工程结构用钢概况及应用综述.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除工程结构用钢概况及应用综述 姓名： X X X学号： X X X专业： 材料成型与控制技术班级： 材料3101指导老师： X X X学校: 西安理工大学内容摘要及关键词随着科学技术的发展、工业技术的推动及社会发展的动力。船舶、桥梁，结构钢，锅炉、压力容器用钢，以及微合金钢和低碳马氏体钢的应用逐渐扩大化。因此对它们材料的研究及性能的要求也就至关重要，特别是其性能要求显得更为重要。本篇论文较为详细的介绍了船舶、桥梁结构钢的使用条件，加工特点以及对桥梁、船舶结构钢的性能要求，并列举了许多典型牌号的船舶、桥梁结构钢的使用状态，性能，化学成分以及化学成分对钢的性能和焊接性的影响。此外还介绍了锅炉、压力容器用钢的使用条件，加工特点对钢的性能要求以及工作环境对钢的一些特殊性能的要求和微合金钢的化学成分、强化机制，低碳马氏体钢的化学成分，力学性能特点、强化原理及工艺性能。关键词：钢、性能、要求。目录一、船舶、桥梁结构钢(一）、船舶桥梁结构钢的使用条件、加工特点及对钢性能的要求1、 承载特点及工作环境2、 制造加工特点3、 良好的力学和工艺性能 4、 良好的化学性能5、 良好的热处理性能（2） 、船舶、桥梁用钢的化学成分特点及常用牌号1、 化学成分特点对钢性能的影响（1）碳及合金元素对钢性能的影响（2）碳及合金元素对钢焊接性的影响2典型钢号综合分析二、锅炉、压力容器用钢（一）锅炉结构钢的使用条件、加工特点及对钢性能的要求1、承载特点及工作环境2、制造加工特点3、良好的力学和工艺性能 4、化学性能要求5、具有良好的耐腐蚀三、微合金钢、低碳马氏体钢I.微合金钢（1） 微合金刚的化学成分及生产工艺1、微合金刚的化学成分2、微合金钢的生产工艺洁净技术（二）微合金钢的强化机制与力学性能特点1、微合金钢的强化机制2、微合金钢的力学性能特点（三）微合金钢的焊接性能1、微合金钢的焊接性能要求2、良好的焊接性能II.低碳马氏体钢1.低碳马氏体钢结构钢 2.低碳马氏体的力学性能3.低碳马氏体钢的强化原理 4.低碳马氏体钢的工艺特点 5.一些常用的低碳马氏体钢热处理工艺和力学性能 工程结构用钢概况及应用综述一、船舶、桥梁结构钢（一）船舶、桥梁结构钢的使用条件、加工特点及对钢性能的要求1.承载特点及工作环境 船舶、桥梁在使用过程中承受着较大而又复杂的外力的作用，其工作环境也是非常恶劣的。例如：船舶是一座水上浮动结构物，在航行时除承受较大的装运客货重量所致的静载荷外，还承受着海水的冲击、波浪拍打、潮流及风力反复作用所致的交变疲劳载荷，特别是遇到恶劣天气或气候时，其承受动静载荷更为复杂。所以在无法预料的情况下会出现船体沉落或撞击事故。桥梁结构在我们生活中随处可见，所以对其应该有一定的认识。桥梁在工作中承受较大的静载荷及因车辆通行时频繁的震动动载荷，并长期暴露在空气当中、经受风雨及气候的变化的双重作用；特别是在北方，还会长期受风雪低温的作用。因此偶尔会发生断裂、裂口等事故。 2.制造加工特点 由于船舶、桥梁的工作环境及使用条件的限制，所以这些结构钢的钢材都是经过热轧成材，然后根据要求下料，再加以焊接组装成形。并且船舶和桥梁内部构架形状极为复杂而具有各种形式，因此钢材须经受剪切、冷弯、冷压、再焊接、装配等加工工序。 由于船舶、桥梁所受外力和所处环境比较复杂，因此，它们对力学性能及工艺性能要求都比较高。下面便是其力学和工艺性能的描述。 3.良好的力学和工艺性能(1) 高强度 一般船舶和桥梁结构用钢的屈服强度相对较高，而高强度的船舶和桥梁结构用钢的屈服强度则会更高。(2) 弹性模量大 这类工程结构钢要具有较大的弹性模量，以保证有更好的刚度。(3) 良好的韧性和塑性 为了防止断裂事故和低温下的脆断，高强度船体和桥梁结构用钢具有较好的伸长率(20%)，它在-40时的韧性(aK)不低于常温的50%，可以冷弯加工，能在严寒的地区进行工作。4.良好的化学性能(1) 低碳 为了保证较好的韧性、焊接性和塑性，这类钢含碳量大都在0.2%以下。(2) 低合金 以锰为主元素，Mn能推迟奥氏体冷却时铁素体的析出，有效地起到对铁素体固溶强化和细化晶粒,当含锰量不超过1.8%时，在低碳条件下仍可保持较高的塑性和韧性。 铌或钒辅加合金元素，铌或钒可生成碳化物或碳氮化合物。一方面在热轧时阻止奥氏体晶粒长大，另一方面在冷却过程中碳氮化合物析出，进一步提高了强度。为了提高耐锈蚀能力，还加进适度量的铜（0.17-0.5%）和磷(0.05-0.10%)。这类钢具有优良的抗腐蚀能力。5.良好的热处理性能 这类钢多用热轧并用正火(或退火），以各种规格的型材或板材供应。通过冲压，焊接制造各种工程结构和零件，一般情况不再进行热处理。（二）船舶、桥梁用钢的化学成分特点及常用牌号 船舶、桥梁结构钢的牌号和化学成分 牌号质量等级化学成分（质量分数）/%CSiMnPSNbVTiCrNiCuNMoBAls 不大于不小于Q345A 0.20 0.50 0.170.0350.035 0.07 0.15 0.200.300.0120.300.0120.10- -B0.0350.035C0.0300.030 0.015 D 0.180.0300.025E0.0250.025Q390A 0.20 0.500.170.0350.0350.070.200.200.300.500.300.0150.10-B0.0350.035C0.0300.0300.015D0.0350.025E0.0250.020Q420A 0.20 0.50 1.700.0350.0350.070.200.200.300.800.300.0150.20- B0.0350.035C0.0300.0300.015D0.0300.025E0.0250.020Q460C 0.20 0.60 1.800.0300.0300.110.200.200.30 0.800.550.0150.200.0040.015D0.0300.025E0.0250.020 注:型材及棒材P、S含量可提高0.005%其中A级钢上限可为0.045%。 当细化晶粒元素组合加入时，20（Nb+V+Ti）0.22%，20（Mo+Cr)0.30%。1. 化学成分特点对钢性能的影响（1) 碳及合金元素对钢力学性能的影响 碳元素是低合金高强度钢中不可缺少的元素，通过提高碳含量来提高钢的强度受到亲睐。碳量增加时，钢组织中的珠光体或碳化物量也增加，从而提高了钢的强度。当加入碳化物形成元素钛、钒、铌、钼、铬等时，碳的强化作用更大。但碳量增加时，钢的塑性及韧性降低，冲压加工性及焊接性变坏，并增加了冷脆及时效脆化的敏感性。因此含碳量不能过高，一般不小于0.2%，最高不超过0.25%。碳在钢中形成珠光体或弥散析出的合金碳化物，使其钢得到强化。适当控制碳的含量，可大大改善钢的韧性和焊接性能。目前，新型的的低合金高强度钢以低碳和低硫为主要特征。常用的合金元素按其在钢的强化机制中的作用可分为:固溶强化元素（Mn、Si、Al、Cr、Ni、Mo、Cu等）；细化晶粒元素（Al、Nb、V、Ti、N等）；沉淀硬化元素（Nb、V、Ti等）以及相变强化元素（Mn、Si、Mo等）。Mn 高的Mn/C比对提高钢的屈服强度和冲击韧性有好处。锰能降低Y转变温度；有利于针状铁素体的形核；在加热过程中可增大碳-氮化合物形成元素在Y-Fe中的溶解度，从而增加了铁素体中碳氮化合物的弥散析出量。此外，由于高锰导致钢的应力/应变特性的变化，可以抵消鲍欣格效应的强度损失。Si 多数低合金高强度钢不用硅合金化，但在热轧铁素体-马氏体多相钢中，硅是不可缺少的添加元素。Mo 含钼钢（0.15%Mo）有较高的强度，比传统铁素体-珠光体钢又有较高的韧性。钼对钢在冷却过程中珠光体转变有抑制作用。在针状铁素体钢和超低碳贝氏体钢中的钼含量一般在0.20.4%。Nb、V、Ti 在低碳的锰钢或低碳的锰-钼钢中添加0.050.15%Nb（或V、Ti），有明显的晶粒细化和沉淀硬化作用。钛在钢中形成硫化物，改善冲击吸收功的各向异性和冷成形性。稀土元素（RE) 微量（0.001%左右）稀土金属，不影响钢的强度。其主要作用是脱硫，它又是最有效的硫化物形态控制元素，减小韧性的各向异性，防止钢的层状撕裂。其他元素Ni、Cr、Cu等，在微合金钢中固溶强化并不十分有效，在非调质钢中一般控制在较低的含量范围。（2) 碳及合金元素对钢焊接性能的影响碳（C)：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳含量超过0.23%时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接低合金结构钢，含碳量一般不超过0.2%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15-0.30%的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60%，硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度。故广泛用于作簧钢。在调质钢中加入1.0-1.2%的硅强度可提高15-20%。硅和钼、钨等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化性的作用，可制造耐热钢。硅含量增加，会降低刚的焊接性能。锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，在钢中加入适量的锰会提高其强度、硬度和脆性，能改善钢的热加工性能。锰含量过高时，会减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。磷（P）：一般情况下，磷是钢中有害元素，增加刚的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。硫（S)：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和扎制时造成裂纹。硫对对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。镍（Ni）：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力,在高温下有防锈和耐热能力。钛（Ti）：钛是钢中强氧化剂。它能使钢内部组织致密，细化晶粒，改善焊接性能。2. 典型钢号综合分析低合金结构钢的特性和应用牌号主要特性应用举例新标准（GB/T1591-2008）旧标准 Q345Q34518Nb含Nb镇静钢，性能与14MnNb钢相近起重机、鼓风机、化工机械等 09MnCuPTi耐大气腐蚀用钢，低温冲击韧性好，可焊性、冷加工性能好潮湿多雨地区和腐蚀气氛环境的各种机械12MnV工作温度为-70低温用钢冷冻机械，低温下工作的结构件14MnNb性能能与18Nb钢相近工作温度为-20450的容器及其他结构件 16Mn综合力学性能好，低温性能、冷冲压性能、焊接性能和可切削性能都好矿山、运输、化工等各种机械16MnRE性能与16Mn钢相似，冲击韧性和冷弯性能比16Mn好同16Mn钢Q39010MnPNbRE耐海水及大气腐蚀型好抗大气和海水腐蚀的重机械15MnV性能优于16Mn高压锅炉锅筒、石油、化工容器、高应力起重机械、玉树机械构件15MnTi性能与15MnV基本相同与15MnV钢相同16MnNb综合力学性能比16Mn钢高，焊接性、热加工性和低温冲击韧性都好大型焊接结构，如容器、管道及重型机械设备Q42014MnVTiRE综合力学性能、焊接性能良好。低温冲击韧性特别好与16MnNb钢相同15MnVN力学性能优于15MnV钢。综合力学性能不佳，强度虽高，但韧性、塑性较低。焊接时，脆化倾向大。冷热加工性尚好，但缺口敏感性较大大型船舶、桥梁、电站设备、起重机械、机车车辆、中压或高压锅炉及容器及其大型焊接构件等二、锅炉、压力容器用钢（一）锅炉、压力容器用钢的使用条件、加工特点及对钢性能的要求1. 承载特点及工作环境 锅炉、压力容器是盛装气体或液体并且承载一定压力的密闭设备。压力容器的用途十分广泛，如：电力、机械、冶金、化工、轻工业等行业。承受压力及温度锅炉的汽水系统在密闭的容器和管道中工作，承受着介质压力和火焰加热，有时承受的压力和温度会很高。压力容器承受大小不同的压力载荷和其他载荷，有些压力容器还在高温或深冷条件下运行。锅炉压力容器内的压力可能因操作失误或反应异常而迅速升高从而导致承压部件超压破裂。锅炉、压力容器有时会接触腐蚀性介质，因此其内壁和外部表面都会受到不同程度的腐蚀。2. 制造加工特点锅炉、压力容器所承受的压力及温度要求都比较高，因此对材料的选择要慎重，选材完毕之后按照要求进行下料，然后对材料进行热处理、焊接组装、最后进行检测成形。 3.良好的力学和工艺性能(1) 具有良好的力学性能 首先，制造锅炉、压力容器的材料应具有适当的强度（主要是指屈服强度和抗拉强度），以防止在承受压力时发生塑性变形甚至断裂。还应考虑材料的抗蠕变性能，测定材料的高温性能指标，即蠕变极限和持久强度。其次，制造锅炉、压力容器的材料必须具有良好的苏醒，以防止锅炉、压力容器在使用过程中因意外超载而导致破坏。第三，制造锅炉、压力容器的材料应具有较高的韧性，使锅炉、压力容器能承受运行过程中可能遇到的冲击载荷的作用。特别是操作温度或环境温度较低的压力容器，更应考虑材料的冲击韧性值，并对材料进行操作温度下的冲击试验，以防止容器在运行过程中发生脆性断裂。（2) 具有良好的工艺性能 由于锅炉、压力容器承压部件大都是用钢板滚卷或冲压形成的，所以要求材料有良好的冷塑性变形能力，在加工时容易成形且不会产生裂纹等缺陷。其次，制造锅炉、压力容器的材料应具有较好的可焊性，以保证材料在规定焊接工艺条件下获得质量优良的焊接接头。第三，要求材料具有适宜的热处理性能，容易消除加工过程中产生的残余应力，而且对焊后热处理裂纹不敏感。4.化学性能要求（1）低碳 当钢中含碳量增加时，屈服强度和抗拉强度升高，但塑性韧性和冲击性降低，抗腐蚀能力变弱，焊接性能也变坏。因此，压力容器用钢的含碳量一般不应大于0.25%。（2）低合金 锅炉、压力容器用钢的综合力学性能要求比较高。为了考虑其使用性能和工作环境，所以一定要要按照按照钢类的要求控制合金元素才能达到其性能要求，而权衡其综合性能要求你不仅要求低碳，而且还要求低合金。因为当合金元素普遍较高时，会提高钢的某一方面性能，与此同时，另一方面的性能要求却会达不到。综合考虑，对合金元素要进行严格控制，不允许某一元素超标而引起材料性能降低。5.具有良好的耐腐蚀性能和抗氧化性能 设计压力容器时，必须根据其使用条件，选择适当的耐腐蚀材料。.对于锅炉和高温压力容器，所选的材料还应具有抗氧化性能。三、微合金钢、低碳马氏体钢I.微合金钢（一）微合金刚的化学成分及生产工艺1.微合金钢的化学成分微合金钢的化学成分 表（%)牌号C最大Mn 最大S最大 最大PCS40/300.151.200.0400.040CS43/350.151.200.0400.040CS46/400.051.200.0400.040CS50/450.201.500.0400.040CS60/550.201.500.0400.040CS40F300.121.200.0300.030CS43F350.121.200.0300.030CS46F400.121.200.0300.030CS50F450.121.200.0300.030CS60F550.121.200.0300.030注：这些级别的钢细晶粒全镇精钢，含有加入微合金元素，如铌和钛。生产厂还可以选举加入一些元素，如钙、锆，以改善硫化物夹杂的形状从而使这些级别的钢，特别是F系列的钢具有高级别的成形性能。其牌号中有F的钢与上半部分相应的钢相比，同一强度级别的钢，起具有更好的成形性能。为了提高耐大气腐蚀性能，可经供需双方协议，这些级别的钢可规定最小铜含量交货。2. 微合金钢的生产工艺洁净化技术(1)最大限度的除去钢中的S、P、O、N、H有时包括C等杂质元素的含量；(2)严格控制钢中夹杂物的数量、成分、尺寸、形态及分布。国外一些先进钢厂对杂质元素的总量已控制在50ppm以下，达到超洁净钢的水平。钢的洁净化会显著提高钢的冲击韧度、焊接接头的抗裂性和抗氢致裂纹的能力，其焊接性会得到明显的提高，相应的要求也必须净化。（二）微合金钢的强化机制与力学性能特点1.微合金钢的强化机制 强化机制主要有：细晶强化、固溶强化、沉淀强化等。 晶粒细化之所以既能提高钢的强度，又能提高钢的韧性，其原因是：材料的晶粒越细，晶界面积就越大，而晶界两边的晶粒的取向完全不同且完全无规则，并且晶界是原子排列相当紊乱的地区。因此，当塑性形变和微裂纹由一个晶粒穿过晶界进入另一个晶粒时，由于晶界阻力大，穿过晶界就比较困难；另外，穿过晶界后滑移方向和裂纹扩展又需改变。与晶内的形变及裂纹扩展相比，这种既要穿过晶界而又要改变方向的形变及裂纹扩展将要消耗很大的能量，故晶界的存在将使材料的强度和韧性都得到提高，并且材料的晶粒越细，材料的强度和韧性就越高。微合金钢中加入碳氮化物形成元素(V、Nb、Ti等)、促进微合金化元素碳氮化物的析出、增加奥氏体内部形核质点、快速冷却和弥散粒子钉扎阻碍晶界迁移等多种微合金化与控轧控冷相结合，从而使晶粒细小。固溶强化其一是溶质原子溶入铁的基体中，造成基体晶格畸变，从而使基体的强度提高。置换固溶体中的异质原子，能在不改变晶格内部的原子分布状态的条件下，阻止不断进行的位错运动。因此，其应力应变曲线向着较高的应力值方向推移，而曲线的形状基本上保持不变。与其它强化机制相比，由均匀的置换固溶体所引起的强化作用是较小的。 其二是溶质原子进入位错张应力区，与位错产生弹性交互作用，阻止位错的运动，从而使材料的强度提高与铁原子形成间隙固溶体的异质原子有氢、硼、碳、氮和氧等。其中以碳和氮对于强度提高起着较大的作用。在过饱和的间隙固溶体中，由于碳氮原子有着较大的扩散能力，可以直接在位错附近和位错中心聚集，形成Cottrel气团，对移动着的位错起钉扎作用，只有当位错摆脱了气团的钉扎之后，塑性变形才能继续进行。为此，就必须提高外加应力，从而使材料得到了强化。微合金中钢中添加的合金元素，在钢中的主要存在形式为固溶于铁基体中和形成具有钉扎作用微合金碳氮化物。 钢中细小弥散的沉淀相通过与位错发生交互作用，造成对位错运动的障碍度得以提高，也称为沉淀强化。微合金钢中析出强化通过沉淀析出，可以获得沉淀相质点。微合金钢中析出强化通过沉淀析出，可以获得沉淀相质点。微合金钢的力学性能特点2. 微合金钢的力学性能特点 这类钢含有少量的强碳化合物形成元素配合以控制轧制工艺，可以用低成本生产出屈服强度为250 MPa550MPa，并且具有良好塑性和韧性的低碳（0.05%0.1%）钢。其综合性能也非常好，能达到其性能和使用条件的要求。（三）微合金钢的焊接性能1.微合金钢的焊接性能要求（1) 最大限度地满足强度、韧性的指标要求;（2) 优异的服役性能，包括耐高、低温性能，抗疲劳性能，耐介质腐蚀性能等。2.良好的的焊接性能 微合金钢含碳量低，且其添加的微量合金元素在高温下形成未溶解的微合金碳氮化物，具有钉扎作用，阻止奥氏体晶粒的长大，使晶粒细小。因此，微合金钢具有良好的焊接性性能。II.低碳马氏体钢1.低碳马氏体钢结构钢 是指低碳钢或低碳合金钢经淬火低温回火处理，得到高强度、高韧性的低碳马氏体组织作为应用状态的钢。2.低碳马氏体的力学性能 在具有高强度的同时兼有良好的韧度和塑性，其综合力学性能和中碳合金调质钢的性能相当，某些性能甚至优于调质钢。低碳马氏体钢不但在静载荷下具有低的缺口敏感性，而且还具有低的疲劳缺口敏感度。低碳马氏体的冷脆倾向比较小，还有良好的工艺性能，冷变形能力良好，焊接性能优。3.低碳马氏体钢的强化原理 低碳马氏体钢的含碳量在0.15%0.25%，以保证淬火后获的板桥马氏体组织，其强化主要是碳的的固溶强化。4.低碳马氏体钢的工艺特点 是需要高温加热、较长的时间保温，为保证淬透性，常以高速冷却。但是零件的断面尺寸增大，心部有可能淬不透，马氏体数量减少，其综合力学性能将降低，所以应根据零件的尺寸大小来选择相应淬透性的钢。5.一些常用的低碳马氏体钢热处理工艺和力学性能 一些常用的低碳马氏体钢热处理工艺和力学性能钢号热处理工艺b/S/MPa/%/%Akv/J淬火/回火/209102001530131011.1454116Mn9002001440122011.440.149.820Cr8802001450120010.5497020MnV8802001435124512.543.3892615MnVB8802001353113312.6519520CrMnTi8802001510131012.2578010020SiMn2MoVA900250