第2章 工程结构用钢

第2章工程构件用钢 工程构件用钢 用于制作各种大型金属结构 如桥梁 船舶 车辆 锅炉和压力容器 所用的钢料 称为工程构件用钢 简称构件钢 工作条件特点是 1 不做相对运动 2 往往承受长期的静载荷 3 有一定的使用温度要求 4 通常在野外 如桥梁 或海水中 如船舶 使用 长期与大气或海水接触 而又不能象机器那样防锈维护得很好 使用性能要求 1 力学性能要求 a 足够的弹性模量 以保证构件有较好的刚度 b 有足够的抗塑性变形及抗破断的能力 即 s较高而 k k较大 c 缺口敏感性及冷脆倾向性较小 2 要有一定的耐大气腐蚀性及耐海水腐蚀性 要求有良好的冷变形性与可焊性 要求不高 据以上性能要求 多采用低碳钢 c 0 2 通常是热轧空冷供货 相当于正火 或正火回火 故其组织为 F 少量P 对构件钢的要求以工艺性能为主 以力学性能为辅 第一节工程构件用钢的力学性能 其成分和组织结构决定了其如下性能特点 一 屈服现象低碳钢的力学行为特点之一 屈服中所需的力下降或不变 变形不均匀 屈服结束后 材料硬化 变形均匀 如 钢板冲压时易出现皱折 采用先冷变形硬化再冲压的措施可解决 变形处 s 其它部分开始变形 为什么 形成原因 其屈服现象与钢中的碳 氮原子与位错的相互作用有关 碳 氮原子在 Fe中富集在位错线周围形成柯氏气团 柯氏气团对位错有钉轧作用 但这种钉轧是短程的 位错在外力作用下挣脱气团后继续运动所需要的力反而减小了 造成了低碳构件用钢的屈服现象 合金元素在钢中的作用 碳 氮 或加入强碳化物形成元素 如钛 铌等 使碳 氮原子 与之结合成稳定的碳化物或氮化物 抑制柯氏气团形成 可避免冲压时皱折的产生 二 冷脆现象冷脆 在一般气候条件下 随温度降低 低碳构件用钢的断裂由宏观塑性的微孔集聚型断裂 断口为塑性 过渡为宏观脆性的解理断裂 断口为小平面联合 的现象 这一过渡温度称塑脆转变温度Tk 构件用钢的冷脆对其实际应用影响很大 若在Tk以下温度使用 如船舶 桥梁 压力容器等 发生脆断 会造成严重后果 影响Tk的因素 1 构件上存在缺口 裂纹或淬火时效和应变时效等 皆使Tk提高 2 冶炼方法和轧制工艺 平炉钢优于侧吹转炉钢 镇静钢优于沸腾钢 主要与钢中硫 磷 氮 氧杂质含量有关 杂质含量高 Tk高 用铝脱氧的钢其冷脆倾向性小 控制轧制工艺影响钢的冷脆倾向 如降低终轧温度 提高轧后的冷却速度等 均可得细小的晶粒组织 降低钢的冷脆倾向性 3 钢的组织状态 希望得到细小的F晶粒和适量的细片P 如钢中出现针状F或魏氏组织 或形成少量上贝氏体组织 其Tk可上升到室温 4 加入适当的合金元素可使Tk下降 如合金元素锰 铝等使Tk下降 而碳 硅等元素使Tk上升 非共析钢当A粗大冷却速度又快时 F Fe3C沿A晶界呈针状析出 三 应变时效 淬火时效和蓝脆 时效 非平衡金属材料在常温或一定温度条件下 组织趋于向平衡状态过渡 力学行为会逐渐变化的过程 一般与淬火联合 分为自然时效和人工时效 构件钢的时效脆性 构件钢加热后快冷 或塑性变形后 放置过程中出现硬度 塑韧性 的现象 一 应变时效塑性变形后的时效 对构件钢 应变时效一般是不利的 弯角 卷边 冲孔 剪裁等产生局部塑性变形 应变时效会使这些局部区域的断裂抗力降低 成为断裂的起源 即使工艺中未产生塑性变形 但当构件受载时 其上存在的裂缝尖端附近也必然要产生一定量的塑性变形 应变时效使这一局部区域 S增加而塑性降低 使裂缝扩展阻力降低或使塑脆转变温度提高 增加构件损坏的危险性 应变时效还给冷变形工艺造成困难 裁下来的毛坯 形成原因 时效过程中碳 氮原子 主要是氮 在位错周围积聚 形成柯氏气团 措施 控制C N含量 加V Ti Nb Zr Al 结合成碳 氮化物 二 淬火时效淬火时效 在一些焊接构件上焊接热影响区产生淬火时效 可能成为构件开裂源 原因 被碳 氮过饱和的 Fe固溶体脱溶沉淀 在室温或较高温度放置时 C N先向位错 晶界等缺陷富聚 析出亚稳定 与母相共格的 碳化物 Fe2 4C 和 氮化物 Fe16N2 措施 与应变时效相似 三 蓝脆蓝脆 变形时 低碳钢在300 400 温度范围内出现光亮蓝色 却出现反常的 b 的现象 应变速率 蓝脆温度向高温推移 可至500 原因 由于塑变时位错运动速度与该温度下C N原子的移动速度几乎相等 所以应变时效与塑性变形同时发生 第二节工程构件用钢的耐大气腐蚀性 构件用钢多在野外使用 不易防护 且用量大 故腐蚀性问题较重要 一 大气腐蚀过程 属电化学反应 构件钢内部发生原电池反应 Fe2 2OH Fe OH 2 4Fe OH 2 2H2O O2 4Fe OH 3 2Fe OH 3 Fe3O4 3H2O 二 提高构件钢耐大气腐蚀的途径 减少微电池数量 C S等含量 第二相 碳化物 硫化物 数量 用低碳钢的原因之一 提高基本 Fe 的电极电位加入与 Fe形成固溶体 并提高 Fe电极电位的元素 Cr Ni Ti等 但使成本提高 利用钝化效应通过改变表面状态 基体表面部分电极电位 最常用的钝化措施是在金属表面形成一层致密的氧化膜 使钢的表面与电介质隔开 加入合金元素 Cr 最有效 但价格高 我国储量少 P 对耐大气腐蚀性有利 特别是与Cu共用时效果更好 但P一般 冷脆 故其含量在0 06 0 15 最佳 Cu含量太高可造成热脆 在1100 以上热加工 富Cu相溶入A晶界 耐大气腐蚀用钢Cu 0 2 0 5 Cu 第三节工程构件用钢的加工工艺性能 构件用钢通常以棒材 板材 型材 管材 带材等形状使用 需进行变形 焊接 铆接等 钢材的变形通常在常温下进行 因此要求具有良好的冷变形性能和焊接性能 一 冷变形性能 变形抗力 随C 合金元素含量增高和晶粒细化而增大 构件钢一般塑性变形抗力不高 不会对变形造成很大困难 变形开裂 加工中经常遇到的弊病 局部变形 产生缩颈 塑性失稳 需较大变形量的钢要求 s b 0 7 使变形时不易失稳 碳 含量增高 钢中P量增多 塑变抗力增高 塑性降低 变形时开裂倾向也增大 硫 含硫量增高 钢中硫化锰夹杂物增多 也使钢材变形开裂的倾向增大 并使轧制钢板纵向及横向的塑性不同 钢材较易于沿着呈条状分布的硫化物夹杂发生开裂或分层 磷 磷有强烈的偏析倾向 含磷较高的钢材 带状组织比较严重 其性能也有明显的方向性 表面质量 表面缺陷 裂纹 结疤 划痕 折叠等 常成为变形开裂源 变形后变化 应变时效 塑性降低可能成为断裂源 二 焊接性能 构件钢的焊接在使用中十分普遍 焊接后存在焊缝区 半熔化区 热影响区 且热循环和组织变化产生焊接应力 还可能存在未焊透 气泡 夹杂和裂纹 直接影响构件承载和寿命 焊接后成分和组织变化而导致焊接构件脆断趋势增大的现象称焊接脆性 焊接构件的质量取决于 构件结构 焊接工艺 材料自身焊接性能 构件钢焊接脆性及防止措施 1 M转变脆性 焊接时热影响区温度超过钢的临界点 Ac3 且使A晶粒显著 其它区域未被加热 造成热影响激冷 发生M转变 硬度 塑 韧性 同时产生很大的热应力和组织应力 使热影响区常出现裂纹 称谓冷裂纹 这种开裂倾向性大小反应了钢焊接性能优劣 取决于钢淬透性和淬硬性 碳 锰 铬 铜 硅等元素显著提高碳当量 降低钢的焊接性 钢中加入细化晶粒和阻碍A晶粒长大的元素如钼 钛 钒和用铝脱氧时 有利于改善焊接性能 总之 为了保证构件的焊接性能 构件用钢应是低碳 低合金元素 2 凝固脆性 指焊肉及熔合线金属由于熔化和凝固过程引起成分和结构变化 而形成裂纹的倾向性 一般是以热裂纹的形式表现出来 其原因是熔池结晶凝固过程中 在通过液相 固相线的温度范围时 首先结晶的晶体纯度较高 而使合金元素及杂质逐渐富集到残存的液体中去 因而在收缩应力的作用下便沿着柱状晶界产生裂纹 S P Si 之 Ti Zr Ce形成球状硫化物 之 3 热影响区的时效脆性 在热影响区 因焊接热的作用可能产生淬火时效现象 另一方面又可能因焊接应力的作用在焊脚附近产生微量塑性变形 而引起应变时效现象 这种时效脆性也常成为低碳钢构件在使用过程中开裂的起源 也必须充分注意 加入Al V Ti Nb可抑制之 4 焊后加热开裂 脆性 焊后为了松驰焊接应力 常需在较高温度下加热 对A不锈钢 某些低合金钢 主要是含V钢种 可能出现开裂现象 称焊后加热开裂或应力松驰开裂 裂纹主要是在熔合线附近粗大的晶粒区 有时在焊肉的粗大组织内出现 沿A晶界发展 裂纹出现敏感性最大的温度约为600 所以属热裂纹 原因 晶界脆化 其机理与回火脆性相类似 防止 减少Sn Ce As P等杂质含量 控制C含量 提高松弛处理温度降低残余应力 5 过烧脆性和过热脆性 在紧靠熔合线的热影响区附近 可在A晶界处富集S 而引起过烧脆性 防止 减少S含量 加入稀土元素 形成高熔点的稀土硫化物 第四节碳素构件用钢 一 成分 牌号 性能特点 用途又称碳素结构钢 简称普碳钢 冶炼容易 常以热轧状态供货 一般不经热处理强化 价格低 产量约占钢总产量的70 80 成分 WC 0 2 注意常含的杂质和S P含量 用途 大多用于中型结构件 很少量用作要求低的机器零件 应用很广 品种有热轧钢板 钢带 钢管 槽钢 角钢 扁钢 圆钢 钢轨 钢筋 钢丝等 牌号 分为Q195 Q215 Q235 Q255及Q275等五类 注意符号和数字 性能特点 除前面讲到的 注意 b s 大致范围及不同牌号的区别 二 专业钢种1 Q235派生出的专业用钢 了解 成分和工艺作了微小调整 规定某些特殊性能和质检项目 使之适于某些专业应用 注意其牌号 2 冷冲压薄板钢 注意牌号变化 用途 主要用于制造厚度在4mm以下的各种冷冲压构件 如车身 驾驶室 各种仪表及机器的外壳等 要求a 对强度要求不高 要求良好的冷冲压性能 b 采用优质低碳钢 降低Si P S含量 提高塑性 保证冷冲压性能 c 对冲压性能要求高且外观要求较严的构件 不宜用沸腾钢 而选用Al脱氧的镇静钢冷轧板 如08A1 d 要求有细小而均匀的F晶粒 6 7级 如果晶粒过粗 1 4级 冲压中易在变形量较大的部位开裂 且冲压后表面粗糙 桔皮状 但晶粒过细 8级以上 又使钢板的塑变抗力增高 冲压性能恶化 容易磨损冲模 e 要求晶粒均匀 防止大晶粒实际变形量大 造成提前开裂 工艺通常在热轧与冷轧之间进行一次重结晶退火 加热到Ac3以上 以利随后的冷轧 在冷轧中 如果减缩率小于20 则在轧后要采用950 正火来细化晶粒 提高塑性 如采用低温退火 会引起严重的晶粒长大现象 如果减缩率大于20 轧后采用再结晶退火 650 750 第五节低合金构件用钢 1 简介又称低合金结构钢 简称普低钢 国外称低合金高强度钢 HSLA钢 低碳 低合金元素的钢种 为了适应大型工程结构 如大型桥梁 大型压力容器及船舶等 减轻结构重量 提高使用可靠性及节约钢材的需要发展起来的 其强度 尤其是屈服点大大高于碳含量相同的普碳钢 2 牌号 能够识别 并知道各符号的意义 如09MnV 15MnTi 09Mn2 3 性能要求 力学性能要求a热轧状态具有高 S 减轻结构自重 热轧状态或正火状态供货 b热轧状态具有高 b s b比0 65 0 75 避免塑性失稳 c塑性与韧性 18 20 K 50 室温纵向 K 80J cm2 横向 K 60J cm2 40 或经时效处理后 K值下降不得低于室温值的50 d时效敏感性要小碳 氮 硅 铜等 时效敏感性 铝 钒 钛 铌等 时效敏感性 工艺性能要求具有良好的冷变形性能和焊接性能 一般保证碳当量 0 35 控制氢 磷 硫和砷等元素含量 耐大气腐蚀性要求加入铜 磷 铬 镍等元素 以提高耐腐蚀性 经济要求普低钢用量也很大 在加入合金元素时应考虑国内资源 一般认为其合金化特点是多组元微量合金化 4 化学成分特点 低碳低合金元素基本上不加铬和镍 控制成本 主加合金元