工程構(gòu)件合金結(jié)構(gòu)鋼

1、 工程構(gòu)件用合金結(jié)構(gòu)鋼工程構(gòu)件用合金結(jié)構(gòu)鋼 主 要 內(nèi) 容第一節(jié)第一節(jié) 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼第二節(jié)第二節(jié) 微合金化鋼微合金化鋼第三節(jié)第三節(jié) 低碳貝氏體型鋼低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼針狀鐵素體型鋼 鐵素體馬氏體雙相鋼鐵素體馬氏體雙相鋼第四節(jié)第四節(jié) 新一代鋼鐵材料新一代鋼鐵材料工程構(gòu)件用合金結(jié)構(gòu)鋼教學(xué)要求教學(xué)要求: 基本要求基本要求: 了解工程結(jié)構(gòu)用鋼的性能特點及用途，熟了解工程結(jié)構(gòu)用鋼的性能特點及用途，熟悉常用低合金構(gòu)件用鋼。悉常用低合金構(gòu)件用鋼。 重點與難點：重點與難點： 各種工程結(jié)構(gòu)用鋼的成分特點，合金元素各種工程結(jié)構(gòu)用鋼的成分特點，合金元素的作用，顯微組織與力學(xué)性能。的

2、作用，顯微組織與力學(xué)性能。一、應(yīng)用背景 工程構(gòu)件用合金結(jié)構(gòu)鋼是在普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，主要用于制造各種大型金屬結(jié)構(gòu)（如橋梁、船舶、屋架、鍋爐及壓力容器等）。工程構(gòu)件用合金結(jié)構(gòu)鋼二、工程構(gòu)件的服役特點 不作相對運動，長期承受靜載荷作用，有一定的使用溫度和環(huán)境要求。 如寒冷的北方，構(gòu)件在承載的同時，還要長期經(jīng)受低溫的作用；橋梁或船舶則長期經(jīng)受大氣或海水的浸蝕；電站鍋爐構(gòu)件的使用溫度則可達到250以上。三、力學(xué)性能要求 彈性模量大，以保證構(gòu)件有更好的剛度； 有足夠的抗塑性變形及抗破斷的能力，即s和b較高，而和較好； 缺口敏感性及冷脆傾向性較小等； 具有一定的耐大氣腐蝕及海水腐蝕性能。工程

3、構(gòu)件用合金結(jié)構(gòu)鋼四、工藝性能要求良好的冷變形性能和焊接性能。以工藝性能為主，力學(xué)性能為輔。五、成分設(shè)計要求 低碳（wC%0.25%）； 加入適量的合金元素提高強度（1）當合金元素含量較低時，如低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼和微合金化鋼，其基體組織是大量的鐵素體和少量的珠光體；（2）當合金元素含量較多時，其基體組織可變?yōu)?，貝氏體、針狀鐵素體或馬氏體組織。六、供貨狀態(tài) 大部分構(gòu)件通常是在熱軋空冷（正火）狀態(tài)下使用，有時也在回火狀態(tài)下使用。工程構(gòu)件用合金結(jié)構(gòu)鋼2.1 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼（普通低合金結(jié)構(gòu)鋼）一、普通低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分特點（1）低碳，這類鋼中碳的質(zhì)量分數(shù)一般小于0.2%，主要是為了獲得較好

4、的塑性、韌性、焊接性能。（2）主加合金元素主要是Mn，加很少Cr和Ni，是經(jīng)濟性能較好的鋼種。 Mn能細化珠光體和鐵素體晶粒； Mn的含量在1%1.5%范圍內(nèi)可促進鐵素體在形變時發(fā)生交滑移，使112111滑移系在低溫下仍其作用，同時，錳還使三次滲碳體難于在鐵素體晶界析出，減少了晶界的裂紋源，這也將改善鋼的沖擊韌性。 Mn的加入還可使Fe-Fe3C相圖中的S點左移，使基體中珠光體數(shù)量增多，致使強度不斷提高。2.1 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼（3）輔加合金元素Al、V、Ti、Nb等，既可產(chǎn)生沉淀強化作用，還可細化晶粒，從而使強韌性得以改善。（4）加入一定量的Cu和P，改善這類鋼的耐大氣腐蝕性能。 Cu元素

5、沉積在鋼的表面，具有正電位，成為附加陰極，使鋼在很小的陽極電流下達到鈍化狀態(tài)； P在鋼中可以起固溶強化的作用，也可以提高耐蝕性能； Ni和Cr都能促進鋼的鈍化，減少電化學(xué)腐蝕；（5）加入微量稀土元素可以脫硫去氣，凈化鋼材，并改善夾雜物的形態(tài)與分布，從而改善鋼的力學(xué)性能和工藝性能。2.1 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼 表2-1 為我國發(fā)展的的牌號、化學(xué)成分和機械性能 表2-2 國外幾種低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的的化學(xué)成分和力學(xué)性能 表2-3 我國低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的特性及用途2.1 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼二、低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分、機械性能和用途 2.2 2.2 微合金化鋼一、化學(xué)成分特點 加入適量的微合金化

6、合金元素，如鈦、鈮、釩等。二、工藝特點 運用控制軋制和控制冷卻生產(chǎn)工藝。 通過化學(xué)成分和制備工藝的最佳配合達到最佳強韌化效果，即細化晶粒強化和沉淀強化等的最佳組合。2.2 微合金化鋼三、微合金元素在鋼中的作用 阻止奧氏體晶粒的長大 抑制奧氏體形變再結(jié)晶 形成沉淀相促進沉淀強化 圖2.1 Nb在鋼中的作用 圖2.2 V在鋼中的作用2.2 微合金化鋼圖2.1 Nb在鋼中的作用2.2 微合金化鋼2.2 微合金化鋼圖2.2 V在鋼中的作用2.3 低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼 具有鐵素體-珠光體組織的低合金鋼和微合金鋼的屈服強度的極限約為460MPa。 若要求更高強度和韌性的配合，就

7、需要考慮選擇其它類型組織的低合金鋼，如采用相變強化的方法，因而發(fā)展了低碳貝氏體型、低碳索氏體型及低碳馬氏體型鋼。 主要是適當降低鋼的含碳量以改善韌性，由此造成的強度損失可由加入合金元素通過控制軋制和控制冷卻后形成低碳貝氏體或馬氏體的相變強化的方法得到補償。配合加入微合金化元素，如鈮以細化晶粒并進一步提高韌性。2.3 低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼 在軋制或正火后控制冷卻，得到低碳貝氏體組織，與相同含碳量的鐵素體-珠光體組織相比，具有更高的強度和良好的韌性。利用貝氏體相變強化，鋼的屈服強度可達490-780MPa。一、低碳貝氏體鋼2.3 低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏

8、體雙相鋼1貝氏體鋼的成分貝氏體鋼的成分 主加合金元素是主加合金元素是Mo和和B，顯著推遲先共析，顯著推遲先共析鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變，而對貝氏體轉(zhuǎn)變推鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變，而對貝氏體轉(zhuǎn)變推遲較少。鉬和硼對遲較少。鉬和硼對CCT圖的影響如圖圖的影響如圖2-7。 在此基礎(chǔ)上再加入在此基礎(chǔ)上再加入Mn、Cr、Ni元素，進一元素，進一步推遲先共析鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變，并使步推遲先共析鐵素體和珠光體轉(zhuǎn)變，并使Bs下降，以獲得下貝氏體組織。下降，以獲得下貝氏體組織。 通過微合金化，充分發(fā)揮通過微合金化，充分發(fā)揮Nb、V、Ti的細的細化晶粒和沉淀強化?；Я：统恋韽娀?.3 低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬

9、氏體雙相鋼2.3 低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼2 鋼種及處理工藝鋼種及處理工藝14MnMoV、14MnMoVBRe： 屈服強度為屈服強度為490 MPa級。主要用于制造容器的板材和其級。主要用于制造容器的板材和其他鋼機構(gòu)。他鋼機構(gòu)。 板厚板厚14mm，熱軋；，熱軋； 板厚板厚14mm，正火，正火+高溫回火。高溫回火。 14MnMoVBRe焊接性能不好，焊接前需預(yù)熱焊接性能不好，焊接前需預(yù)熱150以上。以上。超低碳貝氏體鋼超低碳貝氏體鋼 ： w(C)=0.02%，并加入，并加入w(Ti)=0.01%使之成為使之成為Mn-Mo-Nb-Ti-B超低碳貝氏體鋼。通過控制軋制和控制冷

10、卻可以得到超低碳貝氏體鋼。通過控制軋制和控制冷卻可以得到高位錯密度的細小貝氏體組織。這種鋼可在高位錯密度的細小貝氏體組織。這種鋼可在0以下溫度以下溫度條件下服役。條件下服役。2.3 低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼2.3 低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼二、針狀鐵素體鋼 1 顯微組織顯微組織低碳或超低碳的針狀鐵素體（屬于貝氏體），其低碳或超低碳的針狀鐵素體（屬于貝氏體），其片呈板條狀，具有高密度位錯。相變開始發(fā)生在片呈板條狀，具有高密度位錯。相變開始發(fā)生在較上貝氏體為高的溫度范圍里。較上貝氏體為高的溫度范圍里。2 成分及性能成分及性能 典型鋼種：典型鋼種：Mn-

11、Mo-Nb鋼。其成分范圍：鋼。其成分范圍：C0.10%，Mn：1.6-2.0%，Mo：0.2-0.6%，Nb：0.04-0.06%；有時還加；有時還加0.06%V或或0.01%Ti。屈服強度屈服強度470MPa，伸長率，伸長率20%，室溫沖擊值，室溫沖擊值80J，并具有好的低溫韌性。焊接性能良好?？?，并具有好的低溫韌性。焊接性能良好?？笻2S腐蝕性好。腐蝕性好。2.3 低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼3 合金元素的作用合金元素的作用 碳 低碳量是為了增加低碳量是為了增加Nb的碳化物沉淀；降低對韌性的損害。的碳化物沉淀；降低對韌性的損害。 錳 Mn推遲鐵素體推遲鐵素體-珠光體相變

12、，降低珠光體相變，降低 BS點，使針狀的鐵素體點，使針狀的鐵素體在在450以下形成；也是固溶強化元素。以下形成；也是固溶強化元素。 鉬鉬 Mo能有效地推遲鐵素體而不影響貝氏體相變；能有效地推遲鐵素體而不影響貝氏體相變；Mo與與Mn聯(lián)聯(lián)合使用還有利于得到細晶粒的針狀鐵素而不是粗大的多邊合使用還有利于得到細晶粒的針狀鐵素而不是粗大的多邊形鐵素體。形鐵素體。 鈮鈮 通過沉淀相通過沉淀相Nb(C,N)的析出能有效地產(chǎn)生沉淀強化，并且的析出能有效地產(chǎn)生沉淀強化，并且在奧氏體熱軋時，沉淀相在奧氏體熱軋時，沉淀相Nb(C,N)也可以細化晶粒。也可以細化晶粒。2.3 低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體

13、雙相鋼4 針狀鐵素體鋼的用途針狀鐵素體鋼的用途 應(yīng)用于制造寒帶輸送石油和天然氣的管線。2.3 低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼三、低碳馬氏體鋼1 顯微組織、性能及處理工藝 鍛軋后空冷：貝氏體鍛軋后空冷：貝氏體+馬氏體馬氏體+鐵素體；鐵素體； 其性能為：其性能為：0.2=828MPa；b=1049MPa；室溫沖擊功；室溫沖擊功96J。用于制造汽車的輪臂托架。用于制造汽車的輪臂托架。 鍛軋后直接淬火并回火：低碳回火馬氏體。鍛軋后直接淬火并回火：低碳回火馬氏體。0.2=935MPa；b=1197MPa；室溫沖擊功；室溫沖擊功50J，-40沖擊功沖擊功32J。制造。制造汽車操縱桿。汽車

14、操縱桿。 具有高強度、高韌性和高的疲勞強度，適用于工程機械具有高強度、高韌性和高的疲勞強度，適用于工程機械上運動的部件和低溫下使用的部件。上運動的部件和低溫下使用的部件。2.3 低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼2 低碳馬氏體鋼的合金化低碳馬氏體鋼的合金化 低C、加入Mo、Nb、V、B等與合理含量的Mn和Cr 配合。 提高淬透性，Nb還細化晶粒。 BHS系列： Mn-Mo-Nb； BHS-1成分：成分：C：0.10%，Mn：1.8%，Mo：0.45%，Nb：0.05% Mn-Si-Mo-V-Nb系列。2.3 低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼四、鐵素體-馬氏體雙相鋼

15、 1 雙相鋼的特征顯微組織：鐵素體+島狀馬氏體+少量的殘余奧氏體。性能特點：低的屈服強度，一般不超過350MPa；-曲線是光滑連續(xù)的，沒有屈服平臺，更沒有鋸齒形屈服現(xiàn)象；高的均勻延伸率和總延伸率，其總延伸率在24%以上；高的加工硬化指數(shù)，n值大于0.24；（=Kn）高的塑性應(yīng)變比（r）。（r=w/b。w為寬度應(yīng)變，b為厚度應(yīng)變）2.3 低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼2 雙相組織的獲得方法 （1）熱處理雙相處理 鋼在Ac1與Ac3雙相區(qū)加熱，其組織為，隨著加熱溫度的升高，鋼中相也隨著增加。在冷卻過程中，應(yīng)保證轉(zhuǎn)變產(chǎn)物為M，而不是P。 雙相鋼的力學(xué)性能與組織有密切的關(guān)系，鋼的化學(xué)

16、成分、亞臨界區(qū)的加熱溫度、最終冷卻速度，將起著決定性的作用。 2.3 低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼（2）熱軋雙相鋼 鋼在熱軋后從奧氏體狀態(tài)冷卻時，首先形成7080的多邊形鐵素體。使未轉(zhuǎn)變的奧氏體有足夠的穩(wěn)定性，避免發(fā)生珠光體和貝氏體相變，而是在以后冷卻時轉(zhuǎn)變成M。 這個工藝要求合理設(shè)計合金成分和實現(xiàn)控軋與控冷。 2.3 低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼3 雙相鋼優(yōu)異性能的原因 低屈服強度和高應(yīng)變硬化率的原因存在三種可能： 首先，在馬氏體區(qū)域存在殘余應(yīng)力，這些應(yīng)力來源于快速冷卻時馬氏體相變的體積和形狀變化。 其次，由于這些體積和形狀變化效應(yīng)，使周圍鐵素體經(jīng)受塑

17、性變形，導(dǎo)致鐵素體中存在高密度的可動位錯。 再次，伴隨著馬氏體的殘余奧氏體，在成形操作時，發(fā)生應(yīng)變誘發(fā)馬氏體相變。 2.3 低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼4 雙相鋼的典型成分和用途 典型的化學(xué)成分范圍是： 其典型的化學(xué)成分范圍是： 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 強度-成形性的綜合性能好，滿足汽車沖壓成型件的要求。 2.3 低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼及鐵素體-馬氏體雙相鋼2.4 新一代鋼鐵材料新一代鋼鐵材料: 使用現(xiàn)有的設(shè)備（或略加改

18、造），用一種便宜的方法（不是加入合金元素，增加成本的方法）生產(chǎn)鋼材。也就是在性能價格比提高和經(jīng)濟性優(yōu)良的情況下，保持鋼材韌性和塑性的同時，把現(xiàn)在鋼材的強度提高一倍，提高使用壽命，從而得到良好的經(jīng)濟效益和社會效益。2.4 新一代鋼鐵材料新一代鋼鐵材料新一代鋼鐵材料超超級級鋼鋼高強高強度汽度汽車板車板耐火耐火防震防震結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)鋼材鋼材新型新型低成低成本不本不銹鋼銹鋼新型新型高磁高磁性能性能硅鋼硅鋼。細細晶晶粒粒鋼鋼超超細細晶晶粒粒鋼鋼復(fù)復(fù)相相鋼鋼普普碳碳超超級級鋼鋼微微合合金金超超級級鋼鋼。其它其它優(yōu)質(zhì)優(yōu)質(zhì)低成低成本鋼本鋼2.4 新一代鋼鐵材料 新一代鋼鐵材料（新一代鋼鐵材料（NGS，New Generation Steel) 超級鋼（超級鋼（Super Steel） 超細晶粒鋼（超細晶粒鋼（Ultra Fine Grained Steel） 先進高強度鋼（先進高強度鋼（AHSS，Advanced High Strength Steel） 關(guān)于超級鋼技術(shù)路線的二種說法：三超和三化關(guān)于超級鋼技術(shù)路線的二種說法：三超和三化 三超：超潔凈、超均質(zhì)、超細晶三超：超潔凈、超均質(zhì)、超細晶 三化：潔凈化（煉鋼）、均質(zhì)化（連鑄）、細晶三化：潔凈化（煉鋼）、均質(zhì)化（連鑄）、細晶化（軋制）化（軋制）2.4 新一代鋼鐵材料105-101-50.1-1 0.1普通晶粒普通晶粒細化晶粒細化晶粒超細晶粒超細