模块二---工程材料性能与选用-第4章.ppt

课外大作业 先进钢铁材料的研究发展现状1 大型飞机关键结构用先进钢铁材料的研究发展现状 如起落架300M钢 高强度不锈钢等 5087129031 5090519026 2 汽车用超高强度钢板的研究发展现状 5090519035 5090519061 3 核电用钢的研究发展现状 5090519067 5090519101 4 民用建筑用钢的研究发展现状 5090519109 5091109070 作业要求 1 每人完成一篇不少于2000字的文献综述 包括参考文献 2 每个小组准备一份10分钟左右的发言PPT 交作业时间 11月7日 提交书面及电子版一份 1 2 第四章工业用钢 4 1钢的分类及编号1 钢的分类按用途分 结构钢 工具钢 刃具 模具 量具特殊性能钢 不锈钢 耐热钢 耐磨钢 耐寒钢按化学成分分类 低碳钢 0 25 C碳素钢中碳钢0 25 0 6 C 含少量Mn Si 高碳钢 0 6 CS P H O N杂质元素 低合金钢10 Me4Cr13 工程结构用钢 建筑 车辆 桥梁等机器零件用钢 弹簧钢 轴承钢等 合金钢按合金元素种类可分为锰钢 铬钢 硼钢 铬镍钢 硅锰钢等 3 按冶金质量分类普通质量钢S高P高 0 055 S 0 045 P优质钢 0 040 S 0 040 P高级优质钢低低 0 030 S 0 035 P按冶炼方法分类按炉别分 平炉钢 转炉钢 电炉钢按脱氧程度分 沸腾钢 镇静钢 半镇静钢按供应态显微组织分按正火态组织分 P钢 B钢 M钢 A钢按退火态 平衡态 分 亚共析钢 共析钢 过共析钢2 钢的编号2 1普通碳素结构钢 普碳钢 Q 屈服点 质量等级 A B C D 脱氧法 F b Z TZ 如Q235 A F 表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢 质量等级符号反映碳素结构钢中P S含量 A D质量依次增高 硫在钢中导致 热脆 磷导致 冷脆 4 2 2优质碳素结构钢钢号用含碳量的万分之几表示 如钢号45 表示平均含碳0 45 C 0 6 Mn0 9 1 2 C 0 6 Mn0 7 1 0 数字后加Mn 如25Mn 0 25 C Mn0 7 1 0 沸腾钢 F 半镇静钢 b 及专门用途的优质碳素结构钢 钢号后特别标出 如15g 含0 15 C的锅炉用钢2 3碳素工具钢 碳 或 T C 1000 其它如含碳量为0 8 的碳素工具钢 T8或碳8 高级优质在钢号后加 高 A 如 碳10高 或 T10A 2 4合金结构钢C 10000 Me Me 100 合金元素Me含量低于1 5 时 省略 1 5 2 在Me后标 2 如36Mn2Si 0 36 C Mn1 5 2 Si0 4 0 7 5 2 5合金工具钢C 1000 Me Me 100 C 1 省略 如9Mn2V钢 0 85 0 95 CCrMn钢 平均含C1 3 1 5 高速钢一般不标含碳量 仅标Me 如 W6Mo5Cr4V2 2 6滚动轴承钢 G Cr Cr 1000如GCr15 1 5 Cr的滚动轴承钢2 7不锈钢及耐热钢 C 1000 Me Me 1009Cr18 该钢含碳量为0 9 碳含量 0 03 及0 08 钢号前分别标 00 及 0 如 00Cr18Ni10 2 8铸钢ZG 0 2 b如 ZG200 400 表示屈服强度200MPa 抗拉强度400MPa的铸钢 6 3 钢的发展趋势1 新品种不断增加为适应工业和科学技术的发展对钢提出的日益增高的要求 不断创造出具有某些特殊性能的新钢种 种类在不断地增加 2 旧钢种不断减少为了生产 管理和使用的方便 目前大量使用的成熟钢种又在不断地减少 集中生产使用效果较好通用性强的少数品种 3 旧的生产工艺不断改进 钢的性能不断提高在发展新钢种同时 改进钢的生产工艺 提高现有钢种的质量 例如 在钢的冶炼上采用真空冶炼 电渣重熔或真空去气等技术 大大减少钢中的有害杂质和气体 提高钢的性能 4 钢的纯净度越来越高为了适应科学技术发展对钢材性能的要求 发展出了高纯净度钢 基本特点是高纯净度 硫 磷含量ppm级 超纯净钢晶粒非常细小 无应变时效 成形性能极佳 被称为新一代超级钢 7 超级钢 钢铁材料的发展方向性能特点 超级钢的重要特征是以普通碳素钢或碳锰钢为基本成分 在基本不改变材料成分 不提高成本的前提下 通过轧制与冷却工艺的改进细化晶粒 并配合相变强化等手段 使量大面广的普通结构钢在保证其他性能要求的前提下 大幅度提高强度 使屈服强度从 兆帕级提高到 兆帕 兆帕级 与传统钢材相比具有以下特点 1 比传统的钢铁材料有更高的性能价格比 2 在强度上比传统钢铁材料高一倍以上 3 在使用寿命上比传统材料高一倍 4 基本消除宏观偏析 超级钢研究现状1997年日本首先提出了 超级钢 的概念 即在保持材料其性能及成本不变的前提下 把现有钢铁材料强度提高一倍 并启动 超级钢 在内的四大科研项目 预计10年完成研究工作希望2015年前后更换基础设施 2001年 欧盟启动 超细晶粒钢开发 计划 2002年 美国公布实施两个 超级钢开发项目 我国1998年启动了国家重大基础研究计划项目 973项目 新一代钢铁材料的基础研究 课题 到2002年底 基础理论研究工作已基本完成 并成功开发200Mpa 400Mpa和800Mpa级超级细晶粒钢的生产工艺 现已在宝钢和本钢等厂家投入批量生产 该项目科研成果相继被列入国家高技术研究发展计划 863计划 正在全国各行业推广应用 8 超级钢的关键技术 为了达到超级钢的性能指标 须严把生产关 使超级钢钢质达到以下三项技术要求 1 超洁净化 一是最大限度的祛除钢中S P O N H等杂质元素的含量 S P O H N 50PPM 二是严格控制钢中夹杂物的数量 成分 尺寸 形态及分布 2 高度均匀化 即指钢材成分 组织和性能的高度均匀 尽可能的减少钢在凝固过程中的偏析 3 超细晶粒化 即要求钢的组织充分细化 最终晶粒尺寸达到10um以下 目前 国内外超级钢生产中普遍采用的晶粒细化技术为 弛豫 析出 控制相变 RPC 技术 利用一种特殊的机械热处理工艺技术 即在控轧终轧后经过一段控制时间与温度的弛豫 使得基体中出现应变诱导析出以及变形奥氏体中缺陷组态重组 在随后的直接淬火或加速冷却过程中 获得细化的下贝氏体 板条马氏体复合组织 9 超级钢的应用 汽车用薄钢板 在保证强度前提下车身变薄 变轻 桥梁用钢 2005年 超级钢标志性成果是开始利用超级钢产品减重节材 宝钢梅山超级钢桥梁板 钢管研究开发成功 用6mm超级钢钢管替代8mm厚度低合金钢管 抗撞击性能大大优于普通的结构钢 并且直接应用于国家重点工程上海东海大桥 已经使用该产品4000余吨 经过计算节约钢材1000余吨 以每吨5000元计 直接经济效益500万元 钢板减薄后 降低了大桥整体自重 建筑用钢 日本在90年代中期就开发成功超级钢 并大量应用于建筑业 400 500MPa级 我国200MPa级钢筋目前也开始逐步用400MPa级超级钢钢筋取代 目前报道的超级钢钢板抗拉强度最高达2000MPa超级钢的大规模应用有利轻型化和节约资源 10 4 2结构钢 工程用钢 各种工程结构 大都是普通碳素钢和普通低合金钢成本低 用量大 不需热处理机器用钢 热处理后使用 制造机器零件 大都是优质碳素钢和合金结构钢 一 工程构件用钢应用广泛的钢种之一 用于国防 化工 石油 电站 车辆 造船 桥梁 建筑等 制造各种重要构件 此类钢的发展历程大体经历如下几个阶段 最初 钢构件以铆接为主 设计依据是抗拉强度 很少考虑屈服强度 韧性和可焊性 一般含碳量较高 约为0 3 当焊接技术普遍应用后 要求钢的可焊性好 同时要保证一定的强度 故钢的含碳量降低 含锰量增加 结构钢 11 针对焊接件出现脆性断裂 在钢中加入晶粒细化剂 如AlN 使钢的性能得到改善 屈服应力由225MPa提高到300MPa 脆性转化温度降至0 以下 从而提高了焊接件抗脆性断裂的能力 保持低碳 高锰 细晶的条件下 利用析出强化相进一步提高钢的屈服强度 通常加入Nb V Ti等合金元素 利用微合金化技术 对钢进行控制轧制 降低终轧温度 可使钢的屈服强度达到450 500MPa 脆性转化温度下降到 80 工程构件用钢的成分要求 在含碳量小于0 25 的碳钢中 加入微量的V Ti Nb Zr Ca RE等 性能要求 高的弹性极限 刚度 可焊性和冷变形性 好的耐大气 水腐蚀性 低的屈强比 s b以防脆断 40钢屈强比0 43 合金钢35CrNi3Mo 0 74 12 一 构件用钢的力学性能特点1 构件用钢的屈服现象 1 拉伸曲线上出现屈服齿与屈服平台 2 屈服过程中 试件塑性变形分布宏观上不均匀 由于屈服变形集中在局部地区少数滑移带上 引起滑移台阶高度增大 试样表面有明显滑移线 表面出现皱褶 屈服现象会影响构件 汽车蒙皮 表面质量 消除办法 冲压用钢板退火后 进行变形量为0 8 1 5 的冷轧 平整加工 使钢板的屈服在冷轧过程中完成 使钢板处于正常的加工硬化状态 在随后的冲压过程中变形均匀 避免出现皱褶 2 构件用钢的冷脆现象随温度的降低 构件用钢的屈服点显著升高 且出现断裂特征 由宏观塑性破坏过渡到宏观脆性破坏 这种现象称为冷脆 评定材料冷脆倾向大小的指标 冷脆转变温度Tk 13 对构件用钢要求低的Tk 并要保证构件的工作温度高于Tk Mn Al Tk C Si Tk 3 构件用钢的应变时效 淬火时效及蓝脆构件用钢加热到Ac1以上进行淬火或经塑性变形后 放置过程中钢的力性和物性将随时间而变化 强度 硬度增高 塑性 韧性降 并提高钢的脆性转变温度 这种现象称时效 塑变后的时效称应变时效 淬火后的时效称淬火时效 室温下的时效称自然时效 较高温度下的时效为人工时效 应变时效会使局部地区的断裂抗力降低 增加脆断的危险性 通常金属材料的塑变抗力随温度升高而减小 但低碳钢在300 400 的范围内出现反常的 b升高 k降低的现象 称为蓝脆 14 二 构件用钢的焊接性能 与钢材的化学成分 焊接时形成的组织有关 钢材化学成分和组织的变化导致焊接构件脆断趋势增加的现象称为焊接脆性 焊接脆性包含M转变脆性 过热过烧脆性 凝固脆性和热影响区的时效脆性 M转变脆性 焊接时造成冷裂缝的主要原因M形成取决于钢材的淬透性 C显著增加淬透性 碳素构件钢0 4 焊接困难 需采用焊接预热或焊后即时回火等补救 15 过烧脆性产生在紧靠熔合线的热影响区 防止方法 限制含碳量 向钢中加少量稀土 Ce 以固定硫 稀土硫化物降低钢对过烧脆性的敏感性 离熔合线较远的热影响区易产生过热脆性 加入少量Mo V Ti Nb等强碳化物形成元素 可阻止晶粒长大 并减小过热敏感性 凝固脆性以热裂纹形式表现 S P Si等引起 而Ti Zr Ce能形成球状的硫化物并提高熔点 热影响区的时效脆性也可成为构件用钢在使用中的开裂源 Al V Ti Nb 时效敏感性 焊接会带来很多缺陷或脆性而使构件承载能力 碳及合金元素都易使焊接性能下降 故要求构件用钢一般低碳 低合金 16 三 构件用钢耐大气腐蚀性能大气腐蚀过程 微电池现象 指一块钢板里构成许多微小的原电池 引起钢板腐蚀的现象基体 Fe 阳极第二相质点 碳化物 阴极微电池 电化学腐蚀过程钢板表面吸附水汽形成水膜2 提高构件用钢耐大气腐蚀的途径1 减小微电池数量 C S量增多 会使第二相质点 碳化物 硫化物 数量增多 导致腐蚀速度加快 限制含碳量和含硫量 2 提高基体的电极电位 基体与第二相电极电位差越大 腐蚀速度越快 提高基体的电极电位 抑制阳极反应 加入与 Fe形成固溶体并能提高其电极电位的合金元素 Cr Ni Ti等 镁 电偶腐蚀 局部腐蚀 镁基体 电位较负 阳极第二相 电位较正 阴极 Ig c a 二 合金设计 均匀腐蚀 曹楚南 腐蚀电化学原理 化学工业出版社 北京 2008 如何实现均匀腐蚀降解 18 3 利用钝化效应钝化效应指通过改变钢表面状态造成基体金属表面部分电极电位升高的现象 钝化措施 在金属表面形成一层致密氧化膜 使钢的表面与电介质隔开 使阳极反应受阻 有效钝化元素 Cr Cu0 3 P0 1 Cu能促进钝化效应的解释 R T 下Cu在 Fe中溶解度较小 0 2 时便有Cu原子以游离态在钢表面析出 形成均匀 弥散分布的富铜相 Cu电极电位较高 增加了微电池的阴极接点 弥散均匀分布的Cu阴极接点有利于迅速在构件用钢表面形成致密的氧化膜而产生钝化作用 19 IronPillarofDelhi IndiaErected375AD 414ADMadeupof98 wroughtIron7 3mtall withonemeterbelowtheground48cmdiameteratthefootMorethan6tons Thepillar sresistancetocorrosionisduetoapassivefilmcontaininghighamountofphosphorus 20 工程构件用钢包括普通碳素构件用钢和普通低合金构件用钢 1 普通碳素工程构件用钢 简称普碳钢 约占钢总产量的70 其中大部分用作机器零件 由于普碳钢易于冶炼 价格低廉 性能也基本满足了一般工程构件的要求 所以在工程上用量很大 为了满足工艺性能和使用性能的要求 普碳钢含碳量均较低 一般 0 25 C 常以热轧状态供应 一般不经热处理强化 只保证机械性能及工艺性能便可 21 Q195 Q215有较高的延伸率 易于加工 常用做螺钉 炉体部件 农业机械等 Q235 Q275具有较高的强度 硬度 延伸率 大量用做建筑结构 轧制成工字钢 槽钢 角钢 钢板 钢管及其它各种型材 Q235钢既有较高的塑性又有适中的强度 成为应用最广泛的一种 既可用做较重要的建筑构件 车辆及桥梁等的各种型材 又可用于制做一般的机器零件 也可进行热处理 此外尚有一些专门用钢 如造船钢 桥梁钢 压力容器钢等 除严格要求规定的化学成分和机械性能外 还规定某些特殊的性能检验 例如低温冲击韧性 时效敏感性 气体 夹杂和断口等 专门用钢一律为镇静钢 22 2 低合金高强度钢 是一种含有少量Me 具有较高强度的构件用钢 由于强度高 所以1吨低合金高强度钢可顶1 2 2 0吨普碳钢使用 从而可减轻构件重量 提高使用的可靠性并节约钢材 这类钢主要用来制造各种要求强度较高的工程结构 例如船舶 车辆 高压容器 输油输气管道 大型钢结构等 常用低合金高强度钢按其屈服强度的高低分为6个级别 300MPa 350MPa 400MPa 450MPa 500MPa 550 650MPa 如下表所示 23 24 典型钢种 Q345 16Mn 350MPa级别 综合性能好 广泛用于制造石油化工设备 船舶 桥梁 南京长江大桥 车辆等大型钢结构 用量最多 产量最大的一种低合金高强度钢 16Mn的派生钢种16MnRe 16MnCu Re作用 提高塑性和韧性 提高疲劳强度 降低冷脆转变温度 Cu作用 通过钝化提高耐蚀性 这类钢多用于船舶 车辆 桥梁等大型钢结构 对400MPa级的15MnV 15MnTi等其含碳量与16Mn相当 由于加入钒 铌 钛 能细化晶粒 产生第二相强化 使屈服强度提高 主要用于大型结构 中压容器等 对450MPa级的15MnVN 14MnVTiRe等 由于钒 氮起细化晶粒和第二相强化作用 稀土又起净化晶界作用 提高塑 韧性 因此强化效果比15MnV 15MnTi还好 300 450MPa级的普低钢均是在热轧状态下或在正火状态使用 组织为铁素体 珠光体 少量 25 26 钢中加入钼和微量硼 可推迟奥氏体冷却时的铁素体析出 而对贝氏体转变则影响不大 因此在正火后得到贝氏体组织 屈服强度达500MPa级 这类钢如18MnMoNb 14MnMoVBRe 由于焊接性好 广泛用于石油化工 中温高压容器等 对于14CrMnMoV