工程结构钢课件

武汉理工大学材料学院SchoolofMaterialsScienceandEngineering,WUTChapter2工程结构钢热轧钢板2023/4/151本章要点工程结构钢根本要求(以船为例)低合金高强度结构钢的合金化铁素体-珠光体钢微珠光体低合金高强度钢针状铁素体钢低碳贝氏体和马氏体钢双相钢新一代钢铁材料低合金高强度钢开展趋势2023/4/152思路：1、在低碳范围内提高碳含量，以提高强度。2、添加合金元素提高强度。3、热处理改变组织提高强度。4、形变热处理细化组织提高强度。5、在提高强度时一定要注意焊接性能和韧脆转变温度。2023/4/153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碳含量低于0.25%的普通碳素钢的根底上，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、桥梁钢、船体钢、容器钢及其他专业用钢等2023/4/154低合金高强度钢这是一类可焊接的低碳工程结构用钢。其含碳量通常小于0.25%，比普通碳素结构钢有较高的屈服强度，较好的冷热加工成型性，良好的焊接性，较低的冷脆倾向、缺口和时效敏感性，以及有较好的抗大气、海水等腐蚀能力。其合金元素含量较低，一般在2.5%以下，在热轧状态或经简单的热处理〔非调质状态〕后使用。高强度是针对低碳结构钢而言，实际上其含碳量低，合金元素含量低所以其强度不能和后面要介绍的钢相比较。2023/4/155碳素结构钢现代化蔬菜棚耐候Z型钢用于体育馆2023/4/156热轧态或正火态使用的低C钢;组织组织为F+P;B或M。空冷为何会有B或M？C曲线的变化。问题：低合金高强度钢热轧态或正火态使用的低C钢组织为F+P;B或M。1、空冷为何会有B或M？2、假设组织为F+P，当含碳量增加时会有什么变化，性能如何？2023/4/1572.1工程结构钢根本要求工程结构件长期受静载；互相无相对运动受大气〔海水〕的侵蚀；有些构件受疲劳冲击；一般在-50~100℃范围内使用；如：桥梁、船舶等受到风力或海浪冲击.服役条件生产工艺

焊接是构成金属结构的常用方法；一般都要经过如剪切、冲孔、热弯、深冲等成型工艺技术要求1、足够的强度与韧度〔特别是低温韧度〕；2、良好的焊接性和成型工艺性；3、良好的耐腐蚀性；4、低的本钱。2023/4/1582.2低合金高强度结构钢

的合金化Me对HSLA力学性能影响C↑固溶强化效果和珠光体含量，低本钱。↑C，↓塑、韧性，↓焊接性、冷成型。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最常用且较经济的元素。强化F较显著，1%Si，σs↑85MPa，↑TK，量多时可大为降低塑韧性，所以Si控制在<1.1%2023/4/1592.2低合金高强度结构钢

的合金化Me对HSLA力学性能影响Mn

固溶强化作用大，1%Mn，σs↑33MPa。约有3/4量溶入F中，弱的细晶作用，↓TK。同样量多时可大为降低塑韧性.

所以Mn控制在<1.8%。Nb/VTi/Al形成稳定细小的K等，粒子2~10nm，既细晶又沉淀强化，↑σs，↑δ、AK，综合效果↓TK。改善焊接性。作用顺序:Ti＞Nb＞Al＞V。2023/4/15102.2低合金高强度结构钢

的合金化Me对HSLA力学性能影响Re脱氧去硫吸氢作用，改善塑韧性，↓TK所以，低合金高强度钢的根本成分应考虑低碳，稍高的锰含量，并适当用硅强化。2023/4/1511

钢的韧－脆转折温度与碳含量的关系

观看冲击试验视频2023/4/1512工程结构钢的强化固溶强化——C,Mn,Si细晶强化——Ti,Nb,V;沉淀强化——V,Ti,Nb珠光体含量——C如何选择还要看工艺性能。不是一味强调强化。文章：为“鸟巢〞量身定做的Q4602023/4/1513鸟巢2023/4/1514为“鸟巢〞量身定做的Q4602021年奥运会主体育场“鸟巢〞结构设计奇特新颖，而这次搭建它钢结构的Q460也有很多独到之处：这是国内在建筑结构上首次使用Q460规格的钢材；而这次使用的钢板厚度到达110毫米，是以前绝无仅有的。2023/4/1515在种类繁多的钢材中，“鸟巢〞为什么单单项选择中它作钢结构的材料？它的科研过程又是怎样的？带着诸多问题，记者来到为“鸟巢〞研发生产Q460的河南舞阳钢铁公司一探究竟。Q460是一种低合金高强度钢。Q300为界。钢材在要求强度大的同时，用低合金冶炼也很重要，这主要是考虑钢材的可焊性。高合金的钢材虽然强度大，但可焊性差。2023/4/1516为了给“鸟巢〞提供“合身〞的Q460，从2004年9月开始，舞钢的科研人员开始了长达半年多的攻关之路，前后3次试制方获成功。2004年9月，第一次试制开始进行。首次试制的结果是除了强度不尽如人意外，其他各项指标全都合格。在保证低碳当量的根底上，适当的增加了微合金元素的含量。2023/4/1517改进工艺后，2005年的3、4月间，科研人员进行了第二次试制。这次试制，强度和其他指标到达了要求，但冲击韧性实验的结果却不能令人满意。2005年的5月份，第三次试制实验开始，主攻方向是解决低温冲击韧性的问题。研究人员采取的方法是改进工艺、细化晶粒。晶粒是钢材的组织或者成分，晶粒越细，钢材的韧性越好。细化的手段一个是降低轧制温度，另一个是增加压下量。通过改进工艺，终于使Q460到达了“鸟巢〞的使用要求。2005年7月，为“鸟巢〞准备的Q460开始批量生产，为奥运工程效劳。2023/4/15182.2低合金高强度结构钢

的合金化Me对焊接性和耐大气腐蚀性的影响C

C↑→焊缝处硬化与脆化倾向↑，焊接裂纹↑。提高淬透性的Me种类及其数量也应适当控制，如Cr、Mn、Mo、Ni等。CuP↑耐大气腐蚀性最有效的元素。一般含量:0.025~0.25%Cu，0.05~0.15％P。↑P，冷脆和时效倾向增加。→用Al脱氧→细晶粒钢。复合参加适量元素，那么↑钢耐蚀性效果更佳。如090CuPCrNi-A、09CuP、09CuPCrNi-B2023/4/1519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，AK120J，十天后降为35J；焊接钢板在三个月后由92J降为33J。2023/4/1520思考题：

退火后的低C钢板一般在深冲前，先进行一次少量变形的平整加工，然后再进行深冲，为什么?答：克服时效现象，不出现上下屈服点，深冲时板面平整度提高。2023/4/15212.3铁素体-珠光体钢碳素结构钢Q+最低屈服强度值(MPa)；+质量等级符号(A、B、C、D)+脱氧方法符号如Q235AF、Q235BZ〔质量等级为对S、P的控制〕一般以热轧空冷状态供给还有冷轧成品供货，如冷轧薄板、冷拉钢丝、冷拔钢管沸腾钢—F；镇静钢—Z；半镇静钢—b；特殊镇静钢—TZ2023/4/1522质量等级分A、B、C、D、E，依次以A级质量较差，E级质量最高。质量等级为对S、P的控制。工程中分别为：Q235A级，是不作冲击韧性试验要求；Q235B级，是作常温〔20℃〕冲击韧性试验；Q235C级，是作0℃冲击韧性试验；Q235D级，是作-20℃冲击韧性试验；Q235E级，是作-40℃冲击韧性试验。冲击韧性试验采用夏比V形缺口试件。冲击韧性指标为Akv。对上述B、C、D级钢在其各自不同温度要求下，都要求到达Akv≥27J。2023/4/1523钢板2023/4/1524图示：F+P组织2023/4/15252.3铁素体-珠光体钢碳素结构钢〔GB/T700－1988〕2023/4/1526普通碳素结构钢的牌号、成分与用途(GB700-88)2023/4/1527普通碳素结构钢生活中应用生活中：钉子、拉杆箱的拉杆、螺栓、螺母、螺钉、小轴。2023/4/1528螺栓是否都要热处理钢结构连接用螺栓性能等级分3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10余个等级，其中8.8级及以上螺栓材质为低碳合金钢或中碳钢并经热处理〔淬火、回火〕，通称为高强度螺栓，其余通称为普通螺栓。4.8级别Q235〔A3〕，Q195等低碳钢5.8级别Q235以上所有材质都可以，不需要热处理8.8级别螺纹直径16mm以下，35#调质热处理16mm以上，45#和低碳合金钢调质处理只要到达抗拉强度等机械性能用什么材料都可以。按工况要求选材和选择热处理。2023/4/1529不合金化的铁素体-珠光体钢的屈服强度上下主要和含碳量有关，或者说和珠光体含量有关。结合相图分析。2023/4/15302.3铁素体-珠光体钢低合金高强度结构钢〔屈服强度提高25%～100%〕都是镇静钢或特殊镇静钢，其牌号中没有表示脱氧方法的符号。如Q345C屈服点从300～650MPa分为六级，也可采用两位阿拉伯数字〔表示平均含碳量的万分之几〕和化学元素符号，按顺序表示，如16Mn。*说明：通常情况下，屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢。2023/4/1531问题：低合金高强度结构钢比碳素结构钢屈服强度提高25%～100%的原因是什么？答：成分不同。锰料多。这是以合金化为目的添加元素。当然还有硅以及Ti，Nb，V，Al的作用。2023/4/15322.3铁素体-珠光体钢最新研究成果：如F晶粒尺寸细化到μ级，那么F-P类低合金高强度钢的强度也可到达800MPa

F-P类型是工程结构钢中最主要的一类钢。有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五个牌号。根据质量要求分为A、B、C、D四个等级。A、B级为普通质量级；C级为优质级；D级和E级为特殊质量级，有低温冲击韧性要求。

组织：10~25％片层状P+75~90％多边形F。2023/4/1533钢种及用途

16Mn产量最多，用量最广。屈服强度345MPa15MnTi,16MnNb,15MnV，15MnVN屈服强度：>390MPa，利用低合金与微合金相结合。在建筑，石油，化工，铁道，桥梁，造船，机车，锅炉等应用广泛。问题：16MnNb和16Mn屈服强度有差异的原因。答：微合金元素的碳化物和氮化物的析出强化。2023/4/1534低碳铁素体/珠光体钢超细晶强韧化与控制技术

——2004年度国家科学技术进步一等奖主要特点超细晶粒、高洁净度、高均匀性。生产节约能源和资源，不用或少用Me，改善环境，↓本钱，具有更高的经济效益。如何形成微米级的超细晶是该工程的核心技术和难点。具体指标采用形变诱导F相变，可把F晶粒细化到2-5μm〔碳钢〕和1～2μm〔微合金钢〕。碳钢的σs由200MPa提高到350～400MPa；低合金钢由350～400MPa提高到600～700MPa。2023/4/15352023/4/1536工程组在现代连续轧制条件下，在高速轧制开展过程中注意到了形变和相变的耦合，形成了形变诱导铁素体相变〔DIFT〕理论与控制技术和薄板坯连铸连轧流程生产超细晶钢的控制技术。2023/4/1537形变诱导铁素体相变发生在奥氏体未再结晶区的较低温度范围〔Ar3<DIFT<AD3〕,与传统控轧控冷比较有以下开展：1.是动态相变。相变主要发生在变形过程中；2.是形核为主的相变;3.相变和随后的α—动态再结晶相配合，产生了等轴、低位错密度的超细晶铁素体。因而比位错强化，析出强化或固溶强化具有高的韧性；4.研究了合金元素C、Mn、Nb、V、Ti在DIFT合金化的原理，为微合金化理论开辟了新的领域。5.在形变诱导铁素体相变理论研究成果的根底上开发了生产应用的根底技术。把低碳铁素体/珠光体钢的强度提高了一倍并具有良好的韧性。2023/4/1538该成果为钢铁工业的可持续开展和钢铁材料的可循环利用提供了广阔前景，还为今后新钢种、新工艺的研究开发提供了重要的理论和实践依据。文章：低碳钢先共析铁素体和形变诱导铁素体的相变机制、组织和性能王倩(1北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083；2钢铁研究总院结构材料研究所，北京100081)PDF文章2023/4/1539微合金钢1.概念利用微合金化元素Ti,Nb,V；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-----高强度低合金钢。2.微合金元素的作用抑制奥氏体形变再结晶；〔提高其温度〕阻止奥氏体晶粒长大；〔没有固溶或固溶后析出〕沉淀强化；〔固溶后再析出〕改变与细化钢的组织。2023/4/1540

轧制方法铌主要用来在高温形变时产生应变诱导析出相Nb〔C，N〕，细化奥氏体晶粒；钒主要用来产生沉淀强化相V〔C,N〕；目前微合金元素组合方法：1〕V-Ti法或V-Ti-N法2〕Nb-V或V-Nb-Ti复合法2023/4/1541

低碳铁素体/珠光体钢超细晶钢材生产工艺控制和不同的制品2023/4/15422.4微珠光体低合金高强度钢强化机理对F-P钢,P量每↑10%，将使TK↑22℃。

油气管线用钢:↓C,<0.1%；为保证σ，就必须采用其它不损害或少损害焊接性和韧度的强化措施。→析出强化和晶粒细化↑钢性能。→Nb、V、Ti微合金化和控轧处理工艺。问题：珠光体含量降低是由于含碳量降低，所以强度降低。如要提高强度可以从哪些方面考虑？2023/4/1543控制轧制和控制冷却技术高温形变热处理→F大幅度晶粒细化→↑强度和韧度。控制轧制和控制冷却的组织变化模式图

图中轧制温度向右边降低，上层表示奥氏体组织变化，下层表示奥氏体开始相变后组织及F核的形成

2023/4/1544图

各种轧制程序模式图

CR：控制轧制；AcC:控制冷却

2023/4/1545控制轧制与控制冷却控制轧制主要由三个阶段组成：1〕高温下的再结晶区变形；2〕在紧靠Ar3以上的低温无再结晶区变形；3〕在奥氏体和铁素体两相区变形钢坯的加热温度、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。通过控制轧制过程中的各种参数，形成轧制工艺。

控制冷却主要在相变后的卷取过程。2023/4/1546控制轧制在奥氏体再结晶区控制轧制在奥氏体再结晶温度以上的温度范围〔≥950℃〕内进行轧制,使再结晶和变形交替进行，以细化奥氏体晶粒。细化的奥氏体变成的铁素体，其晶粒也是细化的，从而也就提高了钢的韧性。在奥氏体未再结晶区控制轧制在奥氏体再结晶开始温度到Ar3以上进行轧制，其目的是使奥氏体晶粒拉长，同时在晶内形成大量变形带，增加奥氏体向铁素体转变时的晶核生成能，获得极其细小的铁素体晶粒，以提高钢的韧性，并在钢中形成铌的碳化物和氮化物，以抑制再结晶。在奥氏体和铁素体两相区控制轧制在奥氏体和铁素体两相区温度范围内(Ar3以下)进行轧制时,伴随着加工硬化和珠光体析出的硬化而提高了钢的强度，降低韧性－脆性转变温度。但是由于产生了织构(见择优取向)，板厚方向的强度和冲击韧性都降低了。2023/4/1547CSP工艺与传统连铸连轧工艺热历史的比较约950～1000℃直接进均热炉中间无相变连铸快速凝固成薄板坯钢水热连轧精轧层流冷却卷取均热（25~30分）冷却至室温或约700℃热装热送γα相变钢水连铸凝固成厚板坯加热、均热（约100~150分）粗轧热连轧精轧层流冷却卷取a．薄板坯连铸连轧工艺流程b．传统连铸连轧工艺流程2023/4/1548薄板坯连铸连轧与传统连铸连轧工艺热历史比较

℃150013001100900700500300100A3A1γ+αγ(2)γ(2)γ(1)薄板坯连铸连轧传统连铸连轧

时间F+PCSP

(

Compact

Strip

Production)即为紧凑式板带生产工艺，是由德国施罗曼·西马克(SMS)公司研究开发的薄板坯连铸连轧技术。2023/4/15492.4微珠光体低合金高强度钢微合金元素的作用阻止加热时奥氏体晶粒长大抑制奥氏体形变再结晶

在热加工过程中，奥氏体会发生形变再结晶使晶粒回复粗大。但应变动态析出Nb、V、Ti的碳氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上起钉轧作用，有效地阻止奥氏体再结晶时晶界和位错的运动，从而抑制奥氏体形变再结晶。2023/4/1550

微合金元素对钢的屈服强度的影响〔σG：晶粒细化σPh：析出强化〕2023/4/15512.5针状铁素体钢根本特点针状铁素体〔acicularferrite，简写AF〕钢实际上属于超低碳贝氏体钢。≤0.06％C+适量Mn、Mo、Nb等→具有高密度位错〔1010cm－2〕亚结构的“针状F〞组织〔超低碳B〕。σs达700~800MPa，低温冲击韧性、焊接性更好.用于现场焊接条件及其寒冷地带管线。被称为21世纪的控轧钢。2023/4/1552低碳或超低碳的针状F，实质上也是属于低碳B钢C<0.1%,其α片呈板条状，具有高位错密度，在450℃以下形成。针状铁素体2023/4/15532.6低碳贝氏体和马氏体钢低碳贝氏体钢是指含碳量为0.10~0.15%，使用状态组织为B的钢。贝氏体钢通常是在轧制空冷或控制冷却，直接获得B组织。由于B的相变强化，低碳贝氏体钢与相同含碳量的铁素体-珠光体型钢相比，具有更高的强度和良好的韧度，屈服强度可达450~980MPa。2023/4/1554低碳贝氏体钢1〕概念在轧制或正火后得到B组织，屈服强度可到达490-780MPa。2〕合金化原理合金元素主要是能显著推迟先共析F和P转变，但对B转变推迟较少的元素如Mo，B，可得到贝氏体组织。C曲线变化参加Mn,Ni,Cr等合金元素，进一步推迟先共析F和P转变，并使Bs点下降，可得到下B组织；参加微合金化元素充分发挥其细化作用和沉淀作用；低碳,使韧性和可焊性提高。2023/4/1555主要特点合金元素是保证在较宽的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。14MnMoV和14MnMoVBRE钢是我国开展的低碳贝氏体钢，屈服强度为490MPa级2023/4/15562.6低碳贝氏体和马氏体钢低碳马氏体≤0.16%C，参加Mo、Nb、V、B及控制Mn或Cr与之配合→淬火回火处理组织为低碳回火马氏体。BHS-1钢的成分为。锻轧后空冷或直接淬火并自回火。到达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、转向联动节和拉杆等，也可用于冷墩、冷拨及制作高强度紧固件。2023/4/15572.7双相钢成分成分：~0.2%C，1.2~1.5%Si，0.8~1.5%Mn，~0.45%Cr，~0.4%Mo，少量V、Nb、Ti。组织F+M组织，F基体上分布不连续岛状混合型M〔<20%〕→双相钢。F中非常干净，C、N等间隙原子很少；C和Me大局部在M中.性能低σs，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σs可达500~700MPa。2023/4/1558强度MPa双相钢600400普通钢

20010203040应变/%双相钢和普通钢应力应变曲线的比较2023/4/1559应用

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加M双相钢组织，然后经冷拨、冷墩等工艺制成成品。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10~30%2023/4/1560近70-80%细晶多边形F+20-30%MF+M双相钢2023/4/15612023/4/1562铁素体一马氏体双相组织获得双相组织的方法铁素体一马氏体双相组织，可以通过在两相区加热后冷却的双相化热处理，或者通过直接热轧而得到。双相化热处理工艺或轧制工艺及其所得双相组织的类型(示意图)

AC一空冷；Q一淬火

2023/4/1563双相钢所希望的显微组织应当是具有一定体积分数的强韧的第二相马氏体和塑性良好的基体铁素体。c类组织，由〔F+珠光体P)的原始组织加热到两相区，保温后淬火而得到。D类组织，以淬火态的低碳板条马氏体(M)为原始组织，加热到两相区给定的温度，保温后再次淬火而得到。2023/4/1564双相钢引人注目的拉伸力学性能特点(1)连续屈服。应力-应变曲线呈光滑的拱形，无屈服点延伸。这就防止成型零件外表起皱，从而不需要附加的精整工序。(2)高的加工硬化速率。尤其是初始的加工硬化速率。这样，只需5％以下的应变，就可使双相钢的流变应力到达500～550MPa，与通常低合金高强度钢的屈服强度相当。2023/4/1565(3)低的屈服强度。这使冲压件易于成型，回弹小，同时冲压模具的磨损也小。(4)高的抗拉强度。由于屈服强度低、抗拉强度高，屈强比就小。这样，构件成型时强度低，成型后强度高。成型后的构件具有高的压溃抗力、撞击吸能和高的疲劳强度。(5)均匀伸长率和总伸长率大。与同样强度的低合金高强度钢相比，双相钢的均匀伸长率和总伸长率要高1／3或1倍。2023/4/15662.8新一代钢铁材料国家973工程“新一代钢铁材料〞重大根底研究首席科学家翁宇庆教授。讲演稿工程的设想是把占全国钢材总产量90%的三类钢，即碳素、低合金、合金结构钢的强度或使用寿命提高一倍。研究人员提出了碳素结构钢的σs由目前的200MPa提高到400MPa，低合金结构钢的σs由目前的400MPa提高到800MPa，合金结构钢σs由800MPa提高到1500MPa。新一代钢铁材料性能的提高，还有望降低目前约占全国总能耗1/10的钢铁工业对能源、资源的消耗。2023/4/1567翁宇庆，1940年1月1日出生，