chd第2章工程结构钢

1、第2章 工程结构钢 1概念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、钢轨、高压容器、管道和建筑钢结构等。组织热轧态或正火态使用的低C钢;组织为F+P; B或M。性能要求足够高的强度、良好的塑性;适当的常温冲击韧性,有时要求适当的低温冲击韧性;良好的工艺性能。2大桥船舶屋架压力容器3 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%（质量分数,下同）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。 45碳素结构钢1、碳素工程结构钢的分类、成分及性能特点

2、 1)编号 Q屈服点质量等级脱氧 Q：表示屈服强度 屈服点：分为5个等级：195,215, 235,255, 275（MPa）56质量等级： 分A,B,C,D四个等级,表示对冲击试验的要求不一样。 A：不要求, B：20时27J。 C：0时27J, D：2027J。 脱氧：镇静钢：不表示。 沸腾钢：F； 半镇静钢：b。672)特点： (1)碳含量较低。0.06-0.38%C (2)热轧态供货,不需热处理,组织为FP。 (3) S,P含量随质量等级提高而减少。3)用途 主要用于工程结构钢。 产量大。72、Me对钢组织、性能的影响碳素工程结构钢中的根本元素是 Fe、C、Mn、Si、S、P 1）C

3、C 强度上升,塑韧性下降,焊接性能下降、冷脆性 及时效敏感性增加；2）Mn Mn是残留物,可以减轻S的有害性；3）Si 作为脱氧剂残留于钢中,可提高钢的强度硬度及弹 性,降低塑韧性；4）S 炼钢中残留的有害物质（热脆）。5）P P也为有害物质（冷脆）。H-氢脆O-夹杂有害物质83、常用碳素工程结构用钢3）Q235 C量适中,是最通用的工程构件用钢之一,具有 一定的强度、塑性及良好的焊接性；5）Q275 C、Si、Mn含量较高,具有较高的强度及硬度 较好的塑性及耐磨性,而塑性较低。4）Q255 良好的强度、塑韧性、焊接性及冷热压力加工。2）Q215 C、Mn含量低,强度不高,塑韧性好,同时具有良

4、好的焊接性能及工艺成型性。1）Q195 C、Mn含量低,强度不高,塑韧性高；9Q195（0.06-0.12%C）、Q215（0.09-0.15%C）、Q235（A（0.14-0.22%C）、B（0.12-0.20%C）、Q255（0.18-0.28%C）、Q275（0.28-0.38%C） 碳素结构钢的钢号用屈服强度表示。这类钢主要用于制造一般的机械零件和工程构件。屈sQ19510111213141516172.1 工程结构钢的根本要求 工程结构件长期受静载；互相无相对运动受大气（海水）的侵蚀；有些构件受疲劳冲击；一般在-50100范围内使用；如：桥梁、船舶等受到像风力或海浪冲击.服役条件生产

5、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。18组织热轧态或正火态使用的低C钢;组织为F+P; B或M。性能要求足够高的强度、良好的塑性;适当的常温冲击韧性,有时要求适当的低温冲击韧性;良好的工艺性能。2.2 低合金高强度结构钢的合金化192.2 低合金高强度结构钢的合金化1、Me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。 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

6、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,s85MPa,TK,量多时可大为降低塑韧性,所以Si控制在1.1%20Mn 固溶强化作用大,1%Mn,s33MPa。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NbAlV。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。21 合金元素对低合金高强度钢的固溶强化 钢的韧脆转折温度与碳含量的关系 22（a）强化机制的影响 （b）成分的影响图 铁素体-珠光体钢的各种强化机制和成份对屈服强 度和韧-脆转折温度的影响 23细化晶粒

7、的主要措施有： 1）用Al脱氧时形成AlN质点； 2）用Ti、Nb、V等元素合金化时形成碳化物、氮化物以及碳氮化物（如下图） 3）用Cr、Ni、Mn等元素降低A3温度,使奥氏体在更低温度转移而细化铁素体晶粒和珠光体区域。 24沉淀强化 利用V、Nb、Ti的微合金化,使过冷奥氏体发生相间沉淀和铁素体中析出弥散的碳化物和碳氮化物,产生沉淀强化。 微合金钢中的主要沉淀强化相有VC、NbC、TiC以及Nb(C,N)等。252、Me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。控制C C 焊缝处硬

8、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:0.0250.25% Cu ,0.050.15 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,则钢耐蚀性效果更佳。 如090CuPCrNi-A、 09CuP、09CuPCrNi-B26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

9、为35J；焊接钢板在三个月后由92J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27常用工程结构钢 铁素体-珠光体（F-P）钢 碳素工程结构钢 低合金高强度钢 微合金钢 低碳贝氏体钢和马氏体钢 低碳贝氏体钢 针状铁素体钢 低碳马氏体钢 双相钢 282.3 铁素体-珠光体钢 最新研究成果：如F晶粒尺寸细化到级,则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。

10、 组织： 1025片层状P+ 7590多边形F。291、常用碳素工程结构用钢3）Q235 C量适中,是最通用的工程构件用钢之一,具有 一定的强度、塑性及良好的焊接性；5）Q275 C、Si、Mn含量较高,具有较高的强度及硬度 较好的塑性及耐磨性,而塑性较低。4）Q255 良好的强度、塑韧性、焊接性及冷热压力加工。2）Q215 C、Mn含量低,强度不高,塑韧性好,同时具有良好的焊接性能及工艺成型性。1）Q195 C、Mn含量低,强度不高,塑韧性高；30 Me对钢组织、性能的影响碳素工程结构钢中的根本元素是 Fe、C、Mn、Si、S、P 1）C C 强度上升,塑韧性下降,焊接性能下降、冷脆性 及时

11、效敏感性增加；2）Mn Mn是残留物,可以减轻S的有害性；3）Si 作为脱氧剂残留于钢中,可提高钢的强度硬度及弹 性,降低塑韧性；4）S 炼钢中残留的有害物质（冷脆）。5）P P也为有害物质（冷脆）。H-氢脆O-夹杂有害物质312、低合金高强度结构钢（1）低碳,这类钢中碳的质量分数一般小于0.25%,主要是为了获得较好的塑性、韧性、焊接性能。（2）主加合金元素主要是Mn,加很少Cr和Ni,是经济性能较好的钢种。Mn能细化珠光体和铁素体晶粒；Mn的含量在1%1.5%范围内可促进铁素体在形变时发生交滑移,同时,锰还使三次渗碳体难于在铁素体晶界析出,减少了晶界的裂纹源,这也将改善钢的冲击韧性。Mn的

12、参加还可使Fe-Fe3C相图中的S点左移,使基体中珠光体数量增多,致使强度不断提高。低合金高强度结构钢的特点设计准则32（3）辅加合金元素Al、V、Ti、Nb等,既可产生沉淀强化作用,还可细化晶粒,从而使强韧性得以改善。（4）参加一定量的Cu和P,改善这类钢的耐大气腐蚀性能。Cu元素沉积在钢的外表,具有正电位,成为附加阴极,使钢在很小的阳极电流下到达钝化状态；P在钢中可以起固溶强化的作用,也可以提高耐蚀性能；Ni和Cr都能促进钢的钝化,减少电化学腐蚀；（5）参加微量稀土元素可以脱硫去气,净化钢材,并改善夹杂物的形态与分布,从而改善钢的力学性能和工艺性能。低合金高强度结构钢的特点33低碳铁素体/

13、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2-5m（碳钢）和12m（微合金钢）。碳钢的s由200MPa提高到350400MPa；低合金钢由350400MPa提高到600700MPa。34 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352.4 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。油气管线用钢要求有很好的焊接性、低温韧度和强度等综合性

14、能。输送油气距离越长,压力越大,质量要求也越高。油气管线用钢开展为微P低合金高强度钢。强化机理 对F-P钢, P量每10%,将使TK22。 油气管线用钢:C, 0.1%；为保证,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。362、微合金元素的作用 Nb、V、Ti单元或复合是常用的,其作用主要有细化晶粒组织和析出强化。微合金元素细化钢晶粒主要通过以下两种方式： （1）阻止加热时奥氏体晶粒长大 （2）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

15、、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。 37 沉淀析出强化相主要是低温下析出的Nb(C,N)和VC。 Nb0.04%时,Gph；Nb0.04%时,ph增量大大增加,而G保持不变。V引起析出强化增量ph最显著,而Ti的作用处于Nb和V之间。 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） 38Nb对微合金化钢强度和塑性的影响39V对微合金化钢强度和塑性的影响403、微合金化与热机械轧制（1）成分控制 保证低碳,参加微量的一定量的微合金化元素,获得极细的晶粒度。（2）热机械轧制热轧控制 包括控制轧制和控制冷却。其

16、中,控制轧制实质上是形变强化和相变强化的结合；控制冷却时最大限度地细化铁素体晶粒及获得最正确的析出强化效应。（3）微合金化元素的作用（如前面所述）41控制热轧和控制冷却的工艺参数（了解）轧制过程可分为加热、粗轧和精轧三个阶段。42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 43 图 各种轧制程序模式图 CR：控制轧制 ；AcC:控制冷却 442.5 针状铁素体钢 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高强度钢

17、。根本特点 针状铁素体（acicular ferrite,简写AF）钢实际上属于超低碳贝氏体钢。 0.06C + 适量Mn、Mo、Nb等 具有高密度位错（1010cm2）亚结构的“针状F组织（超低碳B）。s 达700800MPa,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。45合金元素的作用碳 低碳量是为了增加Nb的碳化物沉淀；降低对韧性的损害。锰 Mn推迟铁素体-珠光体相变,降低 BS点,使针状的铁素体在450以下形成；也是固溶强化元素。钼 Mo能有效地推迟铁素体而不影响贝氏体相变；Mo与Mn联合使用还有利于得到细晶粒的针状铁素而不是粗大的多边形铁素

18、体。铌 通过沉淀相Nb(C,N)的析出能有效地产生沉淀强化,并且在奥氏体热轧时,沉淀相Nb(C,N)也可以细化晶粒。46针状铁素体钢的用途应用于制造寒带输送石油和天然气的管线。472.6 低碳贝氏体和马氏体钢 低碳贝氏体钢是指含碳量为0.100.15%,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450980MPa .48 显著推迟先共析铁素体和珠光体转变,而对贝氏体转变推迟较少。 低碳贝氏体钢右图： 低碳钼钢和钼硼钢的过冷奥氏体恒温转变开始曲线。 Mo和

19、B的添加49 进一步推迟先共析铁素体和珠光体转变,并使Bs点下降,以获得具有更高强度和低得多的韧-脆转变温度的下贝氏体组织。右图 低碳贝氏体钢中贝氏体的抗拉强度和韧脆转化温度的关系 再参加Mn、Cr、Ni等元素50 合金化 以0.5%Mo,或0.5%Mo+B为根底,同时参加Mn,Cr,Ni及V,Ti,Nb。（1）Mo,B：保证空冷条件下获得贝氏体组织。 原因：强烈推迟先共析铁素体析出和珠光体转变。（2） Cr,Ni,Mn： 增加淬透性,使贝氏体转变温度降低,便于得到下贝氏体组织,具有更低的脆性转变温度。（3）V,Ti,Nb： 细化晶粒,弥散强化。51主要特点 合金元素是保证在较宽的冷速范围内获

20、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和其他钢结构。 14MnMoV和14MnMoVBRE钢是我国开展的低碳贝氏体钢,屈服强度为490MPa级52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,要求有更高的强度和良好的韧性。 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0.10C-1.80Mn-0.45Mo-0.05Nb。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。532.7 双相钢成分主要成分为： 0.2%C,1.21.5%Si,0.81.5%Mn,0.45%Cr,0.4%Mo,少量V 、Nb、Ti。（质量分数）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.54 强度 MPa 双相钢 600 400 普通钢 200 10 20 30 40 应变 / % 双相钢和普通钢应力应变曲线的比较性能 低s,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