Chapter 2 工程构件用合金结构钢

1、Chapter 2Chapter 2工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢 主 要 内 容第一节第一节 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢第二节第二节 微合金化钢微合金化钢第三节第三节 低碳贝氏体型钢低碳贝氏体型钢 针状铁素体型钢针状铁素体型钢 铁素体马氏体双相钢铁素体马氏体双相钢第四节第四节 新一代钢铁材料新一代钢铁材料Chapter 2 工程构件用合金结构钢教学要求教学要求: 基本要求基本要求: 了解工程结构用钢的性能特点及用途，熟了解工程结构用钢的性能特点及用途，熟悉常用低合金构件用钢。悉常用低合金构件用钢。 重点与难点：重点与难点： 各种工程结构用钢的成分特点，合金元素各种工程结构

2、用钢的成分特点，合金元素的作用，显微组织与力学性能。的作用，显微组织与力学性能。一、应用背景 工程构件用合金结构钢是在普通碳素结构钢的基础上发展起来的，主要用于制造各种大型金属结构（如桥梁、船舶、屋架、锅炉及压力容器等）。Chapter 2 工程构件用合金结构钢二、工程构件的服役特点 不作相对运动，长期承受静载荷作用，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；桥梁或船舶则长期经受大气或海水的浸蚀；电站锅炉构件的使用温度则可达到250以上。三、力学性能要求 弹性模量大，以保证构件有更好的刚度； 有足够的抗塑性变形及抗破断的能力，即s和b较高，而和较好；

3、 缺口敏感性及冷脆倾向性较小等； 具有一定的耐大气腐蚀及海水腐蚀性能。Chapter 2 工程构件用合金结构钢四、工艺性能要求良好的冷变形性能和焊接性能。以工艺性能为主，力学性能为辅。五、成分设计要求 低碳（wC%0.25%）； 加入适量的合金元素提高强度（1）当合金元素含量较低时，如低合金高强度结构钢和微合金化钢，其基体组织是大量的铁素体和少量的珠光体；（2）当合金元素含量较多时，其基体组织可变为，贝氏体、针状铁素体或马氏体组织。六、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。Chapter 2 工程构件用合金结构钢2.1 低合金高强度结构钢（普通低合金结

4、构钢）一、普通低合金高强度结构钢的化学成分特点（1）低碳，这类钢中碳的质量分数一般小于0.2%，主要是为了获得较好的塑性、韧性、焊接性能。（2）主加合金元素主要是Mn，加很少Cr和Ni，是经济性能较好的钢种。 Mn能细化珠光体和铁素体晶粒； Mn的含量在1%1.5%范围内可促进铁素体在形变时发生交滑移，使112111滑移系在低温下仍其作用，同时，锰还使三次渗碳体难于在铁素体晶界析出，减少了晶界的裂纹源，这也将改善钢的冲击韧性。 Mn的加入还可使Fe-Fe3C相图中的S点左移，使基体中珠光体数量增多，致使强度不断提高。2.1 低合金高强度结构钢（3）辅加合金元素Al、V、Ti、Nb等，既可产生沉

5、淀强化作用，还可细化晶粒，从而使强韧性得以改善。（4）加入一定量的Cu和P，改善这类钢的耐大气腐蚀性能。 Cu元素沉积在钢的表面，具有正电位，成为附加阴极，使钢在很小的阳极电流下达到钝化状态； P在钢中可以起固溶强化的作用，也可以提高耐蚀性能； Ni和Cr都能促进钢的钝化，减少电化学腐蚀；（5）加入微量稀土元素可以脱硫去气，净化钢材，并改善夹杂物的形态与分布，从而改善钢的力学性能和工艺性能。2.1 低合金高强度结构钢 表2-1 为我国发展的的牌号、化学成分和机械性能 表2-2 国外几种低合金高强度结构钢的的化学成分和力学性能 表2-3 我国低合金高强度结构钢的特性及用途2.1 低合金高强度结构

6、钢二、低合金高强度结构钢的化学成分、机械性能和用途 2.2 2.2 微合金化钢一、化学成分特点 加入适量的微合金化合金元素，如钛、铌、钒等。二、工艺特点 运用控制轧制和控制冷却生产工艺。 通过化学成分和制备工艺的最佳配合达到最佳强韧化效果，即细化晶粒强化和沉淀强化等的最佳组合。2.2 微合金化钢三、微合金元素在钢中的作用 阻止奥氏体晶粒的长大 抑制奥氏体形变再结晶 形成沉淀相促进沉淀强化 图2.1 Nb在钢中的作用 图2.2 V在钢中的作用2.2 微合金化钢图2.1 Nb在钢中的作用2.2 微合金化钢2.2 微合金化钢图2.2 V在钢中的作用2.3 低碳贝氏体钢、针状铁素体钢及铁素体-马氏体双

7、相钢 具有铁素体-珠光体组织的低合金钢和微合金钢的屈服强度的极限约为460MPa。 若要求更高强度和韧性的配合，就需要考虑选择其它类型组织的低合金钢，如采用相变强化的方法，因而发展了低碳贝氏体型、低碳索氏体型及低碳马氏体型钢。 主要是适当降低钢的含碳量以改善韧性，由此造成的强度损失可由加入合金元素通过控制轧制和控制冷却后形成低碳贝氏体或马氏体的相变强化的方法得到补偿。配合加入微合金化元素，如铌以细化晶粒并进一步提高韧性。2.3 低碳贝氏体钢、针状铁素体钢及铁素体-马氏体双相钢 在轧制或正火后控制冷却，得到低碳贝氏体组织，与相同含碳量的铁素体-珠光体组织相比，具有更高的强度和良好的韧性。利用贝氏

8、体相变强化，钢的屈服强度可达490-780MPa。一、低碳贝氏体钢2.3 低碳贝氏体钢、针状铁素体钢及铁素体-马氏体双相钢1贝氏体钢的成分贝氏体钢的成分 主加合金元素是主加合金元素是Mo和和B，显著推迟先共析，显著推迟先共析铁素体和珠光体转变，而对贝氏体转变推铁素体和珠光体转变，而对贝氏体转变推迟较少。钼和硼对迟较少。钼和硼对CCT图的影响如图图的影响如图2-7。 在此基础上再加入在此基础上再加入Mn、Cr、Ni元素，进一元素，进一步推迟先共析铁素体和珠光体转变，并使步推迟先共析铁素体和珠光体转变，并使Bs下降，以获得下贝氏体组织。下降，以获得下贝氏体组织。 通过微合金化，充分发挥通过微合金化

9、，充分发挥Nb、V、Ti的细的细化晶粒和沉淀强化。化晶粒和沉淀强化。2.3 低碳贝氏体钢、针状铁素体钢及铁素体-马氏体双相钢2.3 低碳贝氏体钢、针状铁素体钢及铁素体-马氏体双相钢2 钢种及热处理工艺钢种及热处理工艺14MnMoV、14MnMoVBRe： 屈服强度为屈服强度为490 MPa级。主要用于制造容器的板材和其级。主要用于制造容器的板材和其他钢机构。他钢机构。 板厚板厚14mm，热轧；，热轧； 板厚板厚14mm，正火，正火+高温回火。高温回火。 14MnMoVBRe焊接性能不好，焊接前需预热焊接性能不好，焊接前需预热150以上。以上。超低碳贝氏体钢超低碳贝氏体钢 ： w(C)=0.02

10、%，并加入，并加入w(Ti)=0.01%使之成为使之成为Mn-Mo-Nb-Ti-B超低碳贝氏体钢。通过控制轧制和控制冷却可以得到超低碳贝氏体钢。通过控制轧制和控制冷却可以得到高位错密度的细小贝氏体组织。这种钢可在高位错密度的细小贝氏体组织。这种钢可在0以下温度以下温度条件下服役。条件下服役。2.3 低碳贝氏体钢、针状铁素体钢及铁素体-马氏体双相钢2.3 低碳贝氏体钢、针状铁素体钢及铁素体-马氏体双相钢14CrMnMoVB屈服强度713MPa；抗拉强度868MPa二、针状铁素体钢 1 显微组织显微组织低碳或超低碳的针状铁素体（属于贝氏体），其低碳或超低碳的针状铁素体（属于贝氏体），其片呈板条状，

11、具有高密度位错。相变开始发生在片呈板条状，具有高密度位错。相变开始发生在较上贝氏体为高的温度范围里。较上贝氏体为高的温度范围里。2 成分及性能成分及性能 典型钢种：典型钢种：Mn-Mo-Nb钢。其成分范围：钢。其成分范围：C0.10%，Mn：1.6-2.0%，Mo：0.2-0.6%，Nb：0.04-0.06%；有时还加；有时还加0.06%V或或0.01%Ti。屈服强度屈服强度470MPa，伸长率，伸长率20%，室温冲击值，室温冲击值80J，并具有好的低温韧性。焊接性能良好。抗，并具有好的低温韧性。焊接性能良好。抗H2S腐蚀性好。腐蚀性好。2.3 低碳贝氏体钢、针状铁素体钢及铁素体-马氏体双相钢

12、3 合金元素的作用合金元素的作用 碳 低碳量是为了增加低碳量是为了增加Nb的碳化物沉淀；降低对韧性的损害。的碳化物沉淀；降低对韧性的损害。 锰 Mn推迟铁素体推迟铁素体-珠光体相变，降低珠光体相变，降低 BS点，使针状的铁素体点，使针状的铁素体在在450以下形成；也是固溶强化元素。以下形成；也是固溶强化元素。 钼钼 Mo能有效地推迟铁素体而不影响贝氏体相变；能有效地推迟铁素体而不影响贝氏体相变；Mo与与Mn联联合使用还有利于得到细晶粒的针状铁素而不是粗大的多边合使用还有利于得到细晶粒的针状铁素而不是粗大的多边形铁素体。形铁素体。 铌铌 通过沉淀相通过沉淀相Nb(C,N)的析出能有效地产生沉淀强

13、化，并且的析出能有效地产生沉淀强化，并且在奥氏体热轧时，沉淀相在奥氏体热轧时，沉淀相Nb(C,N)也可以细化晶粒。也可以细化晶粒。2.3 低碳贝氏体钢、针状铁素体钢及铁素体-马氏体双相钢4 针状铁素体钢的用途针状铁素体钢的用途 应用于制造寒带输送石油和天然气的管线。2.3 低碳贝氏体钢、针状铁素体钢及铁素体-马氏体双相钢三、低碳马氏体钢1 显微组织、性能及处理工艺显微组织、性能及处理工艺 锻轧后空冷：贝氏体锻轧后空冷：贝氏体+马氏体马氏体+铁素体；铁素体； 其性能为：其性能为：0.2=828MPa；b=1049MPa；室温冲击功；室温冲击功96J。用于制造汽车的轮臂托架。用于制造汽车的轮臂托架

14、。 锻轧后直接淬火并回火：低碳回火马氏体。锻轧后直接淬火并回火：低碳回火马氏体。0.2=935MPa；b=1197MPa；室温冲击功；室温冲击功50J，-40冲击功冲击功32J。制造。制造汽车操纵杆。汽车操纵杆。 具有高强度、高韧性和高的疲劳强度，适用于工程机械具有高强度、高韧性和高的疲劳强度，适用于工程机械上运动的部件和低温下使用的部件。上运动的部件和低温下使用的部件。2.3 低碳贝氏体钢、针状铁素体钢及铁素体-马氏体双相钢2 低碳马氏体钢的合金化低碳马氏体钢的合金化 低C、加入Mo、Nb、V、B等与合理含量的Mn和Cr 配合。 提高淬透性，Nb还细化晶粒。 BHS系列： Mn-Mo-Nb；

15、 BHS-1成分：成分：C：0.10%，Mn：1.8%，Mo：0.45%，Nb：0.05% Mn-Si-Mo-V-Nb系列。2.3 低碳贝氏体钢、针状铁素体钢及铁素体-马氏体双相钢四、铁素体-马氏体双相钢 1 双相钢的特征显微组织：铁素体+岛状马氏体+少量的残余奥氏体。性能特点：低的屈服强度，一般不超过350MPa；-曲线是光滑连续的，没有屈服平台，更没有锯齿形屈服现象；高的均匀延伸率和总延伸率，其总延伸率在24%以上；高的加工硬化指数，n值大于0.24；（=Kn）高的塑性应变比（r）。（r=w/b。w为宽度应变，b为厚度应变）2.3 低碳贝氏体钢、针状铁素体钢及铁素体-马氏体双相钢2 双相组

16、织的获得方法 （1）热处理双相处理 钢在Ac1与Ac3双相区加热，其组织为，随着加热温度的升高，钢中相也随着增加。在冷却过程中，应保证转变产物为M，而不是P。 双相钢的力学性能与组织有密切的关系，钢的化学成分、亚临界区的加热温度、最终冷却速度，将起着决定性的作用。 2.3 低碳贝氏体钢、针状铁素体钢及铁素体-马氏体双相钢（2）热轧双相钢 钢在热轧后从奥氏体状态冷却时，首先形成7080的多边形铁素体。使未转变的奥氏体有足够的稳定性，避免发生珠光体和贝氏体相变，而是在以后冷却时转变成M。 这个工艺要求合理设计合金成分和实现控轧与控冷。 2.3 低碳贝氏体钢、针状铁素体钢及铁素体-马氏体双相钢3 双

17、相钢优异性能的原因 低屈服强度和高应变硬化率的原因存在三种可能： 首先，在马氏体区域存在残余应力，这些应力来源于快速冷却时马氏体相变的体积和形状变化。 其次，由于这些体积和形状变化效应，使周围铁素体经受塑性变形，导致铁素体中存在高密度的可动位错。 再次，伴随着马氏体的残余奥氏体，在成形操作时，发生应变诱发马氏体相变。 2.3 低碳贝氏体钢、针状铁素体钢及铁素体-马氏体双相钢4 双相钢的典型成分和用途 典型的化学成分范围是： 其典型的化学成分范围是： w(C):0.04%0.10,w(Mn):0.8%1.8%，w(Si):0.9%1.5%，(Mo):0.3%0.4%,w(Cr)=0.4%0.6%

18、，以及微合金元素V等。 用途 强度-成形性的综合性能好，满足汽车冲压成型件的要求。 2.3 低碳贝氏体钢、针状铁素体钢及铁素体-马氏体双相钢2.4 新一代钢铁材料新一代钢铁材料: 使用现有的设备（或略加改造），用一种便宜的方法（不是加入合金元素，增加成本的方法）生产钢材。也就是在性能价格比提高和经济性优良的情况下，保持钢材韧性和塑性的同时，把现在钢材的强度提高一倍，提高使用寿命，从而得到良好的经济效益和社会效益。2.4 新一代钢铁材料新一代钢铁材料新一代钢铁材料超超级级钢钢高强高强度汽度汽车板车板耐火耐火防震防震结构结构钢材钢材新型新型低成低成本不本不锈钢锈钢新型新型高磁高磁性能性能硅钢硅钢。细细晶晶粒粒钢钢超超细细晶晶粒粒钢钢复复相相钢钢普普碳碳超超级级钢钢微微合合金金超超级级钢钢。其它其它优质优质低成低成本钢本钢2.4 新一代钢铁材料 新一代钢铁材料（新一代钢铁