工程材料学工程构件用钢

工程材料学工程构件用钢第1页，课件共32页，创作于2023年2月第一节工程构件用钢的使用性能

一.力学性能特点

1.工程构件的屈服现象：

为何出现这种现象：金属的塑性变形过程，软位向（少量晶粒）中处于与应力成45゜滑移面上的位错先移动；挣脱且CN钉扎后，所需应力小或不变；而变形还在继续；当已移动的位错造成的应力场足以使周围晶粒（硬位向）中位错移动时，其他滑移面上位错与软位错一起运动，即：晶粒均塑变，均匀变形。实际应用中：（钢材扎制）冷轧钢板时出现皱折第2页，课件共32页，创作于2023年2月

2.冷脆现象：构件在低温使用时，发生脆性断裂时的应力小于屈服极限。

原因：存在冷裂纹，缺口，淬火时效，应变时效的钢(低碳钢)使Tk↑，在使用T下，处于解理断裂区，脆性↑，冷脆倾向性的大小用Tk来衡量（Tk是光滑试样测得的）第3页，课件共32页，创作于2023年2月影响Tk的因素a构件表面质量b构件的冶金质量c构件的晶粒度d合金元素第4页，课件共32页，创作于2023年2月3.工程构件用钢的应变时效

概念：构件钢在塑性变形后（高温Ac1以下）放置，其（力学性能）强度，硬度等塑性变形抗力指标增高，而极限塑性和韧性等断裂抗力指标降低的现象，称应变时效。危害：

a.使材料的断裂抗力降低，成为裂纹的起源，局部变形，卷边，冲孔，剪裁。

b.给冷变形工艺造成困难：硬，脆，继续加工难度大，有的无法加工。第5页，课件共32页，创作于2023年2月控制：

a.C,N↓（用低C钢），加入碳化物形成元素（Al，

V，Ti，Mo），可控制或消除应变时效。

b.冶炼方法，浇铸方法：平炉钢的时效敏感性＜侧吹转炉钢镇静钢的时效敏感性＜沸腾钢衡定指标：应变时效前后的ak、HRB值差与原值相比的百分数。第6页，课件共32页，创作于2023年2月4.淬火时效

含义：淬火后放置时，使σs，HB↑，δT，φk↓的现象

原因：淬火时效是过饱和C，N脱溶的结果：共格Fe2.4C-ЄFe16N2-α脆性大，（高温，过时效，Fe2.4C-Є转变Fe3C,Fe16N2-α转变Fe4N且长大）

应用：焊接热影响区的淬火时效—热循环（加热，冷却），构件开裂

5.蓝脆：在低碳钢中在200-350℃时，光亮的钢表面存在蓝的颜色，测力学性质发现，塑性，韧性↓，强度↑，这种现象称蓝脆。

第7页，课件共32页，创作于2023年2月二工程构件钢的耐大气腐蚀性1.

大气腐蚀过程：如图所示电化学腐蚀——原电池现象（两块金属极板）—构件用钢——一块钢板上进行的（两种组织）——微电池现象。

2.提高构件用钢的耐大气腐蚀途径：（1）减少微电池数量：S，C↓，要求是低碳钢（2）提高基体（α-Fe）的电极电位：抑制阳极反应，α-Fe→固溶体，Ni，Ti可溶于α-Fe中，使其电极电位增高，防止大气腐蚀。

第8页，课件共32页，创作于2023年2月（3）利用钝化效应

钝化效应：指通过改变表面状态而造成基体金属表面部分电极电位增高的现象。钝化措施：迅速形成一层保护膜，使基体金属与电介质隔开，从而使阳板反应受到阻碍

Cu（0.2-0.5%）

P加入钢中，也提高钢的耐腐蚀性

Cu+P：Wp：0.06-0.15%；

WCu:0.1-0.3%效果最佳，P有益元素第9页，课件共32页，创作于2023年2月第二节工程构件用钢的加工工艺性能

一.冷变形性能1.钢材的变形能力：指制备成必要形状的工件时的难易程度，塑变抗力→C↑M↑d↓

设备功率大小不同﹤﹦﹥不同变形程度﹤﹦﹥构件钢的C、M低，不会对变形造成困难。2.产生开裂（其他缺陷）的可能性：

a.φk，δT不足，是开裂的原因。

σs/σb来衡量材料塑性失稳的可能性，σs/σb高，易塑性失稳一般σs/σb<0.7（延伸，弯曲较大变形的钢）

b.含C程度高开裂倾向大（珠光体↑，α少）

c.含S程度高开裂倾向大分层裂纹源

d.含P程度高开裂倾向大偏析，脆

e.表面质量差开裂倾向大裂纹源3.冷变形后性能：变形后ρ↑△σs↑，塑性↓应变时效△σs↑，塑性↓

第10页，课件共32页，创作于2023年2月二.焊接性能

焊接脆性：由于钢材的成分和组织的变化而导致焊接构件脆断趋势增加的现象，即焊接脆性。1.

马氏体转变脆性：产生热影响区（HAZ）Ac1以上，γ晶粒大，冷却M粗大，使σ↑，δ↓，应力（组织、热应力）经常出现裂纹。原因：与C、M有关，Cz（合金元素折合成含C对它的行为影响），Cz↓焊接性能↑（Cz<0.35%，焊接性好；Cz>0.4-0.5%焊接困难，母材预热，焊后热；Cz>0.6%预热，构件保持200-400℃之间。正火处理）∴构件应为低C，低合金钢

第11页，课件共32页，创作于2023年2月2.凝固脆性

在凝固过程中，由于成分和结构变化而引起的裂纹。先结晶纯，把杂质推向液相，在晶界偏析，收缩应力作用下沿着柱状晶产生热裂纹。

S，P，Si，C，Ni，Cu控制。如图

3.

热影响区的时效脆性：淬火时效，应变时效（淬火应力使淬角处产生微塑）

4.

焊接后加热脆性（开裂）：γ不锈钢，V钢，加热松弛应力时开裂，往往在融合线附近粗大晶粒区，焊缝粗大组织中，主要是杂质，第二相偏析（相当于第二次回火脆）由此看来，以上这些脆性均是C，M↑所造成的。因此，为了提高保证焊接性能，构件钢往往采用低C钢，低M钢。作业题思考题

第12页，课件共32页，创作于2023年2月第三节

低合金构件钢

用途：主要制作大量金属构件如桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等（图)，它代替碳素结构钢，可大大减轻结构重量，节省钢材，保证使用可靠，耐久。一.性能要求：

1.

力学性能

第13页，课件共32页，创作于2023年2月

2.

工艺性能：冷成型性，焊接性要求好，要求碳含量<0.35%3.

耐大气腐蚀性：向钢中加入Cu，P，（Cr，Ni等元素）

4.经济：节省资源，多之合金元素，低是不用Ni，Cr第14页，课件共32页，创作于2023年2月二.成分特点

1.

低碳：由于韧性，焊接性，冷成型性的要求，其C的质量成分不超过0.20%；

2.Mn为主要元素；以低合金钢基本不用贵重Ni，Cr等元素，而以资源丰富的Mn为主要元素，Mn固溶强化，可使奥氏体分解温度降低，细化了晶粒，使P变细，消除晶界上的粗大片状碳化物，提高钢的强度和韧性；

第15页，课件共32页，创作于2023年2月

3.

Nb，V，Ti为辅加元素：Nb，V，Ti强碳化物形成元素，在钢中形成细碳化物，阻碍钢热扎时γ晶粒张大，细化晶粒；析出强化作用，强韧化提高；

4.

Cu，P：耐大气腐蚀性能提高；

5.加入微量RE：净化钢材，脱S，改夹杂物形态，提高力学性能，改善韧性，工艺性能。三普低钢的牌号见（书）表2-7、表3-8第16页，课件共32页，创作于2023年2月四.常用钢种及用途

16Mn：我国低合金高强钢中用量最多、产量最大的钢种。较低强度级别钢中最具代表性的钢种Q345，使用状态的组织为细晶粒的铁素体—珠光体，综合力学性能好，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%，省材20%-30%，低T性能好。

15MnVN（Q420）中等级别强度钢中使用最多的钢种。中强度级别代表性钢种V，N可形成V的N化物，细化晶粒，析出强化，强韧性综合好，焊接性，低温韧性较好。用于制造桥梁，锅炉，船等大型结构。特点和作用如图。强度级别超过500MPa后，铁素体和珠光体组织难以满足要求，于是发展了低碳贝氏体钢。加入Cr、Mo、Mn、B等元素，有利于空冷条件下得到贝氏体组织，使强度更高，塑性、焊接性能也较好，多用于高压锅炉、高压容器等。

第17页，课件共32页，创作于2023年2月五.热处理特点（根据使用状态）：

a.

这类钢一般在热扎空冷状态下使用，细α+p

b.

如有特殊需要时，如为改善焊接性能，正火处理，高温回火，α+索氏体

c.

屈服强度高的钢材还采用轧后控冷方法Q420钢

第18页，课件共32页，创作于2023年2月返回第19页，课件共32页，创作于2023年2月返回第20页，课件共32页，创作于2023年2月

碳素结构钢的牌号和化学成分（摘自GB/T700-1988）

牌号

等级化学成分w/%

脱氧方法CMnSiSP不大于Q195

0.06～0.120.25～0.500.300.0500.045F,b,ZQ215A0.09～0.150.25～0.550.300.0500.045F,b,ZB0.045Q235A0.14～0.220.30～0.650.0350.0500.045F,b,ZB0.12～0.200.30～0.700.045C≤0.180.35～0.800.0400.040ZD≤0.170.035TZQ255A0.18～0.280.40～0.700.300.0500.045F、b、ZB0.045Q275

0.28～0.380.50～0.800.350.0500.045b、Z说明： 1.Q235A，B级沸腾钢锰质量分数上限为0.60%。

2.“F”沸腾钢，“b”半镇静钢、“Z”镇静钢，“TZ”特殊镇静续第21页，课件共32页，创作于2023年2月返回碳素结构钢的机械性能（摘自GB/T700-1988）

牌号

等级拉伸试验冲击试验屈服点σs/MPa抗拉强度σb/MPa伸长率δ5/%

温度/℃V型冲击功（纵向）/J钢材厚度（直径）/mm钢材厚度（直径）/mm≤1616～4040～6060～100100～150>150≤1616～4040～6060～100100～150>150不小于不小于不小于Q195

(195)(185)

315～3903332

Q215A215205195185175165335～410313029282726

B2027Q235A

235

225

215

205

195

185

375～460

26

25

24

23

22

21

B20

27C0D-20Q255A255245235225215205410～510242322212019

B2027Q275

275265255245235225490～610201918171615

第22页，课件共32页，创作于2023年2月新旧GB700标准牌号对照GB700－88GB700－79Q195不分等级，化学成分和力学性能（抗拉强度、伸长率和冷弯）均须保证，但轧制薄板和盘条之类产品，力学性能的保证项目，根据产品特点和使用要求，可在有关标准中另行规定1号钢Q195的化学成分与本标准1号钢的乙类钢B1同，力学性能（抗拉强度，伸长率和冷弯）与甲类钢A1同（A1的冷弯试验是附加保证条件），1号钢没有特类钢Q215A级

B级（做常温冲击试验，V型缺口）A2C2Q235A级（不做冲击试验）B级（做常温冲击试验，V型缺口）C级（作为重要焊接结构用）D级（作为重要焊接结构用）A3（附加保证常温冲击试验，U型缺口）C3（附加保证常温或－20℃冲击试验，U型缺口）Q255A级

B级（做常温冲击试验，V型缺口）A4C4（附加保证冲击试验，U型缺口）Q275不分等级，化学成分和力学性能均须保证C5返回第23页，课件共32页，创作于2023年2月作业及思考题1低碳钢板采用冷轧工艺时，为何出现表面皱褶？2淬火时效、应变时效、钝化效应含义3构件用钢的大气腐蚀效应4常见的焊接脆性有哪些5碳钢中常存杂质元素对钢性能有何影响6碳钢常见的分类方法有哪些？试说明20钢、45、60、Q215-A钢，Q215-B钢，T8钢、T10A钢、T12钢、7为什么普低钢（低合金结构钢）用Mn作为主要的合金元素？辅助元素在钢中起什么作用？8试说明16Mn、15MnVN中合金元素的作用？返回第24页，课件共32页，创作于2023年2月常用低合金高强度结构钢的钢号、成分、性能及用途（摘自GB/T1591-1994）钢号

化学成分

w/%厚度或

直径/mm机械性能

旧钢号

应用举例CMnSiVNbTi其它

σs/MPaσb/MPaδ5/%

Akv(20℃)/J

Q295≤0.160.80～1.50≤0.55

0.02～0.150.015～0.0600.02～0.20

<1616～3535～50≥295≥275≥255390～570233409MnV09MnNb09Mn212Mn桥梁，车辆，容器，油罐

Q3450.18～0.201.00～1.60≤0.55

0.02～0.150.015～0.0600.02～0.20

<1616～3535～50≥345≥325≥295470～63021～223412MnV14MnNb16Mn18Nb16MnRE桥梁，车辆，船舶，压力容器，

建筑结构

Q390≤0.201.00～1.60≤0.55

0.02～0.200.015～0.0600.02～0.20Cr≤0.30Ni≤0.70<1616～3535～50≥390≥370≥350490～65019～203415MnV15MnTi16MnNb桥梁，船舶

起重设备，

压力容器

Q420≤0.201.00～1.70≤0.55

0.02～0.200.015～0.0600.02～0.20Cr≤0.40Ni≤0.70<1616～3535～50≥420≥400≥380520～68018～193415MnVN14MnVTi-RE桥梁，高压容器

大型船舶，

电站设备，管道

Q460≤0.201.00～1.70≤0.55

0.20～0.200.015～0.0600.02～0.20Cr≤0.70Ni≤0.70<1616～3535～50≥460≥440≥420550～720返回第25页，课件共32页，创作于2023年2月钢板、钢筋建筑构件螺钉、铆钉钢桥梁返回第26页，课件共32页，创作于2023年2月齿轮螺栓曲轴返回第27页，课件共32页，创作于2023年2月弹簧返回第28页，课件共32页，创作于2023年2月优质碳素结构钢的化学成分（摘自GB/T699-1999）钢号化学成分w/%CMnSiCr其它08F0.05～0.110.25～0.50≤0.03≤0.10Ni不大于0.30Cu不大于0.20S不大于0.035P不大于0.035100.07～0.130.35～0.650.17～0.37≤0.15200.17～0.230.35～0.650.17～0.37≤0.25350.32～0.390.50～0.800.17～0.37≤0.25400.37～0.440.50～0.800.17～0.37≤0.25450.42～0.500.50～0.800.17～0.37≤0.25500.47～0.550.50～0.800.17～0.37≤0.25600.57～0.650.50～0.800.17～0.37≤0.25650.62～0.700.50～0.800.17～0.37≤0.25

返回第29页，课件共32页，创作于2023年2月锉刀量规