金属材料学工程结构钢

1、2022-6-23工程材料导论讲义工程材料导论讲义 曹志强教授曹志强教授 ：84706169 ： 大连理工大学材料科学与工程学院大连理工大学材料科学与工程学院2022-6-23第2章工程结构用钢engineering constructional steel 按用途工程结构钢分为桥梁、汽车、锅炉、按用途工程结构钢分为桥梁、汽车、锅炉、船舶、压力容器等，耐腐蚀钢海水和空船舶、压力容器等，耐腐蚀钢海水和空气，低温用钢，钢筋钢，钢轨钢和其他气，低温用钢，钢筋钢，钢轨钢和其他专业用钢。专业用钢。尼米兹核动力航母尼米兹核动力航母001 钢制桥梁钢制桥梁压力容器压力容器2022-6-23国家体育场鸟巢总用

2、钢量到达国家体育场鸟巢总用钢量到达11万吨，万吨，其中外部钢结构的钢材用量为其中外部钢结构的钢材用量为4.2万吨万吨 。(Q460E) 2022-6-23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浦东国际机场侯机楼及道路护栏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高强度耐侯厚壁冷弯高强度耐侯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2022-6-23工程结构钢是指专门用来制造工程结构件的一大类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，工程结构钢占种。在钢总

3、产量中，工程结构钢占90左右。工程结构左右。工程结构钢包括碳素钢和低合金高强度钢。钢包括碳素钢和低合金高强度钢。 低合金高强度钢是指在低合金高强度钢是指在C 0.25%质量分数的普质量分数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低于3%，使钢的强度明显高于碳素钢的一类工程结，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。构用钢，统称低合金高强度钢。2022-6-23工程结构用钢的分类工程结构用钢的分类 工程构件用钢用量大，随着科技开展，各种高性能钢种也开展迅猛。 分类 ： 碳素构件用钢普碳钢 低合金构件用钢普低钢

4、 新型及微合金化低碳高强度钢 输油管线输油管线2022-6-23本章内容2.1 工程结构钢的根本要求工程结构钢的根本要求 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 Me对力学性能对力学性能焊接性和耐大气腐蚀性的焊接性和耐大气腐蚀性的影响影响 2.3常用工程结构钢牌号常用工程结构钢牌号 2.4 微珠光体低合金高强度钢输送石微珠光体低合金高强度钢输送石油天油天 燃气用燃气用 2.5针状铁素体钢针状铁素体钢 2.6 低碳贝氏体和马氏体钢低碳贝氏体和马氏体钢 2.7双相钢双相钢(F+M) 2.8 低合金高强度钢开展趋势低合金高强度钢开展趋势2022-6-232.1 工程结构钢的根本

5、要求工程结构钢的根本要求 工程结构件长期受静载；互相无相对运动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；受大气海水的侵蚀；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

6、；、良好的焊接性和成型工艺性； 3、良好的耐腐蚀性；、良好的耐腐蚀性； 4、低的本钱。、低的本钱。2022-6-232.2 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，低本钱。固溶强化效果和珠光体含量，低本钱。 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

7、为，量多时可大为降低塑韧性，所以降低塑韧性，所以Si控制在控制在1.1%2022-6-23Mn 固溶强化作用大，固溶强化作用大，1%Mn， R ReLeL33MPa。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，低合金高强度钢的根本成分应考虑低碳，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。稍高的锰含量，并适当用硅强化。2022-6-23图图2-2钢的韧钢的韧-脆转折温度与

8、碳含量的关系脆转折温度与碳含量的关系图图2-1合金元素对低合金高强度钢的固合金元素对低合金高强度钢的固溶强化效果的影响溶强化效果的影响2022-6-23C使屈服强度每增加15MPa时，韧脆转变温度升高10；Si固溶强化但不能细化铁素体，因此提高8；Mn、Ni的参加降低A3，细化铁素体和珠光体，提高强度和韧度，降低5；铝形成AlN质点，细化晶粒，也提高强度和韧性，降低27。图图2-3铁素体铁素体-珠光体钢的各种强化机制和成分对屈服强度和韧珠光体钢的各种强化机制和成分对屈服强度和韧-脆转折温度的影响脆转折温度的影响2022-6-23 Nb、V、Ti合金化生成碳化物、氮化物和碳氮化物。不溶解于奥氏体

9、时对高温形变、再结晶长大和晶粒长大有抑制作用，其中 Ti的碳化物和氮化物不溶解，钉扎晶界，细化晶粒； Nb的碳化物和氮化物局部溶解，作用类似Ti。 V的碳化物全部溶解在奥氏体中，细化作用较弱。 VC 、 NbC、TiC细晶强化依次升高0.2%C。图图2-4微合金元素对钢加热时奥氏体晶微合金元素对钢加热时奥氏体晶粒长大倾向的影响粒长大倾向的影响2022-6-232 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；焊缝与母材结合牢优良的焊接性是指：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度与韧固，强度不低于母

10、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。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的元素。一般含量耐大气腐蚀性最有效的元素。一般含量:0.0250.25% Cu ，0.050.15 P 。 Cu具有具有正电位，附加阴极，在阳极电流下到达钝化状态。正电位，附加阴极，在阳极电流下到达钝化状态。CuP复合参加适量元素，那么复合参加适量元素，那么钢耐蚀性效果更佳。钢耐蚀性效果更佳。

11、如如09CuPCrNi-A、 09CuP、09CuPCrNi-B2022-6-23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，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

12、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2022-6-23本章内容 2.1 工程结构钢的根本要求工程结构钢的根本要求 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 2.3常用工程结构钢牌号常用工程结构钢牌号 2.4 微珠光体低合金高强度钢微珠光体低合金高强度钢 2.5针状铁素体钢针状铁素体钢 2.6 低碳贝氏体和马氏体钢低碳贝氏体和马氏体钢 2.7双相钢双相钢 2.8 低合金高强度钢开展趋势低合金高强度钢开展趋势2022-6-23 碳素构件用钢又称碳素结构钢或普碳钢，其产量占钢总产量的7

13、080，其中大局部用作结构件，少量做机械零件。特点：易于冶炼，价格低廉，热轧状态供货，一般不经热处理强化。分类GB/T7002006 Q195 Q215 Q235 Q2752.3常用常用工程结构钢牌号工程结构钢牌号普普通碳素结构钢通碳素结构钢2022-6-23 Q235A.F，Q屈服强度，235屈服强度值，A质量等级A、B、C、D由低到高，F沸腾钢。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。 F 沸腾；b半镇静钢；Z镇静钢；TZ特殊镇静钢2022-6-23一一普碳钢的化学成分普碳钢的化学成分表表2-1普碳钢的化学成分普碳钢的化学成分牌号等级化学成分B/%

14、CMnSiS P 脱氧方法Q1950.06-0.120.25-0.500.300.0500.045F、b、ZQ215A0.09-0.150.25-0.550.300.0500.045F、b、ZB0.045Q235A0.14-0.220.30-0.650.300.0500.045F、b、ZB0.12-0.200.30-0.700.045C0.180.35-0.890.0400.040ZD0.170.0350.035TzQ255A0.18-0.280.40-0.700.300.0500.045ZB0.045Q2750.28-0.380.50-0.800.350.0500.045Z注;1.摘自GB7

15、00-88。 2.F沸腾钢；b半镇静钢；Tz特殊镇静钢。 Q235A、B级含锰量上限为0.6%。2022-6-23二、普碳钢的力学性能二、普碳钢的力学性能表2-2普碳钢的力学性能GB15911988钢号等级拉伸试验冲击试验屈服点s/MPa抗拉强度b/MPa伸长率/% 温度/V型冲击吸收功（纵向）/J 钢材厚度（直径）/mm钢材厚度（直径）/mm161640406060100100150150161640406060100100150150Q195 (195)(185)315-3903332Q215A215205195185175165335-4103130292827262027BQ235A2

16、35225215205195185375-460262524232221B2027C0D-20Q255A255245235225215205410-5102423222120192027BQ275275265255245235225490-6102019181716152022-6-23三、碳素结构钢供货品种三、碳素结构钢供货品种 供货品种供货品种：钢板，钢带，钢管，槽钢，角钢板，钢带，钢管，槽钢，角钢，钢轨，钢筋，钢丝等钢，钢轨，钢筋，钢丝等碳素结构钢薄钢板碳素结构钢薄钢板 钢管钢管2022-6-23普通低合金结构钢 低合金构件用钢又称低合金结构钢低合金构件用钢又称低合金结构钢 或称普低钢普

17、通低合金高强度钢。或称普低钢普通低合金高强度钢。 开展普低钢的目的：减轻大型工程构件的重开展普低钢的目的：减轻大型工程构件的重量，提高使用的可靠性，节约钢材。量，提高使用的可靠性，节约钢材。成分特点：低碳，低合金。成分特点：低碳，低合金。性能特点：普低钢的屈服强度大大高于普碳钢。性能特点：普低钢的屈服强度大大高于普碳钢。 例如：常用的例如：常用的Q235与与16Mn(Q345)相比，含相比，含碳量相同，但碳量相同，但Mn提高到提高到1.2-1.6% ，屈服强度，屈服强度大大提高。大大提高。 Q235 s235MPa b 375460MPa 16Mn s345MPa b 510660MPa202

18、2-6-23 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，那么级，那么F-P类低合金高强度钢的强度也可到达类低合金高强度钢的强度也可到达800MPa 普低钢是工程结构钢中最主要的一类钢。有普低钢是工程结构钢中最主要的一类钢。有Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690八个牌号。前三个根据质量要求八个牌号。前三个根据质量要求分为分为A、B、C、D、E五个等级。后五个分为五个等级。后五个分为C、D、E级三个等级；级三个等级；A、B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级为特殊质量级，级为特殊质量级，有低温冲击韧性

19、要求。较有低温冲击韧性要求。较94标准后四个新增。标准后四个新增。专用低合金钢在钢号后加后缀。专用低合金钢在钢号后加后缀。16Mnq改为改为Q345q，16MnR 改为改为Q345R 组织：组织： 1025片层状片层状P+ 7590多边形多边形F。2022-6-23本章内容 2.1 工程结构钢的根本要求工程结构钢的根本要求 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 2.3工程结构钢牌号工程结构钢牌号 2.4 微珠光体低合金高强度钢微珠光体低合金高强度钢 2.5针状铁素体钢针状铁素体钢 2.6 低碳贝氏体和马氏体钢低碳贝氏体和马氏体钢 2.7双相钢双相钢 2.8 低合金高强度

20、钢开展趋势低合金高强度钢开展趋势2022-6-232.4微珠光体低合金高强度钢微珠光体低合金高强度钢82.4.1 微珠光体低合金高强度钢强化机理微珠光体低合金高强度钢强化机理 油气管线用钢要求有很好的焊接性、低温韧度和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。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。输送油气距离越长，压力越大，质量要求也越高。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；为保证强度强度，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

21、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。2022-6-23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 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。生产节约能源和资源，不用或少用生产节约能源和资源，不用或少用Me，改善，改善环境，环境，本钱，具有更高的经济效益。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如何形成微米级的超细晶是该

22、工程的核心技术和难点。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25m碳钢和碳钢和12m微合金钢。碳微合金钢。碳钢的钢的ReL由由200MPa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。2022-6-23控制轧制和控制冷却技术控制轧制和控制冷却技术控冷控轧工艺：高温形变热处理的一种，控冷控轧工艺：高温形变热处理的一种，人为地使奥氏体中形成大量铁素体相人为地使奥氏体中形成大量铁素体相变核心，控轧和控冷温度比通常低，变核心，控轧和控冷温度比通常低，获得大量细小的铁素体组织，提高钢获得大

23、量细小的铁素体组织，提高钢的强韧性。的强韧性。控制轧制实质就是形变强化和相变强化控制轧制实质就是形变强化和相变强化的结合；的结合；控制冷却是最大限度地细化铁素体晶粒，控制冷却是最大限度地细化铁素体晶粒，获得最正确的析出强化效应。获得最正确的析出强化效应。2022-6-23图中轧制温图中轧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核的形成核的形成 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大幅度晶粒细化大幅度晶粒细化强度和韧度。强度和韧度。图图2-52-5控制

24、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 2022-6-23 图图2.62.6 各种轧制程序模式图各种轧制程序模式图 CR：控制轧制：控制轧制 ；AcC:控制冷却控制冷却 2022-6-23微合金元素的作用微合金元素的作用图2.7微合金元素对钢的屈服强度的影响 G晶粒细化的奉献，ph析出强化的奉献。NbTiV2022-6-232.5 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，还必须采用针状性等要求更高的场合，还必须采用针状铁素体低合金高强度钢。铁素体低合金高强度钢。根本根本特点特点 针状铁素体针状铁素体

25、acicular ferrite，简写，简写AF钢钢: 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。ReL 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。 用于现场焊接条件极其寒冷地带管线。被用于现场焊接条件极其寒冷地带管线。被称为称为21世纪的控轧钢。世纪的控轧钢。2022-6-232.6 低碳贝氏体和马氏体钢低碳贝氏体和马氏体钢 1.低碳贝氏体钢低碳贝氏体钢是指含碳量是指含碳量为为0.100.15%，使用状态组织，使用状态组织为贝氏体的钢。贝氏体钢通常为贝氏体的钢

26、。贝氏体钢通常是在轧制空冷或控制冷却，直是在轧制空冷或控制冷却，直接获得贝氏体组织。接获得贝氏体组织。 低碳贝氏体钢与相同含碳量的低碳贝氏体钢与相同含碳量的铁素体铁素体-珠光体型钢相比，具有珠光体型钢相比，具有更高的强度和良好的韧度，屈更高的强度和良好的韧度，屈服强度可达服强度可达450980MPa。图图2-8低碳贝氏体钢上贝氏体与低碳贝氏体钢上贝氏体与下贝氏体的抗拉强度与韧脆转变下贝氏体的抗拉强度与韧脆转变温度的关系温度的关系2022-6-23主要主要特点特点 合金元素作用是保证在较宽冷速合金元素作用是保证在较宽冷速范围内获得以范围内获得以B为主的组织为主的组织成分特点成分特点: ? 0.5

27、%左右左右Mo + 微量微量B0.005% +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他钢结构。钢结构。 Q500 Q50014MnMoV14MnMoV和和14MnMoVBRE14MnMoVBRE钢是我国钢是我国开展的低碳贝氏体钢，屈服强度为开展的低碳贝氏体钢，屈服强度为490MPa490MPa级级2022-6-232.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工程机械上相对运动部件和低温下使用部件。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，参加，参加Mo、Nb、V、B及控制及控制M

28、n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。 如如:BHS-1钢的成分为。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。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。2022-6-232.7 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

29、，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M20% 双相钢。双相钢。 F中非常干净，中非常干净，C、N等间隙原子很等间隙原子很少；少；C和和Me大局部在大局部在M中。中。2022-6-23 强度 MPa 双相钢 600 400 普通钢 200 10 20 30 40 应变 / % 图2-9双相钢和普通钢应力应变曲线的比较性能性能 低低ReL，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ReL可达可达500700MPa。2022-6-23应应用用 冲压型双相钢主要是板材，广泛用冲压型双相钢主要