金属材料学课件：工程结构钢

工程结构钢的基本要求低合金高强度结构钢的合金化铁素体-珠光体钢低碳贝氏体钢、针状铁素体钢和马氏体钢双相钢工程结构钢

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C<0.25%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。耐候Z型钢用于体育馆镀锌C型钢用于上海大剧院屋架桁架现代化蔬菜大棚工程构件的服役特点：

1.不作相对运动，长期承受静载荷作用；

2.有一定的使用温度和环境要求：如寒冷的北方，构件在承载的同时，还要长期经受低温的作用；

3.桥梁或船舶长期经受大气或海水的浸蚀；

4.电站锅炉构件的使用温度可达到250℃以上。2.1工程结构钢的基本要求力学性能要求如下：

1、高的强度。

2、良好的塑性；

3、冲击韧性好；（1）一定的常温冲击韧性；（2）尽可能低的脆性转变温度；（3）低的时效敏感性。预先拉伸10%的板试样，在250℃，1h人工时效后，测出室温冲击韧性，与原材料相比，不得低于50%，且不小于27J。2.1工程结构钢的基本要求时效现象

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，Ak=120J，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。2.1工程结构钢的基本要求工艺性能要求：良好的成形工艺性能和焊接性能。要求具有一定的耐大气腐蚀及海水腐蚀性能。

以工艺性能为主，力学性能为辅。2.1工程结构钢的基本要求成分设计要求：

1.低碳（w(C)%≤0.25%）；

2.加入适量的合金元素提高强度（1）当合金元素含量较低时，其基体组织是大量的铁素体和少量的珠光体；（2）合金元素含量较高时，基体组织可变为贝氏体、针状铁素体和马氏体。供货状态：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。2.1工程结构钢的基本要求

一、工程结构钢的强化机制在铁素体-珠光体钢中，合金元素对强化的贡献有：①溶入铁素体中，起固溶强化；②细化晶粒，起细晶强化；③析出碳化物、碳氮化物，起弥散强化；④增加珠光体含量。

1.固溶强化主要利用Mn、Si、Cu、P等元素溶入铁素体中来提高强度。2.1工程结构钢的基本要求C↑固溶强化效果和珠光体含量，低成本。↑

C，↓塑、韧性，↓焊接性、冷成型性。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

最常用且经济的元素，强化铁素体较显著，1%Si，σs↑85MPa，↑Tk，量多时可大为降低塑韧性，所以Si控制在<1.1%。Mn

固溶强化作用大，1%Mn，σs↑33MPa，约有3/4量溶入铁素体中；弱的细晶作用，↓Tk。量多时可大为降低塑、韧性。所以Mn控制在<1.8%。2.1工程结构钢的基本要求Nb、V、Ti、Al

形成稳定细小的K等，粒子2~10nm，既细晶强化又沉淀强化，↑σs

，↑δ

、Ak，综合效果↓Tk。改善焊接性。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Mn含量，并适当用Si强化。2.1工程结构钢的基本要求钢的韧-脆转折温度与碳含量的关系合金元素对低合金高强度钢的固溶强化2.1工程结构钢的基本要求2.1工程结构钢的基本要求2.细晶强化符合Hall-Patch关系：

细化晶粒的途径很多，其中重要的是用Al脱氧和合金化。从合金化角度主要有两点：

（1）加入强碳化物形成元素（V，Ti，Nb）细化奥氏体晶粒加热时未溶碳（氮）化物粒子阻碍奥氏体晶粒长大；控制轧制中析出碳（氮）化物粒子阻止形变奥氏体晶粒长大。

（2）加入Cr，Mn，Ni，Mo细化铁素体和珠光体固溶于奥氏体中，降低A3温度，可增加过冷奥氏体的过冷能力，使奥氏体在更低的温度下发生转变，从而细化铁素体和珠光体。

2.1工程结构钢的基本要求3.沉淀强化固溶于奥氏体中的V，Ti，Nb，在冷却至Ar1~600℃时，在铁素体中析出极细小的碳化物颗粒，产生弥散强化作用。（1）产生原因

V，Ti，Nb是强碳化物形成元素，有优先形成碳化物的特性。

V，Ti，Nb在奥氏体和铁素体中溶解度的剧烈改变。（2）形态相间沉淀：在α／γ相界面析出。紊乱分布：在铁素体内位错线和基体上析出。（3）强化效果：Nb>Ti>V2.1工程结构钢的基本要求4.增加珠光体含量当C<0.1%，珠光体约为10~15%时，珠光体数量对σs无影响，但增大σb。由于珠光体增多会降低塑性，韧性，可发展无珠光体钢，以满足焊接、深冲、耐低温、耐腐蚀需要。2.1工程结构钢的基本要求二、工程结构钢的焊接性金属结构焊接时要求焊缝与母材有牢固的结合，强度不低于母材，焊缝的热影响区有较高的韧性，无焊接裂纹。焊接时，焊缝被钢液充填，电弧移走后，焊缝的热量为周围的母材所吸收，焊缝的冷速很大，往往超过母材钢种的临界冷却速度而发生局部淬火，产生相变，在焊缝和热影响区产生很大的内应力。热影响区由于温度高而引起晶粒粗化以及形成马氏体组织。这些都促使焊接裂纹的产生。2.1工程结构钢的基本要求加入合金元素恶化工程结构钢焊接性的因素有：①增加钢的淬透性，焊后冷却发生马氏体转变，升高内应力；②钢中含碳量增高马氏体的比容和硬度，引起内应力增加；③降低Ms点，易获得孪晶M；④钢中含氢量高使钢的塑性下降，引起氢脆。一般来说，加入合金元素会使钢的焊接性变差，影响最大是C，所以低碳钢的焊接性较好，焊接后，可获得位错型的板条马氏体，韧性好。2.1工程结构钢的基本要求三、工程结构钢的耐腐蚀性能工程结构多是在大气或海洋中服役，在潮湿空气作用下，会产生电化学腐蚀，因而要求有抗大气腐蚀的能力。

1.抗大气腐蚀的元素：Cu、P、Cr、Ni等

2.抗S或抗H2S气体腐蚀的元素：Cr、Mo、Al3.抗海水腐蚀的元素：Mn、P、Re2.2铁素体-珠光体钢F-P钢是工程结构钢中最主要的一类钢种，包括碳素工程结构钢、高强度低合金钢和微合金化钢。碳素工程结构钢有Q195、Q215、Q235、Q255和Q275。高强度低合金钢有Q295、Q345、Q390、Q420和Q460。有低温冲击韧性要求。组织：10~25%片层状P和75~90%多边形F。

最新研究成果：如F晶粒尺寸细化到微米级，则F-P类低合金高强度钢的强度也可达到800MPa。2.2铁素体-珠光体钢<0.2%，主要是为了获得较好的塑性、韧性、焊接性能；低碳合金元素

主加合金元素主要是Mn，是经济性能较好的钢种；辅加合金元素Al、V、Ti、Nb等，以细化晶粒，可提高强度，又可降低韧脆转折温度Tk；加入一定量的Cu和P以改善钢的耐大气腐蚀性能。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。一、低合金高强度钢20世纪70年代后发展起来的一大类高强度低合金钢。是在现有钢类中添加了微量Ti、Nb、V使钢的性能明显提高。为了充分发挥微合金元素的作用，同时发展了与之配套的控制轧制和控制冷却工艺，是细晶强化和沉淀强化的最佳组合。强化机理

→析出强化和晶粒细化↑钢性能。

→Nb、V、Ti微合金化和控轧控冷工艺。二、微合金钢2.2铁素体-珠光体钢1.成分控制目的：保证在热轧温度下，细小分散物稳定，但不占据较大体积分额，不损害室温下的塑性和韧性。合金元素：Al、Nb、Ti、V

形成具有高的稳定性的氮化物、碳化物和碳氮化物。2.控制轧制和控制冷却（1）控制轧制高温形变热处理→使奥氏体中形成大量铁素体相变核心→使铁素体晶粒细化，从而提高热轧钢的强韧性。2.2铁素体-珠光体钢第一阶段：使粗大的奥氏体（a）多次变形和再结晶而细化（b），但这时由奥氏体转变的铁素体仍然较粗大（b’）；第二阶段：奥氏体晶粒变形拉长，晶内存在变形带，而且使铁素体在变形带以及奥氏体晶界上形核，从而形成细小的铁素体（c’）；控制轧制包括：①高温下的再结晶区变形；②在紧靠Ar3以上的低温无再结晶区变形；③在奥氏体-铁素体两相区变形。第三阶段：在两相区，奥氏体由于形变诱发发生相变，形成等轴状颗粒组织，颗粒状中有部分受形变作用产生回复，形成亚结构（d’），形成一种等轴晶粒与亚晶所组成的混晶组织，由亚晶强化可以使强度得到进一步提高。控制轧制三个阶段及每个阶段变形时显微组织的变化示意图2.2铁素体-珠光体钢

常规热轧和控制轧制之间的基本差别：普通低合金高强度钢热轧加热大部分都在1200~1300℃，在热轧过程中每一道次都发生奥氏体的再结晶，且只在晶界上形核；控制轧制时，在比通常轧制温度更低的范围内进行，形核发生在晶内及晶界上。

因此，常规热轧的晶粒细化受到限制，而控制轧制时依靠变形带，晶粒被分割成好几个部分，可形成非常细小的晶粒组织。2.2铁素体-珠光体钢（2）控制冷却对截面较厚的钢材，若冷却速度过慢，析出的先共析铁素体将长大，珠光体团和片层也粗化，降低了钢的强度和韧性。另外，冷却过慢则发生相间沉淀的温度较高，沉淀相过于粗大，减弱了沉淀强化效应。

根据截面厚度不同，可采取强制风冷、喷雾、喷水等措施来控制冷却速度。在热轧板材生产中，控制板材卷取温度也很重要，卷取温度一般控制在600~650℃，使600℃以下冷速减慢，以便改善板材的塑性和韧性。2.2铁素体-珠光体钢3.Nb、V、Ti在微合金化钢中的作用

（1）阻止奥氏体晶粒长大通过加入Ti和Nb形成TiN或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奥氏体晶粒长大有强烈的抑制作用。Nb最有效，Ti次之，V则基本上不起细化奥氏体晶粒的作用。（V在1100℃全溶于奥氏体中，Nb：1325~1360℃，Ti：1255~1280℃）

（2）抑制奥氏体形变再结晶在热加工过程中，通过应变诱导析出Nb、Ti、V的氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上起钉扎作用，有效地阻止奥氏体再结晶的晶界和位错的运动，抑制再结晶过程的进行，其作用顺序是:Nb>Ti>V

。2.2铁素体-珠光体钢

（3）沉淀相与沉淀强化

Ti和Nb的碳化物和氮化物及V的氮化物具有足够低的固溶度和高的稳定性。因此，一般微合金钢中的沉淀强化相主要是低温下析出的Nb（C，N）和VC。Nb≤0.04%时，△σG>△σph；Nb≥0.04%时，△σph增量大大增加，而△σG保持不变。V引起析出强化增量△σph最显著，而Ti的作用处于Nb和V之间。2.2铁素体-珠光体钢（4）改变钢的显微组织

Ti、Nb、V等合金碳化物和氮化物随奥氏体温度升高有一定的溶解量，如Nb(C,N)在1150℃溶于奥氏体的铌约0.03%，而V(C,N)更易溶于奥氏体。在轧制加热时，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，并使相间沉淀Nb（C，N）和V（C，N）的粒子更细小。2.2铁素体-珠光体钢2.3低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢和马氏体钢一、低碳贝氏体钢

低碳：0.10~0.20%，一般为0.10~0.15%（保持韧性，提高焊接性）

使用状态组织：贝氏体。

加工过程：轧制空冷或正火后控制冷却，直接得到低碳贝氏体组织。

屈服强度较高：可达450~980MPa（贝氏体的相变强化）低碳贝氏体钢与相同碳含量的F-P型钢相比，具有更高的强度和良好的韧性。

合金元素的作用是保证在较宽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级主要特点2.3低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢和马氏体钢

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。①针状铁素体钢实际上属于超低碳贝氏体钢。

②

≤0.06%C+适量Mn、Mo、Nb等，实施控轧控冷技术，获得具有高密度位错（1010cm-2）亚结构的“针状F”组织（超低碳B）。③σs达700~800MPa，低温冲击韧性、焊接性更好。④用于现场焊接条件极其寒冷地带管线。被称为21世纪的控轧钢。基本特点二、针状铁素体钢2.3低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢和马氏体钢三、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、良好韧性和超群的疲劳性能。<0.16%C，加入Mo、Nb、V、B及控制Mn或Cr与之配合→淬火和自回火获得低碳回火马氏体，具有高强度、高韧性和高疲劳强度。

如BHS-1钢（0.1C-1.8Mn-0.45Mo-0.05Nb锻轧后空冷或直接淬火并自回火。达到合金调质钢调质后的性能水平。

制造汽车的轮臂托架、操纵杆、车轴、转向联动节和、冷拔及制作高强度紧固件。拉杆等，也可用于冷镦。2.3低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢和马氏体钢2.4双相钢

传统的低合金高强度钢对汽车压力加工件来说，没有具备足够的冲压成型性，因而需要改善强度-成型性的综合性能，以满足汽车冲压成型件的要求。双相钢的开发，使这类问题在一定程度上得到了解决。

主要成分：~0.2%C，1.2~1.5%Si，0.8~1.5%Mn，~0.45%Cr，~0.4%Mo，少量V、Nb、Ti。成分组织F+M组织，F（70~80%）基体上分布不连续岛状混合型M（20~30%）→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。2.4双相钢

低σs，且是连续屈服，无屈服平台和上、下屈服；均匀塑变能力强，总延伸率较大，冷加工性能好；加工硬化率n值大，成型后强度可达500~700MPa。性能2.4双相钢

将热轧的板材或冷轧的薄板在两相区（γ+α，740℃~800℃））加热退火时，在铁素体基体上形成20~30%的奥氏体，并且C、Mn等奥氏体形成元素富集于奥氏体中，提高过冷奥氏体的稳定性，抑制珠光体转变，在空冷条件下即能转变成马氏体，获得F+M。

热处理双相钢

热轧后直接成材，控制转运台的冷却，使钢形成70~80%的细小多边形铁素体。未转变的奥氏体因C%上升和Me上升，提高奥氏体的稳定性，而避免形成珠光体和贝氏体，最后得到F+M的双相组织。通常，这类钢的成分较一般低合金高强度钢含较高的合金元素。

热轧双相钢2.4双相钢

冲压型双相钢主要是板材，广泛用于各种容器和汽车冲压件。非冲压双相钢有棒材、线材、钢筋、薄壁无缝钢管等产品。钢材经热轧后控制冷却，得到F+M双相钢组织，后经冷拔、冷镦等工艺制成成品，可用于汽车的大梁和滚型车轮，汽车的前后保险杠、发动机悬置梁等，使用双相钢可使汽车重量降低10~30%。

应用2.4双相钢2.5低合金高强度钢发展趋势2.6抗震耐火钢一、概述建筑结构：钢结构、网架结构、钢筋混凝土结构和木结构。钢结构的优点：施工速度快、节能环保、综合经济指标佳、建筑造型美观、抗震性能好等。钢结构的缺点：防火、防腐性能较差。当普通建筑用钢温度为400℃时，钢材的屈服强度将降至室温强度的一半；温度达到600℃时，钢材基本丧失强度和刚度。2.6抗震耐火钢耐火钢强度级别：400MPa、490MPa和520MPa。耐火钢品种：板材