工程结构用钢

5.2工程结构用钢苏通大桥国家大剧院5.2工程结构用钢

5.2.1工作条件、常见失效形式与性能要求5.2.2化学成分、强化途径、热处理特点与相应组织5.2.3碳素结构钢(简称普碳钢)5.2.4低合金结构钢（低合金高强度钢，或普低钢）5.2.5进一步提高低合金结构钢性能的途径5.2.1工作条件、常见失效形式与性能要求

工程结构件如船舶的船体、桥梁、管道和建筑钢结构、压力容器等。此类构件一般不做相对运动，长期承受静载荷作用；有一定使用温度要求，如锅炉的使用温度可达250℃以上，而桥梁可在-30℃~-50℃寒冷的低温条件下使用；通常暴露在野外大气或海水浸蚀条件下服役，而又不可能象机器那样很好地进行防锈维护；在成型过程中经受剧烈的冷变形，如冷弯、冲压、剪切，经焊接而成等。

常见的失效形式有在生产成型过程中钢板发生破裂，或钢板成型焊接过程中由于热影响区产生裂纹而失效，在严寒的天气下使用时船体或桥梁发生断裂等。因此，构件用钢通常要求具备如下使用性能要求：

在满足良好的冷变形性与可焊性等工艺性能前提下，要求有较高的σS、σb、良好的δ、ψ，以保证足够的抗塑变及抗破断能力；较低的韧脆转变温度（TK）及缺口敏感性，以防止构件脆性断裂；为使构件在长期静载荷作用下结构稳定，不易产生弹性变形，更不允许产生塑性变形与破断，要求构件用钢E大，有足够的刚度。为使构件在大气或海水中能长期稳定工作，构件用钢应具有一定的耐大气或海水腐蚀性。为制成各种构件，需将钢厂供应的棒、板、型、管、带材等先进行必要冷变形，制成各种部件，然后用焊接或铆接方法连接起来，因此要求钢材应具有很好的冷变形和可焊性。此点与其他钢种的情况有所不同。螺纹钢圆钢南京长江大桥钢板热连轧钢板黄河小浪底枢纽工程型钢管线钢5.2.2化学成分、强化途径、热处理特点与相应组织

目前绝大多数工程结构用钢都采用低碳钢（wC≤0.2%），通常在热轧空冷或正火状态下使用，其基本组织是F+P（S），通过加入合金元素（wMe＜5%，一般＜3%）来提高强韧性。固溶强化，强化F（wMn≤2%，wSi≤0.80%，wCu0.25%~0.50%，wP≤0.1%）；细晶强化（用Al脱氧—生成细小弥散的AlN质点，用Ti、Nb、V的微合金化生成弥散的氮化物、碳化物和碳氮化合物等，钉扎晶界、阻碍A晶粒长大，转变后细化F和P）；沉淀强化（析出弥散的碳、氮化合物）；增加P组织的含量。5.2.3碳素结构钢

(碳素构件用钢，简称普碳钢)

碳素结构钢（其典型钢号Q235）：易于冶炼、工艺性能好、价格低廉，工程上用量很大，约占钢总产量的70%~80%，一般不经热处理强化，大多以热轧成品供货，少数以冷轧成品供货（冷轧成形后须经再结晶退火处理）。表5-7碳素结构钢的牌号、力学性能与应用5.2.4低合金高强度钢

（低合金结构钢，或普低钢）

低合金结构钢（典型钢号16Mn，或Q345）：为提高碳素钢的强度，而加入少量Me，利用Me产生固溶强化、细晶强化和沉淀强化。16Mn（Q345），具有较高的强度、良好的塑性和低温韧性及焊接性，是我国此类钢中产量最多、用途极广的钢种；其中Mn含量为1.2%~1.6%，起固溶强化作用，细化F晶粒，降低TK温度；它广泛用于制造钢筋、建筑钢结构，桥梁、船体、车辆、容器等；热轧空冷或正火态下使用，相应组织为F+P（S）。低合金结构钢的牌号、成分、力学性能与用途武汉长江大桥用钢Q235(A3)钢制造，主跨跨度为128m南京长江大桥用钢Q345(16Mn)钢制造，主跨跨度为160m九江长江大桥用钢Q420(15MnVN)钢制造，主跨跨度为216m5.2.5提高低合金高强度钢性能的途径1.发展微合金化低碳高强度钢2.发展新型超细组织低（超低）碳贝氏体钢低合金高强度钢的发展趋势是：i微合金化与先进TMCP技术相结合，以达最佳强韧化效果。加入少量V、Ti、Nb等微合金化元素，通过TMCP控制再结晶及DIFT等过程，使钢的晶粒细化，进而达到强韧化效果。ii通过多元微合金化（如Cr、Mn、Mo、Si、B等）改变基体组织（在热轧空冷下获得贝氏体B组织，甚至马氏体M组织），提高强度。iii超低碳化。为保证韧性与焊接、冲压性能，需进一步降低C含量，甚至降至10-6数量级，此时须采用真空冶炼、真空去气等先进冶炼工艺。具体表现在以下几方面：1.发展微合金化低碳高强度钢（1）微合金化及强韧化特点微合金元素在钢中的主要作用是：晶粒细化强化仍是最重要的强化方式，具体表现在：高温均热未溶的细小微合金碳氮化物阻止晶粒长大；再结晶控轧，通过形变A发生再结晶及适当形变诱导析出的微合金碳氮化物阻止再结晶晶粒长大，而细化A晶粒；未再结晶控轧技术通过大形变量的累积使A晶粒严重拉长并积蓄相当大的形变储能，从而在γ→α相变后获得非常细小F晶粒；形变诱导F相变技术，通过推进γ→α相变获得非常细小F晶粒；轧制过程中或轧制后适当加速冷却，通过抑制轧制变形A晶粒的长大及压低γ→α相变温度，可进一步细化F晶粒。

微合金碳氮化物的沉淀硬化也是低合金高强度钢中采用的重要的强化方式。Mn的固溶强化也是普遍采用的强韧化方式，而且还可提高相变细化F晶粒的效果。

微合金元素与钢中的C、N、O、S等非金属元素有强烈的亲和力，当它们与钢中残存的C、N、O、S元素结合后，就可以固定这些非金属元素，抑制其有害作用。1.发展微合金化低碳高强度钢

（1）微合金化及强韧化特点成分特点是低碳，高锰并加入微量合金元素V、Ti、Nb、Zr、Cr、Ni、Mo及Re元素等。常用C含量为0.12%～0.14%，甚至降至0.03%～0.05%,降低C含量主要是从保证塑性、韧性和可焊性等方面考虑。微量合金元素复合（0.01%～0.1%之间）加入对钢的组织、性能的影响主要表现在：改变钢的相变温度、相变时间，从而影响相变产物的组织和性能；细晶强化；沉淀强化；改变钢中夹杂物的形态、大小、数量和分布；可严格控制P的体积分数，从而获得少P钢、无P钢（如针状F）乃至无间隙固溶钢等新型微合金化钢种。1.发展微合金化低碳高强度钢（2）冶金工艺特点微合金化必须与先进的TMCP技术相结合，才能发挥其强韧化作用。（3）无单独钢类

其并非一特定钢类，通常在低碳高强度钢中就包含大量微合金化低碳高强度钢种，同时在许多未标注微Me的低碳高强度钢中也允许加入微Me而使其成为实际上的微合金化低碳高强度钢。

1.发展微合金化低碳高强度钢（4）微合金化低碳高强度钢应用例解①汽车壳体用的超低碳深冲无间隙原子钢（IF钢）使用炉外精炼等先进冶炼技术，降低钢中C含量（wC0.005％～0.01％），加入Ti、Nb元素固定C、N元素，从而得到了无间隙原子的纯净F，此即无间隙原子钢，简称IF钢(InterstitialFreeSteel)。由于其具有优良的深冲性能，几乎可满足各种复杂的冷冲压成形件的性能要求，可取代08F、08Al等冲压用钢，主要用于汽车冲压用钢，也用于船舶和家用电器行业等。②桥梁用微合金钢目前我国桥梁钢的ReL(σs)为245～440MPa，远低于国外（如美国的ReL达700MPa）。桥梁用微合金钢基本上以C-Mn钢为基，再根据需要添加一种（主要为Nb）或多种微合金化元素（V、Ti、Nb，及少量Cu、P、Cr等）。例如我国为满足高强度、性能稳定、更大跨度铁路桥梁建造的需要，运用炉外精炼及TMCP技术开发出强韧性匹配好、焊接性优良的14MnNbq钢（其ReL≥390MPa），成功建造了芜湖长江大桥（其主跨跨度为312m）、武汉长江二桥和南京长江二桥等。芜湖长江大桥←南京长江二桥

2.发展新型超细组织低（超低）碳B钢这是一类高强度（Rm（σb）＞600MPa）、高韧性、多用途、低成本、节能环保新型钢种。由于其C含量已降至0.05%左右，因而彻底消除了碳对B组织韧性不利影响，在新型TMCP后可得到细小的含有高位错密度的B基体组织。其强度不再依靠钢中C含量，而主要通过细晶强化