工程结构钢及其应用.ppt

第2章工程结构钢 本章主要内容 碳素结构钢 重点掌握 低合金高强度 重点掌握 具有特殊用途的低合金高强度钢 微合金化低合金高强度钢 工程构件用钢的研究发展趋势 概述 1 工程结构钢的用途 如建筑 桥梁 船舶 钢轨 车辆 石油 化工 电站 锅炉 压力容器等 应用范围很广 工程结构钢 用于制造各种大型金属结构的钢材 工程结构钢占钢总产量90 左右 一般进行焊接 不需热处理 特殊要求时在钢厂进行正火 调质处理 可靠性要求高时 焊后现场进行整体或局部去应力退火 大部分以钢板或型钢供货 1889年为庆祝法国大革命100周年 巴黎举办大型国际博览会时建造 是博览会上最引人注目的展品 成为当时席卷世界的工业革命的象征 1887年1月28日开工 1889年3月31日大功告成 金属制件有1 8万多个 重达7000吨 施工时共钻孔700万个 使用铆钉250万个 设计者是法国建筑师居斯塔夫 埃菲尔 早年以旱桥专家而闻名 一生中杰作累累 遍布世界 但使他名扬四海的还是这座铁塔 用他自己的话说 埃菲尔铁塔 把我淹没了 好像我一生只是建造了她 钢铁巨人埃菲尔铁塔 1889年建 高300米 重7000吨 南京长江大桥 1968年建 1960年1月18日开工 1968年9月铁路桥通车 同年12月公路桥通 正桥长1577米 铁路桥长6772米 公路桥长4589米 桥塔高70米 工程造价2 87亿元 采用优质合金钢杆件在现场铆接拼装架设 是新中国第一座依靠自己的力量设计施工建造而成的铁路 公路两用桥 它的建成开创了我国 自力更生 建设大型桥梁的新纪元 概述 长期承受静载荷 偶尔有动载荷 互相无相对运动 受大气或海水的侵蚀 某些构件受疲劳冲击 如桥梁 船舶等受风力或海浪冲击 一般在 50 100 范围内使用 3 工程构件的性能要求 有足够的强度与韧性 低的韧脆转变温度 有良好的焊接性能和成型工艺性能 有良好的耐大气腐蚀性能和耐海水腐蚀性能 生产工艺 常用 焊接 一般都要经过如剪切 冲孔 热弯 深冲等成型工艺 2 工程构件的服役条件 4 工程构件用钢的发展历程 铆钉连接 设计依据是 b C 较高 约为0 3 热轧态供货 焊接连接 C 为保持强度 Mn 焊接构件的脆性断裂 韧性 韧脆转变温度的重要性 C 但Mn量仍保持较高水平 利用AlN细化晶粒提高强韧性 s从225MPa提高到300MPa 韧转温度降到0 以下 如 0 3 C降低到0 1 韧脆转变温度由50 降低到 50 概述 4 工程构件用钢的发展历程 保持低C 高Mn 细化晶粒条件 利用NbC VC TiC析出强化进一步 s 但终轧温度高 晶粒粗化 冲击韧性较差 开发了控制轧制和控制冷却技术 解决晶粒粗化问题 细晶 析出强化 s提高到450 525MPa 韧转温度降到 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 在钢中加入微量的Zr 稀土元素 Ca等 改变夹杂物形态 减少轧制钢材的各向异性 改善其成型性 概述 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碳含量低于0 25 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 耐候Z型钢用于体育馆 浦东国际机场候机楼及道路护栏 客车及农业机械 现代化蔬菜棚 高强度耐候厚壁冷弯高频焊管用于东方明珠塔 镀锌C型钢用于上海大剧院屋架椼架 第一节碳素结构钢 碳素结构钢 用量很大 约占钢产量的70 大部分用作结构件 如工字钢 槽钢 角钢 钢板 钢管及各种型材 少量用于制造机器零件和其它制品 碳素结构钢易于冶炼和轧制 价格低廉 有足够的强度 良好的塑性和韧性 且易于成型和焊接 碳素钢含碳量一般在0 2 以下 常以热轧态供货 一般不再进行热处理 第一节碳素结构钢 一 碳素结构钢的牌号 化学成分及力学性能 在国标GB700 1988中 碳素结构钢按屈服强度的下限值分为Q195 Q215 Q235 Q255 Q275 其化学成分和力学性能可参阅相关资料 表2 1碳素结构钢的牌号 化学成分及用途 GB700 1988 表2 2碳素结构钢的力学性能 第一节碳素结构钢 二 碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响 碳钢以Fe C为主 还有Mn Si S P及N H O常存元素 第一节碳素结构钢 二 碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响 1 碳 C 强度 硬度 塑性 韧性 第一节碳素结构钢 二 碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响 2 锰 锰是炼钢时用锰铁脱氧 脱硫残存在钢中的元素 或由生铁残存下来 锰的作用 锰脱氧能力很强 可把钢水中的FeO还原为Fe Mn与S结合力强 形成MnS夹杂物 降低S的有害影响 剩余的大量Mn固溶于F中 起到固溶强化作用 少部分则溶于Fe3C中 形成合金渗碳体 可以增加P含量 并能细化晶粒 使钢具有更好的综合机械性能 显著提高钢的强度 由于Mn具有较多的有益影响 一般看作是有益元素 但其含量不能太高 通常小于0 8 第一节碳素结构钢 二 碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响 3 硅 硅的影响与锰相似 也是作为脱氧剂加入而残留在钢中 或由生铁残存下来 硅的作用 Si的脱氧能力比Mn强 能更好地将FeO还原 剩余Si绝大部分固溶于F中 起固溶强化作用 少部分则存在于硅酸盐夹杂中 会降低钢的性能 总的来说 Si也是一种有益的杂质元素 其含量通常小于0 5 第一节碳素结构钢 二 碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响 4 硫 硫是由原料带入 无法除尽的杂质硫的作用 S难溶于固态Fe 与Fe形成FeS 1190 FeS又与 Fe形成熔点更低 989 的共晶体 FeS Fe 并分布在A晶界上 在热加工 轧制 锻造 时共晶体熔化 沿晶界碎裂 引起钢的热脆 红脆 第一节碳素结构钢 二 碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响 4 硫 Mn S的有害作用 Mn与S优先形成高熔点MnS 1620 MnS在高温下具有一定的塑性 不会使钢发生热脆 S是钢中有害元素 易削钢除外 在优质钢中规定其含量 0 04 而在普通碳素钢中也限制S含量 0 055 S对钢的焊接性能有不良影响 容易导致焊缝热裂 且易于氧化生成气体 致使焊缝中出现气孔和疏松 第一节碳素结构钢 二 碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响 4 硫 S虽然有害 但能改善钢的切削加工性 钢中S 达到一定数值 0 18 0 3 后 使切削变脆易断 获得较高的表面光洁度 且MnS有一定的润滑作用 可减少刀具与工件表面的磨损 延长刀具寿命 这种含S高的钢称为 易削钢 易削钢 主要用在自动机床上加工批量大 要求光洁度较好而受力不大的零件 如螺钉 螺母等各种标准件和一般小零件等 1912年4月14日 当年最为豪华 号称永不沉没的泰坦尼克号首航沉没于冰海 成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难 耗资两亿五千万美金的影史巨片 TITANIC 带领世人重新审视了这文明史上的大灾难 1985年以后 探险家们数次深潜到12 612英尺深的海底研究沉船 起出遗物 1995年2月美国 科学大众 PopularScience 杂志发表了RGannon的文章 标题是 WhatReallySankTheTitanic 副标题是 为什么 不会沉没的 船在撞上一个冰山后3小时就沉没了 一项新的科学研究回答了80年未解之谜 作者出示了两个冲击试验结果 左边的试样取自海底的Titanic号 右边的是近代船用钢板的冲击试样 由于早年的Titanic号采用了含硫高的钢板 韧性很差 特别是在低温呈脆性 所以 冲击试样是典型的脆性断口 近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性 Gannon的文章指出 在水线上下都由10张30英尺长的高含硫量脆性钢板焊接成300英尺的船体 船体上可见长长的焊缝 船在冰水中撞击冰山而裂开时 脆性的焊缝无异于一条300英尺长的大拉链 使船体产生很长的裂纹 海水大量涌入使船迅速沉没 这是钢材韧性与人身安全的一个突出例证 第一节碳素结构钢 二 碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响 5 磷 炼钢时由生铁带入钢中的不能除尽的有害元素 磷的作用 P固溶于F中 起固溶强化作用 使强度 硬度显著 急剧 室温下钢的塑性 韧性 使钢变脆 在低温更严重 与S产生 热脆 相对应 称为 冷脆 Fe P合金结晶范围很宽 因此P具有严重的偏析倾向 在易削钢中 把P 提高到0 08 0 15 使F适当脆化 提高钢的切削加工性 P提高钢在大气中的抗腐蚀性 尤其是同时含Cu的情况下 其作用更加显著 普通质量钢中P 0 04 0 05 第一节碳素结构钢 二 碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响 6 氮 氮是炼钢过程中从周围气氛中被吸入的气体 590 时N在 Fe中溶解度最大 约为0 1 而室温则降到0 001 以下 溶解度随温度降低急剧降低 快速冷却时N来不及析出 若经冷变形后在室温放置或稍微加热时 从F中沉淀出极微细的氮化物质点 使钢的强度提高 塑韧性下降 称为机械时效或应变时效 对低碳钢性能不利 当低C钢中存在V Nb Ti等而形成N化物时 有细化晶粒和沉淀强化的效果 是钢中的微合金化元素 第一节碳素结构钢 二 碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响 7 氢 冶炼过程中从潮湿的空气或含水炉料带入钢液中 钢中H含量一般很少 危害很大 表现为两个方面 一是溶入钢中后引起 氢脆 使钢的塑性 脆性 二是导致钢件内产生大量的细微裂纹缺陷 白点 使 显著 k 更多 几乎为0 具有白点的钢件一般不能使用 第一节碳素结构钢 二 碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响 8 氧 在炼钢过程中脱氧不完全 氧残留在钢中 氧在钢中几乎全部以氧化物的形式存在 如FeO Fe2O3 SiO2 MnO Al2O3 CaO MgO等 并且往往形成复合氧化物或硅酸盐 会使钢的性能下降 时效现象 所谓时效 即钢的力学性能和物理性能随着时间而发生变化 可以发生在室温或稍高于室温的较低温度下 低碳钢的时效分为淬火时效和应变时效两种 第一节碳素结构钢 三 低碳钢的时效 产生原因 在室温放置的过程中 过饱和固溶体不稳定 而且C N原子发生扩散 并在晶界或晶内的缺陷处聚集 阻碍位错的运动 产生时效硬化 使钢的强度 硬度增大 而塑性 韧性降低 淬火时效 又称热时效 钢加热到高温 A1以上或以下 快冷以后 在室温附近性能随时间而发生变化 例如 焊接的钢板焊缝 在三个月后 其冲击韧性值由原来的91J cm2降低到33J cm2 曾发生过船舶和桥梁因时效而出现突然断裂的事故 应变时效 是钢在冷加工塑性变形以后 钢的性能随时间而发生变化 例如 一种锅炉用钢板 在冷塑性变形后 其冲击韧性为120J cm2 而放置十天之后下降到35J cm2 第一节碳素结构钢 三 低碳钢的时效 产生原因 C N都能引起应变时效 但N的影响更大一些 应变时效的原因是由于冷塑性变形降低了C N在 Fe中的溶解度 室温下N的溶解度比C要高得多 同时N原子半径 0 071nm 比C原子小 0 077nm 其扩散速度较快 所以N对应变时效的影响比较大 塑性变形时位错数量大量增加 C N原子能经过短距离扩散聚集在位错附近 形成气团 使硬度增加 第二节低合金高强度钢 HSLASteel HighStrengthLowAlloySteel 第二节低合金高强度钢 一 低合金高强度钢的性能要求 要求钢材具有较高的屈服强度 以减轻金属结构的重量 提高其可靠性 合适的屈强比 s b 合适的比值在0 65 0 75之间 交变载荷作用时疲劳强度应不低于250 270MPa 若 s由240 260MPa 提高到340 360MPa 即提高50 则金属构件的重量减轻20 30 第二节低合金高强度钢 一 低合金高强度钢的性能要求 要求有较高的塑性 韧性 较低的韧脆转变温度 要求具有良好的工艺性能和耐蚀性 工艺性能主要指成型性能 如剪切 冲压 冷弯 热弯 和焊接性能等 如 要求厚度为3 20mm钢板的延伸率 5 一般不小于21 k在纵向和横向分别不小于80和60J cm2韧脆转折温度应低于 30 左右 要求贵重合金元素用量少 以降低成本 一 低合金高强度钢的性能要求 兼顾上述性能 采用低碳 多组元合金元素 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 第二节低合金高强度钢 二 合金元素在低合金高强度钢中的作用 HSLA钢大部分具有铁素体 珠光体组织 在热轧或正火后得到最终性能 主要强化机制有 铁素体的固溶强化 低合金高强度钢的组织主要有三类 铁素体 珠光体组织 s为300 350MPa 低碳贝氏体组织 s为450 650MPa 低碳索氏体组织 s为650 800MPa 增加珠光体的相对量 晶粒细化 第二节低合金高强度钢 碳氮化合物的析出强化 二 合金元素在低合金高强度钢中的作用 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 C 塑 韧性 焊接性 冷成型 如 0 1 C TK为 50 0 3 C TK为50 低合金高强度钢的含C量 一般均限制在0 2 以下 第二节低合金高强度钢 合金元素含量 质量分数 200 120 40040120200温度 钢的韧 脆转折温度与碳含量的关系 合金元素对低合金高强度钢的固溶强化效果的影响 P 显著强化F 但增加钢的冷脆性 其含量 0 15 Si Mn 强化F较显著 且价格便宜 最常用的合金元素 Mn 1 8 1 Si S 85MPa TK 量多时可大为降低塑韧性 所以Si控制在 1 1 第二节低合金高强度钢 二 合金元素在低合金高强度钢中的作用 1 Me对低合金高强度钢力学性能的影响 第二节低合金高强度钢 二 合金元素在低合金高强度钢中的作用 1 合金元素对低合金高强度钢力学性能的影响 铁素体 珠光体HSLA钢组织性能的关系如下图 图中向量值表明 s每增加15MPa时 韧 脆转折温度的变化量 HSLA钢成分设计思路 低C 稍高的Mn含量 用Al细化晶粒 并适当用Si强化 二 合金元素在低合金高强度钢中的作用 在HSLA中 利用Nb V Ti细化晶粒和产生沉淀强化作用 Nb V Ti对正火状态的HSLA的晶粒度的影响见图6 2 2 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 第二节低合金高强度钢 1 合金元素对低合金高强度钢力学性能的影响 二 合金元素在低合金高强度钢中的作用 1 合金元素对低合金高强度钢力学性能的影响 图6 2 3表明了热轧低碳钢带中由于晶粒细化和析出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 第二节低合金高强度钢 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 Nb细化晶粒作用特别显著 既能使钢强化又能降低韧 脆转折温度 第二节低合金高强度钢 含Ti量增加 强度显著地随析出强化而增加 而细晶强化的贡献则处于中等情况 含Ti钢脆性断裂抗力稍低些 韧 脆转折温度比含Nb钢要高些 V产生中等的析出强化效果 细晶强化作用相对较弱 大量的V CN 化合物的析出使脆性断裂抗力降低 韧 脆转折温度比含Nb和含Ti钢都要高些 第二节低合金高强度钢 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 低碳索氏体型和低碳马氏体型钢 二 合金元素在低合金高强度钢中的作用 1 合金元素对低合金高强度钢力学性能的影响 第二节低合金高强度钢 2 Me对焊接性的影响 控制C C 焊缝处硬化与脆化倾向 焊接裂纹 为保证优良的焊接性能 尽可能降低含C量 适当控制提高淬透性的Me种类及其数量 如Cr Mn Mo Ni等 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 3 Me对耐大气腐蚀性的影响 Cu PCr NiMo Al 钢中加入少量的Cu P Cr Ni Mo Al时 可以提高HSLA的耐大气腐蚀性 其中Cu P是最有效的元素 一般含量 0 025 0 25 Cu 0 05 0 15 P P 冷脆和时效倾向增加 应用Al脱氧 细晶粒钢 复合加入上述适量元素 则提高钢耐蚀性效果更佳 如090CuPCrNi A 09CuPCrNi B 09CuP 抗大气腐蚀性 金属材料由于大气中氧和水等的化学作用或电化学作用而引起的腐蚀 叫做大气腐蚀 钢构件或容器在自然环境中使用时抵抗大气腐蚀的能力即抗大气腐蚀性 第二节低合金高强度钢 综上所述 HSLA钢化学成分特点如下 钢的含C量应该控制在0 2 以下 二 合金元素在低合金高强度钢中的作用 从固溶强化观点来看 Si Mn十分有效 在低C情况下 Mn能细化晶粒 降低韧 脆转变温度 从细化晶粒来看 Al Nb Ti十分有效 Nb Ti V还可以产生沉淀强化作用 Cu既能提高耐大气腐蚀性 又能产生沉淀强化 P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 第二节低合金高强度钢 因此 对铁素体 珠光体型HSLA的合金化方向 以Si Mn为基础 适当添加Al Nb V 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 显著推迟先共析F和P转变而较少推迟B转变 二 合金元素在低合金高强度钢中的作用 具有代表性的牌号见下表 三 我国的低合金高强度钢 第二节低合金高强度钢 F P类型是工程结构钢中最主要的一类钢 国家标准GB T1591 2008中规定有Q345 Q390 Q420 Q460 Q500 Q550 Q620 Q690八个牌号 根据质量要求分为A B C D E五个等级 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 具有代表性的牌号见下表 低合金钢目前采用GB T1591 94代替1591 88 部分新老钢号对照如下 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 Nb Mo Al等 加入少量P来提高抗大气腐蚀性能 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 对工艺性能也有好处 从表中可以大致看出 我国这类钢的特点是 具有代表性的牌号见下表 低合金钢目前采用GB T1591 2008代替GB T1591 94 牌号对照如下 具有代表性的牌号见下表 各化学元素在低合金钢中的作用 碳 最经济的强化元素 碳含量高 马氏体组织多 钢硬度高 焊接性能不好 锰 强化元素且提高韧性 硅 可适度提高强度 增强耐大气腐蚀性能 铌 强化元素 通过沉淀硬化和晶粒细化的强化机理有效地提高屈服和抗拉强度 加入0 02 的铌可使含碳0 20 的热轧钢材屈服强度提高70 100MPa 但对轧制工艺有要求 如终轧道次温度低 钒 强化元素 通过铁素体沉淀硬化和细化铁素体晶粒的提高屈服和抗拉强度 但要求终轧温度低并与锰 氮等元素共同加入 作用更好 具有代表性的牌号见下表 各化学元素在低合金钢中的作用 镍 强化 耐大气腐蚀元素 通过铁素体固溶强化提高强度并可适当提高韧性 与铜或磷共存可明显提高耐海水腐蚀性能 还可克服含铜钢的热脆现象 铜 耐大气腐蚀元素 单独加入易产生 热脆 和钢材表面裂纹现象 与镍合用 效果明显 磷 耐大气腐蚀和强化元素 与钢中少量铜合用 效果显著 但其易产生 冷脆 现象 氮 强化元素 但降低韧性 与钒合用 效果明显 钼 硼 少量加入可改善钢的淬透性 形成贝氏体的低温相变组织 硫 除易切削钢外 都作为有害元素尽量降低其含量 具有代表性的牌号见下表 低碳铁素体 珠光体钢的超细晶强韧化与控制技术 2004年度国家科学技术进步奖一等奖完成单位 钢铁研究总院 北京科技大学 东北大学 中国科学院金属研究所 宝山钢铁股份有限公司 首钢总公司 武汉钢铁 集团 公司 鞍山钢铁集团公司 广州珠江钢铁有限责任公司 攀枝花钢铁 集团 公司低碳铁素体 珠光体钢是钢铁材料中产量最大 应用面最广的工程结构用钢材 通过该项目的研究 在保持钢的韧性和塑性基本不下降 生产制造成本基本不提高的前提下 强度成倍提高 使传统材料更新换代 成为先进钢铁材料 具有代表性的牌号见下表 低碳铁素体 珠光体钢的超细晶强韧化与控制技术 2004年度国家科学技术进步奖一等奖新材料的主要特点是超细晶粒 高洁净度 高均匀性 生产过程能节约能源和资源 不用或少用合金元素 改善环境 降低成本 比现有钢铁材料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 通过多方探索 发现对铁素体 珠光体型碳素钢和大量应用的低 微 合金钢 在初轧段充分应用奥氏体再结晶细化奥氏体晶粒 在精轧段采用形变诱导铁素体相变 可以把铁素体晶粒分别细化到2 5 m 碳素钢 和1 2 m 微合金钢 对碳素钢在精轧段采用形变强化相变 晶粒可细到2 3 m 对薄板坯连铸连轧低碳钢通过析出相的超细化 多数达纳米级 和控轧控冷 可以把铁素体晶粒细化到3 6 m 碳素结构钢的屈服强度由200MPa级提高到350 400MPa级 低合金钢的屈服强度由350 400MPa级提高到600 700MPa级 具 低碳铁素体 珠光体钢的超细晶强韧化与控制技术 2004年度国家科学技术进步奖一等奖在该项目的研究中 攀钢负责一项子课题 厚规格热连轧超细晶粒热轧钢板生产技术研究 攀钢创造性地提出了工业生产厚规格超细晶粒热轧钢板的新思路 成功地用Q235普碳钢的化学成分生产出了3 0毫米至7 0毫米厚度规格的超细晶粒热轧钢板 其铁素体晶粒尺寸为4 6微米 屈服强度和抗拉强度分别达到400兆帕和510兆帕以上 超细晶粒钢板的综合性能达到510兆帕低合金钢板的水平 攀钢研制开发的超细晶粒热轧钢板在东风汽车公司用于制作载重汽车车厢和车架零件 零件冲压合格率达到100 具有显著的经济效益和社会效益 牌号见下表 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 具体指标 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 降低成本 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 采用形变诱导F相变 可把F晶粒细化到2 5 m 碳钢 和1 2 m 微合金钢 碳钢的 s由200MPa提高到350 400MPa 低合金钢由350 400MPa提高到600 700MPa 最新研究成果 如F晶粒尺寸细化到 级 则F P类低合金高强度钢的强度也可达到800MPa 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 四 具有特殊用途的低合金高强度钢 HSLA钢除要求强度和韧性外 还对其焊接性 深冲性及耐候性有一定要求 工艺性能和使用性能难以同时满足要求 因此现代HSLA钢的发展趋势是 根据结构钢的不同用途 加入不同的合金元素 采用不同的冶炼和轧制技术 以最大限度地满足使用要求 第二节低合金高强度钢 四 具有特殊用途的低合金高强度钢 1 耐候钢 耐大气腐蚀钢 GB T4171 2008耐候结构钢 低合金耐候钢是以保证力学性能为主 适当提高耐大气腐蚀性以延长构件使用寿命的一类钢 是介于普通钢和不锈钢之间的低合金钢系列 由普碳钢添加少量铜 镍等耐腐蚀元素而成 耐候性为普碳钢的2 8倍 可用于制造车辆 桥梁 塔架 集装箱等钢结构 常用牌号 Q265GNH Q295GNH Q310GNH Q355GNH 05CuPCrNi A 09CuPCrNi A 第二节低合金高强度钢 上海2010年世博会澳大利亚馆 1 耐候钢 耐大气腐蚀钢 四 具有特殊用途的低合金高强度钢 用红赭石色的耐候钢材料制成 耐候钢钢板组成连绵不绝的波浪外墙 它代表了澳大利亚的海岸线 也体现了他们在铁矿石方面的资源优势 上海2010年世博会卢森堡国家馆 1 耐候钢 耐大气腐蚀钢 四 具有特殊用途的低合金高强度钢 主体建筑外观整体呈锈色 耐候钢的天然原色 卢森堡一直以精湛的炼钢技术闻名于世 当年巴黎建造埃菲尔铁塔所用的钢材 就来自于卢森堡 卢森堡馆所用的耐候钢 全部从卢森堡进口 耐候钢在展馆拆除后可100 回收利用 上海2010年世博会中国馆 1 耐候钢 耐大气腐蚀钢 四 具有特殊用途的低合金高强度钢 中国馆工程结构钢材以Q345B和Q345GJC 高层建筑C级板 为主 均属低合金高强钢 鸟巢 1 耐候钢 耐大气腐蚀钢 四 具有特殊用途的低合金高强度钢 高强度Q460钢 低合金高强钢 16Mn钢的基础上加入铬 镍 钒 钛 铌等 四 具有特殊用途的低合金高强度钢 1 耐候钢 2 耐海水腐蚀钢 代表钢种 10CrMoAlRe 主要用于海水管线 海水冷却器等 其使用寿命比普通碳素钢提高一倍以上 实际使用中 靠涂装 阴极保护 包覆耐蚀合金 高分子合成材料及增加钢材厚度等措施加以弥补 我国研制的ZCE36新型耐海水腐蚀船板钢 是在09MnNb基础上加入Cr Ni Cu Al V 正火态供货 晶粒度10 12级 性能优异 耐蚀性高于国内常用船板钢 第二节低合金高强度钢 四 具有特殊用途的低合金高强度钢 1 耐候钢2 耐海水腐蚀钢 3 表面处理钢材 钢材表面镀涂耐蚀合金或有机涂料 对于使用量大面广的薄板材料具有实际意义 这类钢材多为低碳钢 如05F 08F 厚度为0 1 0 5mm 镀锌板 钢板镀锌是一种最廉价的防锈手段 在表面处理钢材中占有最大的比重 热镀锌板平均耐蚀寿命为5 10年 汽车用镀层板 镀层板有镀Zn板 镀Zn Cr板 镀Zn Mg板 镀Zn Al板等 不但要求耐蚀性 还要求有良好的成型性 可焊性 涂漆性 第二节低合金高强度钢 四 具有特殊用途的低合金高强度钢 1 耐候钢2 耐海水腐蚀钢 3 表面处理钢材 镀锌板 汽车用镀层板 电镀锡板 具有无毒 光泽美观 良好的耐蚀性 可焊性 加工成型性 产量仅次于镀锌板 食品罐头外壳 轻便耐腐蚀器皿和电器零件 热镀铝板 具有良好的耐蚀性和耐热性 在450 以下长期使用不变颜色 在工业大气 海洋大气 潮湿空气中的耐蚀性比镀锌板高2 5倍 可不用涂漆直接用于建筑物 主要用于汽车消音器 第二节低合金高强度钢 四 具有特殊用途的低合金高强度钢 1 耐候钢2 耐海水腐蚀钢 3 表面处理钢材 镀锌板 汽车用镀层板 电镀锡板 热镀铝板 有机涂层板 以冷轧板 热镀锌板 电镀锌板 镀铝板为基材 表面涂覆各种有机涂料如聚氯乙烯 聚氟乙烯 聚脂 环氧树脂等 可制成各种颜色 称彩色涂层板 如海滨房屋等 第二节低合金高强度钢 四 具有特殊用途的低合金高强度钢 1 耐候钢2 耐海水腐蚀钢3 表面处理钢材 4 汽车冲压用钢板 双相钢 F M 是为了满足汽车工业对高强度及良好冷成型性能钢材的需求而发展起来的 基本特点 使用状态组织为 70 80 细晶多边形F 30 20 M用于汽车承重部件 如保险杠 轮圈等 超低碳深冲IF钢 Interstitial FreeSteel 是在超低C N基础上 加入强C N化合物形成元素 清扫F中的C N间隙原子 使IF钢经冷轧退火后获得优良的深冲性能 主要用于汽车冲压用钢 第二节低合金高强度钢 四 具有特殊用途的低合金高强度钢 1 耐候钢2 耐海水腐蚀钢3 表面处理钢材4 汽车冲压用钢板 5 石油 天然气管线钢 针状铁素体钢 已成功应用于制造寒冷地区远距离石油和天然气管线 典型钢种 06MnMoNb 属低碳贝氏体钢 含碳量在0 1 以下加入Mn Mo Nb及V B等元素 耐硫化氢腐蚀的低合金高强度管线钢 在石油 天然气中 大都含有硫化氢气体 易造成硫化氢应力腐蚀 我国研制开发了PU系列耐硫化氢腐蚀的低合金高强度管线钢 第二节低合金高强度钢 四 具有特殊用途的低合金高强度钢 1 耐候钢2 耐海水腐蚀钢3 表面处理钢材4 汽车冲压用钢板 5 石油 天然气管线钢 6 工程机械用钢与可焊性高强度钢 工程机械如挖掘机 推土机 起重运输机 混凝土机械等 要求高强度 高耐磨性 良好的焊接性 即可焊 耐磨 高强度钢 我国以 焊强 HQ 命名这类钢种 含C量较低 小于0 25 加入Cr Ni Si Mn Mo V 提高淬透性 淬火回火后使用 如HQ60 HQ80 第二节低合金高强度钢 四 具有特殊用途的低合金高强度钢 1 耐候钢2 耐海水腐蚀钢3 表面处理钢材4 汽车冲压用钢板 5 石油 天然气管线钢6 工程机械用钢与可焊性高强度钢 7 钢筋钢 属于建筑结构用钢 有专门规范和标准 按强度划分为四个等级 级钢筋 如Q235 级钢筋 如16Mn 20MnSi 20MnNb 级钢筋 如20MnSiV 20MnTi 25MnSi 级钢筋 40Si2MnV 45SiMnV 45Si2MnTi主要用于混凝土构件 要求良好的塑性 冷加工性能 焊接性能 第二节低合金高强度钢 四 具有特殊用途的低合金高强度钢 1 耐候钢2 耐海水腐蚀钢3 表面处理钢材4 汽车冲压用钢板 5 石油 天然气管线钢6 工程机械用钢与可焊性高强度钢 7 钢筋钢 在很低温度下工作的设备 如各种冷冻设备 制氧设备 各种低温和超低温容器 要求耐 60 196 的低温 要求一定的塑性和韧性 很小的低温脆性倾向 组织近似于全F 特点是低碳或超低碳 0 06 加入少量V Ti Nb Al细化晶粒 保持低温韧性 如06MnNb 06MnVAl允许工作温度分别为 80 和 100 工作温度更低 196 时 仍采用高Ni钢或高合金奥氏体钢 8 低温用钢 第二节低合金高强度钢 四 具有特殊用途的低合金高强度钢 1 耐候钢2 耐海水腐蚀钢3 表面处理钢材4 汽车冲压用钢板 5 石油 天然气管线钢6 工程机械用钢与可焊性高强度钢 7 钢筋钢8 低温用钢 9 钢轨钢 含碳量为0 55 0 75 的高碳钢 在我国划归为低合金钢 要求高强度 高耐磨性 高耐疲劳性能 钢中有较高的含碳量 还需加入Mn Si 故有含Mn钢轨 1 1 1 4 Mn 和高Si钢轨 0 85 1 15 Si 如65Mn2SiVTi是我国新近研制的重型钢轨 第二节低合金高强度钢 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 低温韧性和强度等综合性能 输送油气距离越大 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 一 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坏焊接性和韧度的强化措施 第三节微合金化低合金高强度钢 微珠光体低合金高强度钢 晶粒细化和析出强化 钢性能 Nb V Ti微合金化和控轧控冷处理工艺 通过控制轧制或控制冷却新生成的 相变核 控制轧制和控制冷却的组织变化模式图 二 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 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 各种轧制程序模式图CR 控制轧制 AcC 控制冷却 三 微合金元素的作用常用Nb V Ti单个加入或复合加入 其作用主要有细化晶粒和析出强化 微合金元素细化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 微合金元素对钢的屈服强度的影响 G 晶粒细化的贡献 ph 析出强化的贡献 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 G ph Nb 0 04 时 ph增量大大增加 而 G保持不变 V引起析出强化增量 ph最显著 而Ti的作用处于Nb和V之间 第四节针状铁素体钢 超低碳贝氏体钢 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 下图 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 s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 低碳或超低碳的针状F 实质上属于低碳B钢C470MPa 如06MnMoNb 09MnMoVNb具有好的低温韧性 而且有良好焊接性 成功地应用于制造寒带输送石油和天然气的管线 针状铁素体 第五节低碳贝氏体和马氏体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性 屈服强度可达450 980MPa 低C贝氏体钢 主要特点 合金元素作用是保证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它钢结构 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的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 如 BHS 1钢的成分为0 10C 1 80Mn 0 45Mo 0 05Nb 锻轧后空冷 B M F 或直接淬火并自回火 M 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 也可用于冷镦 冷拔及制作高强度紧固件 第六节双相钢 高强度 良好冷成型性能 极佳冲压性能 薄板或带钢 深冲用钢材 F M 5 20 组织 F基体上分布不连续岛状混合型M 称为双相钢 F中非常干净 C N等间隙原子很少 C和Me大部分在M中 性能 组织 强度 性能 低 s 且是连续屈服 无屈服平台和上 下屈服点 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 s可达500 700MPa 双相钢 普通钢 10203040应变 双相钢和普通钢应力应变曲线的比较 第六节双相钢 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 通过两相区加热淬火或热轧后空冷 分为退火双相钢和热轧双相钢 成分 工艺 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 然后经冷拔 冷镦等工艺制成成品 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 净化钢中的有害杂质 微合金化技术 复合微合金化 控轧和控冷工艺 自动化在线控制 超细晶粒化 组织微细化 计算机控制和性能预报 在线生产系统 工程结构钢分类 铁素体 珠光体 F P 钢碳素工程结构钢高强度低合金钢微合金钢低碳贝氏体钢和马氏体钢针状铁素体钢低碳贝氏体钢低碳马氏体钢双相钢 本章主要内容 本章主要内容 1 工程构件用钢的用途 工作特点及性能要求2 碳素结构钢的用途 性能特点及常用钢种3 碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响4 HSLA钢的性能要求 合金元素的强化方式及其对材料性能的影响 5 HSLA钢的成分设计思路及常用钢种6 特殊用途的低合金高强度钢 作业1 碳钢含有哪几种常见元素 它们对碳钢的性能有何影响 2 简述HSLA钢中合金元素的强化方式及其对材料性能的影响 3 简单介绍低合金高强度钢的合金化思路 4 工程构件用钢的性能要求是什么 工程构件用钢为什么考虑低碳 具体分析Mn Si Al Nb V Ti Cu P Cr Ni在低合金高强度结构钢中的作用 补充作业1 结合5个大型的工程结构分析选择材料的性能特点及成分特点 说明其中合金元素的作用 2 低碳贝氏体钢的成分特点 性能特点及应用 低碳贝氏体钢研究现状与发展趋势 3 双相钢的成分特点 性能特点及应用 4 分析工程结构钢在汽车上的应用