工程结构钢及其应用

1、工程结构钢分类：工程结构钢分类：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 微合金钢微合金钢 低碳贝氏体钢和马氏体钢低碳贝氏体钢和马氏体钢 针状铁素体钢针状铁素体钢 低碳贝氏体钢低碳贝氏体钢 低碳马氏体钢低碳马氏体钢 双相钢双相钢 本章主要内容本章主要内容 本章主要内容本章主要内容1. 1. 工程构件用钢的用途、工作特点及性能要求工程构件用钢的用途、工作特点及性能要求2. 2. 碳素结构钢的用途、性能特点及常用钢种碳素结构钢的用途、性能特点及常用钢种3. 3. 碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响碳钢中的常存元素及其对

2、碳钢机械性能的影响4. HSLA4. HSLA钢的性能要求、合金元素的强化方式及其钢的性能要求、合金元素的强化方式及其对材料性能的影响。对材料性能的影响。5. HSLA5. HSLA钢的成分设计思路及常用钢种钢的成分设计思路及常用钢种6. 6. 特殊用途的低合金高强度钢特殊用途的低合金高强度钢 工程结构钢工程结构钢 碳素结构钢碳素结构钢 （重点掌握）（重点掌握） 低合金高强度低合金高强度（重点掌握）（重点掌握） 具有特殊用途的具有特殊用途的低合金高强度钢低合金高强度钢 微合金化低合金高强度钢微合金化低合金高强度钢 工程构件用钢的研究发展趋势工程构件用钢的研究发展趋势1. 工程结构钢的用途工程结

3、构钢的用途如建筑、桥梁、船舶、钢轨、车辆、石油、化工、电站、锅炉、如建筑、桥梁、船舶、钢轨、车辆、石油、化工、电站、锅炉、压力容器等，应用范围很广。压力容器等，应用范围很广。 工程结构钢：工程结构钢：用于制造各种大型金属结构的钢材。工程结构钢用于制造各种大型金属结构的钢材。工程结构钢 占钢总产量占钢总产量90%左右。左右。一般进行焊接，不需热处理；特殊要求时在钢厂进行正火、一般进行焊接，不需热处理；特殊要求时在钢厂进行正火、调质处理；可靠性要求高时，焊后现场进行整体或局部去应调质处理；可靠性要求高时，焊后现场进行整体或局部去应力退火。力退火。大部分以大部分以钢板钢板或或型钢型钢供货。供货。 1

4、889年为庆祝法国大革命年为庆祝法国大革命100周年，巴黎举办大型国际博览会时建造，周年，巴黎举办大型国际博览会时建造， 是博览会上最引人注目的展品，成为当时席卷世界的是博览会上最引人注目的展品，成为当时席卷世界的工业革命工业革命的象征。的象征。 1887年年1月月28日开工，日开工，1889年年3月月31日大功告成。金属制件有日大功告成。金属制件有1.8万多个，万多个，重达重达7000吨，施工时共钻孔吨，施工时共钻孔700万个，使用铆钉万个，使用铆钉250万个。万个。设计者是法国设计者是法国建筑师居斯塔夫建筑师居斯塔夫埃菲尔埃菲尔，早年以，早年以旱桥旱桥专家而闻名。一生中专家而闻名。一生中杰

5、作累累，遍布世界，但使他名扬四海的还是这座铁塔。用他自己的话说：杰作累累，遍布世界，但使他名扬四海的还是这座铁塔。用他自己的话说：埃菲尔铁塔埃菲尔铁塔“把我淹没了，好像我一生只是建造了她把我淹没了，好像我一生只是建造了她”钢铁巨人钢铁巨人埃菲尔铁塔埃菲尔铁塔（18891889年建）年建）高高300300米，米，重重70007000吨吨南京长江大桥（南京长江大桥（19681968年建）年建） 1960年年1月月18日开工，日开工，1968年年9月铁路桥通车，同年月铁路桥通车，同年12月公路桥通。正月公路桥通。正桥长桥长1577米，铁路桥长米，铁路桥长6772米，公路桥长米，公路桥长4589米，桥

6、塔高米，桥塔高70米。工程造米。工程造价价2.87亿元。亿元。采用采用优质合金钢优质合金钢杆件在现场杆件在现场铆接铆接拼装架设。拼装架设。是新中国第一座依靠自己的力量设计施工建造而成的铁路、公路两用桥，是新中国第一座依靠自己的力量设计施工建造而成的铁路、公路两用桥， 它的建成开创了我国它的建成开创了我国“自力更生自力更生”建设大型桥梁的新纪元。建设大型桥梁的新纪元。 长期承受静载荷，偶尔有动载荷，互相无相对运动；长期承受静载荷，偶尔有动载荷，互相无相对运动； 受大气或海水的侵蚀；受大气或海水的侵蚀； 某些构件受疲劳冲击；如桥梁、船舶等受风力或海浪冲击。某些构件受疲劳冲击；如桥梁、船舶等受风力或

7、海浪冲击。 一般在一般在-50100范围内使用；范围内使用；3.3. 工程构件的性能要求工程构件的性能要求有足够的强度与韧性（低的韧脆转变温度）；有足够的强度与韧性（低的韧脆转变温度）；有良好的焊接性能和成型工艺性能；有良好的焊接性能和成型工艺性能；有良好的耐大气腐蚀性能和耐海水腐蚀性能。有良好的耐大气腐蚀性能和耐海水腐蚀性能。生产工艺生产工艺：常用：焊接；一般都要经过如剪切、冲孔、热弯、常用：焊接；一般都要经过如剪切、冲孔、热弯、 深冲等成型工艺。深冲等成型工艺。2.2.工程构件的服役条件工程构件的服役条件4.4. 工程构件用钢的发展历程工程构件用钢的发展历程铆钉连接，设计依据是铆钉连接，设

8、计依据是b b，C%较高，约为较高，约为0.3，热轧态供货。，热轧态供货。焊接连接，焊接连接， C% ； 为保持强度，为保持强度， Mn% 。焊接构件的脆性断裂，韧性、韧脆转变温度的重要性，焊接构件的脆性断裂，韧性、韧脆转变温度的重要性，C% 但但Mn量仍保持较高水平。量仍保持较高水平。 利用利用AlN细化晶粒提高强韧性。细化晶粒提高强韧性。 s s从从225MPa提高到提高到300MPa，韧转温度降到韧转温度降到0以下。以下。 如：如：0.3%C降低到降低到0.1%，韧脆转变温度由，韧脆转变温度由50降低到降低到-50 。4.4. 工程构件用钢的发展历程工程构件用钢的发展历程保持低保持低C、

9、高、高Mn、细化晶粒条件，利用、细化晶粒条件，利用NbC、VC、TiC析出析出强化进一步强化进一步 s s 。但终轧温度高，晶粒粗化，冲击韧性较差。但终轧温度高，晶粒粗化，冲击韧性较差。开发了控制轧制和控制冷却技术，解决晶粒粗化问题。开发了控制轧制和控制冷却技术，解决晶粒粗化问题。细晶、析出强化，细晶、析出强化，s s提高到提高到450525MPa，韧转温度降到，韧转温度降到-80 。这类钢称为微合金化、控轧、低碳、低合金高强度钢，简这类钢称为微合金化、控轧、低碳、低合金高强度钢，简称微合金化钢。称微合金化钢。在钢中加入微量的在钢中加入微量的Zr、稀土元素、稀土元素、Ca等，改变夹杂物形态，等

10、，改变夹杂物形态，减少轧制钢材的各向异性，改善其成型性。减少轧制钢材的各向异性，改善其成型性。工程结构钢包括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碳含量低于低合金高强度钢是指碳含量低于0.25%0.25%的的普通碳素钢的基础上，通过添加一种或多种少普通碳素钢的基础上，通过添加一种或多种少量合金元素（低于量合金元素（低于3%3%），使钢的强度明显高于），使钢的强度明显高于碳素钢的一类工程结构用钢，统称碳素钢的一类工程结构用钢，统称低合金高强低合金高强度度钢。钢。 按用途可分为结构钢、耐腐蚀钢、低温用按用途可分为结构钢、耐腐蚀钢、低温用钢、耐磨钢、钢筋钢、

11、钢轨钢及其他专业用钢钢、耐磨钢、钢筋钢、钢轨钢及其他专业用钢等。等。 耐候耐候Z型钢用于体育馆型钢用于体育馆 浦东国际机场候机楼及道路护栏浦东国际机场候机楼及道路护栏客车及农业机械客车及农业机械 现代化蔬菜棚现代化蔬菜棚高强度耐候厚壁冷弯高强度耐候厚壁冷弯高频焊管用于东方明高频焊管用于东方明珠塔珠塔镀锌镀锌C型钢用于上海大剧院屋架椼架型钢用于上海大剧院屋架椼架 碳素结构碳素结构钢钢 碳素结构钢，用量很大，约占钢产量的碳素结构钢，用量很大，约占钢产量的70%，大，大部分用作结构件，如工字钢、槽钢、角钢、钢板、钢部分用作结构件，如工字钢、槽钢、角钢、钢板、钢管及各种型材，少量用于制造机器零件和其它

12、制品。管及各种型材，少量用于制造机器零件和其它制品。 碳素结构钢易于冶炼和轧制，价格低廉，有足够的碳素结构钢易于冶炼和轧制，价格低廉，有足够的强度，良好的塑性和韧性，且易于成型和焊接。强度，良好的塑性和韧性，且易于成型和焊接。 碳素钢含碳量一般在碳素钢含碳量一般在0.2%以下，常以热轧态供货，以下，常以热轧态供货，一般不再进行热处理。一般不再进行热处理。表表2-1 碳素结构钢的牌号、化学成分及用途碳素结构钢的牌号、化学成分及用途(GB700-1988)表表2-2 碳素结构钢的力学性能碳素结构钢的力学性能牌号牌号等等级级拉拉 伸伸 试试 验验冲击试验冲击试验屈服点屈服点 s（MPa）抗拉抗拉强度

13、强度 b (MPa)延伸率延伸率 5（%）温温度度/ CV型型冲冲击击功功(纵纵向向)J钢材厚度（直径）（钢材厚度（直径）（mm）钢材厚度（直径）（钢材厚度（直径）（mm）16 16 640 40 060 60 0100 100 0150 15016 16 640 40 060 60 0100 100 0150 150不小于不小于不小于不小于不小于不小于Q195-(195)(185)-315 53903332-Q215AB215205195185175165335410313029282726-20-27Q235ABCD235225215205195185375460262524232221-

14、20020-27Q255AB255245235225215205410510242322212019-20-27Q275-275265255245235225490610201918171615- 第一节第一节 碳素结构碳素结构钢钢 二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响 碳钢以碳钢以Fe、C为主，还有为主，还有Mn、Si、S、P及及N、H、 O常存元素。常存元素。 第一节第一节 碳素结构碳素结构钢钢二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响1、碳、碳 C%，强度，强度，硬度，硬度， 塑性、韧性塑性

15、、韧性。 第一节第一节 碳素结构碳素结构钢钢二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响2、锰、锰 锰是炼钢时用锰铁脱氧、脱硫残存在钢中的元素，或由生铁锰是炼钢时用锰铁脱氧、脱硫残存在钢中的元素，或由生铁残存下来。残存下来。锰的作用：锰的作用： 锰脱氧能力很强锰脱氧能力很强, ,可把钢水中的可把钢水中的FeOFeO还原为还原为Fe Fe Mn Mn与与S S结合力强，形成结合力强，形成MnSMnS夹杂物，降低夹杂物，降低S S的有害影响的有害影响 剩余的大量剩余的大量MnMn固溶于固溶于F F中，起到固溶强化作用。中，起到固溶强化作用。 少部分则溶于

16、少部分则溶于Fe3CFe3C中，形成合金渗碳体。中，形成合金渗碳体。 可以增加可以增加P P含量，并能细化晶粒，使钢具有更好的综合机含量，并能细化晶粒，使钢具有更好的综合机械性能，显著提高钢的强度。械性能，显著提高钢的强度。 由于由于MnMn具有较多的有益影响，一般看作是具有较多的有益影响，一般看作是，但其，但其含量不能太高，通常小于含量不能太高，通常小于0.8%0.8%。 第一节第一节 碳素结构碳素结构钢钢二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响 3、硅硅 硅的影响与锰相似，也是作为脱氧剂加入而残留在钢中，硅的影响与锰相似，也是作为脱氧剂加入而

17、残留在钢中，或由生铁残存下来。或由生铁残存下来。硅的作用：硅的作用： SiSi的脱氧能力比的脱氧能力比MnMn强，能更好地将强，能更好地将FeOFeO还原。还原。 剩余剩余SiSi绝大部分固溶于绝大部分固溶于F F中，起固溶强化作用。中，起固溶强化作用。 少部分则存在于硅酸盐夹杂中，会降低钢的性能。少部分则存在于硅酸盐夹杂中，会降低钢的性能。 总的来说，总的来说，其含量通，其含量通常小于常小于0.5%0.5%。 第一节第一节 碳素结构碳素结构钢钢二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响4 4、硫硫 硫是由原料带入、无法除尽的杂质硫是由原料带入、无

18、法除尽的杂质硫的作用：硫的作用： S难溶于固态难溶于固态Fe，与与Fe形成形成FeS (FeS (1190) ， FeSFeS又与又与-Fe-Fe形成熔点更低（形成熔点更低（989989）的共晶）的共晶体体(FeS+Fe),(FeS+Fe),并分布在并分布在A A晶界上。晶界上。在热加工（轧制、锻造）时在热加工（轧制、锻造）时共晶共晶体体熔化，沿晶界碎裂，引起钢的熔化，沿晶界碎裂，引起钢的热脆热脆（红脆红脆）。）。 第一节第一节 碳素结构碳素结构钢钢二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响4 4、硫硫 Mn S的有害作用，的有害作用， Mn与与S

19、优先形成高熔点优先形成高熔点MnS(1620), MnS在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆。在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆。 S S是钢中有害元素（是钢中有害元素（易削钢除外）易削钢除外），在优质钢中规定其含，在优质钢中规定其含量量0.04%0.04%；而在普通碳素钢；而在普通碳素钢 中也限制中也限制S S含量含量0.055% 0.055% 。 S S对钢的焊接性能有不良影响，容易导致焊缝热裂，且易对钢的焊接性能有不良影响，容易导致焊缝热裂，且易于氧化生成气体，致使焊缝中出现气孔和疏松。于氧化生成气体，致使焊缝中出现气孔和疏松。 19121912年年4 4月月1414日日，当年

20、最为豪华、号称当年最为豪华、号称永不沉没的永不沉没的泰坦尼克号首航沉没于冰海，成了泰坦尼克号首航沉没于冰海，成了2020世纪令人难以忘世纪令人难以忘怀的悲惨海难。怀的悲惨海难。 耗资两亿五千万美金的影史巨片耗资两亿五千万美金的影史巨片“TITANIC” TITANIC” 带带领世人重新审视了这文明史上的大灾难。领世人重新审视了这文明史上的大灾难。19851985年以后，年以后，探险家们数次深潜到探险家们数次深潜到12,61212,612英尺深的海底研究沉船，英尺深的海底研究沉船，起出遗物。起出遗物。19951995年年2 2月美国月美国科学大众科学大众（Popular Popular Scie

21、nceScience）杂志发表了）杂志发表了R Gannon R Gannon 的文章，标题是的文章，标题是What Really Sank The TitanicWhat Really Sank The Titanic，副标题是，副标题是“为为什么什么不会沉没的不会沉没的船在撞上一个冰山后船在撞上一个冰山后3 3小时就沉小时就沉没了？一项新的科学研究回答了没了？一项新的科学研究回答了8080年未解之谜年未解之谜”。作者出示了两个冲击试验结果。左边的试样取自海底的作者出示了两个冲击试验结果。左边的试样取自海底的Titanic号，右边的是近代船用钢板的冲击试样。由于早年的号，右边的是近代船用钢板

22、的冲击试样。由于早年的Titanic 号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。具有相当好的韧性。 Gannon Gannon 的文章指出，在水线上下都由的文章指出，在水线上下都由10 10 张张30 30 英尺长的高含硫英尺长的高含硫量脆性钢板焊接成量脆性钢板焊接成300300英尺的船体。船体上可见长长的焊缝。船英尺的船体。船体上可见长长的焊缝。船在冰水中撞击冰山而裂开时，脆性的焊缝无异于一条在冰水中撞

23、击冰山而裂开时，脆性的焊缝无异于一条300300英尺长英尺长的大拉链，使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉的大拉链，使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。没。这是钢材韧性与人身安全的一个突出例证。这是钢材韧性与人身安全的一个突出例证。 第一节第一节 碳素结构碳素结构钢钢二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响5 5、磷、磷 炼钢时由生铁带入钢中的不能除尽的炼钢时由生铁带入钢中的不能除尽的. .磷的作用：磷的作用： P P固溶于固溶于F F中，起固溶强化作用，使强度、硬度显著中，起固溶强化作用，使强度、硬度显著 。急剧急剧室温下钢

24、的塑性、韧性，使钢变脆，在低温更严重，与室温下钢的塑性、韧性，使钢变脆，在低温更严重，与S S产生产生“热脆热脆”相对应，称为相对应，称为“冷脆冷脆”。Fe-PFe-P合金结晶范围很宽，因此合金结晶范围很宽，因此P P具有严重的偏析倾向。具有严重的偏析倾向。在易削钢中，把在易削钢中，把 P%P%提高到提高到0.08%0.08%0.15%0.15%，使，使F F适当脆化，提适当脆化，提高钢的切削加工性。高钢的切削加工性。P P提高钢在大气中的抗腐蚀性，尤其是同时含提高钢在大气中的抗腐蚀性，尤其是同时含CuCu的情况下，其的情况下，其作用更加显著，普通质量钢中作用更加显著，普通质量钢中P%P%0.

25、04%0.04%0.05%0.05%。 第一节第一节 碳素结构碳素结构钢钢二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响6.6.氮氮 氮是炼钢过程中从周围气氛中被吸入的气体。氮是炼钢过程中从周围气氛中被吸入的气体。 590590时时N N在在-Fe-Fe中溶解度最大，约为中溶解度最大，约为0.1%0.1%，而室温则，而室温则降到降到0.001%0.001%以下，以下，溶解度随温度降低急剧降低，快速溶解度随温度降低急剧降低，快速冷却时冷却时N N来不及析出。若经冷变形后在室温放置或稍微来不及析出。若经冷变形后在室温放置或稍微加热时，从加热时，从F中沉淀出

26、中沉淀出极微细的氮化物质点极微细的氮化物质点，使钢的强，使钢的强度提高，塑韧性下降，称为机械时效或应变时效。对度提高，塑韧性下降，称为机械时效或应变时效。对低碳钢性能不利。低碳钢性能不利。当低当低C C钢中存在钢中存在V V、NbNb、TiTi等而形成等而形成N N化物时，有细化晶化物时，有细化晶粒和沉淀强化的效果，粒和沉淀强化的效果，是钢中的微合金化元素是钢中的微合金化元素。 第一节第一节 碳素结构碳素结构钢钢二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响7.7.氢氢 冶炼过程中从潮湿的空气或含水炉料带入钢液中。冶炼过程中从潮湿的空气或含水炉料带入钢

27、液中。钢中钢中H H含量一般很少，危害很大，表现为两个方面：含量一般很少，危害很大，表现为两个方面：一是溶入钢中后引起一是溶入钢中后引起“氢脆氢脆”，使钢的塑性，使钢的塑性 ，脆性，脆性 。二是导致钢件内产生大量的二是导致钢件内产生大量的细微裂纹缺陷细微裂纹缺陷白点白点，使，使显著显著 ，k k 更多，几乎为更多，几乎为0 0。具有白点的钢件一般不能使用。具有白点的钢件一般不能使用。 第一节第一节 碳素结构碳素结构钢钢二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响8. 氧氧 在炼钢过程中脱氧不完全，氧残留在钢中。在炼钢过程中脱氧不完全，氧残留在钢中。氧

28、在钢中几乎全部以氧化物的形式存在，如氧在钢中几乎全部以氧化物的形式存在，如FeOFeO、FeFe2 2O O3 3、SiOSiO2 2、MnOMnO、AlAl2 2O O3 3、CaOCaO、MgO MgO 等，并且往往形等，并且往往形成复合氧化物或硅酸盐，会使钢的性能下降。成复合氧化物或硅酸盐，会使钢的性能下降。时效现象：时效现象：所谓时效，即钢的力学性能和物理性能随着时间而发生变化，可以所谓时效，即钢的力学性能和物理性能随着时间而发生变化，可以发生在室温或稍高于室温的较低温度下。发生在室温或稍高于室温的较低温度下。低碳钢的时效分为低碳钢的时效分为淬火时效淬火时效和和应变时效应变时效两种。两

29、种。 第一节第一节 碳素结构碳素结构钢钢三、低碳钢的时效三、低碳钢的时效产生原因：产生原因：在室温放置的过程中，过饱和固溶体不稳定；而且在室温放置的过程中，过饱和固溶体不稳定；而且C、N原子发生扩散，并在晶界或晶内的缺陷处聚集，阻碍位错的运动，原子发生扩散，并在晶界或晶内的缺陷处聚集，阻碍位错的运动，产生时效硬化，使钢的强度、硬度增大，而塑性、韧性降低。产生时效硬化，使钢的强度、硬度增大，而塑性、韧性降低。淬火时效：淬火时效：又称热时效，钢加热到高温（又称热时效，钢加热到高温（A1以上或以下）以上或以下）快冷快冷以以后，在室温附近性能随时间而发生变化。例如，焊接的钢板焊缝，后，在室温附近性能随

30、时间而发生变化。例如，焊接的钢板焊缝，在三个月后，其冲击韧性值由原来的在三个月后，其冲击韧性值由原来的91 J/cm2降低到降低到33J/cm2。曾曾发生过船舶和桥梁因时效而出现突然断裂的事故。发生过船舶和桥梁因时效而出现突然断裂的事故。 应变时效：应变时效：是钢在冷加工塑性变形以后，钢的性能是钢在冷加工塑性变形以后，钢的性能随时间而发生变化。例如，一种锅炉用钢板，在冷随时间而发生变化。例如，一种锅炉用钢板，在冷塑性变形后，其冲击韧性为塑性变形后，其冲击韧性为120Jcm2，而放置十，而放置十天之后下降到天之后下降到35Jcm2。 第一节第一节 碳素结构碳素结构钢钢三、低碳钢的时效三、低碳钢的

31、时效产生原因：产生原因：C、N都能引起应变时效，但都能引起应变时效，但N的影响更大一些。应变的影响更大一些。应变时效的原因是由于冷塑性变形降低了时效的原因是由于冷塑性变形降低了C、N在在-Fe中的溶解度。中的溶解度。室温下室温下N的溶解度比的溶解度比C要高得多，同时要高得多，同时N原子半径（原子半径（0.071nm）比）比C原子小（原子小（0.077nm），其扩散速度较快，所以），其扩散速度较快，所以N对应变时效的对应变时效的影响比较大。塑性变形时位错数量大量增加，影响比较大。塑性变形时位错数量大量增加，C、N原子能经过原子能经过短距离扩散聚集在位错附近，形成气团，使硬度增加。短距离扩散聚集在

32、位错附近，形成气团，使硬度增加。第二节第二节 低合金高强度钢低合金高强度钢（HSLA Steel ） （ High Strength Low Alloy Steel） 第二节第二节 低合金高强度钢低合金高强度钢一、低合金高强度钢的性能要求一、低合金高强度钢的性能要求要求钢材具有较高的屈服强度，以减轻金属结构的重要求钢材具有较高的屈服强度，以减轻金属结构的重量，提高其可靠性。量，提高其可靠性。 合适的屈强比合适的屈强比s/s/b b。合适的比值在。合适的比值在0.65-0.750.65-0.75之间；之间；交变载荷作用时疲劳强度应不低于交变载荷作用时疲劳强度应不低于250 270270 MPaM

33、Pa 若若s s由由240240260MPa260MPa，提高到，提高到340340360MPa360MPa，即提高，即提高5050，则金属构件的重量减轻，则金属构件的重量减轻20203030。 第二节第二节 低合金高强度钢低合金高强度钢一、低合金高强度钢的性能要求一、低合金高强度钢的性能要求要求有较高的塑性、韧性，较低的韧脆转变温度。要求有较高的塑性、韧性，较低的韧脆转变温度。 要求具有良好的工艺性能和耐蚀性要求具有良好的工艺性能和耐蚀性 工艺性能主要指成型性能（如剪切、冲压、冷弯、热工艺性能主要指成型性能（如剪切、冲压、冷弯、热弯）和焊接性能等弯）和焊接性能等 。 如：要求厚度为如：要求厚

34、度为3 320mm20mm钢板的延伸率钢板的延伸率( (5 5) )一般不一般不小于小于2121。k k在纵向和横向分别不小于在纵向和横向分别不小于8080和和60J/cm60J/cm2 2韧脆转折温度应低于韧脆转折温度应低于-30-30左右。左右。 要求贵重合金元素用量少，以降低成本要求贵重合金元素用量少，以降低成本 一、低合金高强度钢的性能要求一、低合金高强度钢的性能要求兼顾上述性能，采用兼顾上述性能，采用低碳、多组元合金元素低碳、多组元合金元素，尽量，尽量不含不含过多贵重元素过多贵重元素或者根本不含贵重元素，以或者根本不含贵重元素，以降低成本降低成本。 第二节第二节 低合金高强度钢低合金

35、高强度钢二、合金元素在低合金高强度钢中的作用二、合金元素在低合金高强度钢中的作用 HSLA钢大部分具有钢大部分具有铁素体铁素体-珠光体组织，在热轧或正火后得到珠光体组织，在热轧或正火后得到最终性能。最终性能。主要强化机制有：主要强化机制有：铁素体的固溶强化铁素体的固溶强化低合金高强度钢的组织主要有三类：低合金高强度钢的组织主要有三类：铁素体铁素体-珠光体组织珠光体组织：ss为为300300350 MPa350 MPa低碳贝氏体组织：低碳贝氏体组织：ss为为450450650 MPa650 MPa低碳索氏体组织：低碳索氏体组织：ss为为650650800 MPa800 MPa增加珠光体的相对量增

36、加珠光体的相对量晶粒细化晶粒细化 第二节第二节 低合金高强度钢低合金高强度钢碳氮化合物的析出强化碳氮化合物的析出强化二、合金元素在低合金高强度钢中的作用二、合金元素在低合金高强度钢中的作用 1 1、Me对低合金高强度钢对低合金高强度钢力学性能力学性能的影响的影响C C：固溶强化效果和珠光体含量。固溶强化效果和珠光体含量。 C%C%，塑、韧性，塑、韧性，焊接性、冷成型。焊接性、冷成型。 如：如：0.1%C0.1%C，TKTK为为-50-50， 0.3%C0.3%C， TKTK为为5050低合金高强度钢的含低合金高强度钢的含C C量，一般均限制在量，一般均限制在0.2%0.2%以下。以下。 第二节

37、第二节 低合金高强度钢低合金高强度钢合金元素含量（质量分数）-200 -120 -40 0 40 120 200 温度/钢的韧钢的韧-脆转折温度脆转折温度与碳含量的关系与碳含量的关系合金元素对低合金高强度钢合金元素对低合金高强度钢的固溶强化效果的影响的固溶强化效果的影响P：显著强化：显著强化F，但增加钢，但增加钢的冷脆性，其含量的冷脆性，其含量0.15%Si、Mn：强化：强化F较显著，且较显著，且价格便宜，最常用的合金元价格便宜，最常用的合金元素。素。 Mn 1.8%1%Si,S85MPa,TK,量多量多时可大为降低塑韧性，所以时可大为降低塑韧性，所以Si控制在控制在1.1% 第二节第二节 低

38、合金高强度钢低合金高强度钢二、合金元素在低合金高强度钢中的作用二、合金元素在低合金高强度钢中的作用 1 1、Me 对低合金高强度钢对低合金高强度钢力学性能力学性能的影响的影响 第二节第二节 低合金高强度钢低合金高强度钢二、合金元素在低合金高强度钢中的作用二、合金元素在低合金高强度钢中的作用 1 1、合金元素对低合金高强度钢、合金元素对低合金高强度钢力学性能力学性能的影响的影响铁素体铁素体-珠光体珠光体HSLA钢组织性能的关系如下图。钢组织性能的关系如下图。 图中向量值表明图中向量值表明s s每增每增加加15MPa15MPa时，韧时，韧- -脆转折脆转折温度的变化量温度的变化量/ /。HSLA钢

39、成分钢成分 设计思路：设计思路：低低C C；稍高的；稍高的MnMn含量；含量；用用AlAl细化晶粒；并适当细化晶粒；并适当用用SiSi强化强化二、合金元素在低合金高强度钢中的作用二、合金元素在低合金高强度钢中的作用 在在HSLA中，利用中，利用NbNb、V V、TiTi细化晶粒细化晶粒和和产生沉淀强化产生沉淀强化作用。作用。NbNb、V V、TiTi对正火状态的对正火状态的HSLA的晶粒度的影响见图的晶粒度的影响见图6-2-26-2-2。 由图可见，由图可见，NbNb细化晶粒细化晶粒最有效，最有效，TiTi次之，次之，V V则则基本上不起细化晶粒的基本上不起细化晶粒的作用。作用。 第二节第二节

40、 低合金高强度钢低合金高强度钢1 1、合金元素对低合金高强度钢、合金元素对低合金高强度钢力学性能力学性能的影响的影响二、合金元素在低合金高强度钢中的作用二、合金元素在低合金高强度钢中的作用 1 1、合金元素对低合金高强度钢、合金元素对低合金高强度钢力学性能力学性能的影响的影响图图6-2-36-2-3表明了热轧表明了热轧低碳钢带中由于低碳钢带中由于晶粒晶粒细化细化和和析出强化析出强化引起引起的屈服强度、韧脆的屈服强度、韧脆转折温度的变化与转折温度的变化与NbNb、V V、TiTi含量的关系。含量的关系。 第二节第二节 低合金高强度钢低合金高强度钢在热轧状态在热轧状态NbNb能较显能较显著地细化晶

41、粒和具有中著地细化晶粒和具有中等的析出强化作用。等的析出强化作用。 NbNb细化晶粒作用特别显细化晶粒作用特别显著，既能使钢强化又能著，既能使钢强化又能降低韧降低韧- -脆转折温度。脆转折温度。 第二节第二节 低合金高强度钢低合金高强度钢含含TiTi量增加，强度显著量增加，强度显著地随析出强化而增加，而地随析出强化而增加，而细晶强化的贡献则处于中细晶强化的贡献则处于中等情况。等情况。含含TiTi钢脆性断裂抗力稍低钢脆性断裂抗力稍低些，韧些，韧- -脆转折温度比含脆转折温度比含NbNb钢要高些。钢要高些。 V V产生中等的析出强化效产生中等的析出强化效果，细晶强化作用相对较果，细晶强化作用相对较

42、弱，大量的弱，大量的V(CN)V(CN)化合物的化合物的析出使脆性断裂抗力降低，析出使脆性断裂抗力降低，韧韧- -脆转折温度比含脆转折温度比含NbNb和含和含TiTi钢都要高些。钢都要高些。 第二节第二节 低合金高强度钢低合金高强度钢具有铁素体具有铁素体- -珠光体组织的低合金高强度钢，通过珠光体组织的低合金高强度钢，通过各种方式强化各种方式强化，其，其s s最高约为最高约为470MPa470MPa。 若需要获得强度更高的钢种，就必须考虑若需要获得强度更高的钢种，就必须考虑低碳贝氏低碳贝氏体型钢、低碳索氏体型和低碳马氏体型钢。体型钢、低碳索氏体型和低碳马氏体型钢。 二、合金元素在低合金高强度钢

43、中的作用二、合金元素在低合金高强度钢中的作用 1 1、合金元素对低合金高强度钢、合金元素对低合金高强度钢力学性能力学性能的影响的影响 第二节第二节 低合金高强度钢低合金高强度钢2、 Me对焊接性的影响对焊接性的影响控制控制C C焊缝处硬化与脆化倾向焊缝处硬化与脆化倾向，焊接裂纹，焊接裂纹。为保证优良的焊接性能，尽可能降低含为保证优良的焊接性能，尽可能降低含C量；适当控制提高淬透性的量；适当控制提高淬透性的Me种类及其数种类及其数量，如量，如Cr、Mn、Mo、Ni等。等。优良的焊接性是指：优良的焊接性是指：焊接工艺简单；焊缝与母材结合牢固，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

44、热影响区保持足够的强度与韧性，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。没有裂纹及各种缺陷。3、 Me对耐大气腐蚀性的影响对耐大气腐蚀性的影响Cu、P Cr、Ni Mo、Al钢中加入少量的钢中加入少量的Cu、P、Cr、Ni、Mo、Al时，可以提高时，可以提高HSLA的耐大气腐蚀性，其中的耐大气腐蚀性，其中Cu、P是是最有效的元素。最有效的元素。一般含量：一般含量：0.0250.25%Cu，0.050.15%P。P%，冷脆和时效倾向增加。应用，冷脆和时效倾向增加。应用Al脱氧脱氧细晶粒钢。复合加入上述适量元素，则提高细晶粒钢。复合加入上述适量元素，则提高钢耐蚀性效果

45、更佳。如钢耐蚀性效果更佳。如090CuPCrNi-A、 09CuPCrNi-B 、 09CuP抗大气腐蚀性：抗大气腐蚀性：金属材料由于大气中氧和水等的化学作用或金属材料由于大气中氧和水等的化学作用或电化学作用而引起的腐蚀，叫做大气腐蚀。钢构件或容器在电化学作用而引起的腐蚀，叫做大气腐蚀。钢构件或容器在自然环境中使用时抵抗大气腐蚀的能力即自然环境中使用时抵抗大气腐蚀的能力即抗大气腐蚀性。抗大气腐蚀性。 第二节第二节 低合金高强度钢低合金高强度钢综上所述，综上所述，HSLAHSLA钢化学成分特点如下：钢化学成分特点如下： 钢的含钢的含C量应该控制在量应该控制在0.2%以下。以下。 二、合金元素在低

46、合金高强度钢中的作用二、合金元素在低合金高强度钢中的作用 从固溶强化观点来看，从固溶强化观点来看，Si、Mn十分有效，在低十分有效，在低C情况下，情况下，Mn能细化晶粒，降低韧能细化晶粒，降低韧-脆转变温度。脆转变温度。 从细化晶粒来看，从细化晶粒来看，Al、Nb、Ti十分有效，十分有效，Nb、 Ti 、V还可以还可以产生沉淀强化作用。产生沉淀强化作用。 Cu既能提高耐大气腐蚀性，又能产生沉淀强化。既能提高耐大气腐蚀性，又能产生沉淀强化。 P与其它元素配合，可以发挥其固溶强化和提高耐大气腐蚀性与其它元素配合，可以发挥其固溶强化和提高耐大气腐蚀性的作用。的作用。 第二节第二节 低合金高强度钢低合

47、金高强度钢 因此，对因此，对铁素体铁素体+珠光体型珠光体型HSLA的的合金化方向：合金化方向： 以以Si、Mn为基础，适当添加为基础，适当添加Al、Nb、V、Ti、Cu、P等。等。 如果要得到更高的抗蚀性，则可用少量的如果要得到更高的抗蚀性，则可用少量的Cr和和Ni。 要求正火态获得贝氏体组织时要求正火态获得贝氏体组织时,则必须同时考虑则必须同时考虑Mo与与B（显著推迟先共析（显著推迟先共析F和和P转变而较少推迟转变而较少推迟B转变）转变）.二、合金元素在低合金高强度钢中的作用二、合金元素在低合金高强度钢中的作用 具有代表性的牌号见下表。具有代表性的牌号见下表。 三、我国的低合金高强度钢三、我

48、国的低合金高强度钢 第二节第二节 低合金高强度钢低合金高强度钢 F-P类型类型是工程结构钢中最主要的一类钢。国家标是工程结构钢中最主要的一类钢。国家标准准GB/T 1591-2008中规定有中规定有Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、 Q550、 Q620、 Q690八个牌号。根据八个牌号。根据质量要求分为质量要求分为A、B、C、D、E五个等级。五个等级。A、B级为普级为普通质量级；通质量级；C级为优质级；级为优质级；D级和级和E级为特殊质量级，有级为特殊质量级，有低温冲击韧性要求。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具有代表性的牌号见

49、下表。具有代表性的牌号见下表。 低合金钢目前采用低合金钢目前采用GB/T1591-94代替代替1591-88，部分新老钢号对照如下：，部分新老钢号对照如下：GB/T1591-94（新标准）（新标准）GB1591-88（旧标准）（旧标准）Q29509MnV 09MnNb 12MnQ34512MnV 16Mn 16MnREQ39015MnV 15MnTi 16MnNbQ42015MnVN 14MnVTiREQ460Mo、B、贝氏体组织、贝氏体组织基本上不加基本上不加Cr及及Ni，是经济性较好的钢种；，是经济性较好的钢种； 以以Mn为主，附加元素为为主，附加元素为 V、Ti 、 Nb 、 Mo、 A

50、l等等加入少量加入少量P来提高抗大气腐蚀性能；来提高抗大气腐蚀性能； 加入加入微量稀土元素，可脱微量稀土元素，可脱S去气，消除有害杂质，使钢材净化，并改善夹去气，消除有害杂质，使钢材净化，并改善夹杂物形态与分布，既改善机械性能，对工艺性能也有好处。杂物形态与分布，既改善机械性能，对工艺性能也有好处。从表中可以大致看出，我国这类钢的特点是：从表中可以大致看出，我国这类钢的特点是： 具有代表性的牌号见下表。具有代表性的牌号见下表。 低合金钢目前采用低合金钢目前采用GB/T1591-2008代替代替GB/T1591-94 ，牌号对照如下：，牌号对照如下：具有代表性的牌号见下表。具有代表性的牌号见下表

51、。 各化学元素在低合金钢中的作用各化学元素在低合金钢中的作用:碳：碳：最经济的强化元素。碳含量高，马氏体组织多，钢硬度最经济的强化元素。碳含量高，马氏体组织多，钢硬度高，焊接性能不好。高，焊接性能不好。锰：锰：强化元素且提高韧性。强化元素且提高韧性。硅：硅：可适度提高强度，增强耐大气腐蚀性能。可适度提高强度，增强耐大气腐蚀性能。铌：铌：强化元素，通过沉淀硬化和晶粒细化的强化机理有效地强化元素，通过沉淀硬化和晶粒细化的强化机理有效地提高屈服和抗拉强度，加入提高屈服和抗拉强度，加入0.02%的铌可使含碳的铌可使含碳0.20%的热轧的热轧钢材屈服强度提高钢材屈服强度提高70100MPa，但对轧制工艺

52、有要求（如，但对轧制工艺有要求（如终轧道次温度低）。终轧道次温度低）。钒：钒：强化元素，通过铁素体沉淀硬化和细化铁素体晶粒的提强化元素，通过铁素体沉淀硬化和细化铁素体晶粒的提高屈服和抗拉强度，但要求终轧温度低并与锰、氮等元素共高屈服和抗拉强度，但要求终轧温度低并与锰、氮等元素共同加入，作用更好。同加入，作用更好。具有代表性的牌号见下表。具有代表性的牌号见下表。 各化学元素在低合金钢中的作用各化学元素在低合金钢中的作用:镍：镍：强化、耐大气腐蚀元素，通过铁素体固溶强化提高强度强化、耐大气腐蚀元素，通过铁素体固溶强化提高强度并可适当提高韧性，与铜或磷共存可明显提高耐海水腐蚀性并可适当提高韧性，与铜

53、或磷共存可明显提高耐海水腐蚀性能，还可克服含铜钢的热脆现象。能，还可克服含铜钢的热脆现象。铜：铜：耐大气腐蚀元素，单独加入易产生耐大气腐蚀元素，单独加入易产生“热脆热脆”和钢材表面和钢材表面裂纹现象，与镍合用，效果明显。裂纹现象，与镍合用，效果明显。磷：磷：耐大气腐蚀和强化元素，与钢中少量铜合用，效果显著，耐大气腐蚀和强化元素，与钢中少量铜合用，效果显著，但其易产生但其易产生“冷脆冷脆”现象。现象。氮：氮：强化元素，但降低韧性，与钒合用，效果明显。强化元素，但降低韧性，与钒合用，效果明显。钼、硼：钼、硼：少量加入可改善钢的淬透性，形成贝氏体的低温相少量加入可改善钢的淬透性，形成贝氏体的低温相变

54、组织。变组织。硫：硫：除易切削钢外，都作为有害元素尽量降低其含量。除易切削钢外，都作为有害元素尽量降低其含量。具有代表性的牌号见下表。具有代表性的牌号见下表。 低碳铁素体低碳铁素体/珠光体钢的超细晶强韧化与控制技术珠光体钢的超细晶强韧化与控制技术 -2004年度国家科学技术进步奖一等奖年度国家科学技术进步奖一等奖 完成单位：钢铁研究总院、北京科技大学、东北大学、中国科学院金属研究所、宝山钢铁股份有限公司、首钢总公司、武汉钢铁（集团）公司、鞍山钢铁集团公司、广州珠江钢铁有限责任公司、攀枝花钢铁（集团）公司 低碳铁素体/珠光体钢是钢铁材料中产量最大、应用面最广的工程结构用钢材。通过该项目的研究，在

55、保持钢的韧性和塑性基本不下降，生产制造成本基本不提高的前提下，强度成倍提高，使传统材料更新换代，成为先进钢铁材料。 具有代表性的牌号见下表。具有代表性的牌号见下表。 低碳铁素体低碳铁素体/珠光体钢的超细晶强韧化与控制技术珠光体钢的超细晶强韧化与控制技术 -2004年度国家科学技术进步奖一等奖年度国家科学技术进步奖一等奖新材料的主要特点是超细晶粒、高洁净度、高均匀性。生产过程能节约能源和资源，不用或少用合金元素，改善环境，降低成本，比现有钢铁材料具有更高的经济效益。如何形成微米级的超细晶是该项目的核心技术如何形成微米级的超细晶是该项目的核心技术和难点。和难点。通过多方探索，发现对铁素体/珠光体型

56、碳素钢和大量应用的低（微）合金钢，在初轧段充分应用奥氏体再结晶细化奥氏体晶粒，在精轧在初轧段充分应用奥氏体再结晶细化奥氏体晶粒，在精轧段采用形变诱导铁素体相变，可以把铁素体晶粒分别细化到段采用形变诱导铁素体相变，可以把铁素体晶粒分别细化到2-5m（碳素（碳素钢）和钢）和12m（微合金钢）（微合金钢）。对碳素钢在精轧段采用形变强化相变,晶粒可细到23m。对薄板坯连铸连轧低碳钢通过析出相的超细化（多数达纳米级）和控轧控冷，可以把铁素体晶粒细化到36m。碳素结构钢的屈服强度由200MPa级提高到350400MPa级；低合金钢的屈服强度由350400MPa级提高到600700MPa级。具具 低碳铁素体

57、低碳铁素体/珠光体钢的超细晶强韧化与控制技术珠光体钢的超细晶强韧化与控制技术 -2004年度国家科学技术进步奖一等奖年度国家科学技术进步奖一等奖 在该项目的研究中，攀钢负责一项子课题“厚规格热连轧超细晶粒热轧钢板生产技术研究”，攀钢创造性地提出了工业生产厚规格超细晶粒热轧钢板的新思路，成功地用Q235普碳钢的化学成分生产出了3.0毫米至7.0毫米厚度规格的超细晶粒热轧钢板,其铁素体晶粒尺寸为4-6微米,屈服强度和抗拉强度分别达到400兆帕和510兆帕以上,超细晶粒钢板的综合性能达到510兆帕低合金钢板的水平。 攀钢研制开发的超细晶粒热轧钢板在东风汽车公司用于制作载重汽车载重汽车车厢和车架零件车

58、厢和车架零件，零件冲压合格率达到100，具有显著的经济效益和社会效益。 牌号见下表。牌号见下表。 低碳铁素体低碳铁素体/珠光体钢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 2004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具体具体指标指标超细晶粒超细晶粒、高洁净度高洁净度、高均匀性高均匀性。生产。生产节约能节约能源和资源，源和资源，不用或少用不用或少用Me，改善环境，降低改善环境，降低成本成本，具有更高的经济效益。如何形成，具有更高的经济效益。如何形成微米级微米级的超细晶的超细晶是该项目的核心技术和难点。是该项目的核心技术和难点。采用形变诱导采用形变诱导F相

59、变，可把相变，可把F晶粒细化到晶粒细化到25m（碳钢）和（碳钢）和12m（微合金钢）。碳（微合金钢）。碳钢的钢的s由由200MPa提高到提高到350400MPa；低合；低合金钢由金钢由350400MPa提高到提高到600700MPa。 最新研究成果：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达到类低合金高强度钢的强度也可达到800MPa。低碳铁素体低碳铁素体/珠光体珠光体钢超细晶钢材生产工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四、具有特殊用途的低合金高强度钢四、具有特殊用途的低合金高强度钢 HSLAHSLA钢除要求强度和韧性外，

60、还对其焊接性、深钢除要求强度和韧性外，还对其焊接性、深冲性及耐候性有一定要求，工艺性能和使用性能难冲性及耐候性有一定要求，工艺性能和使用性能难以同时满足要求，因此现代以同时满足要求，因此现代HSLAHSLA钢的钢的发展趋势是：发展趋势是： 根据结构钢的不同用途，加入不同的合金元素，采根据结构钢的不同用途，加入不同的合金元素，采用不同的冶炼和轧制技术，以最大限度地满足使用用不同的冶炼和轧制技术，以最大限度地满足使用要求。要求。 第二节第二节 低合金高强度钢低合金高强度钢四、具有特殊用途的低合金高强度钢四、具有特殊用途的低合金高强度钢 1. 耐候钢（耐大气腐蚀钢，耐候钢（耐大气腐蚀钢，GB/T41