金属材料学 第2章-工程结构钢

第二章工程(gōngchéng)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(gāngjīn)钢、钢轨钢及其他专业用钢等共四十六页2.1工程(gōngchéng)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(dàqì)（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、足够的强度与韧性（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。共四十六页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(yǐngxiǎng)C↑固溶强化效果和珠光体含量，低成本。↑C，↓塑、韧性，↓焊接(hànjiē)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%共四十六页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(tóngyàng)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(gǎishàn)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。共四十六页共四十六页低合金高强度钢的基本成分应考虑低碳，稍高的锰含量(hánliàng)，并适当用硅强化。共四十六页

在低合金高强度钢中常利用Nb、V、Ti合金化来细化晶粒。其作用顺序为：Ti、Nb、V。

Nb、V、Ti合金元素还可以生成细小(xìxiǎo)的化合物，产生沉淀强化。其作用顺序为：Nb、Ti、V。共四十六页2、Me对焊接性和耐大气腐蚀性的影响(yǐngxiǎng)

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(kòngzhì)CC↑→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09CuPCrNi-A、09CuP、09CuPCrNi-B共四十六页共四十六页时效(shíxiào)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(cuìhuǒ)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、应力波等共四十六页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(qiángdù)钢的强度(qiángdù)也可达到800MPaF-P类型是工程结构钢中最主要的一类钢。有碳素结构钢和低合金高强度钢两类。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(yōuzhì)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。共四十六页表2-1碳素结构钢的牌号(páihào)、化学成分、力学性能和用途共四十六页共四十六页共四十六页低碳铁素体/珠光体钢超细晶强韧(qiánɡrèn)化与控制技术——2004年度国家科学技术进步一等奖主要(zhǔyào)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。共四十六页

低碳铁素体/珠光体钢超细晶钢材生产工艺控制和不同(bùtónɡ)的制品共四十六页高科技的建筑用材，和建筑技术是奥运场馆建设的坚实保证，同时也为我国的建筑用材迎来了新的挑战。Q460钢材(gāngcái)以前在国内从未生产过，“鸟巢”是这种钢材(gāngcái)在国内建筑上的首次使用，而这次使用的钢板厚度达110mm，也是史无前例的，在国家标准中，“Q460”的最大厚度只是100mm。这种高韧性抗震钢采用全新的优化成分设计、氧化物冶金技术和先进的轧制及热处理工艺，使之形成高密度位错的强韧性组织结构，有着强度高、韧性好、焊接性能优良的特点。高韧性抗震钢保证了“鸟巢”最大可以承受530兆帕的外力。这意味着如果北京遭受(zāoshòu)上世纪70年代唐山大地震一样的地震波，“鸟巢”依然能保持原状。

共四十六页武汉长江大桥A3钢（现Q235）共四十六页南京长江大桥共四十六页九江长江大桥15MnVN（Q420）由于添加V的方法提高强度，导致低温(dīwēn)韧性和焊接性较差。共四十六页芜湖长江大桥芜湖长江大桥为双层，铁路桥在下层，公路桥在上层。铁路桥全长10511米，其中(qízhōng)正桥长2193米，芜湖岸引桥长2228米，无为岸引桥长6089米。公路桥全长5681米，桥宽21米，芜湖岸引桥长2038米，无为岸引桥长1449米。

采用的14MnNbq钢（Q370qE）。

共四十六页世界上跨度最大的拱桥--重庆朝天门大桥主跨达552米。朝天门大桥主桥分为上、下两层,上层是“汽车道+人行道”、下层“汽车道+轨道线”。上层桥面宽31米,双向6车道。朝天门全桥永久用钢4.6万吨，辅助用钢近4万吨。其拱梁部分1.2万吨钢材全部由舞钢公司提供。桥梁(qiáoliáng)钢板从鞍钢中厚板厂Q420qD。朝天门长江大桥共四十六页南京大胜关长江大桥全长9.27公里，全程(quánchéng)共架设11个桥墩。桥上铁轨按六线布置，分别为京沪高速铁路双线、沪汉蓉铁路双线和南京地铁双线。Q420q（WNQ570）钢共四十六页2.4微珠光体低合金高强度钢

石油(shíyóu)、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(qiánghuà)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。共四十六页控制轧制和控制冷却技术高温形变(xíngbiàn)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(zǔzhī)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

共四十六页

图

各种轧制程序模式图

CR：控制(kòngzhì)轧制；AcC:控制冷却

共四十六页TMCP（ThermoMechanicalControlProcess：热机械控制工艺）就是在热轧过程中，在控制加热温度、轧制温度和压下量的控制轧制（ControlRolling）的基础上，再实施空冷或控制冷却及加速冷却（AcceleratedCooling）的技术总称。由于TMCP工艺在不添加过多合金元素，也不需要复杂的后续热处理的条件(tiáojiàn)下生产出高强度高韧性的钢材，被认为是一项节约合金和能源、并有利于环保的工艺，故自20世纪80年代开发以来，已经成为生产低合金高强度宽厚板不可或缺的技术。随着市场对TMCP钢的要求不断提高，TMCP工艺本身也在应用中不断发展。从近几年的研究工作看，重点是放在控制冷却，尤其是加速冷却方面。

TMCP技术(jìshù)共四十六页

通过加快轧制后的冷却速度，不仅可以抑制晶粒的长大，而且可以获得高强度高韧性所需的超细铁素体组织或者贝氏体组织，甚至(shènzhì)获得马氏体组织。目前正在研发的在线加速冷却，是在轧制后直接将钢板冷却至常温，可以避免再加热工序。在线冷却的输送方式分为“一步冷却”与“通过型冷却”两种。所谓“一步冷却”就是将冷却水一下子喷射到轧制后的整个钢板上进行冷却。为了使冷却均匀，必须让钢板在冷却装置中振动。该方法需要超过钢板长度的大冷却装置，而且也难以避免冷却不均匀问题，故后来改为“通过型冷却”，即钢板一面通过一面接受冷却，现已成为加速冷却的主流方式。另外，冷却方式又分“约束冷却”与“无约束冷却”两种。所谓“约束冷却”是指用上下辊约束钢板的条件下进行冷却，采用喷雾水口；而“无约束冷却”则是用层流式水口对输出辊道上的钢板进行冷却。

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在线加速冷却装置可放在矫直机前、矫直机后，或两台矫直机之间。放在矫直机前可以方便地选择和调整冷却开始温度，但冷却均匀性较差；放在矫直机后，则可进行约束型冷却，但难以控制所需的冷却开始温度；放在两台矫直机之间，可以利用后一台矫直机消除加速冷却所造成的变形，但设备复杂，成本较高。

加速冷却工艺的研发所要解决的最大课题就是要防止冷却过程中产生的钢板(gāngbǎn)变形，其关键在于保证对于宽幅钢板(gāngbǎn)的冷却均匀性。在这方面，还有大量的研究工作需要进行。

共四十六页3、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（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(chéndiàn)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。

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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(xiǎnzhù)，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(gòngxiàn)σPh：析出强化的贡献）

共四十六页2.5针状铁素体钢

对于一些(yīxiē)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(jīběn)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。共四十六页针状铁素体型钢的典型钢种为Mn-Mo-Nb钢，其化学成分范围为w(C)≤0.10%，w(Mn)=1.6%~2.0%，w(Mo)=0.2%~0.6%，w(Nb)=0.04%~0.06%，有时还加w(V)=0.06%，w(Ti)=0.01%。这类钢通过控制轧制和控制冷却，可以达到高强韧性。通常将其板坯加热到1150℃~1260℃范围，然后控制轧制成钢板，终轧温度等于或低于760℃，轧后空冷。显微组织是细晶粒（ASTM12级或更细）的多边化铁素体、30%以上(yǐshàng)的针状铁素体片（高位错密度的细小的亚结构）、高度弥散的渗碳体质点、少量岛状的马氏体-奥氏体块（通常小于整个组织体积的5%）和细而弥散的Nb(C,N)质点。

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AF钢不仅具有良好的低温韧性（Tk<-100℃），而且还具有良好的焊接性能，已成功地应用(yìngyòng)于制造寒带输送石油和天然气的管线。共四十六页

西气东输工程，起自新疆塔里木轮南市，终至为上海白鹤镇，总投资额超过1200亿元人民币，其输送管道的全长达4200公里，估计使用钢材总量约160-180万吨，其中包括，将利用(lìyòng)於铺设非城市地段的螺纹钢管，用热卷100万吨，及铺设沿途城市地段使用之X70大口径UO钢管65万吨。另外，还有UO钢管加工用厚板15万吨。工程用钢需求之大，备受国内外钢铁业界关注。螺纹钢管加工用热卷，共计30万吨，由上海宝钢及韩国POSCO分别取得19及11万吨供货权。X70大口径UO钢管，共计65万吨，由新日铁、NKK和住友金属叁厂获得62万吨供料数，欧盟钢管(EURO.PIPE)仅取得3万吨。

共四十六页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(tōngcháng)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.共四十六页主要(zhǔyào)特点合金(héjīn)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级共四十六页低碳马氏体钢

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(liánghǎo)的韧性。≤0.16%C，加入(jiārù)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。共四十六页2.7双相钢

由于传统的低合金高强度钢对汽车压力(yālì)加工件来说，没有具备足够的冷成形性，因而需要改善其强度-成形性的综合性能以满足汽车冲压成型件的要求。把传统的低合金高强度的显微组织，即铁素体加珠光体改成铁素体加马氏体（实际上还包含少量奥氏体）的双相组织，其显微组织特征是20%左右的马氏体呈小岛状或纤维状分布在80%左右的铁素体基体上。

共四十六页强度MPa双相钢600400普通钢

20010203040应变(yìngbiàn)/%双相钢和普通钢应力应变曲线的比较性能(xìngnéng)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。共四十六页生产工艺与类型

双相组织既可以通过亚临界温度范围内的退火获得，也可以通过热轧后的控制冷却来获得。因此生产(shēn