合牢牢固固 强度不低于 强度不低于母母材材 焊 焊缝缝 的的热热影响区保持影响区保持足够足够的强度的强度与韧与韧性 性 没没有有裂裂 纹纹及及各各种种缺陷缺陷 控制控制 C 10 2 13 4 5 15 24 6 VwPwCuwMow CrwNiwSiwMnw CwC 当量 Cu P 耐大气腐蚀耐大气腐蚀性性最最有有效效的元素 一的元素 一般般含含 量量 0 025 0 25 Cu 0 05 0 15 P P 冷冷脆脆和和时效时效倾向倾向增增加 加 用用Al脱脱 氧氧 细晶细晶粒粒钢 钢 复复合加合加入入适适量元素 量元素 则则 钢钢耐蚀耐蚀性性效果效果更佳更佳 如如09CuPTi 08CuPV 10MnPNbRE耐耐候候钢 钢 美国美国的的 Cr Ni Cu P系系钢钢等等 Cr Ni Re等等也也能能提提高结构钢的高结构钢的耐腐蚀耐腐蚀性 性 时效时效 现象现象 产生产生 原因原因 C N等等间间隙隙原原子子偏聚偏聚或或内内吸吸附附于于 位错位错等等晶体晶体缺陷缺陷处处 提提高高硬硬度 度 降降低低 塑塑性和性和韧韧度 度 如如 某某钢钢板刚板刚变形变形时时 AK120J 十天后十天后降降为为35J 焊接 焊接钢钢板板 在在三个月后由三个月后由92J降降为为33J 当然当然桥梁桥梁 船舶等船舶等突然断裂突然断裂的的原因很原因很多 多 共振共振 应应力力波波等等 低碳工程构件低碳工程构件经经加工或高加工或高温冷温冷却却 后后 在 在室室温温或或较较低低温温度度下放下放置置一一段段 时间时间 钢的性能 钢的性能会会发发生明显生明显变变化的化的 现象现象 淬淬火火时效时效和和机械机械时效时效 思考题思考题 退火后的低退火后的低C C钢板一般在钢板一般在 深冲前 先进行一次少量变深冲前 先进行一次少量变 形的平整加工 然后再进行形的平整加工 然后再进行 深冲 为什么深冲 为什么 p 20 2 3 典型工程构件用钢典型工程构件用钢 2 3 1 铁素体铁素体 珠光体钢珠光体钢 F P类型是工程结构钢中最主要的一类钢 类型是工程结构钢中最主要的一类钢 碳素工程结构钢碳素工程结构钢高强度低合金钢高强度低合金钢 1 碳素工程结构钢碳素工程结构钢 碳素工程结构钢中碳素工程结构钢中常常含 含 C Mn Si P Al S等等 有有Q195 Q215 Q235 Q255 Q275五五 个牌号个牌号 P55表表2 1 根据根据质量要求分质量要求分为为A B C D四个四个等等级级 A B级级为为普通质量普通质量级级 C级级为为优优质质级级 D级级和和E级级为为特特 殊殊质量质量级级 有有低低温冲击韧温冲击韧性要求 性要求 2 低合金高强度钢低合金高强度钢 最最新研究新研究成成果果 如如F晶晶粒粒尺寸尺寸细化细化到到 级 级 则则 F P类低合金高强度钢的强度类低合金高强度钢的强度也可也可达达到到800MPa F P类型是工程结构钢中类型是工程结构钢中最主最主要的一类钢 要的一类钢 有有 Q295 Q345 Q390 Q420 Q460五个牌号五个牌号 根根 据据质量要求分质量要求分为为A B C D四个四个等等级级 A B级级 为为普通质量普通质量级级 C级级为为优优质质级级 D级级和和E级级为为特特殊殊 质量质量级级 有有低低温冲击韧温冲击韧性要求 性要求 P56表表2 2 组织组织 10 25 片层片层状状P 75 90 多多边边形形F 普通碳素普通碳素 结构钢结构钢 添加添加Mn 降降低低C 16Mn 固溶固溶强化强化 降降低低A3 细化 细化F 降降低低冷冷脆脆性及性及Tk 添加添加 Ti Nb V 15MnTi 16MnNb 15MnV 低碳铁素体低碳铁素体 珠光体钢超细晶强韧化与控制技术珠光体钢超细晶强韧化与控制技术 主主要要 特点特点 超细晶超细晶粒粒 高 高洁洁净净度 高度 高均均匀匀性性 生产生产节节约约能能源源和和资资源源 不用或不用或少少用用 Me 改善改善环境环境 成成本本 具具有有更更高高 的的经经济效济效益益 如如何何形成形成微微米米级级的超细晶的超细晶是是该项目该项目 的的核核心心技术技术和和难难点点 具具体体 指指标标 采采用用形变形变诱诱导导F相相变变 可可把把F晶晶粒粒细细 化化到到2 5 m 碳钢碳钢 和和1 2 m 微 微合合 金钢金钢 碳钢的 碳钢的 s由由200MPa提提高高到到 350 400MPa 低合金钢低合金钢由由350 400MPa提提高高到到600 700MPa 3 微合金钢微合金钢 Nb V Ti是常用微是常用微 合金元素 单独或复合添合金元素 单独或复合添 加 其作用主要是加 其作用主要是细化晶细化晶 粒粒和和沉淀强化沉淀强化 体现在 体现在 1 抑制抑制A晶粒形变再结晶晶粒形变再结晶 原因 原因 2 阻止阻止A晶粒长大晶粒长大 3 沉淀强化沉淀强化 4 改变钢的显微组织改变钢的显微组织 根本原因 根本原因 1 形变诱生形变诱生Nb V Ti的碳氮化物 在晶界 的碳氮化物 在晶界 亚晶界和位错上起钉轧作用 抑制奥氏体形亚晶界和位错上起钉轧作用 抑制奥氏体形 变再结晶 变再结晶 2 Nb在晶界偏聚 起钉扎作用 在晶界偏聚 起钉扎作用 沉淀析出的强化相主要是低温下析出的沉淀析出的强化相主要是低温下析出的 Nb C N 和和VC Nb 0 04 时 时 G细晶 细晶 ph Nb 0 04 时 时 ph析出 析出增量大大增加 而 增量大大增加 而 G保持不变 保持不变 V引起析出强化增量 引起析出强化增量 ph 最显著 而最显著 而Ti的作用处于的作用处于Nb和和V之间 之间 微合金元素对钢的屈服强度的影响微合金元素对钢的屈服强度的影响 G 晶粒细化的贡献 晶粒细化的贡献 Ph 析出强化的贡献 析出强化的贡献 石油 天然气开发 需要大量输送管线 油气石油 天然气开发 需要大量输送管线 油气 管线用钢要求有很好的焊接性 低温韧度和强度等管线用钢要求有很好的焊接性 低温韧度和强度等 综合性能 输送油气距离越长 压力越大 质量要综合性能 输送油气距离越长 压力越大 质量要 求也越高 油气管线用钢发展为微求也越高 油气管线用钢发展为微P低合金高强度低合金高强度 钢 钢 强化强化 机机理理 对对F P钢钢 P量量 1 使 使TK 22 油油气气管管线线用钢用钢必须 必须 C 0 1 为为保保证证 就就必须采必须采用用其其它它不不损害损害或或少少损害损害焊焊 接接性和性和韧韧度的强化度的强化措施措施 析出析出强化和晶强化和晶粒粒细化细化 钢性能 钢性能 Nb V Ti微微合金化和控合金化和控轧轧处理处理工艺工艺 珠光体是钢中强度珠光体是钢中强度较较高的组织 高的组织 其其含量每含量每增增加加10 将将使韧使韧 脆转变温脆转变温度度升升高高22 因因此此 增增加加钢中的珠光体钢中的珠光体提提高钢强度高钢强度 同时同时 也也大大大大损害损害钢的焊钢的焊接接性和低性和低温温冲击冲击韧韧度 度 在在细晶细晶强强化化中 中 屈服屈服强度强度每提每提高高15MPa 韧脆转变温韧脆转变温度度降降低低 10 细晶细晶强强化化既既能强能强化化又又能能降降低低韧脆转变温韧脆转变温度 度 在在析析出出强强化化中 中 屈服屈服强度强度每提每提高高15MPa 韧脆转变温韧脆转变温度度提提高高 4 析析出出强强化化虽虽使使钢的钢的韧脆转变温韧脆转变温度度升升高 高 但但远远低于低于固固容容 强强化化 2 3 2 微珠光体低合金高强度钢微珠光体低合金高强度钢 微珠光体钢微珠光体钢可可通过通过析析出出强强化化和和晶粒细化晶粒细化来来提提高钢的高钢的综综合性能 合性能 采采用的用的方法方法是钢中是钢中加加Nb V Ti等等元元素微合金素微合金化化 连铸连铸后后进行进行 控制轧制控制轧制和和控制冷却控制冷却 析析出特殊出特殊碳碳氮氮化化物物影响影响再再结结晶晶 细化晶细化晶 粒粒和和析析出出强强化化 基本基本 特点特点 针针状状铁素体铁素体 acicular ferrite 简简写写AF 钢钢 实际实际上上属属于超低碳于超低碳贝氏贝氏体钢 体钢 0 06 C 适适量量Mn Mo Nb等等 具具有有高高 密密度度位错位错 1010cm 2 亚亚结构的结构的 针针状状F 组织组织 超超 低碳低碳B s达达700 800MPa 低 低温冲击韧温冲击韧性 性 焊接焊接性性更更好好 用于 用于现现场场焊接焊接条件及条件及其其寒寒冷冷地地 带管带管线线 被被称称为为21世纪世纪的控的控轧轧钢 钢 针状铁素体钢是钢针状铁素体钢是钢材材在在控控制制轧轧制制后后空空冷冷过程中通过过程中通过 切切变变和和扩散扩散相变形成由相变形成由位错列阵位错列阵和和位错胞位错胞组组成成的的非非 等等轴轴铁素体钢 铁素体钢 2 3 3 针针状状铁素体钢铁素体钢 两种不同成分的X70管线钢显微组织 对于一些强度 焊接性 低温冲击韧性等要对于一些强度 焊接性 低温冲击韧性等要 求更高的场合 还必须采用针状铁素体低合金高强求更高的场合 还必须采用针状铁素体低合金高强 度钢 度钢 2 3 4 低碳贝氏体和马氏体钢低碳贝氏体和马氏体钢 低碳贝氏体钢是指含碳量为低碳贝氏体钢是指含碳量为0 10 0 15 使 使 用状态组织为用状态组织为B的钢 贝氏体钢通常是轧制空冷或的钢 贝氏体钢通常是轧制空冷或 控制冷却 直接获得控制冷却 直接获得B组织 其中下贝氏体具有更组织 其中下贝氏体具有更 高的强度和更低的韧高的强度和更低的韧 脆转变温度脆转变温度 由于由于B的相变强化 低碳贝氏体钢与相同含碳的相变强化 低碳贝氏体钢与相同含碳 量的铁素体量的铁素体 珠光体型钢相比 具有更高的强度和珠光体型钢相比 具有更高的强度和 良好的韧度 屈服强度可达良好的韧度 屈服强度可达450 980 MPa 低碳贝氏体钢低碳贝氏体钢 主主要要 特点特点 添加显添加显著著推迟推迟F P转转变变的合金元素 的合金元素 保保证获证获得以得以 下下 贝氏贝氏体体为主为主的的组织组织 成成分特点分特点 0 1 0 2 C 0 5 左右左右Mo 微微量量B 0 005 Mn Cr Ni等等 Nb Ti V 主主要用于制造要用于制造容器容器的的板板材和材和其其他他钢结钢结 构 构 合金合金化化 原原则则 Mo和和B偏聚偏聚在在奥奥氏体氏体晶晶界界上 上 阻碍原子阻碍原子 扩散扩散 推迟推迟先共析先共析铁素体和珠光体铁素体和珠光体转变转变 Mn Gr Ni等等元元素 素 进进一一步推迟步推迟先先 共析共析铁素体和珠光体铁素体和珠光体转变转变 BS点下点下 降降 保证保证容容易获易获得得下下贝氏体组织 贝氏体组织 Ti Nb V 细化晶粒细化晶粒和和沉淀沉淀强强化化作作用 用 进进一一步获步获得得高性能的低碳贝氏体钢 高性能的低碳贝氏体钢 14MnMoV和和14MnMoVBRE钢是钢是我我国国发展发展的低的低 碳碳贝氏贝氏体钢 体钢 屈屈服强度服强度为为490 780MPa级级 低碳马氏体钢低碳马氏体钢 工程机械上相对运动部件和低温下使用部件 要工程机械上相对运动部件和低温下使用部件 要 求有更高的强度和良好的韧性 求有更高的强度和良好的韧性 0 16 C 加 加入入Mo Nb V B及控制及控制Mn或或Cr与与 之配之配合合 淬 淬火火回回火火处理处理组织组织为为低碳低碳回回火火马氏马氏体 体 BHS 1钢的钢的成成分分为为0 10C 1 80Mn 0 45Mo 0 05Nb 锻锻轧轧后后空空冷冷或或直直接接淬淬火火并并自回自回火火 达达到到合金合金调调质钢质钢 调调质质后后的性能的性能水水平平 制造制造汽车汽车的的轮臂托架轮臂托架 操纵杆操纵杆 车轴车轴 转向转向联联动动节节和和 拉杆拉杆等等 也可也可用于用于冷冷墩墩 冷冷拨拨及制作高强度及制作高强度紧紧固固件 件 2 5 双相钢双相钢 成成分分 主主要要成成分分为为 0 2 C 1 2 1 5 Si 0 8 1 5 Mn 0 45 Cr 0 4 Mo 少少量量V Nb Ti 质量分数质量分数 组织组织 F M组织组织 F基体上分基体上分布布不不连续岛连续岛状状混混 合型合型M 20 双双相相钢 钢 F中中非非常常 干干净净 C N等等间间隙原隙原子子很很少少 C和和Me 大大部部分在分在M中 中 工艺工艺 在在A F两两相相区区加加热热淬淬火火 或 或热轧热轧后后空空冷冷 或或退退火火 20 30 M 80 70 F 热轧热轧后后 二二段段冷冷却却 缓慢缓慢冷冷获获得得F 后后快快冷冷获获M DP600钢终轧在钢终轧在Ar3以上 超快冷却至 以上 超快冷却至 相变区 相变区 域 空冷数秒获得域 空冷数秒获得80 铁素体 然后快冷至铁素体 然后快冷至Ms点以下卷点以下卷 取 得取 得F M双相钢 双相钢 Ms 控轧控冷TMCP 超快冷 粗轧 精轧 卷取 层流冷却 F P B M 时间 s 温度 A3 A1 FT 空冷 Ms 控轧控冷TMCP 超快冷 粗轧 精轧 卷取 层流冷却 F P B M 时间 s 温度 A3 A1 FT 空冷 控控轧轧 控控冷冷 要点要点 性能性能 低低 s 且且是是连续连续屈屈服 服 无无屈屈服服平平台台和和 上 上 下下屈屈服服 均均匀匀塑变塑变能能力力强 总强 总延伸延伸 率率较大较大 冷冷加工性能加工性能好好 加工 加工硬硬化化率率n 值值大大 成成型型后后 s可可达达500 700MPa 普通钢普通钢 双双相相钢和普通钢应钢和普通钢应力力应应变变曲曲线线的的比比较较 200 400 600 强度强度 MPa 双双相相钢钢 10203040应应变变 影响影响n值最关键因素为马氏体岛组织 这批值最关键因素为马氏体岛组织 这批DP600 钢中马氏体岛短轴尺寸在钢中马氏体岛短轴尺寸在2 5 3 0 m 长轴尺寸 长轴尺寸7 9 m 合适尺寸马氏体在相变体积膨胀 造成相邻铁 合适尺寸马氏体在相变体积膨胀 造成相邻铁 素体晶粒中形成了大量的可动位错素体晶粒中形成了大量的可动位错 又称林位错又称林位错 使得 使得 加工硬化率高 加工硬化率高 应应 用用 冲压冲压型型双双相相钢钢主主要是要是板板材 材 广泛广泛用于用于各各 种种容器容器和和汽车汽车冲压冲压件 件 非非冲压冲压双双相相钢钢有有棒棒材 材 线线材 钢材 钢筋薄壁筋薄壁 无无缝缝钢钢管管等等产品 钢材产品 钢材经热轧经热轧后后控制控制冷冷 却却 得得到到F加加M双双相相钢钢组织组织 然后然后经冷经冷 拨拨 冷冷墩墩等等工艺制工艺制成成成成品 品 可可用于用于汽车汽车的的大梁大梁和和滚滚型型车轮车轮 汽车汽车的的 前前后保后保险杠险杠 发发动动机机悬悬置置梁等梁等 使用 使用双双 相相钢钢可可使使汽车汽车重重量量降降低低10 30 思考题思考题 退退火火后后的低的低C钢钢板板一一般般在在深深 冲冲前前 先进先进行行一一次次少少量量变形变形 的的平平整整加工 加工 然后然后再再进进行行深深 冲冲 为为什么什么 特殊性能低合金高强度钢 耐侯钢特殊性能低合金高强度钢 耐侯钢 要求要求保保证证力力学性能学性能为主为主 兼顾抗兼顾抗大气腐蚀 大气腐蚀 分类分类 焊接焊接结构结构耐耐侯侯钢钢 高高耐耐侯侯钢钢 合金 合金 Cu Cr Ni 合金 合金 Cu P Cr Ni Q235NH 16CuCr Q460 15MnCuCr QT Cu P Q295GNH 09CuP Cu P Cr Ni Q345GNHL 09CuPCrNi 特殊性能低合金高强度钢 耐海水腐蚀钢特殊性能低合金高强度钢 耐海水腐蚀钢 要求要求保保证证力力学性能学性能为主为主 较较强强抗抗海水腐蚀 海水腐蚀 代表代表钢种钢种 10CrMoAlRe 防防腐腐能能力有力有限限 还需还需涂涂层层保保护护 Cr Ni Cu Al P09MnNb 正火态正火态 10 12级级晶晶粒粒度度 特殊性能低合金高强度钢 表面处理钢材特殊性能低合金高强度钢 表面处理钢材 问题问题 钢的钢的腐蚀腐蚀首首先先从表面从表面开开始始 目前目前合金化合金化 是是从整从整体体而而言言 不 不仅仅增增加加了了成成本 本 而而且且 使工艺性能使工艺性能下下降降 分类分类 镀锌镀锌板板 汽车汽车用用镀镀层层板板 电镀锡电镀锡板板 有有机机涂涂层层板板 Zn具具有有比比Fe低低很很多的多的电极电电极电位位 是 是 廉价廉价的的对对Fe具具有有保保护护效果效果的元素 的元素 Zn 5Al ReZn 55Al 1 6Si 耐蚀耐蚀性性提提高高2 3倍倍 IF钢钢 镀镀层层 Zn Zn Cr Zn Mg IF钢 钢 即即无无间间隙原隙原子子钢 钢 也也称超低称超低 碳钢 碳钢 具具有有极极优优异异的的深冲深冲性能 在性能 在 汽车汽车工工业业用用途途广泛广泛 加 加入入一一定定Ti 使钢中使钢中固溶固溶C和和N的含量的含量降到降到0 01 以下以下 使铁素体 使铁素体得得到深到深层层次次的的净净 化 化 从从而而得得到良好到良好的的深冲深冲性能 性能 热热镀铝镀铝板板 主主要用于制作要用于制作罐头外壳罐头外壳以以及及耐耐 蚀蚀性性器器皿皿和和电电气气零零件件 450oC以下以下长期长期工作不工作不变变色色 耐蚀耐蚀性性 比比镀锌镀锌板板高 高 主主要用于要用于汽车汽车消消声声器器 能能进进行行深冲深冲 弯弯曲曲 钻钻孔孔 焊接等各焊接等各 种加工 种加工 耐蚀耐蚀性性好好 美美观观大方大方 2 3 6 低合金高强度钢的低合金高强度钢的发展发展趋势趋势 控控制制轧轧制制 洁净洁净钢钢夹杂夹杂控控制制 转转炉炉顶底复吹技术顶底复吹技术 通过合金通过合金化化改改变变基基 体组织 体组织 提提高强度高强度 超超细晶粒化细晶粒化 计算机计算机控控制和性能制和性能 预报预报 发发 展展 趋趋 势势 思考题思考题 1 叙述 叙述构件用钢构件用钢一般一般的的服服役条役条件 性能要求和件 性能要求和加加工工特点特点 2 低碳钢中低碳钢中淬火淬火时时效效和和应变应变时时效效的的机机理是理是什么 什么 对对构件构件有有何危何危害害 3 为为什么什么普通低合金钢中普通低合金钢中含含Mn量量基基本本上上不不大于大于1 8 Mn 4 什么 什么是微合金钢是微合金钢 微合金微合金化元化元素在微合金素在微合金化化钢中的主要钢中的主要作作用用有有哪些 试哪些 试 举例说明举例说明 5 为为什么什么贝氏体型普通低合金钢贝氏体型普通低合金钢多多采采用用0 5 Mo和微和微量量B作作为基为基本本合金合金化化 元元素素 6 根据 根据合金合金元元素在钢中的素在钢中的作作用用规律规律 结合低合金高强度钢的性能要求 结合低合金高强度钢的性能要求 分分 析析讨论讨论低合金高强度钢的发展低合金高强度钢的发展历历程和合金程和合金元元素的主要素的主要作作用 用 7 分 分析析讨论讨论微合金微合金化化低合金高强度钢的发展低合金高强度钢的发展依据依据及及其其强强韧化韧化机机理 理 怎样实怎样实 现现控控制制轧轧制与制与控控制制冷冷却却 8 综综合合评述评述针状铁素体型 针状铁素体型 超超低碳贝氏体型低碳贝氏体型以以及铁素体及铁素体 马氏体型 马氏体型 双双相相 钢 微合金钢 微合金化化钢的钢的成成分分 组织结构 性能的 组织结构 性能的特点特点以以及及获获得得方法方法和和应应用用范围范围 与与前景前景 9 常见 常见的工程构件用钢的工程构件用钢有有哪些哪些 写写出其出其牌号牌号 说明说明其其主要用主要用途途 2 2 2 合金元素合金元素对对工程构件用钢工程构件用钢焊接焊接性和性和耐大气耐大气 腐蚀腐蚀性的性的影响影响 C 焊焊缝缝处处硬硬化化与与脆脆化化倾向倾向 焊接焊接裂纹裂纹 提提高高淬透淬透性的性的AE种类及种类及 其其数量数量也也应应适当适当控制 控制 如如Cr Mn Mo Ni等等 一一般般用碳用碳当当量来量来衡衡量 量 即将即将合金元素合金元素对对焊接焊接性及性及 热热影响区硬影响区硬化化倾向倾向的的影响折影响折合合成成碳碳当当量量系系数 数 优优良良的的焊接焊接性是指 性是指 焊接焊接