金属材料学第2章工程结构钢

2024/9/24工程(gōngchéng)材料导论讲义曹志强教授电话(diànhuà)：84706169手机-mail:caozq@大连理工大学材料科学与工程学院共四十一页2024/9/24第2章工程(gōngchéng)结构用钢

engineeringconstructionalsteel按用途工程结构钢分为桥梁、汽车、锅炉、船舶、压力容器等，耐腐蚀钢（海水和空气），低温用钢，钢筋钢，钢轨(gāngguǐ)钢和其他专业用钢。尼米兹核动力航母001

钢制桥梁压力容器共四十一页2024/9/24国家(guójiā)体育场（鸟巢）总用钢量达到11万吨，其中外部钢结构的钢材用量为4.2万吨。(Q460E)共四十一页2024/9/24客车(kèchē)及农业机械镀锌C型钢用于上海大剧院(jùyuàn)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型钢用于体育馆高强度耐侯厚壁冷弯高频焊管用于东方明珠塔共四十一页2024/9/24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%（质量(zhìliàng)分数）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。共四十一页2024/9/24工程(gōngchéng)结构用钢的分类

工程构件用钢用量大，随着科技发展，各种高性能钢种也发展迅猛。

分类(fēnlèi)：碳素构件用钢（普碳钢）低合金构件用钢（普低钢）

新型及微合金化低碳高强度钢

输油管线共四十一页2024/9/24本章(běnzhānɡ)内容2.1工程(gōngchéng)结构钢的基本要求

2.2低合金高强度结构钢的合金化Me对力学性能\焊接性和耐大气腐蚀性的影响

2.3常用工程结构钢牌号

2.4微珠光体低合金高强度钢（输送石油天燃气用）

2.5针状铁素体钢

2.6低碳贝氏体和马氏体钢

2.7双相钢(F+M)

2.8低合金高强度钢发展趋势共四十一页2024/9/242.1工程结构钢的基本(jīběn)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(píláo)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。共四十一页2024/9/242.2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(qiánghuà)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%共四十一页2024/9/24Mn

固溶强化(qiánghuà)作用大，1%Mn，ReL↑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(xíngchéng)稳定细小的K等，粒子2~10nm，既细晶又沉淀强化，↑ReL，↑δ、AK，综合效果↓TK。改善焊接性。细化作用顺序: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。共四十一页2024/9/24图2-2钢的韧-脆转折温度(wēndù)与碳含量的关系

图2-1合金元素对低合金高强度钢的固溶强化(qiánghuà)效果的影响共四十一页2024/9/24

C使屈服(qūfú)强度每增加15MPa时，韧脆转变温度升高10℃；Si固溶强化但不能细化铁素体，因此提高8℃；Mn、Ni的加入降低A3，细化铁素体和珠光体，提高强度和韧度，降低5℃；铝形成AlN质点，细化晶粒，也提高强度和韧性，降低27℃。图2-3铁素体-珠光体钢的各种强化机制和成分(chéngfèn)对屈服强度和韧-脆转折温度的影响理论上元素的作用是通过强化基体引起的，其中细晶强化每增加15MPa，Tk降低10℃，位错强化升高6℃，析出强化升高4℃，固溶强化升高10℃。共四十一页2024/9/24Nb、V、Ti合金化生成碳化物、氮化物和碳氮化物。不溶解于奥氏体时对高温形变、再结晶长大和晶粒长大有抑制作用，其中Ti的碳化物和氮化物不溶解，钉扎晶界，细化晶粒；Nb的碳化物和氮化物部分溶解，作用类似Ti。V的碳化物全部溶解在奥氏体中，细化作用较弱。VC、NbC、TiC细晶强化(qiánghuà)依次升高（＜0.2%C）。图2-4微合金元素对钢加热时奥氏体晶粒长大倾向(qīngxiàng)的影响

共四十一页2024/9/242、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(hànfénɡ)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

。Cu具有正电位，附加阴极，在阳极电流下达到钝化状态。CuP复合加入适量元素，则↑钢耐蚀性效果更佳。如09CuPCrNi-A、09CuP、09CuPCrNi-B共四十一页2024/9/24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(xìngnéng)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、应力波等共四十一页2024/9/24本章(běnzhānɡ)内容

2.1工程结构钢的基本(jīběn)要求

2.2低合金高强度结构钢的合金化

►2.3常用工程结构钢牌号

2.4微珠光体低合金高强度钢

2.5针状铁素体钢

2.6低碳贝氏体和马氏体钢

2.7双相钢

2.8低合金高强度钢发展趋势共四十一页2024/9/24

碳素构件用钢又称碳素结构钢或普碳钢，其产量占钢总产量的70～80％，其中大部分用作结构件，少量(shǎoliàng)做机械零件。特点：易于冶炼，价格低廉，热轧状态供货，一般不经热处理强化。分类（GB/T700－2006）Q195

Q215Q235Q2752.3常用(chánɡyònɡ)工程结构钢牌号2.3.1普通碳素结构钢共四十一页2024/9/24Q235－A.F，Q屈服强度(qiángdù)，235屈服强度值，A质量等级（A、B、C、D由低到高），F沸腾钢。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。F――沸腾；b――半镇静钢；Z――镇静钢；TZ――特殊镇静钢共四十一页2024/9/24一﹑普碳钢的化学成分表2-1普碳钢的化学成分牌号等级化学成分ωB/%CMnSi≤S≤P≤脱氧方法Q195—0.06-0.120.25-0.500.300.0500.045F、b、ZQ215A0.09-0.150.25-0.550.300.0500.045F、b、ZB0.045Q235A0.14-0.220.30-0.65①0.300.0500.045F、b、ZB0.12-0.200.30-0.70①0.045C≤0.180.35-0.890.0400.040ZD≤0.170.0350.035TzQ255A0.18-0.280.40-0.700.300.0500.045ZB0.045Q275—0.28-0.380.50-0.800.350.0500.045Z注;1.摘自GB700-88。

2.F—沸腾钢；b—半镇静钢；Tz—特殊(tèshū)镇静钢。①Q235A、B级含锰量上限为0.6%。共四十一页2024/9/24二、普碳钢的力学性能

表2-2普碳钢的力学性能（GB1591—1988）钢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δ/%≥温度/℃V型冲击吸收功（纵向）/J≥钢材厚度（直径）/mm钢材厚度（直径）/mm≤16>16～40>40～60>60～100>100～150>150≤16>16～40>40～60>60～100>100～150>150Q195

(195)(185)————315-3903332——————Q215A215205195185175165335-410313029282726—20—27BQ235A235225215205195185375-460262524232221——B20≥27C0D-20Q255A255245235225215205410-510242322212019—20—27BQ275—275265255245235225490-610201918171615——共四十一页2024/9/24三、碳素结构钢供货品种(pǐnzhǒng)供货品种：钢板，钢带，钢管，槽钢，角钢(jiǎogāng)，钢轨，钢筋，钢丝等碳素结构钢薄钢板

钢管共四十一页2024/9/242.3.2普通(pǔtōng)低合金结构钢

低合金构件用钢又称低合金结构钢或称普低钢（普通低合金高强度钢）。

发展普低钢的目的：减轻大型工程构件的重量，提高使用的可靠性，节约钢材(gāngcái)。成分特点：低碳，低合金。性能特点：普低钢的屈服强度大大高于普碳钢。

例如：常用的Q235与16Mn(Q345)相比，含碳量相同，但Mn提高到1.2-1.6%，屈服强度大大提高。

Q235σs≥235MPaσb375～460MPa

16Mnσs≥345MPaσb510～660MPa共四十一页2024/9/24

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800MPa

普低钢是工程结构钢中最主要的一类钢。有Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690八个牌号。前三个根据质量要求分为A、B、C、D、E五个等级。后五个分为C、D、E级三个等级；A、B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。较94标准(biāozhǔn)后四个新增。专用低合金钢在钢号后加后缀。16Mnq改为Q345q，16MnR改为Q345R

组织：10~25％片层状P+75~90％多边形F。共四十一页2024/9/24本章(běnzhānɡ)内容

2.1工程(gōngchéng)结构钢的基本要求

2.2低合金高强度结构钢的合金化

2.3工程结构钢牌号

☆2.4微珠光体低合金高强度钢

2.5针状铁素体钢

2.6低碳贝氏体和马氏体钢

2.7双相钢

2.8低合金高强度钢发展趋势共四十一页2024/9/242.4微珠光体低合金高强度钢8

2.4.1微珠光体低合金高强度钢强化(qiánghuà)机理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(yuèchánɡ)，压力越大，质量要求也越高。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%；为保证强度，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。共四十一页2024/9/24低碳铁素体/珠光体钢超细晶强韧化与控制技术

——2004年度(niándù)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ReL由200MPa提高到350~400MPa；低合金钢由350~400MPa提高到600~700MPa。共四十一页2024/9/242.4.2控制轧制和控制冷却技术控冷控轧工艺：高温形变热处理的一种，人为地使奥氏体中形成大量铁素体相变核心，控轧和控冷温度比通常低，获得大量细小的铁素体组织(zǔzhī)，提高钢的强韧性。控制轧制实质就是形变强化和相变强化的结合；控制冷却是最大限度地细化铁素体晶粒，获得最佳的析出强化效应。共四十一页2024/9/24图中轧制温度向右边降低，上层表示奥氏体组织变化(biànhuà)，下层表示奥氏体开始相变后组织及F核的形成

控制(kòngzhì)轧制和控制(kòngzhì)冷却技术高温形变热处理→F大幅度晶粒细化→↑强度和韧度。图2-5控制轧制和控制冷却的组织变化模式图

共四十一页2024/9/24

图2.6

各种轧制(zházhì)程序模式图

CR：控制轧制；AcC:控制冷却

共四十一页2024/9/242.4.3微合金元素(yuánsù)的作用图2.7微合金(héjīn)元素对钢的屈服强度的影响σ

G－晶粒细化的贡献，σph－析出强化的贡献。（NbTiV）共四十一页2024/9/242.5针状铁素体钢

对于一些强度、焊接(hànjiē)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:≤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）。ReL达700~800MPa，低温冲击韧性、焊接性更好。

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。共四十一页2024/9/242.6低碳贝氏体和马氏体钢1.低碳贝氏体钢是指含碳量为0.10~0.15%，使用状态组织为贝氏体的钢。贝氏体钢通常是在轧制空冷或控制冷却，直接获得贝氏体组织。低碳贝氏体钢与相同含碳量的铁素体-珠光体型钢(xínggāng)相比，具有更高的强度和良好的韧度，屈服强度可达450~980MPa。图2-8低碳贝氏体钢上贝氏体与下贝氏体的抗拉强度与韧脆转变温度(wēndù)的关系共四十一页2024/9/24主要(zhǔyào)特点

合金元素作用是保证(bǎozhèng)在较宽冷速范围内获得以B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。Q500（14MnMoV和14MnMoVBRE）钢是我国发展的低碳贝氏体钢，屈服强度为490MPa级共四十一页2024/9/242.低碳马氏体钢

工程机械上相对运动部件和低温(dīwēn)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(pèihé)→淬火回火处理组织为低碳回火马氏体。

如: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。共四十一页2024/9/242.7双相钢成分(chéngfèn)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(zhìliàng)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。共四十一页2024/9/24

强度MPa双相钢

600400

普通钢

20010203040应变/%

图2-9双相钢和普通钢应力应变曲线(qūxiàn)的比较性能(xìngnéng)

低ReL，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ReL可达500~700MPa。共四十一页2024/9/24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