工程材料学(第2章工程结构钢)

1、第二章第二章 工程结构钢工程结构钢 工程结构钢是指专门用来工程结构钢是指专门用来制造工程结构件制造工程结构件的的一大类钢种。在钢总产量中，工程结构钢占一大类钢种。在钢总产量中，工程结构钢占9090左右。工程结构钢包括左右。工程结构钢包括碳素钢碳素钢和和低合金高强度钢低合金高强度钢。 低合金高强度钢是指在低合金高强度钢是指在碳含量低于碳含量低于0.25%0.25%（质（质量分数，下同）的普通碳素钢的基础上，通过添量分数，下同）的普通碳素钢的基础上，通过添加加一种或多种少量合金元素（低于一种或多种少量合金元素（低于3%3%），使钢的，使钢的强度明显高于碳素钢的一类工程结构用钢，统称强度明显高于碳素

2、钢的一类工程结构用钢，统称低合金高强度钢。低合金高强度钢。 按按用途用途可分为结构钢、耐腐蚀钢、低温用钢、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磨钢、钢筋钢、钢轨钢及其他专业用钢等 构件构件高强度耐侯厚壁冷高强度耐侯厚壁冷弯高频焊管用于东弯高频焊管用于东方明珠塔方明珠塔客车及农业机械客车及农业机械镀锌镀锌C C型钢用于上海大剧院屋架桁架型钢用于上海大剧院屋架桁架浦东国际机场侯机楼及道路护栏浦东国际机场侯机楼及道路护栏现代化蔬菜棚现代化蔬菜棚耐候耐候Z Z型钢用于体育馆型钢用于体育馆2.1 工程结构钢的基本要求工程结构钢的基本要求 工程结构件长期受静载；工程结

3、构件长期受静载；互相无相对运动互相无相对运动受大气（海水）的侵蚀；受大气（海水）的侵蚀；有些构件受疲劳冲击；有些构件受疲劳冲击；一般在一般在-50100范围内使用；范围内使用；如：桥梁、船舶等受到像风力或海浪冲击如：桥梁、船舶等受到像风力或海浪冲击.服役服役条件条件生产生产工艺工艺 焊接是构成金属结构的常用方法；一般都要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、深冲等成型工艺经过如剪切、冲孔、热弯、深冲等成型工艺技术技术要求要求 1、足够的强度与韧度（特别是低温韧度）；、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；、良好的焊接性和成型工艺性； 3、良

4、好的耐腐蚀性；、良好的耐腐蚀性； 4、低的成本。、低的成本。2.2 低合金高强度结构钢的合金化低合金高强度结构钢的合金化1 1、MeMe对低合金高强度钢力学性能的影响对低合金高强度钢力学性能的影响C 固溶强化效果和珠光体含量，低成本。固溶强化效果和珠光体含量，低成本。 C，塑、韧性，塑、韧性，焊接性、冷成型。焊接性、冷成型。如如0.1%C，TK为为-50，0.3%C，TK为为50一般均应限制在一般均应限制在0.2%以下以下Si 最常用且较经济的元素。强化最常用且较经济的元素。强化F较显著，较显著，1%Si，s85MPa，TK，量多时可大为，量多时可大为降低塑韧性，所以降低塑韧性，所以Si控制在

5、控制在1.1%Mn 固溶强化作用大，固溶强化作用大，1%Mn，s33MPa。约有约有3/4量溶入量溶入F中，弱的细晶作用，中，弱的细晶作用，TK。同样量多时可大为降低塑韧性同样量多时可大为降低塑韧性. 所以所以Mn控制在控制在 NbAlV。Re 脱氧去硫吸氢作用，改善脱氧去硫吸氢作用，改善塑韧性，塑韧性，TK 所以，低合金高强度钢的所以，低合金高强度钢的基本成分应考虑低碳，稍高的基本成分应考虑低碳，稍高的锰含量，并适当用硅强化。锰含量，并适当用硅强化。合金元素对低合金高合金元素对低合金高强度钢的固溶强化强度钢的固溶强化 钢的韧脆转折温度钢的韧脆转折温度与碳含量的关系与碳含量的关系 （a a）强

6、化机制的影响）强化机制的影响 b b）成分的影响）成分的影响图图 铁素体铁素体- -珠光体钢的各种强化机制和成份对屈服强珠光体钢的各种强化机制和成份对屈服强 度和韧度和韧- -脆转折温度的影响脆转折温度的影响 2 2、MeMe对焊接性和耐大气腐蚀性的影响对焊接性和耐大气腐蚀性的影响 优良的焊接性是指：焊接工艺简单；焊缝与母材结合优良的焊接性是指：焊接工艺简单；焊缝与母材结合牢固，强度不低于母材；焊缝的热影响区保持足够的强牢固，强度不低于母材；焊缝的热影响区保持足够的强度与韧性，没有裂纹及各种缺陷。度与韧性，没有裂纹及各种缺陷。控制控制C C 焊缝处硬化与脆化倾向焊缝处硬化与脆化倾向，焊接裂，焊

7、接裂纹纹。提高淬透性的。提高淬透性的Me种类及其数量也应适种类及其数量也应适当控制，如当控制，如Cr、Mn、Mo、Ni等。等。CuP 耐大气腐蚀性最有效耐大气腐蚀性最有效的元素。的元素。一般一般含量含量:0.0250.25% Cu ，0.050.15 P 。 P，冷脆，冷脆和时效倾向增加。和时效倾向增加。用用Al脱氧脱氧 细晶粒钢。细晶粒钢。复合加入适量元素，则复合加入适量元素，则钢耐蚀性效果更佳。钢耐蚀性效果更佳。 如如090CuPCrNi-A、 09CuP、09CuPCrNi-B时效时效现象现象 低碳工程构件经加工或高温冷却后，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

8、，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。钢的性能会发生明显变化的现象。（淬火时效和机械时效）（淬火时效和机械时效）产生产生原因原因 C、N等间隙等间隙原子偏聚原子偏聚或内吸附于或内吸附于位错等晶体缺陷处。提高硬度、降低位错等晶体缺陷处。提高硬度、降低塑性和韧度。如：某钢板刚变形时，塑性和韧度。如：某钢板刚变形时，AK120J，十天后降为，十天后降为35J；焊接钢板；焊接钢板在三个月后由在三个月后由92J降为降为33J。当然桥梁、船舶等突然断裂的原因很多。共振、应力波等当然桥梁、船舶等突然断裂的原因很多。共振、应力波等2.3 铁素体铁素体-珠光体钢珠光体钢 最新研究成果：

9、如最新研究成果：如F晶粒尺寸细化到晶粒尺寸细化到级，则级，则F-P类低合金高强度钢的强度也可类低合金高强度钢的强度也可达到达到800MPa F-P类型是工程结构钢中最主要的一类钢。有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。根五个牌号。根据质量要求分为据质量要求分为A、B、C、D四个等级。四个等级。A、B级级为普通质量级；为普通质量级；C级为优质级；级为优质级；D级和级和E级为特殊级为特殊质量级，有低温冲击韧性要求。质量级，有低温冲击韧性要求。 组织：组织： 1025片层状片层状P+ 7590多边形多边形F。低碳铁素体低碳铁素体/ /珠光体钢

10、超细晶强韧化与控制技术珠光体钢超细晶强韧化与控制技术 20042004年度国家科学技术进步一等奖年度国家科学技术进步一等奖主要主要特点特点 超细晶粒、高洁净度、高均匀性超细晶粒、高洁净度、高均匀性。生产生产节约能源和资源节约能源和资源，不用或少用不用或少用Me，改善改善环境，环境，成本成本，具有更高的经济效益。具有更高的经济效益。 如何形成如何形成微米级的超细晶微米级的超细晶是该项目的核心是该项目的核心技术和难点技术和难点。具体具体指标指标 采用形变诱导采用形变诱导F相变，可把相变，可把F晶粒细化到晶粒细化到2-5m（碳钢）和（碳钢）和12m（微合金钢）。（微合金钢）。碳钢的碳钢的s由由200

11、MPa提高到提高到350400MPa；低合金钢由低合金钢由350400MPa提高到提高到600700MPa。 低碳铁素体低碳铁素体/ /珠光珠光体钢超细晶钢材生产工体钢超细晶钢材生产工艺控制和不同的制品艺控制和不同的制品2.4 微珠光体低合金高强度钢微珠光体低合金高强度钢 石油、天然气开发，需要大量输送管线。油气管线石油、天然气开发，需要大量输送管线。油气管线用钢要求有很好的焊接性、低温韧度和强度等综合性能。用钢要求有很好的焊接性、低温韧度和强度等综合性能。输送油气距离越长，压力越大，质量要求也越高。油气输送油气距离越长，压力越大，质量要求也越高。油气管线用钢发展为微管线用钢发展为微P P低合

12、金高强度钢。低合金高强度钢。强化强化机理机理 对对F-P钢钢, P量每量每10%，将使，将使TK22。 油气管线用钢油气管线用钢:C, 0.1%；为保证；为保证，就必须采用其它不损害或少损害焊接性和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。韧度的强化措施。 析出强化和晶粒细化析出强化和晶粒细化钢性能。钢性能。Nb、V、Ti微合金化和控轧处理工艺。微合金化和控轧处理工艺。控制轧制和控制冷却技术控制轧制和控制冷却技术 高温形变热处理高温形变热处理F F大幅度晶粒细化大幅度晶粒细化强度和韧度。强度和韧度。控制轧制和控制冷却的组织变化模式图控制轧制和控制冷却的组织变化模式图 图中轧制温图中轧

13、制温度向右边降度向右边降低，上层表低，上层表示奥氏体组示奥氏体组织变化，下织变化，下层表示奥氏层表示奥氏体开始相变体开始相变后组织及后组织及F F核核的形成的形成 各种轧制程序模式图各种轧制程序模式图 CRCR：控制轧制：控制轧制 ；A Ac cC:C:控制冷却控制冷却 3 3、微合金元素的作用、微合金元素的作用 Nb、V、Ti单元或复合是常用的，其作用主要单元或复合是常用的，其作用主要有有细化晶粒组织和析出细化晶粒组织和析出强化强化。微合金元素细化钢。微合金元素细化钢晶粒主要通过以下两种方式：晶粒主要通过以下两种方式： （1 1）阻止加热时奥氏体晶粒长大）阻止加热时奥氏体晶粒长大 （2 2）

14、抑制奥氏体形变再结晶）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。使晶粒回复粗大。但应变动态析出但应变动态析出Nb、V、Ti的的碳氮化物碳氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上起钉轧，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。运动，从而抑制奥氏体形变再结晶。 沉淀析出强化相沉淀析出强化相主要是低温下析出的主要是低温下析出的Nb(C，N)和和VC。 Nb0.04%时，时，Gph；Nb0.04%时，时，ph增量大大增量大大增加，

15、而增加，而G保持不变。保持不变。V引起析出强化增量引起析出强化增量ph最显著，最显著，而而Ti的作用处于的作用处于Nb和和V之间。之间。 微合金元素对钢的屈服强度的影响微合金元素对钢的屈服强度的影响 （G：晶粒细化的贡献：晶粒细化的贡献Ph：析出强化的贡献）：析出强化的贡献） 2.5 针状铁素体钢针状铁素体钢 对于一些强度、焊接性、低温冲击韧性等要对于一些强度、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求更高的场合，还必须采用针状铁素体低合金高强度钢。高强度钢。基本基本特点特点 针状铁素体针状铁素体（acicular ferrite，简写，简写AF）钢实际上属于超低碳贝氏

16、体钢。钢实际上属于超低碳贝氏体钢。 0.06C + 适量适量Mn、Mo、Nb等等 具有具有高密度位错（高密度位错（1010cm2）亚结构的）亚结构的“针状针状F”组织（超低碳组织（超低碳B）。）。s 达达700800MPa，低，低温冲击韧性、焊接性更好温冲击韧性、焊接性更好. 用于现场焊接条件及其寒冷地带管线。被用于现场焊接条件及其寒冷地带管线。被称为称为21世纪的控轧钢。世纪的控轧钢。2.6 2.6 低碳贝氏体和马氏体钢低碳贝氏体和马氏体钢 低碳贝氏体钢低碳贝氏体钢是指含碳量为是指含碳量为0.100.15%，使，使用状态组织为用状态组织为B的钢。贝氏体钢通常是在轧制空的钢。贝氏体钢通常是在轧

17、制空冷或控制冷却，直接获得冷或控制冷却，直接获得B组织。组织。 由于由于B的相变强化，低碳贝氏体钢与相同含碳的相变强化，低碳贝氏体钢与相同含碳量的量的铁素体铁素体- -珠光体型钢珠光体型钢相比，具有更高的强度和相比，具有更高的强度和良好的韧度，屈服强度可达良好的韧度，屈服强度可达450980MPa .主要主要特点特点 合金元素是保证在合金元素是保证在较宽的冷速范较宽的冷速范围围内获得以内获得以贝氏体为主贝氏体为主的组织的组织成分特点成分特点: ? 0.5%左右左右Mo + 微量微量B（0.005%） +Mn、Cr、Ni等等+Nb、Ti、V 主要用于制造容器的板材和其他主要用于制造容器的板材和其

18、他钢结构。钢结构。 14MnMoV和和14MnMoVBRE钢是我国发展的钢是我国发展的低碳贝氏体钢，屈服强度为低碳贝氏体钢，屈服强度为490MPa级级低碳马氏体钢低碳马氏体钢 工程机械上相对运动部件和低温下使用部件，工程机械上相对运动部件和低温下使用部件，要求有更高的强度和良好的韧性。要求有更高的强度和良好的韧性。 0.16%C，加入加入Mo、Nb、V、B及控制及控制Mn或或Cr与之与之配合配合 淬火回火处理组织为低碳回火马氏体淬火回火处理组织为低碳回火马氏体。 BHS-1钢钢的成分为的成分为0.10C-1.80Mn-0.45Mo-0.05Nb。锻轧后空冷或直接淬火并自回火。锻轧后空冷或直接淬

19、火并自回火。达到合金调质钢调质达到合金调质钢调质后的性能水平。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。拉杆等，也可用于冷墩、冷拨及制作高强度紧固件。2.7 双相钢双相钢成分成分主要成分为：主要成分为： 0.2%C，1.21.5%Si，0.81.5%Mn，0.45%Cr，0.4%Mo，少量少量V 、Nb、Ti。（质量分数）。（质量分数）组织组织 F+M组织组织，F基体上分布不连续岛基体上分布不连续岛状混合型状混合型M（20%） 双相钢。双相钢。 F中非常干净，中非常干净，C、N等间隙

20、原子很等间隙原子很少；少；C和和Me大部分在大部分在M中中. 强度强度 MPa 双相钢双相钢 600600 400 400 200 200 10 20 30 40 10 20 30 40 应变应变 / %/ % 双相钢和普通钢应力应变曲线的比较双相钢和普通钢应力应变曲线的比较性能性能 低低s，且是连续屈服，无屈服平台和上、，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，下屈服；均匀塑变能力强，总延伸率较大，冷加工性能好；加工硬化率冷加工性能好；加工硬化率n值大，成型后值大，成型后s可达可达500700MPa。普通钢普通钢应应用用 冲压型双相钢冲压型双相钢主要是板材，广泛用主要是板材，广泛用于各种容器和汽车冲压件。于各种容器和汽车冲压件。 非冲压双相钢非冲压双相钢有棒材、线材、钢筋有棒材、线材、钢筋薄壁无缝钢管等产品。钢材经热轧后薄壁无缝钢管等产品。钢材经热轧后控制冷却，得到控制冷却，得到F加加M双相钢组织，双相钢组织，然后经冷拨、冷墩等工艺制成成品。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，汽车可用于汽车的大梁和滚型车轮，汽