工程构件用合金结构钢

Chapter2

工程构件用合金结构钢Chapter2工程构件用合金结构钢主要内容第一节低合金高强度结构钢第二节微合金化钢第三节低碳贝氏体型钢

针状铁素体型钢铁素体-马氏体双相钢第四节新一代钢铁材料重点与难点：工程结构件用钢的力学性能特点、耐大气腐蚀性及微量合金元素的作用。

Chapter2工程构件用合金结构钢教学要求基本要求：了解工程结构件用钢的力学性能特点、耐大气腐蚀性及加工工艺性能；熟悉常用碳素构件用钢和低合金构件用钢。一、应用背景工程构件用合金结构钢是在普通碳素结构钢的基础上发展起来的，主要用于制造各种大型金属结构（如桥梁、船舶、屋架、锅炉及压力容器等）的钢材。2.0引言Chapter2工程构件用合金结构钢二、工程构件的服役特点不作相对运动，长期承受静载荷作用；有一定的使用温度和环境要求：如寒冷的北方，构件在承载的同时，还要长期经受低温的作用；桥梁或船舶则长期经受大气或海水的浸蚀；电站锅炉构件的使用温度则可达到250℃以上。2.0引言Chapter2工程构件用合金结构钢三、力学性能要求一是弹性模量大，以保证构件有更好的刚度；二是有足够的抗塑性变形及抗破断的能力，即σs和σb较高，而δ和ψ较好；三是缺口敏感性及冷脆倾向性较小等；四是要求具有一定的耐大气腐蚀及海水腐蚀性能。2.0引言Chapter2工程构件用合金结构钢四、工艺性能要求良好的冷变形性能；良好的焊接性能。

2.0引言Chapter2工程构件用合金结构钢力学性能为辅工艺性能为主五、成分设计要求低碳（wC%≤0.25%）；加入适量的合金元素提高强度:(1)当合金元素含量较低时，如低合金高强度结构钢和微合金化钢，其基体组织是大量的铁素体和少量的珠光体；(2)当合金元素中含量较多时，基体组织可变为贝氏体、针状铁素体或马氏体组织。2.0引言Chapter2工程构件用合金结构钢六、供货状态大部分构件通常是在热轧空冷（正火）状态下使用；有时也在回火状态下使用。2.0引言Chapter2工程构件用合金结构钢鞍钢1700精轧机组现场图

2.1低合金高强度结构钢

一、低合金高强度结构钢也称为普通低合金钢（简称普低钢），这类钢是为了适应大型工程结构（如大型桥梁、大型压力容器及大型船舶等）、减轻结构重量、提高使用的可靠性及节约钢材的需要而发展起来的。

2.0引言Chapter2工程构件用合金结构钢二、普普通低低合金金高强强度结结构钢钢的化化学成成分特特点（1））低碳，这类类钢中中碳的的质量量分数数一般般小于于0.2%，主主要是是为了了获得得较好好的塑塑性、、韧性性、焊焊接性性能。。（2）主加合合金元元素主主要是是Mn，很少加加Cr和Ni，是经经济性性能较较好的的钢种种。2.1低低合金金高强强度结结构钢钢Chapter2工工程构构件用用合金金结构构钢Mn能能细化化珠光光体和和铁素素体晶晶粒；；Mn的的含量量在1%~1.5%范围围内可可促进进铁素素体在在形变变时发发生交交滑移移，使使[112]〈〈111〉〉滑移移系在在低温温下仍仍其作作用，，同时时，锰锰还使使三次次渗碳碳体难难于在在铁素素体晶晶界析析出，，减少少了晶晶界的的裂纹纹源，，这也也将改改善钢钢的冲冲击韧韧性；；Mn的的加入入还可可使Fe-Fe3C相图图中的的S点点左移移，使使基体体中珠珠光体体数量量增多多，致致使强强度不不断提提高。。2.1低低合金金高强强度结结构钢钢Chapter2工工程构构件用用合金金结构构钢（3）辅加合合金元元素Al、、V、、Ti、Nb等等，既可可产生生沉淀淀强化化作用用，还还可细细化晶晶粒，，从而而使强强韧性性得以以改善善。（4）加入一一定量量的Cu和和P，，改善善这类类钢的的耐大大气腐腐蚀性性能。。Cu元素沉沉积在在钢的的表面面，具具有正正电位位，成成为附附加阴阴极，，使钢钢在很很小的的阳极极电流流下达达到钝钝化状状态。。P在钢中中可以以起固固溶强强化的的作用用，也也可以以提高高耐蚀蚀性能能；Ni和Cr都能促促进钢钢的钝钝化，，减少少电化化学腐腐蚀；；加入微微量的的稀土土金属属也有有良好好的效效果。。2.1低低合金金高强强度结结构钢钢Chapter2工工程构构件用用合金金结构构钢（5））加入微微量稀稀土元元素可可以脱脱硫去去气，，净化化钢材材，并并改善善夹杂杂物的的形态态与分分布，，从而而改善善钢的的力学学性能能和工工艺性性能。。2.1低低合金金高强强度结结构钢钢Chapter2工工程构构件用用合金金结构构钢总之，，普通通低合合金高高强度度结构构钢合合金化化的思思路是是：低低碳，，以Mn为为基础础，适适当加加入Al、、V、、Ti、Nb、、Cu、P及稀稀土等等合金金元素素。我国低低合金金高强强度结结构钢钢的牌号是按屈屈服强强度的的高低低来分分类的的，共共5个级别别，21个钢种种。我国低低合金金高强强度结结构钢钢的化学成成分、、力学学性能能和特特性及及用途途分别如如表2-1、表2-3所示。。2.1低低合金金高强强度结结构钢钢Chapter2工工程构构件用用合金金结构构钢一、微微合金金化钢钢是70年代代在低低合金金高强强度结结构钢钢基础础上发发展起起来的的一大大类高高强度度低合合金钢钢。其化学学成分分特点点是加加入适适量的的微合合金化化合金金元素素，如如钛、、铌、、钒等等；其工艺艺特点点是运运用控制轧轧制和控制冷冷却生产工工艺。。通过化化学成成分和和制备备工艺艺的最最佳配配合达达到了了铁素素体型型钢的的最佳佳强化化效果果，即即细化化晶粒粒强化化和沉沉淀强强化的的最佳佳组合合。2.2微微合金金化钢钢Chapter2工工程构构件用用合金金结构构钢二、微微量合合金元元素钛钛、铌铌、钒钒等的的作用用1.抑抑制奥奥氏体体形变变再结结晶在热加工工过程中中，通过过固溶、偏偏聚在奥奥氏体晶晶界、应应变诱导导析出氮氮化物，，阻止了了奥氏体体再结晶晶的晶界界和位错错运动，从而抑抑制再结结晶过程程的进行行。2.2微微合金金化钢Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢图2-1Nb、V和Ti对再结晶晶临界温温度的影影响强弱延缓奥氏氏体再结结晶能力力Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢2.2微微合金金化钢2.阻止止奥氏体体晶粒的的长大通过加入入钛和铌铌形成TiN或或Nb(C,N)，它它们在高高温下非非常稳定定，其弥弥散分布布对控制制高温下下的晶粒粒长大有有强烈的的抑制作作用。微量铌（（w≤0.06%）形形成的Nb(C,N)阻止止奥氏体体晶粒长长大作用用可达1150℃；微量钛（（w≤0.02%）以以TiN从高温温固态钢钢中析出出，呈弥弥散分布布，对阻阻止奥氏氏体晶粒粒长大很很有效。。2.2微微合金金化钢Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢2.2微微合金金化钢Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢图2-2Nb、V和Ti对正火态态低合金金钢晶粒粒度的影影响细化晶粒粒的作用用强弱3.形成成沉淀相相促进沉沉淀强化化作用钛和铌的的碳化物物和氮化化物有足足够低的的固溶度度和高的的稳定性性。钒只有在在氮化物物中才这这样。一一般微合合金化钢钢中的沉沉淀强化化相主要要是低温温下析出出的Nb(C,N)和和VC。。当w(Nb)≤0.04%时时，其细细化晶粒粒对屈服服强度的的贡献大大于沉淀淀强化的的作用；当w(Nb)＞0.04%时时，其沉沉淀强化化作用对对屈服强强度的贡贡献大于于细化晶晶粒的作作用。2.2微微合金金化钢Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢微合金化化元素钒钒的沉淀淀强化对对屈服强强度的作作用最大大，而钛钛的作用用处于铌铌和钒之之间。图2-3微合金元元素对钢钢屈服强强度的影影响σG—细化晶晶粒强化化的贡献献；σph—沉淀强强化的贡贡献Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢2.2微微合金金化钢4.改善善钢的显显微组织织钛、钒、、铌等合合金碳化化物和氮氮化物随随奥氏体体化温度度的升高高有一定定的溶解解量，溶溶于奥氏氏体的微微合金化化元素提提高了过过冷奥氏氏体的稳稳定性，，降低了了发生先先共析铁铁素体和和珠光体体的温度度范围，，低温下下形成的的先共析析铁素体体和珠光光体组织织更细小小，并使使相间沉沉淀Nb(C,N)和和V(C,N)的粒子子更细小小。2.2微微合合金金化化钢钢Chapter2工工程程构构件件用用合合金金结结构构钢钢2.2微微合合金金化化钢钢Chapter2工工程程构构件件用用合合金金结结构构钢钢2.2微微合合金金化化钢钢Chapter2工工程程构构件件用用合合金金结结构构钢钢三、、控控制制轧轧制制与与控控制制冷冷却却钢材材的的热热轧轧工工艺艺（（如如钢钢坯坯的的加加热热温温度度、、保保温温时时间间、、开开轧轧温温度度、、轧轧制制道道次次和和道道次次变变形形量量、、终终轧轧温温度度以以及及轧轧后后冷冷却却等等参参数数））对对钢钢材材的的力力学学性性能能有有重重要要影影响响。。由于于在在普普低低钢钢中中加加入入微微量量的的Nb、、V等等合合金金元元素素可可以以产产生生显显著著的的沉沉淀淀强强化化效效应应，，但但同同时时也也使使钢钢的的冷冷脆脆性性倾倾向向增增大大。。所所以以要要生生产产强强韧韧性性钢钢还还必必须须采采取取相相应应的的韧化化措措施施，即即采采用用控制制轧轧制制和控制制冷冷却却工艺艺来来细细化化铁铁素素体体晶晶粒粒。。2.2微微合合金金化化钢钢Chapter2工工程程构构件件用用合合金金结结构构钢钢1.控制制轧轧制制是将加入微微合金化元元素的普低低钢加热到到高温（1250℃℃~1350℃）进进行轧制，，但必须将将终轧温度度控制在Ar3附近。控制制轧制本质质上是形变变热处理的的一种派生生形式，其其主要目的的是细化晶晶粒组织，，从而提高高热轧钢的的强韧性。。2.2微微合金化钢钢Chapter2工程构构件用合金金结构钢在高于1200℃时时，一方面，钢中的铌、、钛的碳氮氮化物部分分溶解于奥奥氏体，以以便在随后后的轧制过过程中析出出，起抑制制再结晶和和控制奥氏氏体晶粒长长大的作用用；在轧制制完毕的冷冷却过程中中，又有部部分弥散的的碳化物析析出起沉淀淀强化作用用。另一方面，，未溶的铌、、钛的碳氮氮化物起阻阻止钢坯的的奥氏体晶晶粒过渡长长大的作用用。2.2微微合金化钢钢Chapter2工程构构件用合金金结构钢控制轧制通通常由三个个阶段组成成：第一阶段是高温下的的再结晶区区变形；第二阶段是在紧靠Ar3以上的低温温无再结晶晶区变形；；第三阶段是在奥氏体体-铁素体体两相区变变形。2.2微微合金化钢钢Chapter2工程构构件用合金金结构钢图2-6控制轧制三三个阶段及及每个阶段段变形时显显微组织的的变化示意意图Chapter2工程构构件用合金金结构钢2.2微微合金化钢钢常规热轧和和控制轧制制之间的差差别在于常规热轧的的铁素体形核核只在A晶晶界上形成成；控制轧制的的奥氏体晶晶粒被形变变带划分为为几个部分分，使得铁素体形核核不仅发生生在奥氏体体晶界上，，而且还在在奥氏体的的晶内。2.2微微合金化钢钢Chapter2工程构构件用合金金结构钢若将一般热热轧与控制制轧制比较较，可以发发现它们与与正火与淬淬火之间的的关系:相似:在控制轧制制和淬火钢钢中，奥氏体晶粒粒被分割为为几部分，，从而形成成非常细小小的晶粒组组织。区别:控制轧制和和淬火分割割奥氏体晶晶粒的区别别在于，控制轧制是是依靠变形形带，淬火火是依靠马马氏体相变变。2.2微微合金化钢钢Chapter2工程构构件用合金金结构钢控制轧制通通常有两种种工艺：传统的控制制轧制，即当控制制轧制是在低于再结晶终止止温度时变变形，此时已变变形的奥氏氏体或发生生再结晶但但晶粒来不不及长大，，或者仅达达到回复状状态未发生生再结晶，，奥氏体在在形变道次次时间终了了时，实际际上仍保持持加工状态态的薄饼形形晶粒。随后通过控控制冷却使使得铁素体在奥奥氏体晶界界和晶内滑滑移带上多多处形核得到极细小小的铁素体体晶粒。2.2微微合金化钢钢Chapter2工程构构件用合金金结构钢微合金化元元素的作用用是为了在热热加工时应应变诱导析析出，阻碍碍奥氏体再再结晶，升升高奥氏体体的再结晶晶温度。只有Nb(C,N)是最理想想的应变诱诱导析出相相；TiN由于沉淀温温度太高，，不能成为为应变诱导导析出相；；而VN和VC沉淀的温度度太低，不不能用来抑抑制奥氏体体再结晶，，只能用作作沉淀强化化相。2.2微微合金化钢钢Chapter2工程构构件用合金金结构钢传统的控制制轧制工艺艺的缺点是终轧温度度较低，一一般要低于于900℃℃，此时钢钢的强度因因温度降低低而升高，，轧制时变变形抗力增增大，必须须有高功率的强强力轧机才能实现这这种工艺。。2.2微微合金化钢钢Chapter2工程构构件用合金金结构钢再结晶控制制轧制，即当控制制轧制是在高于再结晶终止止温度时变变形，此时奥氏氏体要发生生再结晶，，因此必须须抑制热变变形后再结结晶奥氏体体的粗化和和避免应变变诱导析出出。微合金化元元素的作用用加入钛使钢在液凝凝后的冷却却过程中析析出稳定弥弥散的TiN质点，，可抑制经经反复形变变再结晶细细化的奥氏氏体晶粒长长大，当反反复多道次次形变和再再结晶后，，奥氏体晶晶粒得到细细化。2.2微微合金化钢钢Chapter2工程构构件用合金金结构钢由于终轧温温度高（高高于950℃），形形变不能诱诱导V(C,N)相相产生，所所以不能阻阻碍奥氏体体再结晶，，加入微合合金化元素素钒只作为低温温析出的沉沉淀强化相相。由此发展了了高于再结结晶温度控控轧的V-Ti-N钢。这种种钢可以通通过控制轧轧制得到极极细小的铁铁素体晶粒粒和珠光体体团。再结晶控制制轧制工艺艺的优点是特别适合合在不能进进行低温轧轧制的低功率轧机机上实施，或或者在锻造造时使用。。2.2微微合金化钢钢Chapter2工程构构件用合金金结构钢2.控制冷却工工艺对获得得细小的铁铁素体晶粒粒和沉淀强强化相极为为重要。对于截面较较厚的钢材材，冷却速度过过慢时，对于截面面较厚的钢钢材，析出出的先共析析铁素体将将长大，珠珠光体团和和片层也粗粗化，这就就降低了钢的的强度和韧韧性；对于微合金金化钢，冷却速度过过慢时，发生相间间沉淀的温温度较高，，沉淀相过过于粗大，，减弱了沉淀淀强化效应应。2.2微微合金化钢钢Chapter2工程构构件用合金金结构钢根据钢材截截面的厚度度不同，控制冷却可以采用强强制风冷、、喷雾、喷喷水等措施施来控制冷冷却速度。。2.2微微合金化钢钢Chapter2工程构构件用合金金结构钢冷却速度过过快时，钢的塑性和和韧性又较较差。所以，在连连轧钢板生生产过程中中，控制钢板的的卷取温度度也很重要要，卷取温度度一般控制制在600℃~650℃，使使钢板在600℃以以下冷却速速度减慢，，以便改善善钢材的塑塑性和韧性性。2.2微微合金化钢钢Chapter2工程构构件用合金金结构钢控制轧制和和控制冷却却的主要工工艺参数①选择合适适的加热温度，以获得细细小而均匀匀的奥氏体体晶粒；②选择适当当的轧制道次和和每道的压压轧量，通过回复复再结晶获获得细小的的晶粒；③选择合适适的在再结晶区区和无再结结晶区停留留时间和温温度，以使再结结晶的晶粒粒内产生形形变回复的的多边化亚亚结构；2.2微微合金化钢钢Chapter2工程构构件用合金金结构钢④在铁素体-奥氏体两两相区选择择适宜的总总压下量和和轧制温度度；⑤控制冷却速度。2.2微微合金化钢钢Chapter2工程构构件用合金金结构钢经控制冷却却后的优质质中板2.3低低碳贝氏体体型钢、针针状铁素体体型钢及铁铁素体-马马氏体双相相钢背景具有铁素体体-珠光体体组织的低低合金钢和和微合金化化钢的屈服服强度的极极限约为460MPa。若要求更高高强度和韧韧性的配合合，就需要要考虑选择择其它类型型组织的低低合金钢，如采用相相变强化的的方法，因因而发展了了低碳贝氏氏体型、低低碳索氏体体型及低碳碳马氏体型型钢。Chapter2工程构构件用合金金结构钢2.3低低碳贝氏体体型钢、针针状铁素体体型钢及铁铁素体-马马氏体双相相钢主要是适当当降低钢的含含碳量以改改善韧性，由此造成成的强度损失可可由加入合合金元素通通过控制轧轧制和控制制冷却后形形成低碳贝贝氏体或马马氏体的相相变强化的的方法得到到补偿。配合加入微合金金化元素，如铌以细细化晶粒并并进一步提提高韧性。。Chapter2工程构构件用合金金结构钢2.3低低碳贝氏体体型钢、针针状铁素体体型钢及铁铁素体-马马氏体双相相钢一、低碳贝贝氏体型钢钢贝氏体钢的的发展过程程20世纪纪20年年代，Robertson首先先发现钢的的中温转变变产物，随随后Devenport和和Bain等等人对这种种组织进行行了大量细细致的研究究，直到1934年““贝氏体体”术术语的提出出，贝氏体体结构及其其相变机制制一直是人人们研究的的重点。2.3低低碳贝氏体体型钢、针针状铁素体体型钢及铁铁素体-马马氏体双相相钢Chapter2工程构构件用合金金结构钢由于贝氏氏体转变变的温度度范围界界于珠光光体与马马氏体之之间，相相应地贝贝氏体组组织兼备备了高温温转变产产物的塑塑韧性和和低温转转变的强强度，具具有良好好的强韧韧性配合合，从而而引起人人们的极极大关注注。但早期的的贝氏体体钢一般般是通过过等温淬淬火工艺艺获得，，由于工工艺复杂杂使其大大规模生生产应用用受到限限制。2.3低低碳贝贝氏体型型钢、针针状铁素素体型钢钢及铁素素体-马马氏体双双相钢Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢20世世纪50年年代末期期，英国国的Irvine和和Pickering等等人率率先发明明了具有有高的贝贝氏体淬淬透性Mo-B系系贝氏体体钢，通通过Mo、、W、、B等元元素的加加入使一一定尺寸寸的工件件在空冷冷条件下下即可得得到以贝贝氏体为为主的组组织，从从而实现现了贝氏氏体钢生生产的工工艺变革革：尽管管Mo的价价格较高高，而且且为了降降低贝氏氏体转变变起始温温度（BS），改善善强韧性性，还须须添加其其他合金金元素复复合金化化，致使使钢的成成本进一一步增加加，但是是Mo-B系系贝氏氏体钢还还是得到到了一定定的发展展。2.3低低碳贝贝氏体型型钢、针针状铁素素体型钢钢及铁素素体-马马氏体双双相钢Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢20世世纪70年年代，方方鸿生教教授等人人的研究究发现：：Mn在一一定含量量时，使使钢的C曲曲线形状状发生变变化。Mn在在过冷奥奥氏体转转变中具具有特殊殊的再分分配规律律。对Mn-B钢钢中Mn富富集因子子的实验验结果表表明在600℃℃左右右的温度度区间内内，Mn在在α和和γ两两相中的的浓度无无明显区区别，而而在α/γ界界界面富富集程度度很大。。Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢2.3低低碳贝贝氏体型型钢、针针状铁素素体型钢钢及铁素素体-马马氏体双双相钢Mn在相相界面的的浓度峰峰势必对对界面迁迁移产生生钉扎作作用即溶质拖曳曳作用，使铁素素体生长长显著推推迟。此外，Mn在在相界面面的富集集也降低低了相界界附近奥奥氏体基基体内碳碳的活度度及活度度梯度，，导致致碳在奥奥氏体中中扩散速速度降低低，此即即所谓溶质类拖拖曳作用用，进一步步抑制了了铁素体体生长。。Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢2.3低低碳贝贝氏体型型钢、针针状铁素素体型钢钢及铁素素体-马马氏体双双相钢由于溶质质拖曳和和类拖曳曳作用，，导致该该合金的的γ→αα转变曲曲线在600℃左左右出现现“河湾湾”形状状。此此拖曳作作用还显显著降低低贝氏体体相变驱驱动力及及贝氏体体相变温温度，细细化贝氏氏体尺寸寸。Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢2.3低低碳贝贝氏体型型钢、针针状铁素素体型钢钢及铁素素体-马马氏体双双相钢低碳贝氏氏体型钢钢的组织织和成分分低碳贝氏体体钢在轧制制或正火后后控制冷却却，直接得得到低碳贝氏体体组织。与相同碳含含量的铁素素体-珠光光体组织钢钢相比具有有更高的强强度和良好好的韧性。。利用贝氏氏体相变强强化，钢的的屈服强度度可达到490MPa~780MPa。2.3低低碳贝氏体体型钢、针针状铁素体体型钢及铁铁素体-马马氏体双相相钢Chapter2工程构构件用合金金结构钢低碳贝氏体体钢的化学学成分:w(C)=0.10%~0.20%，w(Mo)=0.30%~0.60%，，w(Mn)=0.60%~1.60%，，w(B)=0.001%~0.005%，w(V)=0.04%~0.10%，w(Nb)或或w(Ti)=0.010%~0.06%，并经常加w(Cr)=0.4%~0.7%。2.3低低碳贝氏体体型钢、针针状铁素体体型钢及铁铁素体-马马氏体双相相钢Chapter2工程构构件用合金金结构钢低碳贝氏体体型钢中的的合金化:主加合金元元素钼和硼是能显著推推迟先共析析铁素体和和珠光体转转变，而对对贝氏体转转变推迟较较少。2.3低低碳贝氏体体型钢、针针状铁素体体型钢及铁铁素体-马马氏体双相相钢Chapter2工程构构件用合金金结构钢图2-7低低碳钼钢钢和钼硼钢钢的过冷奥奥氏体恒温温转变开始始曲线再加入锰、铬、镍镍等元素，进进一步推迟迟先共析铁铁素体和珠珠光体转变变，并使BS点下降，以以获得下贝贝氏体组织织。通过微合金金化，充分分发挥铌、钛、钒钒的细化晶粒粒和沉淀强强化的作用用。2.3低低碳贝氏体体型钢、针针状铁素体体型钢及铁铁素体-马马氏体双相相钢Chapter2工程构构件用合金金结构钢典型的低碳碳贝氏体型型钢:14MnMoV和14MnMoVBRE钢是我国发发展的典型型的低碳贝贝氏体型钢钢，其屈服服强度为490MPa级。。主要用于于制造容器器的板材和和其它钢结结构。板厚厚小于14mm时，，在热轧态态即可得到到贝氏体；；板厚大于于14mm时，需要要正火处理理。2.3低低碳贝氏体体型钢、针针状铁素体体型钢及铁铁素体-马马氏体双相相钢Chapter2工程构构件用合金金结构钢为了提高钢钢的室温和和低温韧性性，改善焊焊接性，发发展了超低碳贝氏氏体钢，钢的含碳碳量降低到到w(C)=0.02%，并加入入w(Ti)=0.01%使之成成为Mn-Mo-Nb-Ti-B超低低碳贝氏体体型钢。通通过控制轧轧制和控制制冷却可以以得到高位位错密度的的细小贝氏氏体组织。。这种钢可可在0℃以以下温度条条件下服役役。2.3低低碳贝氏体体型钢、针针状铁素体体型钢及铁铁素体-马马氏体双相相钢Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢方鸿生教教授等人人研究的的Mn系及及Mn-B系贝贝氏体钢钢：突破了为为获空冷冷贝氏体体必须加加昂贵Mo、、W的传传统成分分设计思思路。Mn原原料的的价格约约为Mo的的1/50。。高的贝氏氏体空冷冷淬透性性和较低低的贝氏氏体转变变起始温温度（Bs）），有有利于大大件实现现空冷自自硬，且且具备足足够的韧韧性；Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢2.3低低碳贝贝氏体型型钢、针针状铁素素体型钢钢及铁素素体-马马氏体双双相钢无需添加加多量合合金元素素进行复复合金化化，成分分简单，，成本低低；摒弃了Mo-B系系贝氏体体钢限于于低碳为为主的传传统，设设计出不不同性能能、用途途的中高高碳、中中碳Mn系系贝氏体体体钢系系列钢种种，该钢钢免除了了淬火或或淬回火火工序，，降低了了淬火过过程中产产生的变变形，开开裂，氧氧化和脱脱碳倾向向；有效地缩缩短了工工艺流程程并节省省能源，，因此近近年来已已在我国国多个产产品中得得到应用用。Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢2.3低低碳贝贝氏体型型钢、针针状铁素素体型钢钢及铁素素体-马马氏体双双相钢二、针状状铁素体体型钢针状铁素素体钢是是钢材在在控制轧轧制后空空冷过程程中通过切变变和扩散散相变形成由位位错列阵阵和位错错胞组成成的非等等轴铁素素体钢。。相变开开始发生生在较上上贝氏体体为高的的温度范范围里，，反映在在连续冷冷却转变变图上，，贝氏体体区被铁铁素体区区所掩盖盖。这类类钢的显微组织织是低碳或超超低碳的的针状铁铁素体，，与低碳碳贝氏体体很相似似，但由由于含C量极低低，故铁铁素体板板条的相相界上不不存在碳碳化物。。2.3低低碳贝贝氏体型型钢、针针状铁素素体型钢钢及铁素素体-马马氏体双双相钢Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢针状铁素素体型钢钢的合金金化低碳是为了Nb的碳碳化物沉沉淀，含含C量一一般不低低于0.06%，高于于这一水水平，C的偏析析将引起起韧性的的下降，，这是由由于高碳碳区往往往成为断断裂的微微孔形核核核心。。Mn的含含量根据据钢板厚厚度和要要求的强强度水平平决定，一般在在1.4%~2.2%之间。。Mn推推迟铁素素体-珠珠光体相相变，降降低BS点，使使细晶晶粒的的针状状铁素素体在在450℃℃以下下形成成；Mn也是是固溶溶强化化的元元素。。2.3低低碳贝贝氏体体型钢钢、针针状铁铁素体体型钢钢及铁铁素体体-马马氏体体双相相钢Chapter2工工程构构件用用合金金结构构钢Mo的的含量量也根根据钢钢板厚厚度确确定在0.15%~0.6%之之间。。Mo能能有效效地推推迟铁铁素体体而不不影响响贝氏氏体相相变；Mo与与Mn联合合使用用还有有利于于得到到细晶晶粒的的针状状铁素素体而而不是是粗大大的多多边形形铁素素体。。当Mo被被Cu-Ni-Cr代替替时，，通过过控制制轧制制，也也可以以得到到针状状铁素素体。。2.3低低碳贝贝氏体体型钢钢、针针状铁铁素体体型钢钢及铁铁素体体-马马氏体体双相相钢Chapter2工工程构构件用用合金金结构构钢Nb的的含量量一般般在0.04%~0.06%之间间，通通过沉沉淀相相Nb(C,N)的的析出出能有有效地地产生生沉淀淀强化化，并且且在奥奥氏体体热轧轧时，，沉淀淀相Nb(C,N)也可可以细细化晶晶粒。。显微组组织和和性能能特点点细晶粒粒的多多边化化铁素素体、、30%以以上的的针状状铁素素体片片、高高度弥弥散的的渗碳碳体质质点、、少量量岛状状的马马氏体体-奥奥氏体体块和和细而而弥散散的Nb(C,N)质点点。2.3低低碳贝贝氏体体型钢钢、针针状铁铁素体体型钢钢及铁铁素体体-马马氏体体双相相钢Chapter2工工程构构件用用合金金结构构钢这类钢钢由于于缺乏乏足够够的C去锁锁住位位错，，因而而未锁锁住的的部分分可以以导致致位错错运动动而不不能突突然引引发屈屈服点点的自自由位位错的的产生生，从从而显示出出连续续的应应力-应变变曲线线。这种力力学行行为与与铁素素体-珠光光体钢钢相比比，在在许多多场合合是十十分有有利的的，比比如在在管线线建设设中。。轧材材可以以精确确地就就位成成形。。这类类钢的的屈服服强度度一般般大于于470MPa，伸伸长率率大于于20%，，室温温冲击击值大大于80J。2.3低低碳贝贝氏体体型钢钢、针针状铁铁素体体型钢钢及铁铁素体体-马马氏体体双相相钢Chapter2工工程构构件用用合金金结构构钢X70级管管线钢钢拉伸伸试验验曲线线Chapter2工工程构构件用用合金金结构构钢2.3低低碳贝贝氏体体型钢钢、针针状铁铁素体体型钢钢及铁铁素体体-马马氏体体双相相钢典型针针状铁铁素体体型钢钢钢种种针状铁铁素体体型钢钢的典典型钢钢种为为Mn-Mo-Nb钢，，其化化学成成分范范围为为w(C)≤0.10%，w(Mn)=1.6%~2.0%，，w(Mo)=0.2%~0.6%，，w(Nb)=0.04%~0.06%，，有时时还加加w(V)=0.06%，w(Ti)=0.01%。这类钢通通常用碱碱性氧气气转炉冶冶炼，用用铝脱氧氧，并且且S含量量很低（（大约为为0.05%左左右）；；或者用用稀土处处理，控控制硫化化物的形形态，提提高横向向冲击性性能。2.3低低碳贝贝氏体型型钢、针针状铁素素体型钢钢及铁素素体-马马氏体双双相钢Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢这类钢和和低碳贝贝氏体型型钢一样样，不仅具有有良好的的低温韧韧性，而而且还具具有良好好的焊接接性能，已成功功地应用于制制造寒带带输送石石油和天然气的的管线。2.3低低碳贝贝氏体型型钢、针针状铁素素体型钢钢及铁素素体-马马氏体双双相钢Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢西气东输输工程三、铁素素体-马马氏体双双相钢背景由于传统统的低合合金高强强度钢对汽车压压力加工工件来说说，没有有具备足足够的冷冷成形性性，因而需需要改善善其强度度-成形形性的综综合性能能以满足足汽车冲冲压成型型件的要要求。2.3低低碳贝贝氏体型型钢、针针状铁素素体型钢钢及铁素素体-马马氏体双双相钢Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢显微组织织特点把传统的的低合金金高强度度的显微微组织，，即铁素素体加珠珠光体改成铁素体加加马氏体体（实际际上还包包含少量量奥氏体体）的双双相组织织，其显微组织织特征是是20%左右的的马氏体呈小岛状状或纤维维状分布布在80%左右右的铁素体基体上。。2.3低低碳贝贝氏体型型钢、针针状铁素素体型钢钢及铁素素体-马马氏体双双相钢Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢一方面使钢中的的碳在奥奥氏体发发生转变变析出先先共析铁铁素体时时集中在在奥氏体体中，当当奥氏体体转变成成马氏体体（含碳碳量偏高高）时，，将引起起体积和和形状变变化，并并且铁素素体相中中的间隙隙碳原子子相对较较为贫化化；另一方面面，在一定定冷却条条件或应应变诱发发下的马马氏体相相变将在在马氏体体区域产产生残余余应力，，在铁素素体中激激发出高高密度的的可动位位错（由由于铁素素体中的的碳、氮氮量极低低，位错错不易被被钉扎））。2.3低低碳贝贝氏体型型钢、针针状铁素素体型钢钢及铁素素体-马马氏体双双相钢Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢性能特点点具有较低低的屈服服强度，，且是连连续屈服服；同时时在屈服服发生以以后，铁铁素体中中的位错错运动互互相缠结结，因而而继续塑塑性变形形所需应应力迅速速增加，，表现为为高的应应变硬化化速率。。此外加之之有强韧韧的马氏氏体岛或或纤维和和很细的的铁素体体晶粒及及结合牢牢固的马马氏体/铁素体体界面，，使得塑塑性变形形主要发发生在铁铁素体相相中，所所以表现现为高的的均匀伸伸长率和和高的强强度。2.3低低碳贝贝氏体型型钢、针针状铁素素体型钢钢及铁素素体-马马氏体双双相钢Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢2.3低低碳贝贝氏体型型钢、针针状铁素素体型钢钢及铁素素体-马马氏体双双相钢连续的应应力-应应变曲线线，低的的屈服应应力，高高的应变变硬化速速率和优优良的抗抗拉强度度与塑性性配合生产工艺艺及类型型由于双相组织织既可以以通过亚亚临界温温度范围围内的退退火获得得，也可可以通过过热轧后后的控制制冷却来来获得。因此生生产上通通常又把把双相钢钢分为退火双相相钢和热轧双相相钢。并且它它们在合合金化上上也有明明显的区区别。退火双相相钢热轧双相相钢2.3低低碳贝贝氏体型型钢、针针状铁素素体型钢钢及铁素素体-马马氏体双双相钢Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢退火双相相钢又称称热处理理双相钢钢：将钢加热热到亚临界温温度范围围（即在A+F两两相区））内，形形成20%左右右的奥氏氏体，然然后空冷冷或快冷冷即可得得到铁素素体加马马氏体组组织。当当钢长时时间在A+F两两相区内内退火时时，钢中的合合金元素素将在奥奥氏体和和铁素体体之间重重新分配配，其中奥奥氏体形形成元素素碳、锰锰等将富富集于奥奥氏体中中，这样样就提高高了奥氏氏体的稳稳定性，，从而抑抑制了珠珠光体的的转变，，保证钢钢中的奥奥氏体在在空冷条条件下得得到马氏氏体。2.3低低碳贝贝氏体型型钢、针针状铁素素体型钢钢及铁素素体-马马氏体双双相钢Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢2.3低低碳贝贝氏体型型钢、针针状铁素素体型钢钢及铁素素体-马马氏体双双相钢热轧双相相钢在热轧状状态下，，通过控控制转运运台的冷冷却，使使钢形成成80%左右的的铁素体体发生多多边化，，C和其其它合金金元素在在剩余的的奥氏体体岛中富富集，提提高奥氏氏体的稳稳定性，，而避免免形成珠珠光体和和贝氏体体，最后后得到铁铁素体加加马氏体体的双相相组织。。2.3低低碳贝贝氏体型型钢、针针状铁素素体型钢钢及铁素素体-马马氏体双双相钢Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢2.3低低碳贝贝氏体型型钢、针针状铁素素体型钢钢及铁素素体-马马氏体双双相钢其典型的的化学成成分范围围是：w(C)=0.04%~0.10%，，w(Mn)=0.8%~1.8%，w(Si)=0.9%~1.5%，w(Mo)=0.3%~0.4%，w(Cr)=0.4%~0.6%，以以及微合合金元素素V等。。2.3低低碳贝贝氏体型型钢、针针状铁素素体型钢钢及铁素素体-马马氏体双双相钢Chapter2工工程构构件用合合金结构构钢四、低碳碳调质钢钢提高高低低合合金金高高强强度度钢钢的的另另一一途途径径，，是是采采用用低低碳碳低低合合金金钢钢淬淬火火获获得得低低碳碳马马氏氏体体，，然然后后进进行行高高温温回回火火，，获获得得低碳碳索索氏氏体体组组织织，从从而而得得到到良良好好的的综综合合机机械械性性能能和和焊焊接接性性。。这类类钢钢一一般般在在调调质质状状态态下下供供货货。。既既有有较较高高的的强强度度，，又又有有较较好好的的韧韧性性、、塑塑性性和和焊焊接接性性。。2.3低低碳碳贝贝氏氏体体型型钢钢、、针针状状铁铁素素体体型型钢钢及及铁铁素素体体-马马氏氏体体双双相相钢钢Chapter2工工程程构构件件用用合合金金结结构构钢钢低碳碳调调质质钢钢的合合金金化化设设计计原原则则与与铁铁素素体体－－珠珠光光体体型型热热轧轧和和正正火火钢钢不不一一样样。。其其强强度度主主要要不不直直接接取取决决于于合合金金元元素素的的含含量量，，而而取取决决于于含含碳碳量量。。美国国最最具具有有代代表表性性的的这这类类钢钢是是T-1钢钢。。该该钢钢淬淬火火后后获获得得低低碳碳的的板板条条马马氏氏体体组组织织，，具具有有很很好好的的强强度度与与韧韧性性。。Chapter2工程构构件用合金金结构钢2.3低低碳贝氏体体型钢、针针状铁素体体型钢及铁铁素体-马马氏体双相相钢其合金化特特点是：①把C含量量限制在0.12％％以下，这这样可以保保证优良的的焊接性与与低温韧性性；②为了保证证最低限度度的淬透性性，复合地地加入少量量Mn、Ni、Cr、Mo、、B等元素素；③少量的V提高了钢钢的回火稳稳定性，使使焊接时的的热影响区区变窄；④加入少量量的Cu是是为了提高高钢的抗大大气腐蚀能能力。2.3低低碳贝氏体体型钢、针针状铁素体体型钢及铁铁素体-马马氏体双相相钢Chapter2工程构构件用合金金结构钢T-1钢是是美国早期期发展的一一种含Cr、Ni的的低碳调质质钢，主要要用于压力力容器、桥桥梁、工程程机械和塔塔式结构等等。日本的HT-80型型的Welten80C类似似T-1钢钢，但不含含Ni和V，故抗应应力腐蚀能能力高，在在日本用来来制造-30℃的大大型球形贮贮罐。我国GQ-702和和GQ-705属于于这类钢。。2.3低低碳贝氏体体型钢、针针状铁素体体型钢及铁铁素体-马马氏体双相相钢Chapter2工程构构件用合金金结构钢HY-80钢是美国国σs=540~687MPa的调调质高强钢钢，低温下下有高的韧韧性与防爆爆性能，用用于制造潜潜艇这类的的耐压外壳壳。日本的的NS-63、英国国的Q1钢钢和我国的的GQ-604钢类类似于此类类钢。HY-130钢是σs=883MPa的韧韧性优良的的低碳调质质钢，主要要用于海洋洋和宇航等等重要结构构。我国发展的的σs=600~700MPa级的的无Ni、、Cr低碳碳调质钢，，如14MnMoVN和14MnMoNbB等等，主要用用于制造中中温高压锅锅炉及石油油、化工作作的中温高高压容器等等。Chapter2工程构构件用合金金结构钢2.3低低碳贝氏体体型钢、针针状铁素体体型钢及铁铁素体-马马氏体双相相钢209级潜潜艇是是德国国专为为出口口建造造的，，但正正是该该级潜潜艇为为德国国战后后潜艇艇树立立了赫赫赫丰丰碑，，以其其出色色的性性能创创造了了常规规潜艇艇出口口数量量最多多，使使用国国家最最多的的两项项世界界纪录录，成成为世世界市市场上上的““名牌牌产品品”。。209级级潜艇艇根据据不同同国家家的需需要，，有1100吨吨、1200吨吨、1300吨吨、1400吨吨和1500吨吨多种种型号号。Chapter2工工程构构件用用合金金结构构钢2.3低低碳贝贝氏体体型钢钢、针针状铁铁素体体型钢钢及铁铁素体体-马马氏体体双相相钢典型的的209级级潜艇艇采用用单壳壳体结结构，，艇体体为优优质HY-80钢，安全全潜深深可达达300米米，水水下最最大航航速23节节，主主要武武器是是8具具533mm鱼鱼雷发发射管管，携携带鱼鱼雷14枚枚，部部分型型号还还有发发射““捕鲸鲸叉””反舰舰导弹弹的能能力。。209级级潜艇艇提高高了集集中控控制和和自动动化水水平，，可靠靠性高高且维维修工工作量量少，，因而而仅配配备了了30多名名艇员员。Chapter2工工程构构件用用合金金结构构钢2.3低低碳贝贝氏体体型钢钢、针针状铁铁素体体型钢钢及铁铁素体体-马马氏体体双相相钢所谓““新一代代钢铁铁材料料”就是是使用用现有有的设设备（（或略略加改改造）），用用一种种便宜宜的办办法（（不是是加入入合金金元素素，增增加成成本的的办法法），，也不不是大大变形形量，，低温温扎制制的办办法）），在在比较较高的的温度度下扎扎制钢钢材，，在扎扎制过过程钢钢材产产生相相变，，“形形变诱诱导铁铁素体体相变变”，，通过过改变变钢材材物理理性能能和显显微组组织，，得到到超细细显微微组织织，提提高钢钢材的的力学学性能能，也也就是是在性性能价价格比比提高高和经经济性性优良良的情情况下下，保保持钢钢材韧韧性和和塑性性的同同时，，把现现在钢钢材的的强度度提高高一倍倍，使使用寿寿命提提高一一倍，，从而而得到到良好好的经经济效效益和和社会会效益益。2.4新新一代代钢铁铁材料料Chapter2工工程构构件用用合金金结构构钢背景钢铁是是结构构材料料的主主体，迄今今为止止仍然然是可可加工工性能能最好好、性性能价价格比比最合合理、、生产产规模模最大大、供供给能能力最最强及及循环环利用用性最最佳的的基础础原材材料之之一。。可以以说，，钢铁铁作为为结构构材料料的主主导地地位仍仍然是是不可可替代代的。。20世世纪堪堪称是是世界界钢铁铁业大大发展展的世世纪，，全球球钢产产量从从20世纪纪初的的2850万吨吨猛增增到2000年年的8.43亿亿吨，，增长长了近近29倍。。在此此期间间，钢钢铁业业科学学技术术发展展迅速速，新新工艺艺、新新技术术、新新品种种和新新装备备大量量涌现现。2.4新新一代代钢铁铁材料料Chapter2工工程构构件用用合金金结构构钢近年来来，世世界钢钢铁业业的形形势发发生了了新变变化。。受西西方经经济复复苏和和我国国经济济快速速增长长的影影响，，全球球钢材材需求求日趋趋强劲劲。2003年年，世世界钢钢产量量达到到了9.63亿亿吨，，其中中约80%的新新增产产量来来自亚亚洲，，其中中大部部分来来自我我国。。我国国钢产产量在在由2001年年的1.516亿吨吨增至至2003年的的2.201亿亿吨的的同时时，钢钢材价价格一一路攀攀升，，效益益得到到明显显改善善。2003年年，CRU国际际钢材材价格格指数数达到到106.8，，创13年年以来来的新新高；；我国国国内内钢材材市场场价格格指数数也达达到了了104.5，，创近近年之之最。。Chapter2工工程程构构件件用用合合金金结结构构钢钢2.4新新一一代代钢钢铁铁材材料料需求求钢铁铁业业的的快快速速发发展展也也引引发发了了““资源源、、能能源源和和环环境境”方方面面的的问问题题。。钢钢铁铁业业的的竞竞争争日日益益升升级级，，用用户户要要求求也也不不断断提提高高。。所所有有这这些些问问题题给给钢钢铁铁业业的的持持续续稳稳定定发发展展带带来来了了严严峻峻的的挑挑战战，，因因此此，，依依靠靠科科技技进进步步不不断断提提高高钢钢铁铁产产品品质质量量，，按按照照““节约约、、回回收收和和再再利利用用”的的原原则则，，开开发发质质量量更更高高、、性性能能更更好好、、寿寿命命更更长长和和性性能能价价格格比比更更高高的的先先进进钢钢铁铁结结构构材材料料，，比比任任何何时时候候都都显显得得紧紧迫迫和和必必要要。。Chapter2工工程程构构件件用用合合金金结结构构钢钢2.4新新一一代代钢钢铁铁材材料料进入入21世世纪纪，，轻轻量量节节能能汽汽车车、、大大跨跨度度重重载载桥桥梁梁、、深深井井采采油油管管和和大大口口径径输输油油（（气气））管管、、大大型型工工程程机机械械、、大大型型高高性性能能船船舶舶、、高高层层建建筑筑等等的的升升级级换换代代，，又又对钢钢铁铁材材料料的的性性能能和和使使用用寿寿命命提提出出了了更更高高的的要要求求。按按照照““节节约约，，回回收收，，再再利利用用””原原则则，，突突破破冶冶金金资资源源和和冶冶金金环环保保这这一一新新的的制制约约矛矛盾盾，，开开发发性性能能更更好好、、寿寿命命更更长长、、性性能能价价格格比比更更高高的的先先进进钢钢铁铁结结构构材材料料势势在在必必行行。。2.4新新一一代代钢钢铁铁材材料料Chapter2工工程程构构件件用用合合金金结结构构钢钢我国国当当前前冶冶金金行行业业发发展展的的重重点点应应从以以工工艺艺结结构构调调整整为为主主转转到到以以产产品品结结构构调调整整为为主主。在在钢钢铁铁总总量量增增加加、、高高需需求求基基本本建建设设用用长长型型材材增增加加时时，，板板带带比比和和板板管管比比应应相相应应地地增增长长。。社社会会经经济济的的发发展展对对钢钢材材都都有有了了更更高高的的要要求求，，这这也也是是我我国国工工业业化化走走向向逐逐步步成成熟熟的的标标志志。。重视视制制造造执执行行系系统统（（MES））的的建建设设，，迅迅速速推推进进钢钢铁铁业业的的信信息息化化建建设设和和管管理理技技术术的的发发展展，，从从而而使使我我国国能能早早日日实实现现从““钢钢铁铁大大国国””向向““钢钢铁铁强强国国””的的跨跨越越。Chapter2工工程程构构件件用用合合金金结结构构钢钢2.4新新一一代代钢钢铁铁材材料料日本本于于1997年年提提出出了了STX-21““Ultra-Steel（（超超级级钢钢））研研究究计计划划””，，分分两两个个5年年实实施施，，第第一一个个5年年他他们们就就投投入入了了10亿亿美美金金，，目目标标是是10年年内内开开发发出出强强度度相相当当于于现现有有钢钢铁铁材材料料两两倍倍的的超超级级钢钢，，用用于于道道路路、、桥桥梁梁、、高高层层建建筑筑等等基基础础设设施施建建材材的的更更新新换换代代。。主主要要研研究究开开发发800MPa级级易易焊焊接接的的铁铁素素体体-珠珠光光体体型型低低合合金金钢钢、、耐耐延延迟迟破破坏坏和和疲疲劳劳破破坏坏的