2 工程结构钢.ppt

Chapter2工程结构钢 主要内容 2 1工程结构钢的合金化2 2铁素体 珠光体钢2 3低碳贝氏体和马氏体钢2 4先进汽车用钢2 5管线钢 船板 耐候钢 耐火钢等 教学要求 基本要求 了解工程结构钢的服役特点及性能要求 熟悉常用低合金工程结构钢 重点与难点 各种工程结构钢的成分特点 合金元素作用 显微组织与力学性能 2 1工程结构钢的合金化 一 应用背景 工程结构钢包括碳素工程结构钢和高强度低合金钢 主要用于制造各种工程结构 如桥梁 船舶 建筑结构 锅炉 管道和高压容器等 Chapter2工程结构钢 二 工程构件的服役特点不作相对运动 长期承受静载荷作用 有一定的使用温度和环境要求 如寒冷的北方 构件在承载的同时 还要长期经受低温的作用 桥梁或船舶则长期经受大气或海水的浸蚀 电站锅炉构件的使用温度则可达到250 以上 三 力学性能要求弹性模量大 以保证构件有更好的刚度 有足够的抗塑性变形及抗破断的能力 即Rp0 2和Rm较高 而塑性较好 缺口敏感性及冷脆倾向性较小等 具有一定的耐大气腐蚀及海水腐蚀性能 Chapter2工程结构钢 四 工艺性能要求良好的冷变形性能和焊接性能 以工艺性能为主 力学性能为辅 五 成分设计低碳 wC 0 25 降低冷脆性含碳量增加 珠光体含量随之增加 提高韧脆转化温度 提高焊接性能决定于淬透性和淬硬性 这两者取决于含碳量和合金元素含量 碳是最有害的元素 碳当量 Chapter2工程结构钢 加入适量的合金元素Si Mn Cr Ni Nb V Ti Cu P等 提高强度 但保证塑性 韧性 冷弯性能和焊接性能 固溶强化 Si Mn Cu P Cr Ni等 Si 0 8 Mn 2 0 P 0 1 Cu 0 25 0 5 Cr 0 8 Ni 0 7 细晶强化 图3 2 Ti最强 Nb Al次之 V较弱 沉淀强化 图2 6 图3 3 Nb V Ti的碳化物和碳氮化物在奥氏体转变转变中产生相间沉淀和从过饱和铁素体中析出 0 01 Nb Ti Rp0 2提高30 50MPa 0 1 VRp0 2提高150 200MPa Chapter2工程结构钢 图2 6碳化物和氮化物在奥氏体中溶解度与温度的关系 提高抗大气腐蚀的能力 Cu P Cr Ni和稀土元素等 Cu 0 25 0 5 P 0 06 0 15 同时加入几种耐蚀元素效果更佳 六 供货状态 大部分构件通常是在热轧空冷状态下使用 有时也在控轧控冷状态下使用 Chapter2工程结构钢 2 1铁素体 珠光体钢 一 碳素工程结构钢典型钢种 Q195 Q215 Q235 Q255 Q275 C 0 06 0 38 Rp0 2 195 275MPa A 33 20 大部分以热轧成品供货 少部分以冷轧成品供货 08F 08Al 06Ti Chapter2工程结构钢 二 高强度低合金钢典型钢种 16Mn性能 Rp0 2 345MPa级 如表3 1 Mn 固溶强化 降低A3 增大奥氏体过冷能力 细化铁素体晶粒 降低冷脆性和FATT50 采用微量元素处理 15MnTi 16MnNb 15MnV 390MPa级 15MnVN 440MPa级 正火或控轧控冷态供货 Chapter2工程结构钢 三 微合金化钢成分特点 加入微量的合金元素钛 铌 钒等 微合金元素在钢中的作用阻止奥氏体晶粒的长大 抑制奥氏体形变再结晶 应变诱导析出钛 铌 钒的碳化物或碳氮化物 沉淀在晶界 亚晶界和位错上 其钉扎作用 抑制再结晶 铌最强 钛次之 钒较弱 如图3 4 形成沉淀相促进沉淀强化 如图3 5 生产工艺特点运用控制轧制和控制冷却生产工艺 通过化学成分和生产工艺的最佳配合达到最好的强韧化效果 即细化晶粒强化和沉淀强化的最佳组合 典型钢种 V Ti N钢 Nb V钢 Nb Ti钢 Nb Mo钢等 图2 1Nb在钢中的作用 图2 2V在钢中的作用 2 3低碳贝氏体钢和马氏体钢 具有铁素体 珠光体组织的低合金钢和微合金钢的屈服强度的极限约为440MPa 若要求更高强度和韧性的配合 就需要考虑选择其它类型组织的低合金钢 如采用相变强化的方法 因而发展了低碳贝氏体型及低碳马氏体型钢 主要是适当降低钢的含碳量以改善韧性 由此造成的强度损失可由加入合金元素通过控制轧制和控制冷却后形成低碳贝氏体或马氏体的相变强化的方法得到补偿 配合加入微合金化元素 如铌以细化晶粒并进一步提高韧性 利用贝氏体相变强化 钢的屈服强度可达490 780MPa 1贝氏体钢的成分主加合金元素是Mo和B 显著推迟先共析铁素体和珠光体转变 而对贝氏体转变推迟较少 钼和硼对CCT图的影响如图2 7 在此基础上再加入Mn Cr Ni元素 进一步推迟先共析铁素体和珠光体转变 并使Bs下降 以获得下贝氏体组织 通过微合金化 充分发挥Nb V Ti的细化晶粒和沉淀强化 一 低碳贝氏体钢 2钢种及处理工艺14MnMoV 14MnMoVBRe 屈服强度为490MPa级 主要用于制造容器的板材和其他钢机构 板厚 14mm 热轧 板厚 14mm 正火 高温回火 14MnMoVBRe焊接性能不好 焊接前需预热150 以上 超低碳贝氏体钢 w C 0 02 并加入w Ti 0 01 使之成为Mn Mo Nb Ti B超低碳贝氏体钢 通过控制轧制和控制冷却可以得到高位错密度的细小贝氏体组织 这种钢可在0 以下温度条件下服役 二 针状铁素体钢 1显微组织低碳或超低碳的针状铁素体 属于贝氏体 其 片呈板条状 具有高密度位错 2成分及性能典型钢种 Mn Mo Nb钢 成分范围 C 0 10 Mn 1 6 2 0 Mo 0 2 0 6 Nb 0 04 0 06 有时还加0 06 V或0 01 Ti 屈服强度 470MPa 伸长率 20 室温冲击值 80J 并具有好的低温韧性 焊接性能良好 抗H2S腐蚀性好 3合金元素的作用碳低碳量是为了增加Nb的碳化物沉淀 降低对韧性的损害 锰Mn推迟铁素体 珠光体相变 降低BS点 使针状的铁素体在450 以下形成 也是固溶强化元素 钼Mo能有效地推迟铁素体而不影响贝氏体相变 Mo与Mn联合使用还有利于得到细晶粒的针状铁素而不是粗大的多边形铁素体 铌通过沉淀相Nb C N 的析出能有效地产生沉淀强化 并且在奥氏体热轧时 沉淀相Nb C N 也可以细化晶粒 4针状铁素体钢的用途 应用于制造寒带输送石油和天然气的管线 三 低碳马氏体钢 1显微组织 性能及处理工艺锻轧后空冷 贝氏体 马氏体 铁素体 其性能为 0 2 828MPa b 1049MPa 室温冲击功96J 用于制造汽车的轮臂托架 锻轧后直接淬火并回火 低碳回火马氏体 0 2 935MPa b 1197MPa 室温冲击功50J 40 冲击功32J 制造汽车操纵杆 具有高强度 高韧性和高的疲劳强度 适用于工程机械上运动的部件和低温下使用的部件 2 3低碳贝氏体钢 针状铁素体钢及铁素体 马氏体双相钢 2低碳马氏体钢的合金化低C 加入Mo Nb V B等与合理含量的Mn和Cr配合 提高淬透性 Nb还细化晶粒 BHS系列 Mn Mo Nb BHS 1成分 C 0 10 Mn 1 8 Mo 0 45 Nb 0 05 Mn Si Mo V Nb系列 2 3低碳贝氏体钢 针状铁素体钢及铁素体 马氏体双相钢 四 铁素体 马氏体双相钢 1双相钢的特征显微组织 铁素体 岛状马氏体 少量的残余奥氏体 性能特点 低的屈服强度 一般不超过350MPa 曲线是光滑连续的 没有屈服平台 更没有锯齿形屈服现象 高的均匀延伸率和总延伸率 其总延伸率在24 以上 高的加工硬化指数 n值大于0 24 K n 高的塑性应变比 r r w b w为宽度应变 b为厚度应变 2 3低碳贝氏体钢 针状铁素体钢及铁素体 马氏体双相钢 2双相组织的获得方法 1 热处理双相钢钢在Ac1与Ac3双相区加热退火 然后空冷或快冷 得到铁素体 马氏体组织 两相区退火时 合金元素在奥氏体和铁素体间重新分配 奥氏体形成元素将富集于奥氏体 提高了奥氏体在过冷条件下的稳定性 抑制了珠光体转变 在空冷条件下即能转变成马氏体 2 热轧双相钢钢在热轧后从奥氏体状态冷却时 首先形成70 80 的多边形铁素体 使未转变的奥氏体有足够的稳定性 避免发生珠光体和贝氏体相变 而在以后冷却时转变成马氏体 这个工艺要求合理设计合金成分和实现控轧与控冷 2 3低碳贝氏体钢 针状铁素体钢及铁素体 马氏体双相钢 双相钢的优异性能双相钢的力学性能取决于显微组织 与钢的化学成分和生产工艺密切相关 具有低屈服强度和高应变硬化率的原因 首先 大量铁素体的存在 使屈服强度低 其次 在马氏体区域存在残余应力 这些应力来源于快速冷却时马氏体相变的体积和形状变化 使周围铁素体经受塑性变形 导致铁素体中存在高密度的可动位错 再次 伴随着马氏体的残余奥氏体 在成形操作时 发生应变诱发马氏体相变 4双相钢的典型成分和用途典型的化学成分范围是 w C 0 04 0 10 w Mn 0 8 1 8 w Si 0 9 1 5 Mo 0 3 0 4 w 0 4 0 6 以及微合金元素V等 增高Si和降碳 提高A3 易于获得铁素体 Mn Mo Cr 防止铁素体和珠光体转变 得到马氏体 用途汽车冲压成型件 双相钢丝