第 3 章 工程结构钢

第二章工程结构钢

概述第一节工程结构钢的合金化原理第二节碳素工程结构钢第三节高强度低合金钢第四节工程结构钢的冶金工艺特点思考题概述工程结构钢：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、油井或矿井架、钢轨、高压容器、管道和建筑钢结构等。工程结构钢包括：碳素工程结构钢和高强度低合金钢。工程结构钢的主要性能要求是：1、承受各种载荷，要求有较高的屈服强度、良好的塑性和韧性。2、由于工作环境是暴露在大气中，温度可低到零下50℃，故要求低温韧性，并要求耐大气腐蚀。3、要有良好的工艺性能，如冷弯、冲压、剪切，以及良好的焊接性等。第一节工程结构钢的合金化原理一、低碳：由于低温韧性、焊接性和冷成型性能的要求高，其碳质量分数一般不超过0.25％。原因是：1、低温韧性：随着钢的含碳量增加，钢中珠光体含量相应增加。珠光体由于有大量脆性的片层状渗碳体，因而有高的韧一脆转化温度，一般在100℃以上。钢中每增加1％体积珠光体，将使FATT50（℃）升高2.2℃。2、焊接性钢的焊接性的好坏主要决定于钢的淬透性和淬硬性，这两者取决于钢的合金元素含量和含碳量。碳是最有害的元素。C当量=w(C)+w(Mn)/6+w(Si)/24+w(Ni)/15+w(Cr)/5+w(Mo)/4+w(Cu)/13+w(P)/2+w(V)/10根据公式来看，当钢中含锰量为1.6％时，就相当于含碳量0.25％。由于当碳含量大于0.47%时，焊缝热影响区的硬度达到350HV，易产生裂纹，所以这时钢中的含碳量本身就不应当超过0.20％，只有这样才能保证良好的可焊性。二、加入以锰为主的合金元素：锰除了产生较强的固溶强化效果外，还可细化铁素体晶粒，并使珠光体片变细，消除晶界上的粗大片状碳化物，提高钢的强度和韧性。一般锰含量不超过2％。硅在钢中不形成碳化物，也不溶于渗碳体中，而几乎全部溶于铁素体，在铁素体中同锰一起起固溶强化作用，硅含量大于0.4％时就开始被认为是合金元素。三、加入铌、钛或钒等辅加元素：少量的铌、钛或钒在钢中形成细碳化物或碳氮化物，阻碍钢热轧时奥氏体晶粒的长大，有利于获得细小的铁素体晶粒；另外，热轧时部分固溶在奥氏体内，而冷却时弥散析出，可起到一定的析出硬化作用，从而提高钢的强度和韧性。四、加入少量铜（＜0.4％）和磷（0.1％左右）等，可提高抗腐蚀性能。加入少量稀土元素，可以脱硫、去气，使钢材净化，改善韧性和工艺性能。工程结构钢中的合金元素对强化的贡献包括：1、溶入铁素体起固溶强化；2、细化晶粒起细晶强化；3、析出弥散的碳化物、碳氮化物，起沉淀强化；4、增加珠光体含量。第二节碳素工程结构钢

碳素结构钢的用途：1、Q195、Q215、Q235A、Q235B等钢塑性较好，有一定的强度。通常轧制成钢筋、钢板、钢管等，可用于桥梁、建筑物等构件，也可用做普通螺钉、螺帽、铆钉等。2、Q235C、Q235D可用于重要的焊接件。3、Q235、Q275强度较高，可轧制成型钢、钢板作构件用。碳素结构钢主要保证机械性能。一般情况下，在热轧状态使用，不再进行热处理。但对某些零件，也可以进行正火、调质、渗碳等处理，以提高其使用性能。第三节高强度低合金钢一、高强度低合金钢概述是一种含有少量合金元素、具有较高强度的结构钢。“低合金”是指钢中合金元素总含量不超过3％；“高强度”是对应于普通碳钢而言。采用控制轧制工艺，把轧钢与热处理结合起来，可获得良好的综合性能。一般屈服强度在400MPa以下的钢材多数是在热轧状态下使用，不必热处理。二、高强度低合金钢的分类按用途常分为：一般建筑结构钢、钢筋钢、耐蚀钢、低温用钢、耐磨钢和钢轨钢等。按照在使用状态下应具有的金相组织进行分类，一般分为三类：1、铁素体-珠光体钢（345~440MPa）；2、低碳贝氏体钢（490~780MPa）；3、低碳马氏体钢（860~1116MPa）。

铁素体—珠光体钢

这类钢服役时的显微组织是铁素体—珠光体。1、较低强度级别的铁素体一珠光体钢以16Mn最具代表性，属于345MPa级别，强度比普通碳素结构钢Q235高约20％～30％，耐大气腐蚀性能高20％～38％。用它来制造工程结构时，重量可减轻20％～30％。低温性能较好。2、15MnTi、16MnNb、15MnV钢属于390MPa级别，利用加入微量钛、铌、钒起细化晶粒和沉淀强化作用。这类钢用于制造桥梁、船舶、容器。3、15MnVN钢属于440MPa级别，是中等级别强度钢中使用最多的钢种。钢中加入V、N后，生成钒的氮化物，可细化晶粒，又有析出强化的作用，强度有较大提高，而且韧性、焊接性及低温韧性也较好，被广泛用于制造桥梁、锅炉、船舶等大型结构。微合金钢微合金钢是70年代以来发展起来的一大类高强度低合金钢。从广义来说，凡是在基体化学成分中添加了微量（不大于0.20％）的合金元素（钛、铌、钒），从而使其一种或几种性能具有明显变化的钢，都可称为微合金钢。其关键是细化晶粒和沉淀强化。为了充分发挥微合金元素钛、铌、钒的作用，同时发展了与之配套的控制轧制和控制冷却生产工艺。微合金元素在控制轧制和控制冷却生产工艺过程中，对微合金钢的组织和性能产生很大的影响。低碳贝氏体钢强度级别超过500MPa后，铁素体一珠光体组织难以满足要求，于是发展了低碳贝氏体钢。低碳贝氏体钢是以钼钢或钼硼钢为基础，再加入锰、铬、镍，有的在此基础之上又添加微量碳化物形成元素如铌、钒、钛等，从而发展起来的一系列的具有贝氏体组织的钢种

14MnMoV和14MnMoVBRE钢是常用国产低碳贝氏体钢，用于制造中温高压容器和其他钢结构，其屈服强度为500MPa级。低碳马氏体钢

低碳钢（如15）和低碳合金钢（如20Cr）经过淬火和低温回火（150~200℃）的处理。可以得到高强度高韧性的低碳马氏体。低碳马氏体具有低的脆性转变温度，并有良好的工艺性能、冷变形能力、焊接性能和优良的综合机械性能。低碳马氏体钢15MnVB在矿山、汽车、石油、机车车辆和农业机械制造领域已得到了广泛的应用。如图所示，如果以ak值降低到室温时的0.4倍温度作为脆性转变温度TC，则20Cr的TC＜-70℃，20MnVB的TC＜-80℃，15#的TC=-60℃，而40Cr的TC=-50℃双相钢双相钢是通过在γ+α两相区加热淬火或热轧后控制冷却，得到20％～30％马氏体和80％～70％铁素体组织的工程结构钢。双相钢主要是适应汽车用薄板冲压成型时保持表面光洁、无吕德斯带、并在少量变形后就能提高强度的需要；也应用在冷拉钢丝、冷轧钢带或钢管上。双相钢的性能特点是：1、低屈服强度，一般不超过350MPa；2、钢的应力一应变曲线是光滑连续的，没有屈服平台，更无锯齿形屈服现象；3、高的均匀伸长率和总伸长率（εt在24％以上）；4、高的加工硬化指数（n值），使深冲、薄板、细丝型零件在加工成型过程中应变得以充分均匀化，而不至于因过早发生集中的局部变形而报废；5、高的塑性应变比，可使冲压件厚度保持均匀。第四节工程结构钢的冶金工艺特点一、冶炼工艺工程结构钢的冶炼工艺和终脱氧，对钢的质量有很大的影响。广泛采用的氧气炼钢使钢中氮量降低，再加上用铝脱氧并固定氮，形成AlN，对细化钢的晶粒，减少应变时效，起了良好的作用。用铝脱氧，还保证了微合金化元素钛、钼、钒的收得率。二、控制轧制与控制冷却热轧工艺对钢的性能有重要的影响，钢坯的加热温度、保温时间、开轧温度、轧制道次和道次变形量、终轧温度以及轧后冷却等参数，都极为重要。通过控制轧制过程中的各种参数，使已变形的奥氏体或者发生再结晶但晶粒来不及长大，或者仅达到回复状态而未发生再结晶，从而得到细化的铁素体晶粒和珠光体团，使钢强韧化的工艺过程称为控制轧制与控制冷却。几种常见低合金高强度钢的成分及大致用途钢号旧牌号CMnSiVMoN其他应用举例Q34516Mn(F-P)0.12~0.201.2~1.600.55船舶、桥梁、车辆、大型结构、压力容器等Q39015MnV(F-P)0.12~0.181.0~1.600.550.05~0.12Cr≤0.3Cr≤0.4Cr≤0.7Ni≤0.7船舶、桥梁压力容器、起重设备等Q42015MnVN(F-P)0.121.0~1.700.550.05~0.120.012~0.02大型船舶、桥梁、电站设备等Q46014MnMo