第2章 工程构件用钢.ppt

第二章工程构件用钢 2 1工程构件用钢的基本要求2 2工程构件用钢的合金化2 3铁素体 珠光体钢2 4低碳贝氏体钢 针状铁素体钢和低碳马氏体钢2 5双相钢2 6相变诱发塑性 TRIP 钢2 7建筑用抗震耐火钢2 8工程构件用钢的发展趋势 工程构件用钢是指广泛应用于制造船体 石油井架 矿井架 桥梁 建筑用钢结构件 高压容器 输送管道等 其用量大约占钢材产量的90 左右 可分为两大类 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 添加一种或多种少量合金元素 使钢的强度明显高于碳素钢的一类工程构件用钢 这里的 低合金 是指钢中合金元素的总量 而 高强度 是指相对于含量较高的合金钢和普通碳素钢而言的 经历几个阶段 最初主要考虑强度 少考虑韧性和焊接性 多用铆接 含碳量0 3 考虑焊接性 降低含碳量 为保证强度 加入Mn 焊接构件的脆断 开始考虑冲击韧性和断裂韧性加入Nb V Ti 细化晶粒 提高韧性综合利用微合金化 发展低合金高强度钢 2 1工程构件用钢的基本要求 1 足够的强度和韧性 承受较大载荷 减轻金属结构重量 提高结构安全性 335 400MPa 节省14 钢用量 工程结构件使用温度为 50 100 较高低温韧度FATT50 2 良好的成形工艺性和焊接性 焊接后焊缝性能不低于或很少低于母材 焊缝的热影响区的性能变化要小 不致产生裂纹 3 良好的耐腐蚀性 主要是指在各类气候 环境条件下的抗腐蚀能力 4 机械时效敏感性小冷加工 室温或低温 脱溶沉淀 强度 韧性 金相无明显变化 2 2工程构件用钢的合金化 常用的工程结构钢显微组织是铁素体 珠光体 通过加入合金元素提高强韧性 这类钢主要合金元素为C Si Mn Nb V Ti Al等 合金元素通过固溶强化 析出强化 细化晶粒强化和增加珠光体含量等强化机制提高钢的强度 2 2 1合金元素对力学性能的影响 C 固溶强化效果和珠光体的含量 成本低C 塑 韧性 焊接性 韧 脆转折温度 0 11 C为 50 0 3 C为50 碳含量一般均应限制在0 2 以下 Nb V Ti 细化晶粒和产生沉淀强化作用顺序 Nb Ti V Mn 廉价强化效果好 1 8 时 低碳下保持高的强度和韧性 Si 强化铁素体 含量1 1 以下 过高降低韧性 固溶强化 Mn Si Cu Ni 沉淀强化 细化晶粒 C Ti Nb Mo V 韧脆转变温度 含碳量 2 2 2合金元素对焊接性能的影响优良的焊接性主要是指焊接工艺简单 焊缝与母材结合牢固 强度不低于母材 焊缝的热影响区保持足够的强度和韧性 没有裂纹及各种缺陷 热影响区 HAZ 由于被加热至A3温度线以上 在焊接后急冷时容易形成马氏体组织 控制C量 C HAZ区的硬化与脆化 裂纹 C含量应尽可能的低增加淬透性的Me的种类及数量应适当控制 如Cr Ni Mn Mo碳当量 0 35 焊接性最好 0 4 焊接困难 2 2 3合金元素对耐大气腐蚀性的影响 CuP 提高耐大气腐蚀性最有效的合金元素 一般含量 Cu 0 25 P为0 05 0 15 P 冷脆和时效倾向 1 固溶强化 Si Mn强化有效2 细化晶粒 Ti Nb V Al3 Cu 耐大气腐蚀性 综上所述 F P钢的合金化方向 Si Mn为基础 适当添加Ti Nb V Al Cu P等添加少量的Cr和Ni 更高的抗蚀性 从固溶强化观点来看 Si Mn元素的强化是十分有效的 在低碳情况下 Mn能细化晶粒 降低韧 脆转折温度 从细化晶粒来看 Ti Nb V A1是十分有效的 Nb V还可以产生沉淀强化作用 Cu既能提高耐大气腐蚀性 又能产生沉淀强化 P与其它元素配合 可以发挥其固溶强化和提高其耐大气腐蚀的作用 对铁素体 珠光体型低合金高强度钢的合金化方向应该以Si Mn为基础 适当添加Ti Nb V Al Cu P等 如果要得到更高的抗蚀性 则可用少量的Cr和Ni 要求正火态获得贝氏体组织时 则必须同时考虑Mo与B 2 3铁素体 珠光体钢 F P钢是工程结构钢中最主要的一类钢 组织 10 25 珠光体 75 90 铁素体 分类 碳素工程结构钢 普通 低合金高强度钢 微合金化低合金高强度钢 2 3 1碳素工程结构钢 碳素钢价格低廉 工程上用量很大 碳素工程结构钢通常轧制成板材 型材等 一般不需要进行热处理 在供应状态下直接使用 碳素工程结构钢按屈服强度分为四级 即Q195 Q215 Q235和Q275 其中Q表示屈服强度 其后的数字表示屈服强度值 按钢中杂质S P含量高低划分等级 碳素结构钢的力学性能主要取决于钢的含碳量 含碳量提高 珠光体数量增加材料强度提高 塑性下降 碳含量从0 12 0 24 范围增加 屈服强度从195MPa上升到275MPa 延伸率从33 下降到22 2 3 1碳素工程结构钢一 碳素工程结构钢分类 成分及性能特点碳素工程结构钢按屈服强度分为四级 即Q195 Q215 Q235和Q275 表2 1碳素工程结构钢的化学成分 质量 二 碳素工程结构钢中的基本元素是Fe C Mn Si S P 三 常用的碳素工程结构钢 1 Q195 碳 锰含量 0 50 强度不高 塑性 韧性高 具有良好的工艺性能和焊接性能 广泛用于如自行车 煤气管 拉杆 支架等 2 Q215 用于厂房等大型结构件 3 Q235 最通用的工程构件用钢之一 用于高压输电铁塔 桥梁 车辆 井架等 4 Q255 主要用于螺栓轴 摇杆等 5 Q275 碳0 24 硅 锰含量较高 具有较高强度 较好塑性而韧性较低 可替代30 35优质碳素结构钢 可用于制造齿轮 链轮 螺栓等 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 总量低于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 这里的 低合金 和 高强度 是指相对于合金元素含量较高的合金钢和较低强度的普通碳素钢而言的 低合金高强度钢在南京长江大桥Q345 16Mn 钢建造和国家体育场 鸟巢 Q460E建筑中的典型应用 2 3 2低合金高强度结构钢 低合金高强度钢按屈服强度可分为Q345 Q390 Q420 Q460 Q500 Q550 Q620 Q690等不同等级的钢种1 Q345 16Mn钢是发展最早 使用最多 2 Q390 15MnV 15MnTi 16MnNb等钢 16MnNb钢强度比16Mn钢高一级 3 Q420 14MnVTiRE钢 V Ti ReL V N 细化晶粒 析出强化 Q460 15MnVN 鸟巢用钢4 Q500 14MnMoVBRE钢 Mo B C曲线上部右移 得到大量贝氏体组织 ReL RE 钢材一定的耐热性 可在500 以下使用 多用于石油 化工中温高压容器 5 Q690 14CrMnMoVB钢 它是在14MnMoVBRE钢的基础上加入一定量的Cr 0 9 1 3 因而强度进一步提高 2 3 3微合金化低合金高强度钢一 概述 关键 细晶粒和沉淀强化 充分发挥微合金元素钛 铌 钒的作用 同时发展与之配套的控制轧制和控制冷却生产工艺 微合金元素 作用 析出强化和细晶强化方式 阻止加热时奥氏体晶粒长大抑制奥氏体形变再结晶 二 微合金化与热机械轧制 1 成分控制 焊接性考虑 少珠光体含碳量常被限制在0 1 质量分数 以下 保证强度 细化晶粒 Al Nb Ti和V微合金化顺序 VC TiC NbC降低其溶解度 2 热轧控制控制轧制 形变强化和相变强化控制冷却 最大限度的细化铁素体晶粒以及获得最佳的析出强化效应 普通轧制普通控制轧制两相区控制轧制再结晶控制轧制 成分控制需要良好的焊接性 必须降低其含碳量 结果所谓的 少珠光体 钢逐渐被生产出来 其中 含碳量常被限制在0 1 质量分数 以下 含碳量的减少 将使强度下降 为此需要细化晶粒 恢复其较高强度水平 从而促使控制轧制的大量采用 当普通碳素钢在1200 1000 温度范围内奥氏体状态下进行轧制时 它们主要是单相 这是由于在室温显微组织中可以见到的Fe的碳化物 已经完全溶于奥氏体 这样奥氏体晶界没有被第二相质点所钉扎 晶粒可以急剧长大 导致室温下较低的强度水平 在热轧温度下 保证细小分散物的稳定而不占据较大体积份额 不损害室温下的塑性和韧性是十分必要的 最合适的分散物是主要是Al Nb Ti和V所形成的氮化物 碳化物 这些相在高温奥氏体中碳化物按VC TiC NbC的顺序降低其溶解度 使用上述这些相 通过控制 可以获得极细的晶粒度 10 m 轧制 1 加热 加热温度决定初始奥氏体晶粒尺寸加热温度越低 奥氏体晶粒尺寸越小 2 粗轧 粗轧道次的功能是利用轧制道次间的重复再结晶逐步细化奥氏体晶粒 3 精轧 特定的轧制温度下给出所需的轧制变形量 并在规定的终轧温度完成轧制 热机械轧制 控制轧制 控制冷却控制轧制实质上是形变强化和相变强化的结合 控制冷却是最大限度的细化铁素体晶粒以及获得最佳的析出强化效应 热机械轧制工艺将金属材料的成分 加工工艺 组织 性能综合在一起成为一个紧密联系的整体 其理论原理属于形变热处理的范畴 图2 8四种轧制规范及对应的区域示意图A 普通轧制 B 普通控制轧制 C 两相区控制轧制 D 再结晶控制轧制 控制冷却作用 进一步细化晶粒 加速冷却避免了珠光体转变而得到铁素体 贝氏体组织 3 微合金化元素的作用Nb V Ti延缓轧制时奥氏体再结晶能力 Nb显著提高再结晶的门槛值 Ti次之 V只有含量相当高时才有效 1淬火 2分级淬火 3加速冷却4分级加速冷却5空冷 Nb V或Ti作为微合金元素的作用之一是通过它们的碳化物 氮化物质点阻止奥氏体晶粒在再加热时长大 作用之二是在轧制时延迟奥氏体的再结晶 主要效应来自未再结晶奧氏体中的析出物 这种奥氏体中应变诱生析出物钉轧回复的亚晶界并阻止再结晶 Nb V Ti延缓轧制时奥氏体再结晶能力 Nb显著提高再结晶的门槛值 Ti次之 V只有含量相当高时才有效 图2 10控制轧制和控制冷却过程中的组织变化示意图 CR 控制轧制 AcC 控制冷却 控制轧制中奥氏体晶粒被拉长 奥氏体内产生变形带 两者均使铁素体形核位置大量增加 细化了铁素体晶粒 三 微 少 珠光体钢 很好的焊接性 低温韧度和强度等 油气管线用钢 珠光体含量是影响钢强度的主要因素之一碳含量 珠光体含量 焊接性和低温冲击韧度 采用微 少 珠光体钢 含C量在0 1 以下 微珠光体钢 析出强化和晶粒细化来提高钢的综合性能 Nb V Ti微合金化和热机械控制处理 TMCP 作为油气管线用钢 它要求有很好的焊接性 低温韧度和强度等综合性能 油气管线用钢已由铁素体 珠光体钢发展为现代的微珠光体低合金高强度钢 在铁素体 珠光体钢中 珠光体含量是影响钢强度的主要因素之一 珠光体含量每增加10 将使韧脆转变温度升高22 要增加珠光体含量 必须提高钢中碳的含量 这将大大损害钢的焊接性和低温冲击韧度 因此 对于油气管线用钢要提高它的强度不能依靠提高钢的含C量来增加珠光体含量的方法 反而为了要满足焊接性和韧性的要求 需要将钢的含C量进一步降低 即采用微 少 珠光体钢 含C量在0 1 以下 但是 降低钢含C量势必降低钢的强度 因此 为保证钢的强度 就必须采用其他不损害或少损害焊接性和韧性的强化措施 从前面分析可知 在细晶强化中 屈服强度每提高15MPa 韧脆转变温度降低10 在析出强化中 屈服强度每提高15MPa 韧脆转变温度提高4 因此 细晶强化既能强化又能降低韧脆转变温度 而析出强化虽使钢的韧脆转变温度升高 但远低于固溶强化 所以 微珠光体钢可通过析出强化和晶粒细化来提高钢的综合性能 这类钢 实现析出强化和晶粒细化的方法就是采用Nb V Ti微合金化和热机械控制处理 TMCP 工艺 即控制轧制和控制冷却及其它们的组合 2 4低碳贝氏体钢 针状铁素体钢和低碳马氏体钢 铁素体 珠光体组织的普通低合金高强度钢和微合金化钢 低碳贝氏体钢针状铁素体钢低碳马氏体钢 屈服强度的极限约为460MPa 降低钢的含碳量以改善韧性 由此造成的强度损失可通过合金化和随后的控制轧制和控制冷却的相变强化得到补偿 提高强韧 2 4 1低碳贝氏体钢 碳含量 0 10 0 15 使用状态组织 贝氏体 低碳贝氏体钢通常是在轧制空冷或控制冷却 直接获得贝氏体组织 由于贝氏体的相变强化 低碳贝氏体钢与相同碳含量的铁素体 珠光体型钢相比 具有更高的强度和良好的韧性 屈服强度可达450 980MPa 主要特点 合金元素是保证在较宽的冷却速度范围内获得以贝氏体为主的组织 成分特点 0 3 以上Mo 微量的B 0 002 Mn Cr Ni等 主要用于制造容器的板材和其他钢结构 14MnMoV和14MnMoVBRE钢是中国发展的低碳贝氏体钢 屈服强度为490MPa级 一般成分 0 1 0 15 C 0 3 0 6 Mo 0 6 1 6 Mn 0 001 0 005 B 0 04 0 1 V 0 01 0 06 Nb Ti 2 4 2针状铁素体钢对于一些强度 焊接性 低温冲击韧性等要求更高的场合 就必须采用针状铁素体型低合金高强度钢 基本特点 针状铁素体 acicularferrite 简写为AF 钢实际上也应属于超低碳贝氏体钢 碳含量 0 06 适量的Mn Mo Nb等 具有高密度位错 1010cm 2 亚结构的 针状铁素体 组织的钢 用于现场焊接条件及苛刻的寒冷地带的管线用钢 被称为21世纪的控轧钢 虽然微珠光体低合金高强度钢在强度 焊接性 低温冲击韧性等方面比铁素体 珠光体低合金高强度钢有了很大的改善 但对于一些强度 焊接性 低温冲击韧性等要求更高的场合 就必须采用针状铁素体型低合金高强度钢 为适应高寒地带大口径石油天然气输送管线的要求 发展了X 70级低C Mn Mo Nb系针状铁素体钢 这种针状铁素体钢控轧状态的屈服强度可达470 530MPa 脆性转折温度可低于 60 以下 针状铁素体的组织由细小的多边形铁素体 高密度位错亚结构的针状铁素体 少量的贝氏体和岛状马氏体及奥氏体组成 主要强化作用晶粒细化 位错强化及碳化物析出强化 表2 8典型的针状铁素体钢成分 针状铁素体的合金化设计原则是低碳和控制轧制 Mo和Mn合金化 Nb形成Nb C N 可细化晶粒和起析出强化作用典型成分为0 06C 1 9Mn 0 3Mo 0 06Nb 其屈服强度高于470MPa 伸长率大于20 针状铁素体在光学显微镜下的特征是不规则的铁素体块 所谓 的 针状 是在透射电镜下观察到的形貌 针状铁素体在光学显微镜下的特征是不规则的铁素体块 所谓 的 针状 是在透射电镜下观察到的形貌 针状铁素体的组织由细小的多边形铁素体 高密度位错亚结构的针状铁素体 少量的贝氏体和岛状马氏体及奥氏体组成 针状铁素体在光镜下是不规则F块 所谓 针状 是在TEM下观察到的形貌 2 4 3低碳马氏体钢工程机械上相对运动的部件和低温下使用的部件 要求有更高的强度和韧性 0 16 碳 钼 铌 钒 硼及控制合理含量的锰和铬与之配合 淬火回火处理后组织为低碳回火马氏体 BHS 1钢 桥梁高性能钢 的成分为0 10C 1 80Mn 0 45Mo 0 05Nb锻轧后空冷或直接淬火后自回火 达到了合金调质钢经调质热处理后的性能水平 可制造汽车的下操纵杆 其生产工艺为锻轧后空冷或直接淬火后自回火 锻轧后空冷得到贝氏体 马氏体 铁素体混合组织 其性能为 屈服强度828MPa 抗拉强度1049MPa 若直接淬火成低碳马氏体 屈服强度为935MPa 抗拉强度达到1197MPa 可制造汽车的下操纵杆 低碳回火马氏体钢具有高强度 高韧性和高疲劳强度 达到了合金调质钢经调质热处理后的性能水平 2 5双相钢 足够的冲压成形性 双相低合金高强度钢 特点 低的屈服强度 且是连续屈服 无屈服平台和上 下屈服 均匀的伸长率和总的伸长率较大 冷加工性能好 塑性变形比 值很高 如 大直径变小直径 加工硬化率n值大 双相钢是指显微组织主要由铁素体和5 20 的马氏体所组成的低合金高强度钢 即在软相铁素体基体上分布着一定量的硬质相马氏体 双相钢又称复相钢 由马氏体或奥氏体与铁素体基体两相组织构成的钢 一般将铁素体与奥氏体相组织组成的钢称为双相不锈钢 将铁素体与马氏体相组织组成的钢称为双相钢 退火双相钢 分类 退火双相钢 热轧双相钢 工艺 两相区 加热退火 组织 铁素体 马氏体组织C Mn等奥氏体形成元素富集于奥氏体 热处理双相钢工艺称为退火双相钢 其具体工艺是将热轧的板材或冷轧的薄板在两相区 加热退火 在铁素体的基体上形成一定数量的奥氏体 然后空冷或快冷 得到铁素体 马氏体组织 当钢长时间在 两相区退火时 合金元素将在奥氏体与铁素体之间重新分配 C Mn等奥氏体形成元素富集于奥氏体中 这样提高了过冷奥氏体的稳定性 抑制了珠光体转变 在空冷条件下即能转变成马氏体 这里要控制退火温度 以控制奥氏体量和奥氏体中的合金元素的浓度及其稳定性 成分 组织 0 04 0 10 C 0 8 1 8 Mn 0 9 1 5 Si 0 3 0 4 Mo 0 4 0 6 Cr 以及微合金元素钒等 铁素体 马氏体组织 铁素体基体上形成一定数量的奥氏体 双相钢 工艺 1150 1250 加热 870 925 终轧 空冷到455 635 卷取 热轧双相钢 热轧双相钢工艺 是指在加热状态下 通过控制冷却得到铁素体 马氏体的双相组织 这就要求钢在热轧后从奥氏体状态时冷却 首先形成70 80 的多边形铁素体 然后未转变的奥氏体因富集碳和其他合金元素而具有足够的稳定性 使它不发生珠光体和贝氏体转变 冷却时直接转变为马氏体 这就要求从合金元素含量和风冷速度上来控制 这类钢比一般的低合金高强度钢含较高的Si Cr Mo等合金元素 典型的化学成分为0 04 0 10 C 0 8 1 8 Mn 0 9 1 5 Si 0 3 0 4 Mo 0 4 0 6 Cr 以及微合金元素钒等 生产工艺为1150 1250 加热 870 925 终轧 空冷到455 635 卷取 极低碳和合金元素硅是为了提高钢的临界点A3 促使形成较多含量的多边形先共析铁素体 锰 钼 铬等提高钢淬透性的元素是为了防止卷取时剩余奥氏体转变为珠光体和贝氏体 最终冷却得到马氏体 钢种为09Mn2Si 07Mn2SiV 热轧双相冷镦钢棒材钢种为08SiMn2 薄壁双相无缝钢管用钢07MnSi等 热处理双相钢工艺称为亚临界温度退火 故热处理双相钢又叫退火双相钢 2 6相变诱发塑性 TRIP 钢 金属及合金在相变过程中塑性增长 在低于母相的屈服强度下会产生塑性变形 这种特性被称为相变诱发塑性 TRIP TransformationInducedPlasticitySteel 组织 铁素体 贝氏体和残余奥氏体 TRIP效应 钢中残余奥氏体向马氏体转变 强度和塑性 TRIP钢由于其独特的强韧化机制和高的强韧性 被公认为是新一代汽车用高强度钢板最理想的材料 2 7建筑用抗震耐火钢 钢结构缺点是防火防腐性能较差 耐火钢 耐火钢是在常温下承载 要求在遇到火