几种重要的钢种

第四章几种重要的钢种前言结构钢的定义结构钢人们主要是利用它的力学性能（强度、塑性、韧性、硬度等）；结构钢用来制造工程结构和机械结构，它包括工程结构钢和机械结构钢两大类；由于这两类结构钢的工作条件对性能的要求不同，因而对合金化要求、生产工艺和显微组织都有很大的区别。我们分二节来讲解。

第一节工程结构钢1、工程结构钢的定义1）工程结构钢是指专门用来制造各种工程结构钢的一大类钢种；2）应用：如制造桥梁、船体、油井或矿井架、钢轨、高压容器、管道和建筑结构等；3）包括碳素工程结构钢和高强度低合金钢，前者属于非合金钢，后者属于低合金钢。4）产量：它在我国钢产量中的份额很大：1995年我国钢产量中，高强度低合金钢占20%左右，碳素工程结构钢占70%，故工程结构钢占总钢产量的95%。高强度合金结构钢在桥梁、高架桥、高层建筑等的应用，实现设计的轻量化。高强度低合金结构钢(HSLA)的应用

减轻船体重量，增加承载量大直径油、气输送管槽船材料：含镍钢液化天然气槽船－耐低温钢2、工作条件它们主要是承受各种载荷，包括动、静载荷。3、性能要求使用性能（不同的工作条件，具体要求有所区别，如轨钢要求有耐磨性，即硬度要高）有较高的屈服强度、良好的塑性和韧性；（对于有的钢种）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。工艺性能：经受剧烈的冷变形（冷弯、冲压、剪切）和良好的焊接性。建筑用钢显微组织钢轨用钢组织4、工程结构钢的合金设计常用的工程结构钢是热轧态或正火态使用的低碳钢，因此，显微组织是铁素体-珠光体。T1,ε1T2,ε2T3,ε3空冷热轧组织

为了能承受更大的载荷并减轻结构的重量，要求钢材有较高的强度和良好的塑性。因此通过合金化来提高强韧性。如”973”项目研究。1）工程结构钢的强化在铁素体-珠光体钢中，合金元素对强化的贡献有：溶入铁素体起固溶强化；细化晶粒起细晶强化；析出弥散的碳化物、碳氮化物，起沉淀强化；增加珠光体含量；主要利用锰、硅、铜、磷等元素溶入铁素体来提高强度各元素的固溶强化效果不一样。这主要与尺寸效应有关。磷的强化效果最大，碳的也较大，锰和硅为常用的固溶强化元素。但强化元素都有一个度的问题，它必须考虑对塑性、韧性、冷弯性和焊接性的不利影响。

细化晶粒由Hall-Petch关系可见，对C-Mn钢和C-Mn-Nb钢晶粒愈细小，钢的屈服强度呈线性上升。细化的途径有多种，其中重要的是用铝脱氧和合金化（如钛、铌等生成细小质点；降低AC3点；推迟再结晶等），当然还有形变等，这不属于合金化范畴。沉淀强化应用钒、铌、钛的微合金化，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。总的强化：σy=σ0+∑kiri+∑kjrj+kyd-0.5

ConventionalTMCPDIFTrolling高强度化–超细晶粒微合金钢TMCP,ThermalMechanicallyControlledProcessingDIFT:DeformationInducedFerriteTransformation高强度化–超细晶粒微合金钢细晶粒碳素结构钢微合金管线钢材中析出的微小颗粒，起沉淀强化作用思考题:1、钢中合金元素是如何影响其过冷奥氏体转变的？2、如何理解不同合金元素对过冷奥氏体稳定性的影响？如何使钢在常温下获得奥氏体相？2）铁素体-珠光体组织的冷脆性韧脆的表征：用冲击韧性以及断口形貌等；表征的是强度与塑性的综合；具有铁素体-珠光体组织的工程结构钢在-50℃-100℃间使用，因而要求有较低的韧-脆转化温度FATT50(℃)；影响钢的冲击韧性和韧-脆转化温度的因素：有含碳量、晶粒尺寸、固溶元素、弥散析出相和非金属夹杂物等。随着钢的含碳量增加，钢中珠光体含量相应增加，使韧-脆转化温度升高。故工程结构钢一般为不超过0.25%的低碳钢；②钢中合金元素锰、镍和铬溶于铁素体中可降低FATT50(℃),而磷、硅固溶后均升高FATT50(℃)；碳、氮在铁素体中溶解量虽小，但危害最大。固溶的间隙原子碳、氮原子强烈升高钢的FATT50(℃)。少量铝可固定氮和脱氧，并细化晶粒，使钢的FATT50(℃)下降。③细化铁素体晶粒和珠光体团不仅可以提高强度，而且可以提高冲击韧性和降低FATT50(℃)。④微合金钢中的钛、铌、钒的二重性：沉淀强化与细化晶粒，导致FATT50(℃)的相反的结果。⑤钢中存在的非金属夹杂物降低钢的冲击韧性及平台能。塑性MnS可用稀土加以改善横向性能。

思考题1、如何来认识工程结构用钢的强化？2、影响工程结构用钢低温韧性的因素有哪些？3、什么是钢的焊接性？3）工程结构钢的焊接问题（工艺性能）焊接是构成金属结构件的常用方法；钢的可焊性是指在比较简单可行的焊接工艺条件下，钢材焊接后不产生裂纹，并获得良好的焊缝区的性能；焊缝区可分为：熔化区（焊缝）、热影响区和未受热影响区。

熔化区热影响区（HAZ)未受热影响区｛焊缝区｝Weldmetal焊接前的组织焊接热影响区组织

组织粗大；组织类型变化；产生应力等熔化区：为了防止熔融金属在凝固过程中发生热裂或在冷却到200℃以下时发生冷裂，要求对钢和焊条的硫、磷含量加以限制，如0.05%。对于高磷钢，应采取缓冷措施;热影响区：在焊接时由于受熔化区的加热作用，使其温度远远超过钢的临界点，不仅使钢的组织转变为奥氏体，并且发生晶粒的明显长大。在焊接结束后，此热影响区又受到周围未被加热的基体部分的激冷，因而产生很大的热应力和组织应力，有时甚至发生马氏体相变，相当受到淬火，使硬度明显上升，同时塑性剧烈下降;

因而在热影响区往往出现开裂,这种开裂倾向的大小就反映了钢的焊接性能的优劣。③热影响区开裂倾向的评价主要决定于钢的淬硬性和淬透性；这两者主要取决于钢的含碳量以及合金元素的本性及含量。含碳量愈高和提高淬透性的合金元素愈多，钢的焊裂倾向也愈大，而前者的影响尤为严重。

为了估计钢的可焊性的好坏，通常采用碳当量的概念；碳当量概念：把单个合金元素对热影响区硬化倾向的作用折算成碳的作用，再与钢的含碳量加在一起，用这个碳当量来判断钢的可焊性的好坏；

举例对于抗拉强度在490—590MPa级的钢，其碳当量公式为：

上式中，元素符号为各元素之质量百分数，w(Cu)≥0.5%;w(P)≥0.05%时才计算。热影响区的最高硬度为HV=（666C当量+40）±40。当钢的碳当量在0.47以上时，热影响区的硬度可超过350HV，这是一个界限；此时为了安全，防止裂纹产生，在焊接工艺上要采取措施，如预热焊件母材，焊后退火等方法，以减少焊接内应力；设计工程结构钢（用焊接法联接）时，充分考虑碳当量不能超过此值。4)应变时效和淬火时效应变时效：工程构件用钢经冷塑性变形后,在室温放置较长时间后或稍经加热后,强度、硬度升高，塑性、韧性下降；应变时效的原因：低碳钢在开始塑性变形时位错挣脱柯氏气团的钉扎而运动；当多数位错都挣脱柯氏气团后，流变应力开始增高，产生加工硬化现象；如果此时卸载放置或稍加热时，存在于α-Fe间隙中的C、N原子重新形成柯氏气团钉扎位错，使强度升高，塑性降低。淬火时效：低碳钢加热到接近于Ac1

温度淬火，于室温放置或稍经加热后，其强度提高而塑性韧性下降的现象。淬火时效的原因：它是过饱和的α固溶体脱溶沉淀的结果，在室温或较高温度放置时，C、N原子将向位错和晶界偏聚，然后析出弥散的与母相共格的亚温相ε碳化物(Fe2.4C)和α’’氮化物(Fe16N2)，产生强化，降低塑性。应变时效和淬火时效都增加钢的冷脆倾向，提高钢的脆性转折温度。在制造各种构件时，经常采用弯曲，卷边，冲孔、剪裁等局部塑性变形的工艺操作，将引起应变时效；焊接广泛用于各种钢结构的生产，将会引起淬火时效。（例如一种锅炉钢板在变形后十天，αk由120J/cm2变为35J/cm2)经研究证明：应该对钢中的氮进行严格控制。应力延伸率123上屈服点下屈服点1—屈服现象；2—去载后立即加载；3---去载后放置再加载5)工程结构钢的耐大气腐蚀性能工程结构钢多是在大气或海洋大气中服役，在潮湿空气作用下，会产生电化学腐蚀;因而,要求它具有抗大气腐蚀的能力;钢中加入少量铜（0.25—0.50%）、磷(0.06—0.15%)、镍(≤0.65%)、铬(0.30—1.25%)等元素，都会提高钢抗大气腐蚀;耐蚀机理:虽然耐候钢与普碳钢锈层都是同样由γ-FeOOH、α-FeOOH、Fe3O4所组成，但耐候钢生成的锈层与金属基体之间有50--100μ厚的非晶态的尖晶石型氧化物层，它与基体金属粘附性好、致密、富集Cr、Cu、P。(b)(d)耐蚀性差（表层有裂纹）耐蚀好（表层致密）思考题：1、工程结构钢的合金化思想是什么？2、碳当量的概念是什么？3、应变时效现象？机理是什么？4、影响工程结构用钢低温韧性的因素有哪些？5、什么是钢的焊接性？如何来表征？为什么？5、工程结构钢的种类1）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，包括碳素工程结构钢、高强度低合金钢和微合金钢。①碳素工程结构钢国家标准规定，碳素工程结构钢按屈服强度分为五级，即Q195,Q215,Q235,Q255和Q275，其中Q表示屈服强度（定义是什么），其后的数字表示屈服强度值，单位为MPa；钢的屈服强度主要取决于钢中的碳含量，即珠光体量。含碳量从0.06—0.38%范围增加，屈服强度从195---275MPa,延伸率从33—20%下降。

碳素工程结构钢中五种常存元素：碳、硅、锰、硫、磷，其中W(Mn)≤1.0%,W(Si)≤0.5%,它们是冶炼工艺中为了脱氧和稳定硫的需要而加进来的；它们大部分以热轧成品供货。②高强度低合金钢(HighStrengthLowAlloySteels,简为HSLA)

为提高碳素工程结构钢强度，而加入少量合金元素；利用合金元素产生固溶强化、细晶强化和沉淀强化（不同钢种情况不一样）。利用细晶强化使钢的韧-脆转化温度的降低，来抵消由于固溶强化、碳氮化物沉淀强化使钢的韧-脆转化温度的升高。

案例分析----HSLA典型钢种16Mn工程用高强度低合金钢中16Mn是典型钢种，它属于屈服强度为345MPa级,有较高的强度、良好的塑性和低温韧性以及焊接性，是我国这类钢中产量最多、用量极广的钢种;16Mn中，w(Mn)=1.2—1.6%，起着固溶强化作用；锰降低A3温度，增大钢的奥氏体过冷能力，细化铁素体晶粒，从而既提高强度，又降低钢的冷脆性和FATT50(℃)。为进一步提高其综合性能，采用微量元素处理，如微钛、微铌处理，细化晶粒、沉淀强化，发展成15MnTi、16MnNb、15MnV。思考题：1、工程结构钢的合金化思想是什么？2、什么是钢的焊接性？如何来表征？为什么？3、应变时效现象？机理是什么？4、影响工程结构用钢低温韧性的因素有哪些？③微合金钢（高效钢）微合金钢是20世纪70年代以来发展起来的一大类高强度低合金钢，其关键是细化晶粒和沉淀强化。定义：它是在普通碳素结构钢的基础上，加入少量微合金化元素(Ti、Nb、V)，与控制轧制和控制冷却结合起来，获得高性能的一类HSLA钢种。它们在这工艺中，起什么作用？如何来实现它？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工艺，从而来提高钢的组织和性能。a.抑制奥氏体形变再结晶铌阻止形变奥氏体的回复和再结晶方面作用最强，钛次之，钒较弱。机制有二：一是在高温区，铌以固溶原子对晶界迁移的拖曳作用为主；一是在较低温奥氏体区，以应变诱导析出的Nb(C,N)粒子的钉扎晶界作用为主。变形奥氏体再结晶刚刚开始Ti、Nb、Vb、阻止奥氏体晶粒长大在高温锻造和轧制过程中，每一道次后，再结晶完了，就要发生晶粒长大。通过加钛和铌形成TiN和Nb(C,N)，它们在高温下非常稳定，其弥散分布对控制高温下的晶粒长大有强烈的抑制作用。C、沉淀相与沉淀强化

复型TEMEDS成分分析d、改变钢的显微组织钛、铌、钒等合金碳化物和氮化物随奥氏体化温度升高有一定的溶解量;溶于奥氏体的微合金元素提高了过冷奥氏体的稳定性，降低了发生先共析铁素体和珠光体的温度范围;低温下形成的先共析铁素体和珠光体组织更细小;当然，还有前述的作用，改变了钢的组织。e、案例适用于传统控制轧制的X65管线用钢，应用于高纬度严寒地区的石油和天然气输送管线。其成分为：W(C)=0.10%,w(Si)=0.25%,w(Mn)=1.35%,w(Nb)=0.04%,w(V)=0.04%；

该钢的性能：钢的碳当量为0.32；钢坯加热温度为1250℃,粗轧的终轧温度为1000℃，第一道次终轧温度为980℃，最终终轧温度为830℃，板带卷取温度为630℃；其力学性能为：σs=465MPa,σb=575MPa,δ≥22%,-25℃，冲击功129J。2）低碳贝氏体钢及其它钢具有铁素体-珠光体组织的低合金钢和微合金钢的屈服强度的极限约440MPa；若要求更高强度和韧性的配合，就需要