合金结构钢的分类和性能课件

合金结构钢的分类和性能合金结构钢的分类和性能合金结构钢的分类和性能 合金结构钢合金结构钢n在碳素钢基础上添加一定量的合金元素达到所需性能在碳素钢基础上添加一定量的合金元素达到所需性能要求的钢材，即构成合金结构钢。要求的钢材，即构成合金结构钢。n合金结构钢具有优良的综合性能，经济效益显著，应合金结构钢具有优良的综合性能，经济效益显著，应用范围涉及到国民经济和国防建设的各个领域，是焊用范围涉及到国民经济和国防建设的各个领域，是焊接结构中用量最大的一类工程材料。接结构中用量最大的一类工程材料。n合金结构钢的主要特点是强度高，韧性、塑性和焊接合金结构钢的主要特点是强度高，韧性、塑性和焊接性也较好，广泛用于压力容器、工程机械、石油化工、性也较好，广泛用于压力容器、工程机械、石油化工、桥梁、船舶制造、建筑和其他钢结构桥梁、船舶制造、建筑和其他钢结构，在经济建设和，在经济建设和社会发展中发挥着重要的作用。社会发展中发挥着重要的作用。合金结构钢在碳素钢基础上添加一 钢结构离不开焊接钢结构离不开焊接n全世界结构钢的年消耗量约全世界结构钢的年消耗量约3.55.5亿亿 吨，并以每年吨，并以每年5%8%的速度增长；的速度增长；我国发展的更为迅速，近几年每年钢产我国发展的更为迅速，近几年每年钢产 量增长超过量增长超过15%。n工业化国家：人均钢材占有量工业化国家：人均钢材占有量300kg，焊接与钢材用量成正比。焊接与钢材用量成正比。nIIW会员国收费标准：以该国上年度钢会员国收费标准：以该国上年度钢 产量为依据收费，产量为依据收费，因为约因为约60%的钢材的钢材 需要焊接加工。需要焊接加工。钢结构离不开焊接全世界结构钢的年消耗量约3.55 液化石油气集装船液化石油气集装船 液化石油气集装船 正在建造的航母正在建造的航母 n科学的发展和技术进步，焊接结构设计日趋向高参数、科学的发展和技术进步，焊接结构设计日趋向高参数、轻量化及大型化发展，对钢材性能提出了越来越高的轻量化及大型化发展，对钢材性能提出了越来越高的要求。要求。n随着合金结构钢的使用范围不断扩大，焊接问题也日随着合金结构钢的使用范围不断扩大，焊接问题也日益突出，引起人们的高度重视。益突出，引起人们的高度重视。n材料焊接性，发展成一门独立的课程。材料焊接性，发展成一门独立的课程。科学的发展和技术进步，焊接结构设计日趋向高参数、轻量化及 3.1 合金结构钢的分类及性能合金结构钢的分类及性能 3.1.1 合金结构钢的分类合金结构钢的分类 1.强度用钢强度用钢（非调质钢、调质钢）（非调质钢、调质钢）1）热轧及正火钢、控轧钢）热轧及正火钢、控轧钢 s为为295490MPa，在热轧或正火状态下使用，属非热处理强化，在热轧或正火状态下使用，属非热处理强化钢。包括微合金化控轧钢、抗层状撕裂的钢。包括微合金化控轧钢、抗层状撕裂的Z向钢等。向钢等。广泛用于常温下广泛用于常温下工作的受力结构，如压力容器、机械、桥梁、建筑结构和管线等。工作的受力结构，如压力容器、机械、桥梁、建筑结构和管线等。2）低碳调质钢）低碳调质钢 s为为490980MPa，在淬火，在淬火-回火的调质状态下供货，属热处理强回火的调质状态下供货，属热处理强化钢。特点是含碳量较低（化钢。特点是含碳量较低（C0.22%），既有高强度，又兼有良好），既有高强度，又兼有良好的塑韧性，可在调质状态下焊接。这类钢在焊接结构中得到越来越广的塑韧性，可在调质状态下焊接。这类钢在焊接结构中得到越来越广泛的应用，可用于大型工程机械、压力容器、舰船制造等。泛的应用，可用于大型工程机械、压力容器、舰船制造等。3）中碳调质钢）中碳调质钢 s在在8801176MPa以上，钢中以上，钢中C含量高（含量高（C 0.25%0.5%），），淬硬性比低碳调质钢高得多，具有很高的硬度和强度，但韧性较低，淬硬性比低碳调质钢高得多，具有很高的硬度和强度，但韧性较低，给焊接带来了很大的困难。这类钢用于强度要求很高的部件，如火箭给焊接带来了很大的困难。这类钢用于强度要求很高的部件，如火箭发动机壳体、飞机起落架等。发动机壳体、飞机起落架等。3.1 合金结构钢的分类及性能 3.1 2.低中合金特殊用钢低中合金特殊用钢 用于一些特定条件下工作的机械零件和工程结构，能适应用于一些特定条件下工作的机械零件和工程结构，能适应特殊环境下工作的要求。特殊环境下工作的要求。1）珠光体耐热钢）珠光体耐热钢 以以Cr、Mo为基础的低中合金钢，随工作温度的提高，可加入为基础的低中合金钢，随工作温度的提高，可加入V、W、Nb、B等合金元素，具有较好的高温强度和高温抗氧化性，用等合金元素，具有较好的高温强度和高温抗氧化性，用于工作温度于工作温度500600的高温设备，如电力、化工设备等。的高温设备，如电力、化工设备等。2）低温钢）低温钢 主要是一些含主要是一些含Ni或无或无Ni的低合金钢，在正火或调质状态使用，用的低合金钢，在正火或调质状态使用，用于各种低温装置（于各种低温装置（-40-196）和在严寒地区的工程结构，如液化）和在严寒地区的工程结构，如液化石油气、天然气的储存容器等。与普通低合金钢相比，低温钢须保证石油气、天然气的储存容器等。与普通低合金钢相比，低温钢须保证在低温下具有足够高的低温韧性，对强度无特殊要求。在低温下具有足够高的低温韧性，对强度无特殊要求。3）低合金耐蚀钢）低合金耐蚀钢 除一般力学性能外，必须具有耐腐蚀性能的要求。用于在大气、除一般力学性能外，必须具有耐腐蚀性能的要求。用于在大气、海水、石油化工等腐蚀介质中工作的机械设备和焊接结构。由于所处海水、石油化工等腐蚀介质中工作的机械设备和焊接结构。由于所处的介质不同，耐蚀钢的类型和成分也不同。耐蚀钢中应用最广泛的是的介质不同，耐蚀钢的类型和成分也不同。耐蚀钢中应用最广泛的是耐大气和耐海水腐蚀用钢。耐大气和耐海水腐蚀用钢。2.低中合金特殊用钢 用于一些特定条件下工 3.1.2 合金结构钢的基本性能合金结构钢的基本性能 1.化学成分化学成分 合金元素总量合金元素总量600MPa 3.显微组织显微组织 F+P、P、ML、ML+BL、BL 3.1.2 合金结构钢的基本性能 1.化学成分 (a)对抗拉强度的影响对抗拉强度的影响 (b)对屈服强度的影响对屈服强度的影响 图图3-1 合金元素对钢材强度性能的影响合金元素对钢材强度性能的影响 加入合金元素能细化晶粒，各种合金元素在不同程度上改变了钢的奥加入合金元素能细化晶粒，各种合金元素在不同程度上改变了钢的奥氏体转变动力学，直接影响钢的淬硬倾向。如氏体转变动力学，直接影响钢的淬硬倾向。如C、Mn、Cr、Mo、V、W、Ni、Si等元素能提高钢的淬硬倾向，而等元素能提高钢的淬硬倾向，而Ti、Nb等碳化物形成元素等碳化物形成元素则降低钢的淬硬倾向。则降低钢的淬硬倾向。(a)对抗拉强度的影响合金结构钢强度级别不同，合金元素及其含量也不同，合金结构钢强度级别不同，合金元素及其含量也不同，成分设计既要满足使用性要求，又要考虑其经济性。成分设计既要满足使用性要求，又要考虑其经济性。n强度级别为强度级别为600MPa的钢主要为的钢主要为Mn-Si系和在系和在Mn-Si基础上加少量的基础上加少量的Cr、Ni、Mo、V；n700MPa级的钢主要为级的钢主要为Mn-Si-Cr-Ni-Mo系，合金元系，合金元素加入量较素加入量较600MPa级的钢多一些，另外还加入少量级的钢多一些，另外还加入少量的的V；n800MPa级的钢主要为级的钢主要为Mn-Si-Cr-Ni-Mo-Cu-V系，并系，并加入一定量的加入一定量的B；n1000MPa级的钢合金系列与级的钢合金系列与800MPa级的钢基本相同，级的钢基本相同，但合金元素加入量较高，尤其是为了保证韧性加入较但合金元素加入量较高，尤其是为了保证韧性加入较多的多的Ni。合金结构钢强度级别不同，合金元素及其含量也不同，成分设计既要 按其供货时的热处理状态，按其供货时的热处理状态，n低合金结构钢可分为热轧、控轧、正火、低合金结构钢可分为热轧、控轧、正火、TMCP（控（控轧控冷）、调质（淬火回火）。轧控冷）、调质（淬火回火）。n调质处理（调质处理（QT）分为水调质处理（淬火回火）和空）分为水调质处理（淬火回火）和空气调质处理（正火回火）两种。气调质处理（正火回火）两种。n屈服强度低于屈服强度低于420MPa的低合金钢中薄板可以热轧的低合金钢中薄板可以热轧（或控轧）状态供货；屈服强度（或控轧）状态供货；屈服强度500MPa以上的低合以上的低合金钢厚板，应以正火（或空气调质）状态供货金钢厚板，应以正火（或空气调质）状态供货.n屈服强度屈服强度690MPa以上的高强度钢大都是调质处理以上的高强度钢大都是调质处理（淬火回火）。（淬火回火）。按其供货时的热处理状态，低合金结构钢可分为热轧、控轧 n (a)对强度的影响对强度的影响 (b)对韧性的影响对韧性的影响 图图3-3 不同组织对强度和韧性的影响（不同组织对强度和韧性的影响（C0.090.1低合金钢）低合金钢）(a)对强度的影响 低合金钢的强化途径低合金钢的强化途径n新的冶炼技术的进步，促进了新一代钢种的诞生。新的冶炼技术的进步，促进了新一代钢种的诞生。n低合金钢的强化途径包括：低合金钢的强化途径包括：1）合金强化）合金强化 2）组织强化（如淬火）组织强化（如淬火+回火）回火）3）控轧控冷工艺（）控轧控冷工艺（TMCP）4）淬火）淬火+自回火控制轧制（自回火控制轧制（QST）低合金钢的强化途径新的冶炼技术的进步，n1）合金强化（固溶强化、析出强化）合金强化（固溶强化、析出强化）通过合金元素的固溶强化、细晶强化、析出强化，通过合金元素的固溶强化、细晶强化、析出强化，提高钢板的强度和韧性；通过正火细化晶粒、均匀组提高钢板的强度和韧性；通过正火细化晶粒、均匀组织，进一步提高钢板的塑性和韧性。织，进一步提高钢板的塑性和韧性。n2）组织强化（如淬火）组织强化（如淬火+回火）回火）轧制后加热温度超过相变温度轧制后加热温度超过相变温度30-50，经水冷，经水冷后生成淬火饱和固溶体为不稳定组织，强度、硬度都后生成淬火饱和固溶体为不稳定组织，强度、硬度都很高。随后进行回火可使淬火固溶体分解，达到对钢很高。随后进行回火可使淬火固溶体分解，达到对钢材塑性和韧性的要求。材塑性和韧性的要求。（工艺上称该工序为（工艺上称该工序为“调质处理调质处理”）。）。1）合金强化（固溶强化、析出强化）3）控轧控冷工艺（）控轧控冷工艺（TMCP）n严格控制钢板的冷却过程，在接近或低于铁素体开始生成的温度严格控制钢板的冷却过程，在接近或低于铁素体开始生成的温度（Ar3,+910）下完成终轧。）下完成终轧。n控轧：控轧：指在更低的温度下停轧，抑制高温奥氏体晶粒长大；指在更低的温度下停轧，抑制高温奥氏体晶粒长大；n控冷：控冷：即轧后立即加快冷却速度，避免晶粒长大，提高形核率，产生即轧后立即加快冷却速度，避免晶粒长大，提高形核率，产生强韧性更高的细小强韧性更高的细小B或或AF，通过细化晶粒显著改善钢的强韧性。，通过细化晶粒显著改善钢的强韧性。新一代钢铁材料的特色是：超洁净度、超均匀性、超细晶粒。在不增新一代钢铁材料的特色是：超洁净度、超均匀性、超细晶粒。在不增加甚至在降低碳及合金元素的条件下，强度和寿命提高加甚至在降低碳及合金元素的条件下，强度和寿命提高1倍。倍。n超洁净度：超洁净度：钢中钢中P+S+O+N+H杂质总量降低到杂质总量降低到0.01%以下，使钢以下，使钢的强韧性获得大幅度提高。的强韧性获得大幅度提高。n超均匀性：超均匀性：是指成分、组织、性能的均匀一致，并强调组织均匀的主是指成分、组织、性能的均匀一致，并强调组织均匀的主导作用。这种轧制工艺可使钢材在较低的碳当量下获得高的强度，导作用。这种轧制工艺可使钢材在较低的碳当量下获得高的强度，且焊接性好。且焊接性好。n超细晶粒：超细晶粒：可使晶粒尺寸达到可使晶粒尺寸达到0.110m。3）控轧控冷工艺（TMCP）严格控制钢板的冷却过 4）淬火）淬火+自回火控制轧制（自回火控制轧制（QST）淬火后利用钢截面中部的温度散热进行回火，淬火后利用钢截面中部的温度散热进行回火，实质是实质是TMCP工艺的特殊应用。经过这种工艺处理工艺的特殊应用。经过这种工艺处理的钢材，其强度高而且焊接性好。的钢材，其强度高而且焊接性好。4）淬火+自回火控制轧制（QST）合金结构钢的牌号合金结构钢的牌号n我国第一个低合金高强钢标准于我国第一个低合金高强钢标准于1959年发布，经过多次修订，年发布，经过多次修订，由部标升为国家标准。由部标升为国家标准。1988年发布的国标年发布的国标GB/T 1591-1988名名为为低合金结构钢低合金结构钢，列入屈服强度，列入屈服强度295440MPa的的 17个钢号。个钢号。nGB/T 1591-1988标准对钢号的化学成分、力学性能作了具体标准对钢号的化学成分、力学性能作了具体规定。这样做虽然方便标准的执行，但是不利于钢种的发展。规定。这样做虽然方便标准的执行，但是不利于钢种的发展。因为国标不可能把各生产厂的钢号都纳入进来；而且标准既因为国标不可能把各生产厂的钢号都纳入进来；而且标准既定以后，在一段时间内又不能变化和发展。定以后，在一段时间内又不能变化和发展。n1992年，我国低合金钢标准进行了一次重大的修订，形成了年，我国低合金钢标准进行了一次重大的修订，形成了新的国标新的国标GB/T 15911994低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢。合金结构钢的牌号我国第一 新、旧国标钢号的对照新、旧国标钢号的对照 GB/T 1591-1994 GB/T 1591-1988Q295（A、B）09MnV,09MnNb,09Mn2,12Mn Q345（A,B,C,D,E）12MnV,14MnNb,16Mn,16MnRE,18Nb,14MnV,10MnSiCu Q390（A,B,C,D,E）15MnV,15MnTi,15MnVRE,16MnNb Q420（A,B,C,D,E）15MnVN（Cu）,14MnVTiRE（Cu）,15MnVNb（RE）Q460（C,D,E）14MnMoV,18MnMoNb A、B、C、D、E表示表示“无要求、无要求、0、20、-20、-40”的冲击功。的冲击功。新、旧国标钢号的对照