第二章 工程结构钢.ppt

工程结构钢的基本要求低合金高强度结构钢的合金化铁素体-珠光体钢低碳贝氏体钢、针状铁素体钢和马氏体钢双相钢,第2章工程结构钢,工程结构钢是指专门用来制造工程结构件的一大类钢种。在钢总产量中，工程结构钢占90%左右。工程结构钢包括碳素钢和低合金高强度钢。低合金高强度钢是指在C0.25%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（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。按用途可分为结构钢、耐腐蚀钢、低温用钢、耐磨钢、钢筋钢、钢轨钢及其他专业用钢等。,耐候Z型钢用于体育馆,镀锌C型钢用于上海大剧院屋架桁架,现代化蔬菜大棚,工程构件的服役特点：1.不作相对运动，长期承受静载荷作用；2.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；3.桥梁或船舶长期经受大气或海水的浸蚀；4.电站锅炉构件的使用温度可达到250以上。,2.1工程结构钢的基本要求,力学性能要求如下：1、高的强度。2、良好的塑性；3、冲击韧性好；（1）一定的常温冲击韧性；（2）尽可能低的脆性转变温度；（3）低的时效敏感性。预先拉伸10%的板试样，在250，1h人工时效后，测出室温冲击韧性，与原材料相比，不得低于50%，且不小于27J。,2.1工程结构钢的基本要求,时效现象,低碳工程构件经加工或高温冷却后，在室温或较低温度下放置一段时间，钢的性能会发生明显变化的现象。（淬火时效和机械时效）,产生原因,C、N等间隙原子偏聚或内吸附于位错等晶体缺陷处。提高硬度、降低塑性和韧度。如某钢板刚变形时，Ak=120J，十天后降为35J；焊接钢板在三个月后由92J降为33J。,当然桥梁、船舶等突然断裂的原因很多。共振、应力波等。,2.1工程结构钢的基本要求,工艺性能要求：良好的成形工艺性能和焊接性能。要求具有一定的耐大气腐蚀及海水腐蚀性能。以工艺性能为主，力学性能为辅。,2.1工程结构钢的基本要求,成分设计要求：1.低碳（w(C)%0.25%）；2.加入适量的合金元素提高强度（1）当合金元素含量较低时，其基体组织是大量的铁素体和少量的珠光体；（2）合金元素含量较高时，基体组织可变为贝氏体、针状铁素体和马氏体。供货状态：大部分构件通常是在热轧空冷（正火）状态下使用，有时也在回火状态下使用。,2.1工程结构钢的基本要求,一、工程结构钢的强化机制在铁素体-珠光体钢中，合金元素对强化的贡献有：溶入铁素体中，起固溶强化；细化晶粒，起细晶强化；析出碳化物、碳氮化物，起弥散强化；增加珠光体含量。1.固溶强化主要利用Mn、Si、Cu、P等元素溶入铁素体中来提高强度。,2.1工程结构钢的基本要求,C,固溶强化效果和珠光体含量，低成本。C，塑、韧性，焊接性、冷成型性。如0.1%C，Tk为-50，0.3%C，Tk为50。一般均应限制在0.2%以下。,Si,最常用且经济的元素，强化铁素体较显著，1%Si，s85MPa，Tk，量多时可大为降低塑韧性，所以Si控制在V,2.1工程结构钢的基本要求,4.增加珠光体含量当CV。,2.2铁素体-珠光体钢,（3）沉淀相与沉淀强化Ti和Nb的碳化物和氮化物及V的氮化物具有足够低的固溶度和高的稳定性。因此，一般微合金钢中的沉淀强化相主要是低温下析出的Nb（C，N）和VC。,Nb0.04%时，Gph；Nb0.04%时，ph增量大大增加，而G保持不变。V引起析出强化增量ph最显著，而Ti的作用处于Nb和V之间。,2.2铁素体-珠光体钢,（4）改变钢的显微组织Ti、Nb、V等合金碳化物和氮化物随奥氏体温度升高有一定的溶解量，如Nb(C,N)在1150溶于奥氏体的铌约0.03%，而V(C,N)更易溶于奥氏体。在轧制加热时，溶于奥氏体的微合金元素提高了过冷奥氏体的稳定性，降低了发生先共析铁素体和珠光体的温度范围，低温下形成的先共析铁素体和珠光体组织更细小，并使相间沉淀Nb（C，N）和V（C，N）的粒子更细小。,2.2铁素体-珠光体钢,2.3低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢和马氏体钢,一、低碳贝氏体钢低碳：0.100.20%，一般为0.100.15%（保持韧性，提高焊接性）使用状态组织：贝氏体。加工过程：轧制空冷或正火后控制冷却，直接得到低碳贝氏体组织。屈服强度较高：可达450980MPa（贝氏体的相变强化）低碳贝氏体钢与相同碳含量的F-P型钢相比，具有更高的强度和良好的韧性。,合金元素的作用是保证在较宽冷速范围内获得以贝氏体为主的组织,成分特点：0.5%左右Mo+微量B（0.005%）+Mn、Cr、Ni等+Nb、Ti、V,主要用于制造容器的板材和其他钢结构,14MnMoV和14MnMoVBRE钢是我国发展的低碳贝氏体钢，屈服强度为490MPa级,主要特点,2.3低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢和马氏体钢,对于一些强度、焊接性、低温冲击韧性等要求更高的场合，还必须采用针状铁素体低合金高强度钢。,针状铁素体钢实际上属于超低碳贝氏体钢。0.06%C+适量Mn、Mo、Nb等，实施控轧控冷技术，获得具有高密度位错（1010cm-2）亚结构的“针状F”组织（超低碳B）。s达700800MPa，低温冲击韧性、焊接性更好。用于现场焊接条件极其寒冷地带管线。被称为21世纪的控轧钢。,基本特点,二、针状铁素体钢,2.3低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢和马氏体钢,三、低碳马氏体钢工程机械上相对运动部件和低温下使用部件，要求有更高的强度、良好韧性和超群的疲劳性能。,0.16%C，加入Mo、Nb、V、B及控制Mn或Cr与之配合淬火和自回火获得低碳回火马氏体，具有高强度、高韧性和高疲劳强度。,如BHS-1钢（0.1C-1.8Mn-0.45Mo-0.05Nb锻轧后空冷或直接淬火并自回火。达到合金调质钢调质后的性能水平。,制造汽车的轮臂托架、操纵杆、车轴、转向联动节和、冷拔及制作高强度紧固件。拉杆等，也可用于冷镦。,2.3低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢和马氏体钢,2.4双相钢,传统的低合金高强度钢对汽车压力加工件来说，没有具备足够的冲压成型性，因而需要改善强度-成型性的综合性能，以满足汽车冲压成型件的要求。双相钢的开发，使这类问题在一定程度上得到了解决。,主要成分：0.2%C，1.21.5%Si，0.81.5%Mn，0.45%Cr，0.4%Mo，少量V、Nb、Ti。,成分,组织,F+M组织，F（7080%）基体上分布不连续岛状混合型M（2030%）双相钢。F中非常干净，C、N等间隙原子很少；C和Me大部分在M中。,2.4双相钢,低s，且是连续屈服，无屈服平台和上、下屈服；均匀塑变能力强，总延伸率较大，冷加工性能好；加工硬化率n值大，成型后强度可达500700MPa。,性能,2.4双相钢,将热轧的板材或冷轧的薄板在两相区（+，740800）加热退火时，在铁素体基体上形成2030%的奥氏体，并且C、Mn等奥氏体形成元素富集于奥氏体中，提高过冷奥氏体的稳定性，抑制珠光体转变，在空冷条件下即能转变成马氏体，获得F+M。,热处理双相钢,热轧后直接成材，控制转运台的冷却，使钢形成7080%的细小多边形铁素体。未转变的奥氏体因C%上升和Me上升，提高奥氏体的稳定性，而避免形成珠光体和贝氏体，最后得到F+M的双相组织。通常，这类钢的成分较一般低合金高强度钢含较高的合金元素。,热轧双相钢,2.4双相钢,冲压型双相钢主要是板材，广泛用于各种容器和汽车冲压件。非冲压双相钢有棒材、线材、钢筋、薄壁无缝钢管等产品。钢材经热轧后控制冷却，得到F+M双相钢组织，后经冷拔、冷镦等工艺制成成品，可用于汽车的大梁和滚型车轮，汽车的前后保险杠、发动机悬置梁等，使用双相钢可使汽车重量降低1030%。,应用,2.4双相钢,2.5低合金高强度钢发展趋势,2.6抗震耐火钢,一、概述,建筑结构：钢结构、网架结构、钢筋混凝土结构和木结构。钢结构的优点：施工速度快、节能环保、综合经济指标佳、建筑造型美观、抗震性能好等。钢结构的缺点：防火、防腐性能较差。当普通建筑用钢温度为400时，钢材的屈服强度将降至室温强度的一半；温度达到600时，钢材基本丧失强度和刚度。,2.6抗震耐火钢,耐火钢强度级别：400MPa、490MPa和520MPa。耐火钢品种：板材、H型钢和钢管。目前耐火钢在日本、韩国及欧美国家已获得广泛的应用。我国的钢铁研究总院从20世纪90年代中期开展了建筑用耐火钢的研究。武汉钢铁（集团）公司、马鞍山钢铁股份有限公司、鞍山钢铁集团公司、首钢、莱钢、攀钢等都积极开展了耐火钢的开发工作。,2.6抗震耐火钢,二、抗震耐火钢的性能要求,（1）良好的高温强度，600屈服强度不小于2/3常温屈服强度。（2）满足普通建筑用钢的标准要求，室温力学性能等同或优于普通建筑用钢。（3）高的抗震性能，室温屈强比不大于80%，降低屈服强度波动范围。（4）良好的焊接性能，优于普通建筑用钢。,2.6抗震耐火钢,二、抗震耐火钢的合金化,1、合金化机理,利用固溶强化和第二相的析出强化作用。,2、合金元素作用,C和N是强烈的间隙固溶强化元素，随着温度的提高，碳和氮在钢中的溶解度增加，提高钢的高温强度。C%，焊接性，C%0.11%,C和N,微合金化元素Nb、V、Ti析出物具有良好的高温稳定性，可起到细化奥氏体晶粒尺寸和沉淀强化作用，使钢保持较高的高温强度和蠕变强度。,微合金元素,是一个主加元素。可提高高温强度和蠕变强度及钢的耐候性。,Cr,2.6抗震耐火钢,Mo是提高钢的高温强度最为有效的元素，目前已有