第2章 工程结构钢

第2章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(低碳钢或普通低碳钢）和低合金高强度钢。低合金高强度钢是指在碳含量低于0.25%（质量分数，下同）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14MnMoV高强度耐侯厚壁冷弯高频焊管用于东方明珠塔客车及农业机械镀锌C型钢用于上海大剧院屋架桁架浦东国际机场侯机楼及道路护栏现代化蔬菜棚耐候Z型钢用于体育馆2.1工程结构钢的基本要求

工程结构件长期受静载；互相无相对运动受大气（海水）的侵蚀；有些构件受疲劳冲击；一般在-50~100℃范围内使用；如：桥梁、船舶等受到像风力或海浪冲击.服役条件生产工艺

焊接是构成金属结构的常用方法；一般都要经过如剪切、冲孔、热弯、深冲等成型工艺技术要求

1、足够的强度与韧度（特别是低温韧度）；

2、良好的焊接性和成型工艺性；

3、良好的耐腐蚀性；

4、低的成本。2.2

低合金高强度结构钢的合金化

1、Me对低合金高强度钢力学性能的影响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。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

最常用且较经济的元素。强化F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F中，弱的细晶作用，↓TK。同样量多时可大为降低塑韧性.

所以Mn控制在<1.8%。Nb\VTi\Al形成稳定细小的K等，粒子2~10nm，既细晶又沉淀强化，↑σs，↑δ、AK，综合效果↓TK。改善焊接性。作用顺序:Ti>Nb>Al>V。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，稍高的锰含量，并适当用硅强化。

合金元素对低合金高强度钢的固溶强化

钢的韧－脆转折温度与碳含量的关系

（a）强化机制的影响（b）成分的影响图铁素体-珠光体钢的各种强化机制和成份对屈服强度和韧-脆转折温度的影响

2、Me对焊接性和耐大气腐蚀性的影响

优良的焊接性是指：焊接工艺简单；焊缝与母材结合牢固，强度不低于母材；焊缝的热影响区保持足够的强度与韧性，没有裂纹及各种缺陷。控制C

C↑→焊缝处硬化与脆化倾向↑，焊接裂纹↑。提高淬透性的Me种类及其数量也应适当控制，如Cr、Mn、Mo、Ni等。CuP

↑耐大气腐蚀性最有效的元素。一般含量:0.025~0.25%Cu

，0.05~0.15％P

。↑P，冷脆和时效倾向增加。→用Al脱氧→细晶粒钢。复合加入适量元素，则↑钢耐蚀性效果更佳。如090CuPCrNi-A、09CuP、09CuPCrNi-B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，AK120J，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、应力波等思考题：

退火后的低C钢板一般在深冲前，先进行一次少量变形的平整加工，然后长进行深冲，为什么?2.3铁素体-珠光体钢最新研究成果：如F晶粒尺寸细化到μ级，则F-P类低合金高强度钢的强度也可达到800MPa

F-P类型是工程结构钢中最主要的一类钢。有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五个牌号。根据质量要求分为A、B、C、D四个等级。A、B级为普通质量级；C级为优质级；D级和E级为特殊质量级，有低温冲击韧性要求。

组织：10~25％片层状P+75~90％多边形F。低碳铁素体/珠光体钢超细晶强韧化与控制技术

——2004年度国家科学技术进步一等奖主要特点超细晶粒、高洁净度、高均匀性。生产节约能源和资源，不用或少用Me，改善环境，↓成本，具有更高的经济效益。如何形成微米级的超细晶是该项目的核心技术和难点。具体指标采用形变诱导F相变，可把F晶粒细化到2-5μm（碳钢）和1～2μm（微合金钢）。碳钢的σs由200MPa提高到350～400MPa；低合金钢由350～400MPa提高到600～700MPa。

低碳铁素体/珠光体钢超细晶钢材生产工艺控制和不同的制品2.4微珠光体低合金高强度钢

石油、天然气开发，需要大量输送管线。油气管线用钢要求有很好的焊接性、低温韧度和强度等综合性能。输送油气距离越长，压力越大，质量要求也越高。油气管线用钢发展为微P低合金高强度钢。强化机理

对F-P钢,P量每↑10%，将使TK↑22℃。油气管线用钢:↓C,<0.1%；为保证σ，就必须采用其它不损害或少损害焊接性和韧度的强化措施。→析出强化和晶粒细化↑钢性能。→Nb、V、Ti微合金化和控轧处理工艺。控制轧制和控制冷却技术高温形变热处理→F大幅度晶粒细化→↑强度和韧度。控制轧制和控制冷却的组织变化模式图

图中轧制温度向右边降低，上层表示奥氏体组织变化，下层表示奥氏体开始相变后组织及F核的形成

图

各种轧制程序模式图

CR：控制轧制；AcC:控制冷却

微合金元素的作用

Nb、V、Ti单元或复合是常用的，其作用主要有细化晶粒组织和析出强化。微合金元素细化钢晶粒主要通过以下两种方式：（1）阻止加热时奥氏体晶粒长大(高合金钢可以长时间加热？）（2）抑制奥氏体形变再结晶在热加工过程中，奥氏体会发生形变再结晶使晶粒回复粗大。但应变动态析出Nb、V、Ti的碳氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上起钉轧作用，有效地阻止奥氏体再结晶时晶界和位错的运动，从而抑制奥氏体形变再结晶。

沉淀析出强化相主要是低温下析出的Nb(C，N)和VC。

Nb≤0.04%时，ΔσG＞Δσph；Nb≥0.04%时，Δσph增量大大增加，而ΔσG保持不变。V引起析出强化增量Δσph最显著，而Ti的作用处于Nb和V之间。

微合金元素对钢的屈服强度的影响（σG：晶粒细化的贡献σPh：析出强化的贡献）

2.5针状铁素体钢

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。基本特点针状铁素体（acicularferrite，简写AF）钢实际上属于超低碳贝氏体钢。≤0.06％C+适量Mn、Mo、Nb等→具有高密度位错（1010cm－2）亚结构的“针状F”组织（超低碳B）。σs

达700~800MPa，低温冲击韧性、焊接性更好.

用于现场焊接条件及其寒冷地带管线。被称为21世纪的控轧钢。针状铁素体（AF）、多边形铁素体（PF）和少量的贝氏体（B）2.6低碳贝氏体和马氏体钢

低碳贝氏体钢是指含碳量为0.10~0.15%，使用状态组织为B的钢。贝氏体钢通常是在轧制空冷或控制冷却，直接获得B组织。由于B的相变强化，低碳贝氏体钢与相同含碳量的铁素体-珠光体型钢相比，具有更高的强度和良好的韧度，屈服强度可达450~980MPa.主要特点

合金元素是保证在较宽的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，要求有更高的强度和良好的韧性。≤0.16%C，加入Mo、Nb、V、B及控制Mn或Cr与之配合→淬火回火处理组织为低碳回火马氏体。

BHS-1钢的成分为0.10C-1.80Mn-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、转向联动节和拉杆等，也可用于冷墩、冷拨及制作高强度紧固件。2.7双相钢成分主要成分为：~0.2%C，1.2~1.5%Si，0.8~1.5%Mn，~0.45%Cr，~0.4%Mo，少量V、Nb、Ti。（质量分数）组织

F+M组织，F基体上分布不连续岛状混合型M（<20%）→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.

强度MPa

双相钢

600400

普通钢

20010203040应变/%

双相钢和普通钢应力应变曲线的比较性能低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σs可达500~700MPa。应用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加M双相钢组织，然后经冷拨、冷墩等工艺制成成品。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%低合金高强度钢发展趋势

低碳超低碳<0.06%甚至<0.02%高纯净化微合金化技术控轧和控冷工艺超细晶粒化自动化在线控制在线生产系统复合微合金化净化钢中的有害杂质组织微细化计算机控制和性能预报

采用超级钢概念及技术构造的超级结构示意图2.8低碳钢常见缺陷1.带状组织热轧低碳钢中珠光体和铁素体呈带状分布，称为带状组织。形成原因：一是由于熔炼时钢内有较大的硫磷夹杂物偏析。在轧制过程中，夹杂物被拉长成方向性条状分布，当冷却到A3点时，铁素体就以夹杂物为形核中心在其周围形成带状，珠光体存在于铁素体之间，也形成带状。由于磷的扩散比较困难，因此由于磷偏析引起的带状组织也难以消除。需要进行高温扩散退火和随后的正火才能消除。

另一种形成原因是在钢材的轧制过程中，由于停轧温度过低，在奥氏体分解后，铁素体轧制成带状，形成带状组织。带状组织显著降低钢的横向性能，严重时还会引起淬火时的开裂。2.三次渗碳体对于低碳钢，当退火后缓慢冷却时，尤其是在Ar1停留则铁素体和珠光体的组织会由铁素体和三次渗碳体代替。在铁素体晶界处出现半网状三次渗碳体，网络越大月完整，则性能越差。3.脱碳组织钢材在加热或保温过程中，由于受周围气氛的影响，使其表面层的含碳量减少或全部消失的现象称为脱碳。4.魏氏组织(Widmanstatten

patetern)在铸钢件、锻造件、焊接件和热处理件中，往往因为工艺不当而出现魏氏组织。亚共析钢的魏氏组织是指奥氏体转变为铁素体时，游离铁素体除沿晶界网状析出外，还有一部分铁素体从晶界以片状并排析出，并且伸向晶粒内部，或在晶粒内部铁素体呈片状沿着一定方向析出而不与晶界铁素体网相连，形成了片状铁素体有方向性的规律分布在珠光体基体上的混合组织。片状铁素体由于试样截面的关系，在显微组织上往往呈现针状或条状。在过共析钢中，二次渗碳体部分或全部呈针状析出于晶粒内部也叫魏氏组织。魏氏组织往往伴随粗大晶粒而同时出现，一般情况下，当钢材加热温度较高，奥氏体晶粒粗大，而冷却时速度有稍大，容易产生魏氏组织。魏氏组织的存在，使钢的力学性能显著下降，尤其是冲击韧性下降很多。亚共析钢的正常组织45钢锻造后正火45钢正火45钢过热出现的魏氏组织35号钢锻造后空冷5.非金属夹杂物钢中非金属夹杂物使钢的金属基体的连续性遭破坏，即使很少量非金属夹杂物的存在，亦足以影响金属的