工程結構用鋼市公開課一等獎省賽課獲獎課件

5.2工程結構用鋼蘇通大橋國家大劇院工程結構用鋼第1頁5.2工程結構用鋼

5.2.1工作條件、常見失效形式與性能要求5.2.2化學成份、強化路徑、熱處理特點與對應組織5.2.3碳素結構鋼(簡稱普碳鋼)5.2.4低合金結構鋼（低合金高強度鋼，或普低鋼）5.2.5深入提升低合金結構鋼性能路徑工程結構用鋼第2頁5.2.1工作條件、常見失效形式與性能要求

工程結構件如船舶船體、橋梁、管道和建筑鋼結構、壓力容器等。這類構件普通不做相對運動，長久承受靜載荷作用；有一定使用溫度要求，如鍋爐使用溫度可達250℃以上，而橋梁可在-30℃~-50℃嚴寒低溫條件下使用；通常暴露在野外大氣或海水浸蝕條件下服役，而又不可能象機器那樣很好地進行防銹維護；在成型過程中經受猛烈冷變形，如冷彎、沖壓、剪切，經焊接而成等。

常見失效形式有在生產成型過程中鋼板發(fā)生破裂，或鋼板成型焊接過程中因為熱影響區(qū)產生裂紋而失效，在嚴寒天氣下使用時船體或橋梁發(fā)生斷裂等。所以，構件用鋼通常要求具備以下使用性能要求：

在滿足良好冷變形性與可焊性等工藝性能前提下，要求有較高σS、σb、良好δ、ψ，以確保足夠抗塑變及抗破斷能力；較低韌脆轉變溫度（TK）及缺口敏感性，以預防構件脆性斷裂；為使構件在長久靜載荷作用下結構穩(wěn)定，不易產生彈性變形，更不允許產生塑性變形與破斷，要求構件用鋼E大，有足夠剛度。為使構件在大氣或海水中能長久穩(wěn)定工作，構件用鋼應含有一定耐大氣或海水腐蝕性。為制成各種構件，需將鋼廠供給棒、板、型、管、帶材等先進行必要冷變形，制成各種部件，然后用焊接或鉚接方法連接起來，所以要求鋼材應含有很好冷變形和可焊性。此點與其它鋼種情況有所不一樣。工程結構用鋼第3頁螺紋鋼圓鋼南京長江大橋工程結構用鋼第4頁鋼板熱連軋鋼板黃河小浪底樞紐工程型鋼工程結構用鋼第5頁管線鋼工程結構用鋼第6頁5.2.2化學成份、強化路徑、熱處理特點與對應組織

當前絕大多數工程結構用鋼都采取低碳鋼（wC≤0.2%），通常在熱軋空冷或正火狀態(tài)下使用，其基本組織是F+P（S），經過加入合金元素（wMe＜5%，普通＜3%）來提升強韌性。固溶強化，強化F（wMn≤2%，wSi≤0.80%，wCu0.25%~0.50%，wP≤0.1%）；細晶強化（用Al脫氧—生成細小彌散AlN質點，用Ti、Nb、V微合金化生成彌散氮化物、碳化物和碳氮化合物等，釘扎晶界、妨礙A晶粒長大，轉變后細化F和P）；沉淀強化（析出彌散碳、氮化合物）；增加P組織含量。工程結構用鋼第7頁5.2.3碳素結構鋼

(碳素構件用鋼，簡稱普碳鋼)

碳素結構鋼（其經典鋼號Q235）：易于冶煉、工藝性能好、價格低廉，工程上用量很大，約占鋼總產量70%~80%，普通不經熱處理強化，大多以熱軋成品供貨，少數以冷軋成品供貨（冷軋成形后須經再結晶退火處理）。工程結構用鋼第8頁表5-7碳素結構鋼牌號、力學性能與應用工程結構用鋼第9頁5.2.4低合金高強度鋼

（低合金結構鋼，或普低鋼）

低合金結構鋼（經典鋼號16Mn，或Q345）：為提升碳素鋼強度，而加入少許Me，利用Me產生固溶強化、細晶強化和沉淀強化。16Mn（Q345），含有較高強度、良好塑性和低溫韌性及焊接性，是我國這類鋼中產量最多、用途極廣鋼種；其中Mn含量為1.2%~1.6%，起固溶強化作用，細化F晶粒，降低TK溫度；它廣泛用于制造鋼筋、建筑鋼結構，橋梁、船體、車輛、容器等；熱軋空冷或正火態(tài)下使用，對應組織為F+P（S）。工程結構用鋼第10頁低合金結構鋼牌號、成份、力學性能與用途工程結構用鋼第11頁武漢長江大橋用鋼Q235(A3)鋼制造，主跨跨度為128m工程結構用鋼第12頁南京長江大橋用鋼Q345(16Mn)鋼制造，主跨跨度為160m工程結構用鋼第13頁九江長江大橋用鋼Q420(15MnVN)鋼制造，主跨跨度為216m工程結構用鋼第14頁5.2.5提升低合金高強度鋼性能路徑1.發(fā)展微合金化低碳高強度鋼2.發(fā)展新型超細組織低（超低）碳貝氏體鋼低合金高強度鋼發(fā)展趨勢是：i微合金化與先進TMCP技術相結合，以達最正確強韌化效果。加入少許V、Ti、Nb等微合金化元素，經過TMCP控制再結晶及DIFT等過程，使鋼晶粒細化，進而到達強韌化效果。ii經過多元微合金化（如Cr、Mn、Mo、Si、B等）改變基體組織（在熱軋空冷下取得貝氏體B組織，甚至馬氏體M組織），提升強度。iii超低碳化。為確保韌性與焊接、沖壓性能，需深入降低C含量，甚至降至10-6數量級，此時須采取真空冶煉、真空去氣等先進冶煉工藝。詳細表現在以下幾方面：工程結構用鋼第15頁1.發(fā)展微合金化低碳高強度鋼（1）微合金化及強韌化特點微合金元素在鋼中主要作用是：晶粒細化強化仍是最主要強化方式，詳細表現在：高溫均熱未溶細小微合金碳氮化物阻止晶粒長大；再結晶控軋，經過形變A發(fā)生再結晶及適當形變誘導析出微合金碳氮化物阻止再結晶晶粒長大，而細化A晶粒；未再結晶控軋技術經過大形變量累積使A晶粒嚴重拉長并積蓄相當大形變儲能，從而在γ→α相變后取得非常細小F晶粒；形變誘導F相變技術，經過推進γ→α相變取得非常細小F晶粒；軋制過程中或軋制后適當加速冷卻，經過抑制軋制變形A晶粒長大及壓低γ→α相變溫度，可深入細化F晶粒。

微合金碳氮化物沉淀硬化也是低合金高強度鋼中采取主要強化方式。Mn固溶強化也是普遍采取強韌化方式，而且還可提升相變細化F晶粒效果。

微合金元素與鋼中C、N、O、S等非金屬元素有強烈親和力，當它們與鋼中殘余C、N、O、S元素結合后，就能夠固定這些非金屬元素，抑制其有害作用。工程結構用鋼第16頁1.發(fā)展微合金化低碳高強度鋼

（1）微合金化及強韌化特點成份特點是低碳，高錳并加入微量合金元素V、Ti、Nb、Zr、Cr、Ni、Mo及Re元素等。慣用C含量為0.12%～0.14%，甚至降至0.03%～0.05%,降低C含量主要是從確保塑性、韌性和可焊性等方面考慮。微量合金元素復合（0.01%～0.1%之間）加入對鋼組織、性能影響主要表現在：改變鋼相變溫度、相變時間，從而影響相變產物組織和性能；細晶強化；沉淀強化；改變鋼中夾雜物形態(tài)、大小、數量和分布；可嚴格控制P體積分數，從而取得少P鋼、無P鋼（如針狀F）乃至無間隙固溶鋼等新型微合金化鋼種。工程結構用鋼第17頁1.發(fā)展微合金化低碳高強度鋼（2）冶金工藝特點微合金化必須與先進TMCP技術相結合，才能發(fā)揮其強韌化作用。（3）無單獨鋼類

其并非一特定鋼類，通常在低碳高強度鋼中就包含大量微合金化低碳高強度鋼種，同時在許多未標注微Me低碳高強度鋼中也允許加入微Me而使其成為實際上微合金化低碳高強度鋼。

工程結構用鋼第18頁1.發(fā)展微合金化低碳高強度鋼（4）微合金化低碳高強度鋼應用例解①汽車殼體用超低碳深沖無間隙原子鋼（IF鋼）使用爐外精煉等先進冶煉技術，降低鋼中C含量（wC0.005％～0.01％），加入Ti、Nb元素固定C、N元素，從而得到了無間隙原子純凈F，此即無間隙原子鋼，簡稱IF鋼(InterstitialFreeSteel)。因為其含有優(yōu)良深沖性能，幾乎可滿足各種復雜冷沖壓成形件性能要求，可取代08F、08Al等沖壓用鋼，主要用于汽車沖壓用鋼，也用于船舶和家用電器行業(yè)等。②橋梁用微合金鋼當前我國橋梁鋼ReL(σs)為245～440MPa，遠低于國外（如美國ReL達700MPa）。橋梁用微合金鋼基本上以C-Mn鋼為基，再依據需要添加一個（主要為Nb）或各種微合金化元素（V、Ti、Nb，及少許Cu、P、Cr等）。比如我國為滿足高強度、性能穩(wěn)定、更大跨度鐵路橋梁建造需要，利用爐外精煉及TMCP技術開發(fā)出強韌性匹配好、焊接性優(yōu)良14MnNbq鋼（其ReL≥390MPa），成功建造了蕪湖長江大橋（其主跨跨度為312m）、武漢長江二橋和南京長江二橋等。工程結構用鋼第19頁蕪湖長江大橋←南京長江二橋工程結構用鋼第20頁

2.發(fā)展新型超細組織低（超低）碳B鋼這是一類高強度（Rm（σb）＞600MPa）、高韌性、多用途、低成本、節(jié)能環(huán)境保護新型鋼種。因為其C含量已降至0.05%左右，因而徹底消除了碳對B組織韌性不利影響，在新型TMCP后可得到細小含有高位錯密度B基體組織。其強度不再依靠鋼中C含量，而主要經過細晶