工程材料学第二章构件用钢课件

第二章构件用钢构件用钢是指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，又称为工程用钢。

一般说来，构件的工作特点是不作相对运动，长期承受静载荷作用，有一定的使用温度要求。如锅炉使用温度可到250℃以上，而有的构件在北方寒冷条件下工作长期经受低温作用，桥梁或船舶则长期与大气或海水接触，承受大气和海水的侵蚀。2.构件用钢概述工程材料学

(1)力学性能要求。要求构件用钢弹性模量大，以保证构件有较好的刚度；有足够的抗塑性变形及抗破断的能力；缺口敏感性及冷脆倾向性较小等。(2)耐腐蚀性能要求。为使构件在大气或海水中能长期稳定工作，要求构件用钢具有一定的耐大气腐蚀及耐海水腐蚀性能。(3)冷变形和焊接成型要求。要求构件用钢有良好的冷变形性能和焊接性能。2.构件用钢概述工程材料学

根据上述性能要求，构件用钢应以工艺性能为主，力学性能为辅。从成分上看，构件用钢应是低碳的(加C≤0.2％)，钢轨除外，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。构件用钢的基体组织是大量的铁素体和少量的珠光体。这种组织状态便决定了构件用钢具有一系列性能特点，如具有屈服、冷脆及时效等现象。2.构件用钢概述工程材料学2.1构件用钢的力学性能特点2.1构件用钢的力学性能特点一、构件用钢的屈服现象二、构件用钢的冷脆现象三、构件用钢的应变时效、淬火时效及篮脆(1)拉伸曲线上出现屈服齿与屈服平台。(2)在屈服过程中，试件的塑性变形分布是宏观不均匀的。由于屈服变形集中在局部地区少数滑移带上，所以必然引起滑移台阶高度增大，使试样表面有明显滑移线，表面出现皱褶。冷轧钢板在冲压后却在某些部分形成皱褶，消除的办法是对于一些冲压用的钢板退火后，进行变形量约为0.8％-1.5％的冷轧，即平整加工。使钢板的屈服现象在冷轧过程中完成，使钢板处于正常的加工硬化状态，从而在以后的冲压过程中变形均匀，以免出现皱褶。注意冷轧后不能停留时间过长，否则易产生应变时效现象。一般认为，屈服现象与钢中C、N原子与位错相互作用产生的“柯氏气团”有关。因此减少钢中C、N原子的含量或加入强碳化物形成元素(如Ti、Nb等)，使C、N原子与之结合成稳定的碳化物，抑制柯氏气团的形成，可避免冲压时产生表面皱褶。工程材料学由于屈服变形集中在局部地区少数滑移带上，所以必然引起滑移台阶高度增大，使试样表面有明显滑移线，表面出现皱褶。2.1构件用钢的力学性能特点工程材料学

冷轧钢板在冲压后却在某些部分形成皱褶，消除的办法是对于一些冲压用的钢板退火后，进行变形量约为0.8％-1.5％的冷轧，即平整加工。使钢板的屈服现象在冷轧过程中完成，使钢板处于正常的加工硬化状态，从而在以后的冲压过程中变形均匀，以免出现皱褶。注意冷轧后不能停留时间过长，否则易产生应变时效现象。2.1构件用钢的力学性能特点工程材料学

一般认为，屈服现象与钢中C、N原子与位错相互作用产生的“柯氏气团”有关。因此减少钢中C、N原子的含量或加入强碳化物形成元素(如Ti、Nb等)，使C、N原子与之结合成稳定的碳化物，抑制柯氏气团的形成，可避免冲压时产生表面皱褶。2.1构件用钢的力学性能特点工程材料学一、构件用钢的屈服现象二、构件用钢的冷脆现象三、构件用钢的应变时效、淬火时效及篮脆2.1构件用钢的力学性能特点

随着试验温度的降低，构件用钢的屈服点显著升高，且出现断裂特征，由宏观塑性破坏过渡到宏观脆性破坏，这种现象称为冷脆。带有尖锐缺口或裂缝的构件，上述断裂形式的过渡可能在一般的气温条件下即能产生，而且其断裂应力往往低于室温下的屈服极限。评定材料冷脆倾向大小的指标是冷脆转变温度，又称脆性转折温度(Tk)。Tk是组织敏感的参数。如金属的晶体结构、强度、合金元素及晶粒大小等均对Tk有影响。除此之外，变形速度、试件尺寸、应力状态及缺口形式等对Tk也有一定影响.构件用钢的冷脆现象在生产上有很大的实际意义。曾经认为按照钢材的屈服点设计的各种构件是安全的，即使在受到超载作用时，也只能产生过量的塑性变形而失效，不会因构件断裂造成严重后果。但在生产实际中，一系列低碳构件(船舶、桥梁、容器等)在较低使用温度下发生的引起严重后果的冷脆事故，使人们认识到只根据常规拉伸性能数据还不能全面评价构件用钢的性能。为了防止发生冷脆，对构件用钢还必须要求低的脆性转折温度，并且要保证构件的工作温度高于Tk。工程材料学

随着试验温度的降低，构件用钢的屈服点显著升高，且出现断裂特征，由宏观塑性破坏过渡到宏观脆性破坏，这种现象称为冷脆。带有尖锐缺口或裂缝的构件，上述断裂形式的过渡可能在一般的气温条件下即能产生，而且其断裂应力往往低于室温下的屈服极限。

二、构件用钢的冷脆现象2.1构件用钢的力学性能特点工程材料学

评定材料冷脆倾向大小的指标是冷脆转变温度，又称脆性转折温度(Tk)。Tk是组织敏感的参数。如金属的晶体结构、强度、合金元素及晶粒大小等均对Tk有影响。除此之外，变形速度、试件尺寸、应力状态及缺口形式等对Tk也有一定影响。2.1构件用钢的力学性能特点工程材料学构件用钢的冷脆现象在生产上有很大的实际意义。曾经认为按照钢材的屈服点设计的各种构件是安全的，即使在受到超载作用时，也只能产生过量的塑性变形而失效，不会因构件断裂造成严重后果。但在生产实际中，一系列低碳构件(船舶、桥梁、容器等)在较低使用温度下发生的引起严重后果的冷脆事故，使人们认识到只根据常规拉伸性能数据还不能全面评价构件用钢的性能。为了防止发生冷脆，对构件用钢还必须要求低的脆性转折温度，并且要保证构件的工作温度高于Tk。2.1构件用钢的力学性能特点工程材料学一、构件用钢的屈服现象二、构件用钢的冷脆现象三、构件用钢的应变时效、淬火时效及篮脆2.1构件用钢的力学性能特点

构件用钢加热到Ac以上进行淬火(快冷)或经塑性变形后，在放置过程中，强度、硬度增高，塑性、韧性下降，并提高钢的脆性转折温度，这种现象称为时效。塑性变形后的时效称为应变时效；淬火后的时效称为淬火时效；在一般气候条件下的时效称为自然时效；在较高温度下进行的时效称为人工时效，时效温度升高，时效进程加快。对低碳构件用钢，时效的影响较显著。低碳钢经淬火后天然时效时力学性能的变化低碳钢应变时效及淬火时效(虚线)时硬度的变化工程材料学三、构件用钢的应变时效、淬火时效及篮脆

构件用钢加热到Ac以上进行淬火(快冷)或经塑性变形后，在放置过程中，强度、硬度增高，塑性、韧性下降，并提高钢的脆性转折温度，这种现象称为时效。塑性变形后的时效称为应变时效；淬火后的时效称为淬火时效；在一般气候条件下的时效称为自然时效；在较高温度下进行的时效称为人工时效，时效温度升高，时效进程加快。对低碳构件用钢，时效的影响较显著。2.1构件用钢的力学性能特点工程材料学应变时效

钢材经一定量塑性变形之后在常温下长期停留，或经100～300℃加热一定时间后，其常温冲击功值及塑性下降而硬度提高的现象。主要是塑性变形后晶格出现了滑移层而扭曲，对固溶合金元素的溶解能力下降，呈现出饱和或过饱和状态，必然促使被溶物质扩散及析出，这就引起了钢材性能的变化。在加热状态下原子活力增加，促使固溶体内过饱和物质加速析出，也引起时效。应变时效主要发生在低碳钢中，钢中氧、氮、锰、铜会显著提高应变时效倾向，镍可降低该倾向。2.1构件用钢的力学性能特点工程材料学低碳钢经淬火后天然时效时力学性能的变化低碳钢应变时效及淬火时效(虚线)时硬度的变化2.1构件用钢的力学性能特点工程材料学2.1构件用钢的力学性能特点弯曲、卷边、冲孔、剪裁等过程中产生局部塑性变形的工艺操作，由于应变时效会使局部地区的断裂抗力降低，增加构件脆断的危险性。

应变时效还给冷变形工艺造成困难，裁剪下的毛坯如过一段时间再进行下道冷变形工序，往往因为裁剪边出现裂缝而报废。在一些焊接构件上，由于热影响区的温度可以达到Ac以上温度而产生淬火时效。此时，钢的显微组织没有明显变化，但其力学性能也发生类似于应变时效的变化，硬度等指标增高，韧性等指标降低。应变时效的不利影响钢材应变时效敏感性主要与固溶于αFe中的少量C、N原子(特别是N原子的影响较大)有关。因此，应控制在Q—Fe中的C、N原子数量。为此，应向钢中加入强碳、氮化物形成元素。如址、V、Ti、Nb等，使低碳钢中的C、N元素以化合物形式固定下来而较少地溶入αFe中。另外，钢中气体的含量与冶炼方法和浇铸方法有关，因而不同的冶炼方法所得钢材的时效敏感性不同。一般说来，侧吹转炉钢的时效敏感性要大于平炉钢，沸腾钢的时效敏感性要大于镇静钢。工程材料学应变时效的不利影响弯曲、卷边、冲孔、剪裁等过程中产生局部塑性变形的工艺操作，由于应变时效会使局部地区的断裂抗力降低，增加构件脆断的危险性。应变时效还给冷变形工艺造成困难，裁剪下的毛坯如过一段时间再进行下道冷变形工序，往往因为裁剪边出现裂缝而报废。在一些焊接构件上，由于热影响区的温度可以达到Ac以上温度而产生淬火时效。此时，钢的显微组织没有明显变化，但其力学性能也发生类似于应变时效的变化，硬度等指标增高，韧性等指标降低。2.1构件用钢的力学性能特点工程材料学钢材应变时效敏感性主要与固溶于αFe中的少量C、N原子(特别是N原子的影响较大)有关。因此，应控制在αFe中的C、N原子数量。为此，应向钢中加入强碳、氮化物形成元素。如址、V、Ti、Nb等，使低碳钢中的C、N元素以化合物形式固定下来而较少地溶入αFe中。另外，钢中气体的含量与冶炼方法和浇铸方法有关，因而不同的冶炼方法所得钢材的时效敏感性不同。一般说来，侧吹转炉钢的时效敏感性要大于平炉钢，沸腾钢的时效敏感性要大于镇静钢。2.1构件用钢的力学性能特点工程材料学

2.2构件用钢的工艺性能2.2构件用钢的工艺性能

制造各种工程构件时，通常在室温下进行冷变形，然后用焊接或铆接等方法装配连接起来，因此要求构件用钢具有良好的冷变形性能和焊接性能。工程材料学钢材的变形抗力，它决定钢材制成必要形状

的部件的难易程度

钢材的含碳量对其冷变形性能影响最大。含碳量增高，钢中的珠光体量增多，塑变抗力增高，而塑性降低，变形时开裂的倾向性增大。

含硫量增高，钢中的MnS夹杂物增多，也使钢材变形开裂的倾向增大，并使轧制钢板纵向及横向的塑性不同。钢材易于沿着呈条状分布的硫化物夹杂发生开裂或分层。磷有强烈的偏析倾向，含磷较高的钢板带状组织比较严重，其性能也有明显的方向性。2.2构件用钢的工艺性能工程材料学钢材在承受一定量的塑性变形时产生

开裂或其他缺陷的可能性钢材表面质量也影响冷变形性能，表面上的裂缝、结疤、折叠、划痕等缺陷，往往是冷变形开裂的根源。钢材在冷变形后性能的变化，即危害性或可利用性钢材冷变形后，强度增高，而塑性降低，应变时效进一步提高强度和降低塑性。但多数构件进行变形是由于加工上的需要，因此强度的增高往往不能利用，而塑性的降低却可能成为构件断裂的起因，必须予以注意。2.2构件用钢的工艺性能工程材料学二、构件用钢的焊接性能2.2构件用钢的工艺性能焊接脆性工程材料学焊接材料的不均质性2.2构件用钢的工艺性能马氏体转变脆性是焊接时造成冷裂纹的主要原因之一。是否易于形成马氏体取决于钢材的淬透性。碳是显著增加钢材淬透性的元素，且还增大马氏体的延迟断裂倾向，因此在一般碳素构件用钢中应将C的质量分数控制在0.25％以下，合金元素都会增加钢的淬透性，对焊接性能不利，故对其含量也应加以控制。工程材料学焊接材料的不均质性2.2构件用钢的工艺性能过烧脆性产生在紧靠熔合线的热影响区。防止过烧脆性的方法是限制钢的含碳量。或者向钢中加少量稀土元素(如铈)以固定硫。稀土硫化物可以降低钢对过烧脆性的敏感性。离熔合线较远的热影响区易产生过热脆性，可降低钢的塑性，增加冷脆倾向性。向钢中加入少量Mo、V、Ti、Nb等强碳化物形成元素时，可阻止晶粒长大，并减小过热敏感性。工程材料学焊接材料的不均质性2.2构件用钢的工艺性能凝固脆性一般以热裂纹的形式表现出来。引起凝固脆性的主要元素是S、P、Si等，C、Ni、Cu也有促进作用，故对这些元素在构件用钢中的含量也应加以限制。而加入Ti、Zr或Ce能形成球状的硫化物并提高其熔点，对减小凝固脆性有一定的好处。工程材料学焊接材料的不均质性2.2构件用钢的工艺性能热影响区的时效脆性也可能成为构件用钢在使用过程中的开裂源，必须充分注意，向钢中加入Al、V、Ti、Nb等元素，以抑制时效敏感性。工程材料学2.3构件用钢耐大气腐蚀性能2.3构件用钢耐大气腐蚀性能耐大气腐蚀性能也是构件用钢的重要使用性能。构件用钢多在野外使用，又不可能保护得很好，加之其用量极大，因而，对于如何防止锈蚀必须给予足够的重视。一、大气腐蚀过程二、提高构件用钢耐大气腐蚀的途径微电池现象示意图

微电池现象，是指在一块钢板里构成有许多个微小的原电池，从而引起钢板腐蚀的现象。钢板的组织是不均匀的，例如构件用钢的组织除了基体α-Fe外，还有第二相质点(如碳化物)，这就构成了原电池中的两极。一般说做阳极；而第二相质点的电极电势比较高，在微电池中做阴极。这样基体金属与第二相便可以看成是原电池中天然使用导线连接起来的两个极板。加之钢板在大气中放置时表面上会吸附水汽并形成水膜，于是便构成一个完整的微电池。可以使电化学腐蚀过程自动地进行，结果使金属基体不断遭受腐蚀。工程材料学2.3构件用钢耐大气腐蚀性能一、大气腐蚀过程二、提高构件用钢耐大气腐蚀的途径

1．减少微电池数量一般说来，微电池数量越多，则腐蚀速度越快，故为了减慢腐蚀速度，应减少微电池数目。C与S含量增多时，会使第二相质点(碳化物与硫化物)数量增多，从而导致腐蚀速度加快。所以构件用钢的含碳量和含硫量加以限制。2．提高基体的电极电势基体与第二相的电极电势差越大，则腐蚀速度越快。为了减慢腐蚀速度，应力求提高基体的电极电势，以抑制阳极反应。从这一角度出发，可向钢中加入能与aFe形成固溶体并能提高其电极电势的合金元素(例如Q、Ni、Ti等元素)。

3．利用钝化效应所谓钝化效应是指通过改变钢表面状态而造成基体金属表面部分电极电势升高的现象。最常采用的钝化措施是在金属表面形成一层致密的氧化膜。这种氧化膜使钢的表面与电介质隔开，从而使阳极反应受到阻碍。一般认为Cr是最有效的钝化元素，但成本较高，发展量大面广的构件用钢不宜走这一条路。工程材料学2.4碳素构件用钢

碳素构件用钢又称普碳钢，其产量约占钢总产量的70-80％，其中大部分用作钢的结构件，少量用作机器零件。由于普碳钢易于冶炼，价格低廉，性能也基本满足了一般构件的要求，所以工程上用量很大。普碳钢常以热轧状态供货，一般不经热处理强化。为了满足工艺性能和使用性能的要求，其w(C)：0.2％。2.4碳素构件用钢工程材料学

据国家标准GB700-88，将普碳钢分为Q195、Q215、Q235、Q255及Q275等五类。其化学成分和力学性能见表。其中，Q195和Q275不分等级，但化学成分和力学性能均须保证。此类钢可制成各种型材，用在建筑、车辆等行业，还可做其他构件用钢。

按钢的脱氧程度和浇注方法又可将普碳钢分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。

2.4碳素构件用钢工程材料学2.4碳素构件用钢

沸腾钢的优点是，钢锭缩孔小、切除量小、成材率高。缺点是，沸腾钢的偏析较严重，钢锭中心区域富集S、P、C等元素，冲击韧性、冷脆倾向性、时效敏感性及焊接性能较差。故沸腾钢不适于在高冲击载荷及低温条件下工作，尤其当钢材厚度较大时，其心部的不良影响尤甚。但总的来看沸腾钢的成材率高、价格低廉，在能满足使用要求时应尽量选用。镇静钢的优点是，偏析程度小，含气体量少，质量较高。只是成材率低，成本高。所以在使用条件要求高时，多使用镇静钢。工程材料学2.4碳素构件用钢

碳素结构钢的牌号和化学成分(GB/T700-1988)牌号等级化学成分脱氧方法w(C)%w(Mn)%w(Si)%w(S)%w(P)%不大于Q195－0.06-0.120.25-0.500.300.0500.045F,b,ZQ215A/B0.09-0.150.25-0.550.300.050/0.0450.045F,b,Z

Q235

A0.14-0.220.30-0.650.300.0500.045F,b,ZB0.12-0.200.30-0.700.300.0450.045F,b,ZC0.180.35-0.800.300.0400.040ZD0.170.35-0.800.300.0350.035TZQ255A/B0.18-0.280.40-0.700.300.050/0.0450.045ZQ275－0.28-0.380.50-0.800.350.0500.045Z工程材料学2.4碳素构件用钢碳素结构钢的机械性能(GB/T700-1988)牌号等级拉伸试验冲击试验屈服点s

，MPa抗拉

强度b/MPa伸长率s

,%温度℃V型冲击功(纵向)J钢材厚度(直径)，mm钢材厚度(直径),mm16>40~60>100~150>15016>40~60>100~150>150不小于不小于不小于Q195－195－－－315-39033－－－－－Q215A/B215195175165335-41031292726－/20－/27Q235A/BC/D235215195185375-46026242221－/200/-20－/27Q255A/B255235215205410-51024222019－/20－/27Q275－275255235225490-61020181615－－工程材料学碳素结构钢牌号：

Q195、Q215、Q235、Q255、Q275成分特点：低C，高S、P性能特点：冶炼容易工艺性好冶金质量差机械性能低使用状态：热轧空冷S＋F用途：工程结构件（钢板、钢筋、型钢等）

普通机械零件（少）

Wc

低时可用作焊接、铆接件等；重要零件用Q235C、Q235D建筑构件钢桥梁2.4碳素构件用钢工程材料学快冷正火试验表明，低碳沸腾钢加热到Ac3以上并在水中急冷，可在提高强度(特别是屈服强度)的同时，大大降低其冷脆、应变时效及淬火时效的倾向(表)。经这种处理所得组织为细晶粒铁素体与细片状的珠光体(伪共析体)，所以确切地说应叫快冷正火。沸腾钢经快冷正火后，甚至可以具有比相同含碳量的镇静钢更好的性能。状态Ak/(Kgmcm-2)/断口中韧性部分的部分数10℃-20℃-40℃-60℃热轧后24542033.76014/603.2/0-0.8/0快冷正火35953029.069.516/10014/7012.5/2511/20快速正火对沸腾钢性能的影响

普碳钢经快冷正火后，有时为了消除应力，还要在400℃左右回火。通常将普碳钢在950℃加热后水冷和在400℃回火处理，称水韧处理。经此处理后可使时效倾向性大为降低。采用快冷正火的好处是大大发挥了普碳钢的性能潜力，不利之处是增加一道热处理工序，提高了成本。但可将此工艺与生产实际结合起来进行，如在热轧后直接喷水冷却，生产上叫热轧淬火，不过叫热轧快冷正火更确切些。2.4碳素构件用钢工程材料学试验表明，低碳沸腾钢加热到Ac3以上并在水中急冷，可在提高强度(特别是屈服强度)的同时，大大降低其冷脆、应变时效及淬火时效的倾向(表)。经这种处理所得组织为细晶粒铁素体与细片状的珠光体(伪共析体)，所以确切地说应叫快冷正火。沸腾钢经快冷正火后，甚至可以具有比相同含碳量的镇静钢更好的性能。工程材料学快速正火对沸腾钢性能的影响

普碳钢经快冷正火后，有时为了消除应力，还要在400℃左右回火。通常将普碳钢在950℃加热后水冷和在400℃回火处理，称水韧处理。经此处理后可使时效倾向性大为降低。采用快冷正火的好处是大大发挥了普碳钢的性能潜力，不利之处是增加一道热处理工序，提高了成本。但可将此工艺与生产实际结合起来进行，如在热轧后直接喷水冷却，生产上叫热轧淬火，不过叫热轧快冷正火更确切些。工程材料学冷冲压薄板用钢冷冲压薄板用钢主要用于制造厚度在4mm以下的各种冷冲压构件，如车身、驾驶室、各种仪器及机器的外壳等。这些构件一般对强度要求不高，但却要求钢板有良好的冷冲压性能、应变时效敏感性。冷冲压薄板钢通常采用优质低碳钢，用量最大的是08钢。采用低碳钢主要是为了提高塑性，以保证钢的冷冲压性能。由于Si和P固溶于铁素体，使强度显著提高，塑性明显下降，所以要求含Si和P量愈低愈好。Mn与S可形成MnS夹杂，呈细长条状分布时，将严重降低钢板的横向塑性使其在冷冲压时易于开裂，因此对钢中Mn和S的含量也应加以限制。冷冲压薄板钢要求具有细小而均匀的铁素体晶粒(6～7级)。如果晶粒过粗(1～4级)，在冲压过程中易在变形量较大的部位发生开裂，并且冲压后表面变得粗糙(桔皮状)。但晶粒过细(8级以上)又使钢板的塑变抗力增高，冲压性能恶化，容易磨损冲模。此外，对渗碳体是数量和分布也有一定的要求。2.4碳素构件用钢工程材料学冷冲压薄板用钢主要用于制造厚度在4mm以下的各种冷冲压构件，如车身、驾驶室、各种仪器及机器的外壳等。这些构件一般对强度要求不高，但却要求钢板有良好的冷冲压性能、应变时效敏感性。工程材料学冷冲压薄板钢通常采用优质低碳钢，用量最大的是08钢。采用低碳钢主要是为了提高塑性，以保证钢的冷冲压性能。由于Si和P固溶于铁素体，使强度显著提高，塑性明显下降，所以要求含Si和P量愈低愈好。Mn与S可形成MnS夹杂，呈细长条状分布时，将严重降低钢板的横向塑性使其在冷冲压时易于开裂，因此对钢中Mn和S的含量也应加以限制。工程材料学冷冲压薄板钢要求具有细小而均匀的铁素体晶粒(6～7级)。如果晶粒过粗(1～4级)，在冲压过程中易在变形量较大的部位发生开裂,并且冲压后表面变得粗糙(桔皮状)。但晶粒过细(8级以上)又使钢板的塑变抗力增高，冲压性能恶化，容易磨损冲模。工程材料学2.4普通低合金构件用钢普通低合金构件用钢，简称普低钢，成分上都是低碳、低合金元素的钢种。普低钢是为了适应大型工程结构(如大型桥梁、大型压力容器及船舶等)、减轻结构质量、提高使用的可靠性及节约钢材的需要而发展起来的。我国列入冶金部标准的普低钢，按屈服强度的高低分为300MPa级、350MPa级、400级、450MPa级、500MPa级和650MPa级六个级别。具有代表性的钢种在表2.5中列出，国外最典型的低合金高强度钢如表2.6所示。2.5普通低合金构件用钢工程材料学工程材料学普低钢化学成分特点(1)低碳低合金元素，基本上不加Cr和Ni，是经济性能较好的钢种。(2)主加合金元素是Mn，Mn属于复杂立方点阵，其点阵类型和原子尺寸与a-Fe相差较大，因而Mn的固溶强化效果较大。合金元素在a-Fe中的固溶强化次序是：Si、Mn较大，Ni次之，W、Mo、V、Cr较小。2.5普通低合金构件用钢工程材料学

Mn是促使奥氏体长大的元素，但在构件用钢中，由于基体组织为铁素体加少量的珠光体；Mn能降低奥氏体向珠光体转变的温度范围，并减缓其转变速度，因而表现出细化珠光体和铁素体的作用，有利于钢的韧性提高。2.5普通低合金构件用钢工程材料学

Mn的加人可使Fe-C状态图中的点“S”左移，使基体中珠光体数量增多，因而可使钢在C的质量分数相同下，随铁素体量减少，珠光体量增多，致使强度不断提高。2.5普通低合金构件用钢工程材料学普低钢化学成分特点(3)辅加合金元素Al、V、Ti、Nb等。在普低钢中加入Al形成AIN的细小质点，以细化晶粒，提高强度，降低脆性转折温度Tk。加入微量的V、Ti、Nb等元素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。要注意的是，此类元素所形成的碳化物在高温轧制时可以溶解，此时细化晶粒效果消失，而Tk反而上升。所以在轧制时必须控制轧制温度，发挥V、Ti、Nb的沉淀强化作用和细化晶粒作用。2.5普通低合金构件用钢工程材料学(4)为改善钢的耐大气腐蚀性能，应加入Cu和P。(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，从而改善钢的机械性能和工艺性能。2.5普通低合金构件用钢工程材料学

普低钢合金化总的概念是：低碳，合金化时以Mn为基础，适当加入Al、V、Ti、Nb、Cu、P及稀土等元素。其发展方向是多组元微量合金化。2.5普通低合金构件用钢工程材料学

低合金结构钢（普通低合金钢）成分特点：

低C(Wc

<

0.2%)、低合金(Wme

<

3%)

Me的作用:①提高F

的强度②细化晶粒σs、σb、ak③增加P，并使之细化④弥散强化⑤提高耐蚀性⑥脱硫、去气，使钢材净化，改善韧性和工艺性能性能特点：①σ(σs)高σs/σb高减重20%～30%②具有良好的塑性和韧性③具有较高的冷加工成形性④具有良好的可焊性、耐蚀性使用状态：热轧或正火，

S＋F用途：强度较高的工程结构件保证钢的韧性、焊接性和冷成形性能Mn、V、Ti、Nb、Cu、P、Si、Re2.5普通低合金构件用钢工程材料学

2.6进一步提高普低钢力学性能的途径具有铁素体一珠光体组织的普低钢，通过上述强化方法，在保持良好的综合机械性能的条件下，其屈服极限最高约为470MPa，若希望获得强度更高的普低钢，就需要考虑选择其他类型组织的普低钢，因而发展了低碳贝氏体型普低钢、低碳索氏体型普低钢及针状铁素体型普低钢。另外，还可通过控制轧制方法来获得高强度的普低钢。2.6进一步提高普低钢力学性能的途径工程材料学低碳贝氏体型普低钢低碳贝氏体型普低钢的主要特点是使大截面的构件在热轧空冷(正火)条件下，能获单一的贝氏体组织。2.6进一步提高普低钢力学性能的途径发展贝氏体型普低钢的主要冶金措施是向钢中加入能显著推迟珠光体转变而对贝氏体转变影响很小的合金元素，从而保证热轧空冷(正火)条件下获得贝氏体组织。贝氏体型普低钢多采用Mo(w=0.5％)+B(w=0.003％)为基本成分，以保词得到贝氏体组织，加入Mn、Cr、V等元素是为了进一步提高钢的强度及综合性能。这些员素的作用是：①产生固溶强化作用；②降低贝氏体转变温度，旋贝氏体及其析出的碳钢物更加细小；③强烈推迟C曲线中的珠光体转变，进一步提高贝氏体的淬透性；④提高回火稳定性(Mo和V最有效)。工程材料学低碳索氏体型普低钢提高普低钢强度的另一途径是采用低碳低合金钢淬火获得低碳马氏体，然后进行高温回火，获得低碳回火索氏体组织，以保证钢具有良好的综合力学性能和焊接性能。与热轧状态或正火状态使用的铁素体-珠光体型普低钢不同，低碳索氏体型普低钢的强度主要取决于含碳量及钢的回火稳定性，所选的合金元素及其含量应保证钢具有压够的淬透性、较高的回火稳定性和良好的焊接性能。2.6进一步提高普低钢力学性能的途径低碳索氏体型普低钢已在重型载重车辆、桥梁、水轮机及舰艇等方面得到应用。我国在发展这类钢中也做了不少工作，并成功地应用于导弹、火箭等国防工业中。工程材料学T-1型钢板不同状态下的力学性能2.6进一步提高普低钢力学性能的途径元素CMnSiNiCrMoVCuB重量百分数0.1-0.20.6-1.00.15-0.350.7-1.00.4-0.80.4-0.60.04-0.10.15-0.50.002-0.006工程材料学三、控制轧制的应用在普低钢巾加入微量的Nb、V等元素，可以产生显著的沉淀强化效应，但同时也使钢的冷脆倾向性增大。所以，为了充分发挥Nb、V等元素的沉淀强化效应，必须相应采取韧化措施，即采用控制轧制工艺。2.6进一步提高普低钢力学性能的途径控制轧制是高温形变热处理的一种派生形式，其主要目的是细化晶粒，提高热轧钢的强韧性。控制轧制是将普低钢加热到高温(1250­1350℃)进行轧制，但必须将终轧温度控制在Ar3附近。。常规热轧和控制轧制之间的差别在于，前者铁素体晶粒在奥氏体晶界上成核，而后者由于控制轧制，奥氏体晶粒被形变带划分为几个部分，铁素体晶粒可在晶内和晶界上同时成核，从而形成晶粒非常细小的组织。工程材料学2.6进一步提高普低钢力学性能的途径控制轧制的主要工艺参数是：①选择合适的加热温度，以获得细小而均匀的奥氏体晶粒；②选择适当的轧制道次和每道的压轧量，通过回复再结晶获得细小的晶粒；③选择合适的在再结晶区和无再结晶区停留的时间和温度，以使再结晶晶粒内产生形变回复的多边形化亚结构；④在两相区(α＋γ)选择适宜的总压下量和轧制温度；⑤控制冷却速度。工程材料学四、发展针状铁素体型普低钢为了满足在北方严寒条件下工作的大直径石油和天然气输出管道用钢的需要，目前世界各国正在发展针状铁素体型钢，并通过轧制获得良好的强韧化效果。2.6进一步提高普低钢力学性能的途径元素CMnSiNbAlMoNSP重量百分数0.060.6-2.20.01-0.40.04-0.100.050.25-0.40≤0.01≤0.02≤0.02工程材料学附：钢的低温脆性一、系列冲击实验与低温脆性

1、系列冲击实验不同温度(低、室、高温)下的冲击试验。冲击韧性αK(AK)与温度t的关系曲线(AK～t)。

2、低温脆性：当t<tk时，由韧性状态变为脆性状态，冲击吸收功明显下降，断裂机理由微孔聚集变为穿晶解理，断口特征由纤维状变为结晶状。

3、tk称为韧脆转变温度或冷脆转变温度。附：

钢的低温脆性工程材料学A.温度对断裂强度σc无明显作用；B.具有体心立方或密排六方结构的金属或合金屈服强度σs对温度十分敏感，温度降低，σs急剧增加；C.交点对应的温度即为tk；D.材料受载是先屈服再断裂，为韧性断裂；反之，为脆性断裂；

面心立方结构的σs’随温度变化不大，在很低的温度下仍未与σc相交，脆性断裂不明显；近来认为体心和密排点阵的派纳力受温度影响大,T↓,τp-n(σi)↑,σs↑.早期认为是溶质原子钉轧位错,使σs↑.但与纯铁的冷脆性相矛盾.

附：

钢的低温脆性工程材料学二、韧脆转化温度及其评价方法

1、能量法：

(1)无塑性或零塑性转变温度NDT：①低阶能：低于某一温度，

冲击能量基本不随温度而变化，形成一平台。②低阶能开始上升的温度为tk(即NDT)。

NDT以下，断口由100％结晶区(解理区)组成。

(2)FTP：①高阶能：高于某一温度，吸收的能量基本不变，形成一个上平台。②以高阶能对应的温度为tk(即FTP)。高于FTP的断裂，得到100％的纤维状断口。

(3)FTE：低阶能和高阶能平均值对应的温度。

(4)V15TT：以AKV=15尺磅(20.3N·m)对应的温度。附：

钢的低温脆性工程材料学2、断口形貌法：

(1)断口形貌：

(2)50%FATT(FATT50,t50)：通常取结晶区面积占整个断口面积50％时的温度为tk

。

由纤维区F、

放射区(结晶区)R、

剪切唇S组成。

t不同，相对面积不同。

(面积～t曲线)附：

钢的低温脆性工程材料学三、影响材料低温脆性的因素

1．晶体结构的影响

2．化学成分的影响

3．显微组织的影响

4．温度的影响

5．加载速率的影响

6．试样形状和尺寸的影响附：

钢的低温脆性工程材料学1．晶体结构的影响体心立方金属及其合金存在低温脆性，面心立方金属及合金一般不存在低温脆性。2．化学成分的影响间隙溶质元素的含量增加，韧脆转变温度提高。间隙溶质元素与位错交互作用偏聚位错线的附近形成柯氏气团，增加了屈服强度，脆性增加。杂质元素S、P、Pb、Sn、As等偏聚于晶界，降低晶界的表面能，产生沿晶脆性断裂，降低脆断应力。

附：

钢的低温脆性工程材料学3．显微组织的影响（1）晶粒大小细化晶粒可以使材料的韧性增加。晶界是裂纹扩展的阻力；晶界前塞积的位错数减少，有利于降低应力的集中；晶界总面积增加，使晶界上的杂质浓度减少，避免产生沿晶脆性断裂。（2）金相组织在较低强度的水平，强度相同的条件下，冲击吸收功和韧脆转变温度以回火索氏体最佳，贝氏体回火组织次之，片状珠光体最差；在较高强度的水平，中、高碳钢的等温淬火下贝氏体组织优于同强度的淬火马氏体回火组织；在低碳钢合金中，经不完全等温处理获得的贝氏体和马氏体混合组织，韧性比单一马氏体或贝氏体组织好。马氏体钢中存在稳定的残余奥氏体，可以抑制解理断裂，从而显著改善钢的韧性。

附：

钢的低温脆性工程材料学4．温度的影响

碳钢和某些合金钢在冲击载荷或精载荷的作用下，在一定温度范围内出现脆性。因为在该温度范围内加热时，表面氧化为蓝色，故此现象称为蓝脆。在静拉伸时，蓝脆的温度范围为230～370℃；在冲击载荷作用下，蓝脆最严重的温度范围为525～550℃；蓝脆是形变时效加速的结果，但温度升至某一适当的温度时，碳、氮原子扩散速度加快，易于在位错附近偏聚形成柯氏气团。这一过程的形成速率高于塑性变形速率，则在塑性变形过程中产生时效，是材料强度提高，塑性下降；反之，则材料的塑性提高。在冲击载荷作用下，形变速率较高，碳、氮原子需要在较高温度下才能获得足够的扩散激活能，以形成柯氏气团，故蓝脆温度升高。附：

钢的低温脆性工程材料学

如果在屈服强度后某一点进行卸载，随后若立即再拉伸加载，屈服现象不再出现；但是若在卸载后经过时效处理，在拉伸变形时屈服现象又重新出现，而且新的屈服平台高于卸载时的流变应力。这种现象叫做应变时效。低碳钢的屈服现象的位错理论解释：退火低碳钢是以铁素体为基的合金，铁素体中的碳（氮）原子与刃位错交互作用形成柯氏气团，从而钉扎刃型位错，使之难以运动。因此，在开始塑性变形时，必须提高外力克服柯氏气团的钉扎位错，使之难以运动。因此，在开始塑性变形时，必须提高外力克服柯氏气团的锚力才能使位错运动，这就是上屈服点。附：

钢的低温脆性工程材料学

由于多晶体塑性变形是相邻晶粒逐个进行的，其中位错源开动都是通过前面晶粒位错塞积的作用来实现的。每个晶粒位错源的开动都需要克服柯氏气团的锚力，但开动后，因变形应力又很快降下来，于是就形成了锯齿形的屈服曲线。

根据这种解释，可以说明屈服现象为什么在预先塑性变形后不再出现和加热时效后又再次出现的原因。因为预先塑性变形已经全部破坏了柯氏气团，所以屈服现象不再出现，但是如果在卸载后再加热时效，碳（氮）原子又会扩散移至刃型位错周围形成柯氏气团，第二次加载开始屈服变形时，就需要重新克服柯氏气团作用，再次出现屈服现象。

由于第二次加载前，材料因前次变形位错密度升高，其弹性极限升高,所以在第二次加载时，在弹性极限提高的基础上又须进一步克服柯氏气