《工程构建用钢》PPT课件.ppt

Chapter6工程构件用钢,主要内容,第一节低合金高强度钢第二节微合金化低合金高强度钢,一、应用背景,工程构件用钢是在普通碳素结构钢的基础上发展起来的，主要用于制造各种大型金属结构（如桥梁、船舶、屋架、锅炉及压力容器等）。,Chapter6工程构件用钢,二、工程构件的服役特点不作相对运动，长期承受静载荷作用，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；桥梁或船舶则长期经受大气或海水的浸蚀；电站锅炉构件的使用温度则可达到250以上。三、力学性能要求弹性模量大，以保证构件有更好的刚度；有足够的抗塑性变形及抗破断的能力，即s和b较高，而和较好；缺口敏感性及冷脆倾向性较小等；具有一定的耐大气腐蚀及海水腐蚀性能。,Chapter6工程构件用钢,四、工艺性能要求良好的冷变形性能和焊接性能。以工艺性能为主，力学性能为辅。五、成分设计要求低碳（wC%0.25%）；加入适量的合金元素提高强度（1）当合金元素含量较低时，如低合金高强度结构钢和微合金化钢，其基体组织是大量的铁素体和少量的珠光体；（2）当合金元素含量较多时，其基体组织可变为，贝氏体、针状铁素体或马氏体组织。六、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。,Chapter6工程构件用钢,6.1低合金高强度钢,一、对低合金高强度钢的性能要求：l要求钢材具有较高的屈服强度，提高其可靠性,以减轻金属结构的重量。大致来说，如果将钢屈服强度值由240260Mpa，增高到340360MPa，即提高50，则可使金属构件的重量减轻2030。l屈强比s/b也是一个有意义的指标，此值越大，越能发挥钢材潜力。但是为了使用安全，亦不宜过大，适合的比值在0.65-0.75之间。l在塑性方面，要求厚度为320mm钢板的延伸率(5)一般不小于21。l室温冲击韧性在纵向和横向分别不小于80和60J/cm2。l这类钢的韧脆转折温度应低于-30左右。l此外还要求这类钢具有良好的工艺性能和耐蚀性。,为了统筹兼顾上述性能的要求，只能采用低碳、多组元合金元素，同时尽量不含过多贵重元素或者根本不含贵重元素，以降低成本。二、合金元素在低合金高强度钢中的作用（一）合金元素对低合金高强度钢机械性能的影响通常碳用于强化钢材是最合适的元素，它既便宜又易于与Fe合金化。因此工程构件用钢发展的初期，主要是用含C量达0.3%的热轧钢材，其屈服强度在300350Mpa左右。然而由于其具有较高的含C量，带来焊接和成型的极大困难。焊接工艺发展成为主要加工方法后，曾引起严重的变形、开裂问题，因而低合金高强度钢的含C量，必须逐步降低。同时考虑到C对韧脆转折温度的影响，所以，低合金高强度钢的含C量，一般均限制在0.2%以下。,铁素体珠光体低合金高强度钢组织性能的关系已经很好的建立，其汇总图如图所示。,图注：铁素体中各种强化机理和成分对韧-脆转折温度的影响图中向量值表明s每增加15MPa时，韧-脆转折温度的变化量/。,在低合金高强度钢中，利用Nb、V、Ti细化晶粒和产生沉淀强化也是很普遍的。Nb、V、Ti对正火状态的低合金高强度钢的晶粒度的影响见下图。,图注：Nb、V、Ti对正火态低合金钢晶粒度的影响由图可见，Nb细化晶粒最有效，Ti次之，V则基本上不起细化晶粒的作用。,下图示意地表示了热轧低碳带钢中由于晶粒细化和沉淀强化引起的屈服强度、韧脆转折温度的变化与Nb、V、Ti含量的关系。,图注：热轧低碳带钢中微合金元素含量与由于晶粒细化及析出强化引起的屈服强度增量、转折温度变化的关系。,由图可知，在热轧状态Nb能较显著地细化晶粒和具有中等的析出强化作用。lNb细化晶粒作用特别显著。这样，它既能使钢强化又能降低韧-脆转折温度。l随着含Ti量的增加，热轧钢的强度显著地随析出强化而增加，而细化晶粒的贡献则处于中等情况。含Ti钢脆性断裂抗力稍低些。lV产生中等的析出强化效果，而细化晶粒的作用则相对地较弱，这样大量的V(CN)化合物的析出影响脆性断裂抗力，从而使韧-脆转折温度比含Nb和含Ti钢都要高些。具有铁素体珠光体组织的低合金高强度钢，通过各种方式强化，其s最高约为470MPa。若需要获得强度更高的钢种，就必须考虑低碳贝氏体型钢和低碳马氏体型钢。,（二）合金元素对焊接性能的影响所谓优良的焊接性是指：L焊接工艺简单；l焊接时不易产生裂纹及各种缺陷；l焊缝处保持足够的强度与韧性。注意：l钢材的含C量越高，热影响区的硬化与脆化越显著，在焊接应力的作用下容易产生裂纹，所以，钢的含C量应尽可能压低；l增加钢材淬透性的合金元素的种类及数量也应适当地控制。,（三）合金元素对耐大气腐蚀性的影响所谓抗大气腐蚀性是指：钢构件或容器在自然环境中使用时抵抗大气腐蚀的能力。钢中加入少量的Cu、P、Cr、Ni、Mo、Al等元素时，可以提高低合金高强度钢的耐大气腐蚀性，其中Cu、P是最有效的元素。,（四）小结综上所述：l低合金高强度钢的含C量应该控制在0.2%以下。l从固溶强化观点来看，Si、Mn是十分有效的，在低碳情况下，Mn能细化晶粒，降低韧-脆转变温度。l从细化晶粒来看，Al、Nb、V、Ti是十分有效的，Nb、V还可以产生沉淀强化作用。lCu既能提高耐大气腐蚀性，又能产生沉淀强化。lP与其它元素配合，可以发挥其固溶强化和提高耐大气腐蚀性的作用。因此，对铁素体+珠光体型低合金高强度钢的合金化方向应该以Si-Mn为基础，适当添加Al、Nb、Ti、Cu、P等。如果要得到更高的抗蚀性，则可用少量的Cr和Ni。要求正火态获得贝氏体组织时，则必须同时考虑Mo与B。,三.我国的低合金高强度钢我国列入冶金部标准的低合金高强度钢有很多。它们是按屈服强度高低来分类的。共分为300MPa级、350MPa级、400MPa级、450MPa级、500MPa级和650MPa级6个级别。具有代表性的牌号见下表：,从表中可以大致看出，我国这类钢的特点是：基本上不加Cr及Ni，是经济性较好的钢种；以Mn为主，附加元素为V、Ti、Mo、Nb、B诸元素；加入微量稀土元素，可脱S去气，消除有害杂质，使钢材净化，并改善夹杂物形态与分布。既改善机械性能，对工艺性也有好处。,第二节微合金化低合金高强度钢在低合金高强度钢的发展后期，Nb、V、Ti已进入历史舞台，同时，人们为了进一步提高焊接性能，必须继续降低钢中的含碳量。为了弥补C的降低所导致的强度的降低，采用控制轧制，细化晶粒，使钢的屈服强度达到450-525MPa，韧-脆转折温度降低到-80，这类钢称为微合金化、控轧、低碳、低合金高强度钢，简称微合金化钢。一、一般微合金化低合金高强度钢(一)成分控制工程构件用钢绝大多数需要良好的焊接性，必须降低含C量。含C量常被限制在0.1%(wt)以下。这类钢在显微组织中具有大量的铁素体和较少量的可见珠光体。然而，含C量的减少，将使强度下降，为此需要通过控制轧制来细化晶粒，恢复其较高强度水平。,人们认识到一定微量强碳化物形成元素，比方0.1%(重量)的Nb加入钢中，可以在控制轧制条件下，很容易地获得细晶粒。在热轧温度下，保证细小分散物的稳定而不占据较大体积份额、不损坏室温下的塑性和韧性是十分必要的。最合适的分散物主要是Al、Nb、Ti和V所形成的氮化物、碳化物和碳氮化合物。使用上述这些相，通过控制，可以获得极细的晶粒度。(二)控制轧制与控制冷却控制轧制是高温形变热处理的一种派生形式，其主要目的是细化晶粒组织，从而提高热轧钢的强韧性。控制轧制主要由三个阶段组成：高温下的再结晶区变形；在紧靠Ar3以上的低温无再结晶区变形；在奥氏体铁素体两相区变形。,下图扼要地描绘出控制轧制过程这三个阶段以及随着每个阶段变形所发生的显微组织变化。,图注：控制轧制三个阶段以及每个阶段变形时显微组织的变化示意图,阶段1：使粗大的奥氏体（a）多次变形和再结晶而细化（b），但是这时由转变的铁素体仍较粗大（b）；阶段2：在伸长而未再结晶的奥氏体（c）内形成变形带，而且使铁素体在变形带以及晶界上形核，从而形成细小的（c）；阶段3：在两相区的变形，继续阶段2的过程，此时铁素体也发生变形，从而形成亚结构。,(三)Nb、V、Ti在微合金化钢中的作用Nb、V或Ti作为微合金元素的作用：l通过它们的碳化物、氮化物质点阻止奥氏体晶粒在加热时长大；L在轧制时延长奥氏体的再结晶。Nb、V、Ti延缓轧制时奥氏体再结晶能力的比较见图。,二、双相钢(一)双相钢的特征传统的低合金高强度钢对汽车压力加工件来说，没有具备足够的冷成形性，因而需要改善强度-成形性的综合性能，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。双相钢的开发目标是把显微组织从铁素体+珠光体改变为铁素体+岛状马氏体+奥氏体。双相钢性能的特点为：l具有连续强度的-曲线；l低的屈服强度，一般不超过350Mpa；l高的应变硬化速率和优良的抗拉强度与塑性的配合。,下图比较了一般低合金高强度钢和双相钢的-曲线。,图注：一般低合金高强度钢和双相钢的-曲线的比较,在双相钢中得到了光滑的连续-曲线。起始屈服强度较低，随后，-曲线的其余部分迅速增加，它意味着双相钢具有高的应变硬化速率。双相钢的组织为：铁素体+马氏体（岛状）+少量的残余奥氏体。,(二)双相组织的获得方法1、热处理双相处理（退火双相钢）钢在（）两相区加热退火，然后空冷或快冷，得到铁素体马氏体组织。2、热轧双相钢生产双相钢的另一工艺是热轧后，控制冷却，使钢形成8090的细小多边形铁素体。在剩余奥氏体岛中C和一些合金元素富化，促使奥氏体岛的稳定，因此它既不转变为珠光体，也不转变为贝氏体，而是在较低相变温度下形成M-A组成体。,(三)双相钢优异性能的原因低屈服强度和高应变硬化率的原因存在三种可能：l首先，在马氏体区域存在残余应力，这些应力来源于快速冷却时马氏体相变的体积和形状变化。l其次，由于这些体积和形状变化效应，使周围铁素体经受塑性变形，导致铁素体中存在高密度的可动位错。l再次，伴随着马氏体的残余奥氏体，在成形操作时，发生应变诱发马氏体相变。所有这些原因，均引起起始屈服发生在较低应力水平下，同时这些过程进行时，进一步塑性变形所需应力迅速增加。,（四）双相钢的典型成分和用途典型的化学成分范围是：其典型的化学成分范围是：w(C):0.04%0.10,w(Mn):0.8%1.8%，w(Si):0.9%1.5%，(Mo):0.3%0.4%,w(Cr)=0.4%0.6%，以及微合金元素V等。用途强度-成形性的综合性能好，满足汽车冲压成型件的要求。,