金屬材料學(xué)第2章工程結(jié)構(gòu)鋼

2023/5/19工程材料導(dǎo)論講義曹志強教授電話：84706169手機-mail:caozq@大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/5/19第2章工程結(jié)構(gòu)用鋼

engineeringconstructionalsteel按用途工程結(jié)構(gòu)鋼分為橋梁、汽車、鍋爐、船舶、壓力容器等，耐腐蝕鋼（海水和空氣），低溫用鋼，鋼筋鋼，鋼軌鋼和其他專業(yè)用鋼。尼米茲核動力航母001

鋼制橋梁壓力容器2023/5/19國家體育場（鳥巢）總用鋼量達到11萬噸，其中外部鋼結(jié)構(gòu)的鋼材用量為4.2萬噸。(Q460E)2023/5/19客車及農(nóng)業(yè)機械鍍鋅C型鋼用于上海大劇院屋架桁架浦東國際機場侯機樓及道路護欄現(xiàn)代化蔬菜棚耐候Z型鋼用于體育館高強度耐侯厚壁冷彎高頻焊管用于東方明珠塔2023/5/19工程結(jié)構(gòu)鋼是指專門用來制造工程結(jié)構(gòu)件的一大類鋼種。在鋼總產(chǎn)量中，工程結(jié)構(gòu)鋼占90％左右。工程結(jié)構(gòu)鋼包括碳素鋼和低合金高強度鋼。

低合金高強度鋼是指在C＜0.25%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的普通碳素鋼的基礎(chǔ)上，通過添加一種或多種少量合金元素（低于3%），使鋼的強度明顯高于碳素鋼的一類工程結(jié)構(gòu)用鋼，統(tǒng)稱低合金高強度鋼。2023/5/19工程結(jié)構(gòu)用鋼的分類

工程構(gòu)件用鋼用量大，隨著科技發(fā)展，各種高性能鋼種也發(fā)展迅猛。

分類：碳素構(gòu)件用鋼（普碳鋼）低合金構(gòu)件用鋼（普低鋼）

新型及微合金化低碳高強度鋼

輸油管線2023/5/19本章內(nèi)容2.1工程結(jié)構(gòu)鋼的基本要求

2.2低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的合金化

Me對力學(xué)性能\焊接性和耐大氣腐蝕性的影響

2.3常用工程結(jié)構(gòu)鋼牌號

2.4微珠光體低合金高強度鋼（輸送石油天燃氣用）

2.5針狀鐵素體鋼

2.6低碳貝氏體和馬氏體鋼

2.7雙相鋼(F+M)

2.8低合金高強度鋼發(fā)展趨勢2023/5/192.1工程結(jié)構(gòu)鋼的基本要求

工程結(jié)構(gòu)件長期受靜載；互相無相對運動受大氣（海水）的侵蝕；有些構(gòu)件受疲勞沖擊；一般在-50~100℃范圍內(nèi)使用；如：橋梁、船舶等受到像風(fēng)力或海浪沖擊.服役條件生產(chǎn)工藝

焊接是構(gòu)成金屬結(jié)構(gòu)的常用方法；一般都要經(jīng)過如剪切、沖孔、熱彎、深沖等成型工藝技術(shù)要求

1、足夠的強度與韌度（特別是低溫韌度）；

2、良好的焊接性和成型工藝性；

3、良好的耐腐蝕性；

4、低的成本。2023/5/192.2低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的合金化

1、Me對低合金高強度鋼力學(xué)性能的影響

C↑固溶強化效果和珠光體含量，低成本?！麮，↓塑、韌性，↓焊接性、冷成型。如0.1%C，TK為-50℃，0.3%C，TK為50℃一般均應(yīng)限制在0.2%以下Si

最常用且較經(jīng)濟的元素。強化F較顯著，1%Si，σs↑85MPa，↑TK，量多時可大為降低塑韌性，所以Si控制在<1.1%2023/5/19Mn

固溶強化作用大，1%Mn，ReL↑33MPa。約有3/4量溶入F中，弱的細晶作用，↓TK。同樣量多時可大為降低塑韌性.

所以Mn控制在<1.8%。Nb\VTi\Al

形成穩(wěn)定細小的K等，粒子2~10nm，既細晶又沉淀強化，↑ReL，↑δ、AK，綜合效果↓TK。改善焊接性。細化作用順序:Ti>Nb>Al>V。RE

脫氧去硫吸氫作用，改善塑韌性，↓TK

所以，低合金高強度鋼的基本成分應(yīng)考慮低碳，稍高的錳含量，并適當(dāng)用硅強化。2023/5/19圖2-2鋼的韌-脆轉(zhuǎn)折溫度與碳含量的關(guān)系

圖2-1合金元素對低合金高強度鋼的固溶強化效果的影響2023/5/19

C使屈服強度每增加15MPa時，韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高10℃；Si固溶強化但不能細化鐵素體，因此提高8℃；Mn、Ni的加入降低A3，細化鐵素體和珠光體，提高強度和韌度，降低5℃；鋁形成AlN質(zhì)點，細化晶粒，也提高強度和韌性，降低27℃。圖2-3鐵素體-珠光體鋼的各種強化機制和成分對屈服強度和韌-脆轉(zhuǎn)折溫度的影響理論上元素的作用是通過強化基體引起的，其中細晶強化每增加15MPa，Tk降低10℃，位錯強化升高6℃，析出強化升高4℃，固溶強化升高10℃。2023/5/19Nb、V、Ti合金化生成碳化物、氮化物和碳氮化物。不溶解于奧氏體時對高溫形變、再結(jié)晶長大和晶粒長大有抑制作用，其中Ti的碳化物和氮化物不溶解，釘扎晶界，細化晶粒；Nb的碳化物和氮化物部分溶解，作用類似Ti。V的碳化物全部溶解在奧氏體中，細化作用較弱。VC、NbC、TiC細晶強化依次升高（＜0.2%C）。圖2-4微合金元素對鋼加熱時奧氏體晶粒長大傾向的影響

2023/5/192、Me對焊接性和耐大氣腐蝕性的影響

優(yōu)良的焊接性是指：焊接工藝簡單；焊縫與母材結(jié)合牢固，強度不低于母材；焊縫的熱影響區(qū)保持足夠的強度與韌性，沒有裂紋及各種缺陷。控制CC↑→焊縫處硬化與脆化傾向↑，焊接裂紋↑。提高淬透性的Me種類及其數(shù)量也應(yīng)適當(dāng)控制，如Cr、Mn、Mo、Ni等。CuP

↑耐大氣腐蝕性最有效的元素。一般含量:0.025~0.25%Cu

，0.05~0.15％P

。Cu具有正電位，附加陰極，在陽極電流下達到鈍化狀態(tài)。CuP復(fù)合加入適量元素，則↑鋼耐蝕性效果更佳。如09CuPCrNi-A、09CuP、09CuPCrNi-B2023/5/19時效現(xiàn)象

低碳工程構(gòu)件經(jīng)加工或高溫冷卻后，在室溫或較低溫度下放置一段時間，鋼的性能會發(fā)生明顯變化的現(xiàn)象。（淬火時效和機械時效）產(chǎn)生原因C、N等間隙原子偏聚或內(nèi)吸附于位錯等晶體缺陷處。提高硬度、降低塑性和韌度。如：某鋼板剛變形時，AK120J，十天后降為35J；焊接鋼板在三個月后由92J降為33J。當(dāng)然橋梁、船舶等突然斷裂的原因很多。共振、應(yīng)力波等2023/5/19本章內(nèi)容

2.1工程結(jié)構(gòu)鋼的基本要求

2.2低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的合金化

?2.3常用工程結(jié)構(gòu)鋼牌號

2.4微珠光體低合金高強度鋼

2.5針狀鐵素體鋼

2.6低碳貝氏體和馬氏體鋼

2.7雙相鋼

2.8低合金高強度鋼發(fā)展趨勢2023/5/19

碳素構(gòu)件用鋼又稱碳素結(jié)構(gòu)鋼或普碳鋼，其產(chǎn)量占鋼總產(chǎn)量的70～80％，其中大部分用作結(jié)構(gòu)件，少量做機械零件。特點：易于冶煉，價格低廉，熱軋狀態(tài)供貨，一般不經(jīng)熱處理強化。分類（GB/T700－2006）Q195

Q215Q235Q2752.3常用工程結(jié)構(gòu)鋼牌號2.3.1普通碳素結(jié)構(gòu)鋼2023/5/19Q235－A.F，Q屈服強度，235屈服強度值，A質(zhì)量等級（A、B、C、D由低到高），F(xiàn)沸騰鋼。A、B級為普通質(zhì)量級；C級為優(yōu)質(zhì)級；D級和E級為特殊質(zhì)量級，有低溫沖擊韌性要求。F――沸騰；b――半鎮(zhèn)靜鋼；Z――鎮(zhèn)靜鋼；TZ――特殊鎮(zhèn)靜鋼2023/5/19一﹑普碳鋼的化學(xué)成分表2-1普碳鋼的化學(xué)成分牌號等級化學(xué)成分ωB/%CMnSi≤S≤P≤脫氧方法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—沸騰鋼；b—半鎮(zhèn)靜鋼；Tz—特殊鎮(zhèn)靜鋼。①Q(mào)235A、B級含錳量上限為0.6%。2023/5/19二、普碳鋼的力學(xué)性能

表2-2普碳鋼的力學(xué)性能（GB1591—1988）鋼號等級拉伸試驗沖擊試驗屈服點σs/MPa≥抗拉強度σb/MPa伸長率δ/%≥溫度/℃V型沖擊吸收功（縱向）/J≥鋼材厚度（直徑）/mm鋼材厚度（直徑）/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——2023/5/19三、碳素結(jié)構(gòu)鋼供貨品種供貨品種：鋼板，鋼帶，鋼管，槽鋼，角鋼，鋼軌，鋼筋，鋼絲等碳素結(jié)構(gòu)鋼薄鋼板

鋼管2023/5/192.3.2普通低合金結(jié)構(gòu)鋼

低合金構(gòu)件用鋼又稱低合金結(jié)構(gòu)鋼或稱普低鋼（普通低合金高強度鋼）。

發(fā)展普低鋼的目的：減輕大型工程構(gòu)件的重量，提高使用的可靠性，節(jié)約鋼材。成分特點：低碳，低合金。性能特點：普低鋼的屈服強度大大高于普碳鋼。

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

Q235σs≥235MPaσb375～460MPa

16Mnσs≥345MPaσb510～660MPa2023/5/19

最新研究成果：如F晶粒尺寸細化到μ級，則F-P類低合金高強度鋼的強度也可達到800MPa

普低鋼是工程結(jié)構(gòu)鋼中最主要的一類鋼。有Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690八個牌號。前三個根據(jù)質(zhì)量要求分為A、B、C、D、E五個等級。后五個分為C、D、E級三個等級；A、B為普通質(zhì)量級；C級為優(yōu)質(zhì)級；D級和E級為特殊質(zhì)量級，有低溫沖擊韌性要求。較94標(biāo)準(zhǔn)后四個新增。專用低合金鋼在鋼號后加后綴。16Mnq改為Q345q，16MnR改為Q345R

組織：10~25％片層狀P+75~90％多邊形F。2023/5/19本章內(nèi)容

2.1工程結(jié)構(gòu)鋼的基本要求

2.2低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的合金化

2.3工程結(jié)構(gòu)鋼牌號

☆2.4微珠光體低合金高強度鋼

2.5針狀鐵素體鋼

2.6低碳貝氏體和馬氏體鋼

2.7雙相鋼

2.8低合金高強度鋼發(fā)展趨勢2023/5/192.4微珠光體低合金高強度鋼8

2.4.1微珠光體低合金高強度鋼強化機理油氣管線用鋼要求有很好的焊接性、低溫韌度和強度等綜合性能。輸送油氣距離越長，壓力越大，質(zhì)量要求也越高。強化機理

對F-P鋼,P量每↑10%，將使TK↑22℃。油氣管線用鋼:↓C,<0.1%；為保證強度，就必須采用其它不損害或少損害焊接性和韌度的強化措施?！龀鰪娀途Я＜毣撔阅??！鶱b、V、Ti微合金化和控軋?zhí)幚砉に嚒?023/5/19低碳鐵素體/珠光體鋼超細晶強韌化與控制技術(shù)

——2004年度國家科學(xué)技術(shù)進步一等獎主要特點

超細晶粒、高潔凈度、高均勻性。生產(chǎn)節(jié)約能源和資源，不用或少用Me，改善環(huán)境，↓成本，具有更高的經(jīng)濟效益。如何形成微米級的超細晶是該項目的核心技術(shù)和難點。具體指標(biāo)

采用形變誘導(dǎo)F相變，可把F晶粒細化到2~5μm（碳鋼）和1~2μm（微合金鋼）。碳鋼的ReL由200MPa提高到350~400MPa；低合金鋼由350~400MPa提高到600~700MPa。2023/5/192.4.2控制軋制和控制冷卻技術(shù)控冷控軋工藝：高溫形變熱處理的一種，人為地使奧氏體中形成大量鐵素體相變核心，控軋和控冷溫度比通常低，獲得大量細小的鐵素體組織，提高鋼的強韌性?？刂栖堉茖嵸|(zhì)就是形變強化和相變強化的結(jié)合；控制冷卻是最大限度地細化鐵素體晶粒，獲得最佳的析出強化效應(yīng)。2023/5/19圖中軋制溫度向右邊降低，上層表示奧氏體組織變化，下層表示奧氏體開始相變后組織及F核的形成

控制軋制和控制冷卻技術(shù)高溫形變熱處理→F大幅度晶粒細化→↑強度和韌度。圖2-5控制軋制和控制冷卻的組織變化模式圖

2023/5/19

圖2.6

各種軋制程序模式圖

CR：控制軋制；AcC:控制冷卻

2023/5/192.4.3微合金元素的作用圖2.7微合金元素對鋼的屈服強度的影響σ

G－晶粒細化的貢獻，σph－析出強化的貢獻。（NbTiV）2023/5/192.5針狀鐵素體鋼

對于一些強度、焊接性、低溫沖擊韌性等要求更高的場合，還必須采用針狀鐵素體低合金高強度鋼?；咎攸c

針狀鐵素體（acicularferrite，簡寫AF）鋼:≤0.06％C+適量Mn、Mo、Nb等→具有高密度位錯（1010cm－2）亞結(jié)構(gòu)的“針狀F”組織（超低碳B）。ReL達700~800MPa，低溫沖擊韌性、焊接性更好。

用于現(xiàn)場焊接條件極其寒冷地帶管線。被稱為21世紀(jì)的控軋鋼。2023/5/192.6低碳貝氏體和馬氏體鋼1.低碳貝氏體鋼是指含碳量為0.10~0.15%，使用狀態(tài)組織為貝氏體的鋼。貝氏體鋼通常是在軋制空冷或控制冷卻，直接獲得貝氏體組織。低碳貝氏體鋼與相同含碳量的鐵素體-珠光體型鋼相比，具有更高的強度和良好的韌度，屈服強度可達450~980MPa。圖2-8低碳貝氏體鋼上貝氏體與下貝氏體的抗拉強度與韌脆轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系2023/5/19主要特點

合金元素作用是保證在較寬冷速范圍內(nèi)獲得以B為主的組織成分特點:?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鋼結(jié)構(gòu)。Q500（14MnMoV和14MnMoVBRE）鋼是我國發(fā)展的低碳貝氏體鋼，屈服強度為490MPa級2023/5/192.低碳馬氏體鋼

工程機械上相對運動部件和低溫下使用部件。要求有更高的強度和良好的韌性?！?.16%C，加入Mo、Nb、V、B及控制Mn或Cr與之配合→淬火回火處理組織為低碳回火馬氏體。

如:BHS-1鋼的成分為0.10C-1.80Mn-0.45Mo-0.05Nb。鍛軋后空冷或直接淬火并自回火。達到合金調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)后的性能水平。

制造汽車的輪臂托架、操縱桿、車軸、轉(zhuǎn)向聯(lián)動節(jié)和拉桿等，也可用于冷墩、冷撥及制作高強度緊固件。2023/5/192.7雙相鋼成分主要成分為：~0.2%C，1.2~1.5%Si，0.8~1.5%Mn，~0.45%Cr，~0.4%Mo，少量V、Nb、Ti。（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）組織F+M組織，F(xiàn)基體上分布不連續(xù)島狀混合型M（<20%）→雙相鋼。

F中非常干凈，C、N等間隙原子很少；C和Me大部分在M中。2023/5/19

強度MPa雙相鋼

600400

普通鋼

20010203040應(yīng)變/%

圖