第2章-工程结构钢课件

第2章工程构件用钢

主要内容第一节工程构件用钢的基本要求第二节工程构件用钢的合金化第三节铁素体-珠光体钢第四节低碳贝氏体型钢、针状铁素体钢及低碳马氏体钢第五节双相钢Chapter2工程构件用合金结构钢教学要求:基本要求:了解工程结构用钢的性能特点及用途，熟悉常用低合金构件用钢。重点与难点：各种工程结构用钢的成分特点，合金元素的作用，显微组织与力学性能。

第2章工程结构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90％左右。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）的普通碳素钢的基础上，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。按用途可分为结构钢、耐腐蚀钢、低温用钢、耐磨钢、钢筋钢、钢轨钢及其他专业用钢等高强度耐侯厚壁冷弯高频焊管用于东方明珠塔客车镀锌C型钢用于上海大剧院屋架桁架浦东国际机场侯机楼及道路护栏现代化蔬菜棚耐候Z型钢用于体育馆大桥船舶屋架压力容器2.1工程结构钢的基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-50~100℃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、低的成本。冷脆实例11954年冬天，英国3万2千吨的"世界协和"号油船，在爱尔兰寒风凛冽的海面上航行，突然船体中部发生断裂，船很快就沉没了。后来，又发生了几起类似的沉船事件。经研究发现，沉船是由于外界温度太低，金属材料变脆后断裂所致。这种材料的变脆现象因为是在低温下产生的，所以称之为"冷脆"。冷脆实例2利用脆化现象，人们发明了"低温粉碎技术"。例如，用低温来粉碎废钢铁。我们知道，炼钢时，要大量使用废钢，电炉炼钢时，废钢占原料总量的60－80%。废钢在投入冶炼前，先要进行破碎，以加快熔化速度。由于废钢的尺寸、厚薄、轻重相差悬殊，所以废钢的粉碎一直是个难题。传统的电弧切割法，速度慢，效率低。采用低温粉碎技术，将废钢浸泡在液氮(-196℃)中，或用气氮冷却(-100℃）后，废钢就变得像玻璃那样易碎。

2.2低合金高强度结构钢的合金化C↑固溶强化效果和珠光体含量，低成本。↑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，σs↑85MPa，↑TK，量多时可大为降低塑韧性，所以Si控制在<1.1%1、Me对低合金高强度钢力学性能的影响Mn

固溶强化作用大，1%Mn，σs↑33MPa。约有3/4量溶入F中，弱的细晶作用，↓TK。同样量多时可较大的降低塑韧性.所以Mn控制在<1.8%。Nb\VTi\Al形成稳定细小的K等，粒子2~10nm，既细晶又沉淀强化，↑σs，↑δ、AK，综合效果↓TK。改善焊接性。作用顺序:Ti>Nb>Al>V。Re脱氧去硫吸氢作用，改善塑韧性，↓TK所以，低合金高强度钢的基本成分应考虑低碳，稍高的锰含量，并适当用硅强化。

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

（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

2、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CC↑→焊缝处硬化与脆化倾向↑，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:0.025~0.25%Cu

，0.05~0.15％P

。↑P，冷脆和时效倾向增加。复合加入适量元素，则↑钢耐蚀性效果更佳。如090CuPCrNi-A、09CuP、09CuPCrNi-B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2.3铁素体-珠光体钢最新研究成果：如F晶粒尺寸细化到μ级，则F-P类低合金高强度钢的强度也可达到800MPa组织：10~25％片层状P+75~90％多边形F。P-F钢分类碳素工程结构钢（普通）低合金高强度钢微合金化低合金高强度钢18一、碳素工程结构钢1、碳素工程结构钢的分类、成分及性能特点

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)2)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：－20℃≥27J。

3)脱氧方式镇静钢：不表示。沸腾钢：F；半镇静钢：b。194)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F＋P。(3)S，P含量随质量等级提高而减少。5)用途(1)主要用于工程结构钢。(2)产量大。2、碳素工程结构钢中的基本元素

Fe、C、Mn、Si、S、P

1）CC增加，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）MnMn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）PP也为有害物质（冷脆）。3、常用碳素工程结构用钢3）Q235C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）Q275C、Si、Mn含量较高，具有较高的强度及硬度较好耐磨性，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）Q215C、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）Q195C、Mn含量低，强度不高，塑韧性高；二、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0.2%，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的加入还可使Fe--Fe3C相图中的S点左移，使基体中珠光体数量增多，使强度不断提高。1、低合金高强度结构钢合金化特点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)、加入一定量的Cu和P，改善这类钢的耐大气腐蚀性能。Cu元素沉积在钢的表面，具有正电位，成为附加阴极，使钢在很小的阳极电流下达到钝化状态；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)、加入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。2、我国低合金高强度结构钢3、国外低合金高强度结构钢的情况三、微合金化低合金高强度钢

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。油气管线用钢发展为微P低合金高强度钢。强化机理

对F-P钢,P量每↑10%，将使TK↑22℃。油气管线用钢:↓C,<0.1%；为保证σ，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。了解微合金化钢的分类（7种）Nb对微合金化钢强度和塑性的影响V对微合金化钢强度和塑性的影响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

图

各种轧制程序模式图

CR：控制轧制；AcC:控制冷却

3、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、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。

沉淀析出强化相主要是低温下析出的Nb(C，N)C和VC。Nb≤0.04%时，ΔσG＞Δσph；Nb≥0.04%时，Δσph增量大大增加，而ΔσG保持不变。V引起析出强化增量Δσph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（σG：晶粒细化的贡献σPh：析出强化的贡献）

2.4低碳贝氏体钢、针状铁素体钢及低碳马氏体钢具有铁素体-珠光体组织的低合金钢和微合金钢的屈服强度的极限约为460MPa。若要求更高强度和韧性的配合，就需要考虑选择其它类型组织的低合金钢，如采用相变强化的方法，因而发展了低碳贝氏体型、低碳索氏体型及低碳马氏体型钢。主要是适当降低钢的含碳量以改善韧性，由此造成的强度损失可由加入合金元素通过控制轧制和控制冷却后形成低碳贝氏体或马氏体的相变强化的方法得到补偿。配合加入微合金化元素，如铌以细化晶粒并进一步提高韧性。一、低碳贝氏体钢

低碳贝氏体钢是指含碳量为0.10~0.15%，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450~980MPa.主要特点合金元素是保证在较宽的冷速范围内获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钢是我国发展的低碳贝氏体钢，屈服强度为490MPa级二、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。基本特点针状铁素体（acicularferrite，简写AF）钢实际上属于超低碳贝氏体钢。

≤0.06％C+适量Mn、Mo、Nb等→具有细小的多边形F、高密度位错亚结构的针状F、少量B和岛状M及A组成。σs达700~800MPa，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。合金化元素的作用低C：提高钢的焊接性和低温冲击韧性。

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。

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体。

Nb：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。针状铁素体钢的主要强化机制：细晶强化、位错强化、弥散强化、固溶强化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。（超低碳B，C含量小于0.03%）三、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，加入Mo、Nb、V、B及控制Mn和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。得到的组织为B、M、F混合组织。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。2.5双相钢成分主要成分为：~0.2%C，1.2~1.5%Si，0.8~1.5%Mn，~0.45%Cr，~0.4%Mo，少量V、Nb、Ti。（质量分数）组织F+（5%-20%M）组织，即软相F基体上分布一定量的硬质M→双相钢。F中非常干净，C、N等间隙原子很少；C和Me大部分在M中.

强度MPa双相钢600400普通钢

200