第2章工程结构钢-2014

1、 概述概述 合金化合金化 常用工程结构钢常用工程结构钢 工程结构钢的冶金工艺特点工程结构钢的冶金工艺特点 第二章第二章 工程结构钢工程结构钢 工程结构钢工程结构钢结构钢结构钢 机械制造结构钢机械制造结构钢2.1 2.1 概概 述述 工作条件不同工作条件不同 性能要求不同性能要求不同 组织不同组织不同 合金化和热处理技术不同合金化和热处理技术不同v概念概念l 指专门用来制造各种工程结构的一大类钢种，如指专门用来制造各种工程结构的一大类钢种，如制造桥梁、船体、油井或矿井用钢制造桥梁、船体、油井或矿井用钢、钢轨、高压钢轨、高压容器、管道和建筑钢结构等。容器、管道和建筑钢结构等。v组织组织l 热轧态或

2、正火态使用的低热轧态或正火态使用的低C C钢钢; ;l 组织为组织为F+P; BF+P; B或或MM； 多相组织（或多相组织（或F+AF+A，F+MF+M等）。等）。v 性能要求性能要求l 足够高的强度、良好的塑性足够高的强度、良好的塑性; ;l 适当的常温冲击韧性，有时要求适当的低温冲击适当的常温冲击韧性，有时要求适当的低温冲击韧性韧性; ;l 良好的工艺性能（成形性、焊接性）；良好的工艺性能（成形性、焊接性）；l 良好的的耐蚀性。良好的的耐蚀性。2. 2 工程结构钢的合金化工程结构钢的合金化一一. . 工程结构钢的强化工程结构钢的强化固溶强化固溶强化C,C, Si, Mn, Cr, Mo

3、, NiSi, Mn, Cr, Mo , Ni细晶强化细晶强化 Ti,Nb,V; Cr,Mn,Ni,MoTi,Nb,V; Cr,Mn,Ni,Mo沉淀强化沉淀强化 V, Ti, NbV, Ti, Nb珠光体含量珠光体含量 C C 二二. . F-PF-P组织的冲击韧性和脆性转化温度组织的冲击韧性和脆性转化温度 C C量越高，冲击韧性下降，脆化温度升高；量越高，冲击韧性下降，脆化温度升高；Ni, MnNi, Mn, , Cr Cr 提高冲击韧性，降低脆化温度；提高冲击韧性，降低脆化温度；细化晶粒；细化晶粒；Ti, Nb, VTi, Nb, V 提高强度，对韧性影响不大；提高强度，对韧性影响不大；非

4、金属夹杂物降低韧性。非金属夹杂物降低韧性。当合金元素含量高时当合金元素含量高时, , 可焊性变差；可焊性变差；用碳当量来表示：用碳当量来表示： 碳当量大于碳当量大于0.40.5%0.40.5%时时, ,可焊性变差；可焊性变差；常用多元少（微）量合金化；常用多元少（微）量合金化；微合金化元素，尤其是微合金化元素，尤其是0.01-0.02%Ti, 0.01-0.02%Ti, 可提高可提高钢的焊接性。钢的焊接性。三三. . 工程结构钢的可焊性工程结构钢的可焊性多在潮湿空气或海洋大气中服役多在潮湿空气或海洋大气中服役, , 会产生电化学会产生电化学腐蚀；腐蚀；少量少量CuCu（0.25%0.25%）,

5、 , P P（ 0.15%0.15% ）, , Ni, CrNi, Cr（有利于钢的钝化）等元素（有利于钢的钝化）等元素, , 可提高抗大气腐蚀可提高抗大气腐蚀能力能力; ;常用耐候钢钢种常用耐候钢钢种 09 09CuPTi, 08CuPV, 10MnPNbRECuPTi, 08CuPV, 10MnPNbRE Q295NHQ295NH； Q295GNHQ295GNH四四. .工程结构钢的耐大气腐蚀性工程结构钢的耐大气腐蚀性2.3 2.3 常用工程结构钢常用工程结构钢 v 铁素体铁素体- -珠光体（珠光体（F-PF-P）钢钢 碳素工程结构钢碳素工程结构钢 高强度低合金钢高强度低合金钢 微合金钢微

6、合金钢 v 低碳贝氏体钢和马氏体钢低碳贝氏体钢和马氏体钢 低碳贝氏体钢低碳贝氏体钢 针状铁素体钢针状铁素体钢 低碳马氏体钢低碳马氏体钢 双相钢双相钢 一一. . 铁素体铁素体- -珠光体（珠光体（F-PF-P）钢钢1.1.碳素工程结构钢碳素工程结构钢 碳钢碳钢 碳素结构钢碳素结构钢 普通碳结构钢普通碳结构钢 优质碳结构钢优质碳结构钢 碳素工具钢碳素工具钢 以以Fe-C + Fe-C + 少量少量Mn, Si, S, PMn, Si, S, P（常存元素）常存元素） + Cu, Cr, Ni, Mo, V, Ti; N, H, O + Cu, Cr, Ni, Mo, V, Ti; N, H, O

7、n碳素结构钢碳素结构钢 钢中应用最多的、数量最大的。常轧制成板材、钢中应用最多的、数量最大的。常轧制成板材、型材及异型材，一般不需要经热处理直接使用。型材及异型材，一般不需要经热处理直接使用。用于一般结构和工程。用于一般结构和工程。钢的牌号由代表屈服点的字母（钢的牌号由代表屈服点的字母（QQ）、屈服点数）、屈服点数值、质量等级符号（值、质量等级符号（A A、B B、C C、DD、）脱氧方法、）脱氧方法符号等四部分按顺序组成。符号等四部分按顺序组成。图示：图示：F+P 组织组织 含碳量与对热轧碳钢机械性能的影响含碳量与对热轧碳钢机械性能的影响v 几个元素引起的脆性几个元素引起的脆性 热脆热脆-

8、-S 冷脆冷脆- -P 蓝脆蓝脆- -N 氢脆氢脆- -H 白点白点- -Hl 碳量提高，硬度提高；碳量提高，硬度提高；l 碳量提高，强度先升后降；碳量提高，强度先升后降；l 碳量提高，塑韧性降低；碳量提高，塑韧性降低； WHY？普通碳素结构钢的牌号、成分与用途普通碳素结构钢的牌号、成分与用途(GB/T700一2008)二二. . 高强度低合金钢（高强度低合金钢（HSLA steelsHSLA steels） 1 1、概念及特点、概念及特点n概念：概念：一种含有少量合金元素具有较高强度的结构钢。一种含有少量合金元素具有较高强度的结构钢。n特点：特点：强度较高；合金消耗量小，成本低廉；工艺简单，

9、强度较高；合金消耗量小，成本低廉；工艺简单，适合于大量生产；可焊性能较好；应用广泛。适合于大量生产；可焊性能较好；应用广泛。 按屈服强度按屈服强度可分为可分为Q345Q345、Q390Q390、Q420Q420、Q460Q460、Q500Q500、Q550Q550、Q620Q620和和Q690Q690等八个级别；等八个级别；n合金元素强化机制合金元素强化机制 固溶强化，细晶强化和沉淀强化。固溶强化，细晶强化和沉淀强化。2. 2. 钢种及用途钢种及用途 Q345Q345：相当于相当于16Mn16Mn，16MnRE16MnRE、18Nb18Nb、14MnNb14MnNb、12MnV12MnV。 Q

10、390Q390：相当于相当于15MnV15MnV、15MnTi15MnTi、16MnNb16MnNb。 Q420Q420：相当于相当于15MnVN15MnVN、14MnVTiRE14MnVTiRE。三三. . 微合金钢微合金钢1. 1. 概念概念利用微合金化元素利用微合金化元素Ti, Nb, VTi, Nb, V；主要依靠细晶强化和沉淀强化来提高强度；主要依靠细晶强化和沉淀强化来提高强度；利用控制轧制和控制冷却工艺利用控制轧制和控制冷却工艺-高强度低合金钢。高强度低合金钢。 2. 2. 微合金元素的作用微合金元素的作用 抑制奥氏体形变再结晶；抑制奥氏体形变再结晶； 阻止奥氏体晶粒长大；阻止奥氏

11、体晶粒长大； 沉淀强化；沉淀强化； 改变与细化钢的组织。改变与细化钢的组织。 3. 3. 轧制方法轧制方法l 铌主要用来在高温形变时产生应变诱导析出相铌主要用来在高温形变时产生应变诱导析出相 Nb Nb（C C，N N），），细化奥氏体晶粒；细化奥氏体晶粒；l 钒主要用来产生沉淀强化相钒主要用来产生沉淀强化相V V（C, NC, N）；）；l 目前微合金元素组合方法：目前微合金元素组合方法： 1 1）V-TiV-Ti法或法或V-Ti-N V-Ti-N 法法 2 2）Nb-VNb-V或或 V-Nb-TiV-Nb-Ti复合法复合法四四. . 低碳贝氏体钢和马氏体钢低碳贝氏体钢和马氏体钢1. 1.

12、低碳贝氏体钢低碳贝氏体钢1 1）概念）概念 在轧制或正火后得到在轧制或正火后得到B B组织，屈服强度可达到组织，屈服强度可达到490-780 490-780 MPaMPa。2 2）合金化原理合金化原理 合金元素主要是能显著推迟先共析合金元素主要是能显著推迟先共析 F F和和P P转变，但对转变，但对B B转转变推迟较少的元素如变推迟较少的元素如MoMo，B B，可得到贝氏体组织。可得到贝氏体组织。 如如14MnMoV14MnMoV及及14CrMnMoVB14CrMnMoVB。屈服强度分别为大于。屈服强度分别为大于490MPa490MPa和和640MPa640MPa。l 加入加入Mn, Ni,

13、CrMn, Ni, Cr等合金元素，进一步推迟先共析等合金元素，进一步推迟先共析F F和和P P转转变，并使变，并使BsBs点下降，可得到下点下降，可得到下B B组织；组织；l 加入微合金化元素充分发挥其细化作用和沉淀作用；加入微合金化元素充分发挥其细化作用和沉淀作用；l 低碳低碳, ,使韧性和可焊性提高。钢种使韧性和可焊性提高。钢种1414MnMoV,MnMoV, 14MnMoVBRE 14MnMoVBRE，用来制造容器。用来制造容器。上贝氏体组织上贝氏体组织2. 2. 针状铁素体钢针状铁素体钢l 低碳或超低碳的针状低碳或超低碳的针状F F，实质上也是属于低碳实质上也是属于低碳B B钢钢 C

14、0.1%,C470470MPaMPa，如如 06 06MnMoNb, 09MnMoVNbMnMoNb, 09MnMoVNb l 具有好的低温韧性，而且有良好具有好的低温韧性，而且有良好 焊接性，成功地应用于制造寒带焊接性，成功地应用于制造寒带 输送石油和天然气的管线。输送石油和天然气的管线。针状铁素体针状铁素体3. 3. 低碳马氏体钢（低碳马氏体钢（C0.25%C0.25%）l 性能性能：更高的强度（：更高的强度（1000 MPa1000 MPa级）和良好的焊接性级）和良好的焊接性, ,超群的疲超群的疲劳性能；劳性能；l 合金元素：合金元素：AlAl、NbNb、V V、B B及及Mn,Mn,

15、CrCr 1 1）锻轧空冷得到）锻轧空冷得到B+M+FB+M+F混合组织；混合组织； 2 2）轧后淬火并自回火）轧后淬火并自回火 , , 得到得到 M M 组织。组织。 如如 0.10C-1.80Mn-0.45Mo-0.05%Nb 。 锻轧后空冷：锻轧后空冷：B + M + F混合组织。混合组织。s：828MPa，Ak：96J。 直接淬火直接淬火+自回火：自回火：低碳马氏体。低碳马氏体。 s：935MPa，Ak：50J。 Mn-Si-V-Nb系，系， s：8601116MPa，Ak为为4675J。l 应用：应用：运动的部件和低温下使用的部件运动的部件和低温下使用的部件。4. 4. 双相钢双相钢

16、l 近近7080%7080%细晶多边形细晶多边形F F+2030%+2030%M;M;l 通过两相区加热淬火或热轧后空冷通过两相区加热淬火或热轧后空冷; ;l 高强度，良好冷成型性能，高强度，良好冷成型性能， 极佳冲压性能（薄板或带钢极佳冲压性能（薄板或带钢 深冲用钢材）深冲用钢材）; ;l 分为退火双相钢和热轧双相钢；分为退火双相钢和热轧双相钢；l 钢种举例：钢种举例：Si-Mn-Cr-MoSi-Mn-Cr-Mo-V-V。F+B双相钢双相钢2.4 2.4 工程结构钢的冶金工艺特点工程结构钢的冶金工艺特点冶炼工艺冶炼工艺 1 1）固固N N：AlAl脱氧脱氧; ; 2 2）控控S S：降低降低

17、S%S%；改变改变MnSMnS形态形态; ; 3 3）加入微合金元素：强化与细化。）加入微合金元素：强化与细化。控制轧制与控制冷却控制轧制与控制冷却热处理工艺与金相组织热处理工艺与金相组织 正火或淬回火正火或淬回火 ，F-PF-P，B B，MM F-P的理想组织的理想组织带状组织带状组织 控制轧制与控制冷却控制轧制与控制冷却l 控制轧制控制轧制 l 主要由三个阶段组成：主要由三个阶段组成： 1 1）高温下的再结晶区变形；）高温下的再结晶区变形； 2 2）在紧靠）在紧靠ArAr3 3以上的低温无再结晶区变形；以上的低温无再结晶区变形； 3 3）在奥氏体和铁素体两相区变形）在奥氏体和铁素体两相区变

18、形l 钢坯的加热温度、保温时间、开轧温度、轧制道次和道钢坯的加热温度、保温时间、开轧温度、轧制道次和道次变形量、终轧温度以及轧后冷却等参数，都极为重要。次变形量、终轧温度以及轧后冷却等参数，都极为重要。通过控制轧制过程中的各种参数，形成轧制工艺。通过控制轧制过程中的各种参数，形成轧制工艺。 l 控制冷却控制冷却 主要在相变后的卷取过程主要在相变后的卷取过程。 v 采用采用CSPCSP工艺工艺的的典型典型企业企业马来西亚梅加厂马来西亚梅加厂德国蒂森德国蒂森韩国韩宝韩国韩宝v CSP CSP工艺与传统连铸连轧工艺热历史的比较工艺与传统连铸连轧工艺热历史的比较约约95095010001000直接进均热炉直接进均热炉 中间无相变中间无相变连铸快速凝连铸快速凝固成薄板坯固成薄板坯钢水钢水热连轧热连轧 精轧精轧 层流层流 冷却冷却卷取卷取 均热均热（2530分）分）冷却至室温或冷却至室温或约约700热装热送热装热送 相变相变钢水钢水连铸凝固连铸凝固成厚板坯成厚板坯 加热、均热加热、均热（约（约100150分）分）粗轧粗轧热连轧热连轧精轧精轧 层流层流 冷却冷却 卷取卷取a a薄板坯连铸连轧工艺流程薄板坯连铸连轧工艺流程b b 传统连铸连轧工艺流程