第 3 章 工程結(jié)構(gòu)鋼

第二章工程結(jié)構(gòu)鋼

概述第一節(jié)工程結(jié)構(gòu)鋼的合金化原理第二節(jié)碳素工程結(jié)構(gòu)鋼第三節(jié)高強(qiáng)度低合金鋼第四節(jié)工程結(jié)構(gòu)鋼的冶金工藝特點思考題概述工程結(jié)構(gòu)鋼：指專門用來制造各種工程結(jié)構(gòu)的一大類鋼種，如制造橋梁、船體、油井或礦井架、鋼軌、高壓容器、管道和建筑鋼結(jié)構(gòu)等。工程結(jié)構(gòu)鋼包括：碳素工程結(jié)構(gòu)鋼和高強(qiáng)度低合金鋼。工程結(jié)構(gòu)鋼的主要性能要求是：1、承受各種載荷，要求有較高的屈服強(qiáng)度、良好的塑性和韌性。2、由于工作環(huán)境是暴露在大氣中，溫度可低到零下50℃，故要求低溫韌性，并要求耐大氣腐蝕。3、要有良好的工藝性能，如冷彎、沖壓、剪切，以及良好的焊接性等。第一節(jié)工程結(jié)構(gòu)鋼的合金化原理一、低碳：由于低溫韌性、焊接性和冷成型性能的要求高，其碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不超過0.25％。原因是：1、低溫韌性：隨著鋼的含碳量增加，鋼中珠光體含量相應(yīng)增加。珠光體由于有大量脆性的片層狀滲碳體，因而有高的韌一脆轉(zhuǎn)化溫度，一般在100℃以上。鋼中每增加1％體積珠光體，將使FATT50（℃）升高2.2℃。2、焊接性鋼的焊接性的好壞主要決定于鋼的淬透性和淬硬性，這兩者取決于鋼的合金元素含量和含碳量。碳是最有害的元素。C當(dāng)量=w(C)+w(Mn)/6+w(Si)/24+w(Ni)/15+w(Cr)/5+w(Mo)/4+w(Cu)/13+w(P)/2+w(V)/10根據(jù)公式來看，當(dāng)鋼中含錳量為1.6％時，就相當(dāng)于含碳量0.25％。由于當(dāng)碳含量大于0.47%時，焊縫熱影響區(qū)的硬度達(dá)到350HV，易產(chǎn)生裂紋，所以這時鋼中的含碳量本身就不應(yīng)當(dāng)超過0.20％，只有這樣才能保證良好的可焊性。二、加入以錳為主的合金元素：錳除了產(chǎn)生較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化效果外，還可細(xì)化鐵素體晶粒，并使珠光體片變細(xì)，消除晶界上的粗大片狀碳化物，提高鋼的強(qiáng)度和韌性。一般錳含量不超過2％。硅在鋼中不形成碳化物，也不溶于滲碳體中，而幾乎全部溶于鐵素體，在鐵素體中同錳一起起固溶強(qiáng)化作用，硅含量大于0.4％時就開始被認(rèn)為是合金元素。三、加入鈮、鈦或釩等輔加元素：少量的鈮、鈦或釩在鋼中形成細(xì)碳化物或碳氮化物，阻礙鋼熱軋時奧氏體晶粒的長大，有利于獲得細(xì)小的鐵素體晶粒；另外，熱軋時部分固溶在奧氏體內(nèi)，而冷卻時彌散析出，可起到一定的析出硬化作用，從而提高鋼的強(qiáng)度和韌性。四、加入少量銅（＜0.4％）和磷（0.1％左右）等，可提高抗腐蝕性能。加入少量稀土元素，可以脫硫、去氣，使鋼材凈化，改善韌性和工藝性能。工程結(jié)構(gòu)鋼中的合金元素對強(qiáng)化的貢獻(xiàn)包括：1、溶入鐵素體起固溶強(qiáng)化；2、細(xì)化晶粒起細(xì)晶強(qiáng)化；3、析出彌散的碳化物、碳氮化物，起沉淀強(qiáng)化；4、增加珠光體含量。第二節(jié)碳素工程結(jié)構(gòu)鋼

碳素結(jié)構(gòu)鋼的用途：1、Q195、Q215、Q235A、Q235B等鋼塑性較好，有一定的強(qiáng)度。通常軋制成鋼筋、鋼板、鋼管等，可用于橋梁、建筑物等構(gòu)件，也可用做普通螺釘、螺帽、鉚釘?shù)取?、Q235C、Q235D可用于重要的焊接件。3、Q235、Q275強(qiáng)度較高，可軋制成型鋼、鋼板作構(gòu)件用。碳素結(jié)構(gòu)鋼主要保證機(jī)械性能。一般情況下，在熱軋狀態(tài)使用，不再進(jìn)行熱處理。但對某些零件，也可以進(jìn)行正火、調(diào)質(zhì)、滲碳等處理，以提高其使用性能。第三節(jié)高強(qiáng)度低合金鋼一、高強(qiáng)度低合金鋼概述是一種含有少量合金元素、具有較高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)鋼?！暗秃辖稹笔侵镐撝泻辖鹪乜偤坎怀^3％；“高強(qiáng)度”是對應(yīng)于普通碳鋼而言。采用控制軋制工藝，把軋鋼與熱處理結(jié)合起來，可獲得良好的綜合性能。一般屈服強(qiáng)度在400MPa以下的鋼材多數(shù)是在熱軋狀態(tài)下使用，不必?zé)崽幚?。二、高?qiáng)度低合金鋼的分類按用途常分為：一般建筑結(jié)構(gòu)鋼、鋼筋鋼、耐蝕鋼、低溫用鋼、耐磨鋼和鋼軌鋼等。按照在使用狀態(tài)下應(yīng)具有的金相組織進(jìn)行分類，一般分為三類：1、鐵素體-珠光體鋼（345~440MPa）；2、低碳貝氏體鋼（490~780MPa）；3、低碳馬氏體鋼（860~1116MPa）。

鐵素體—珠光體鋼

這類鋼服役時的顯微組織是鐵素體—珠光體。1、較低強(qiáng)度級別的鐵素體一珠光體鋼以16Mn最具代表性，屬于345MPa級別，強(qiáng)度比普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235高約20％～30％，耐大氣腐蝕性能高20％～38％。用它來制造工程結(jié)構(gòu)時，重量可減輕20％～30％。低溫性能較好。2、15MnTi、16MnNb、15MnV鋼屬于390MPa級別，利用加入微量鈦、鈮、釩起細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化作用。這類鋼用于制造橋梁、船舶、容器。3、15MnVN鋼屬于440MPa級別，是中等級別強(qiáng)度鋼中使用最多的鋼種。鋼中加入V、N后，生成釩的氮化物，可細(xì)化晶粒，又有析出強(qiáng)化的作用，強(qiáng)度有較大提高，而且韌性、焊接性及低溫韌性也較好，被廣泛用于制造橋梁、鍋爐、船舶等大型結(jié)構(gòu)。微合金鋼微合金鋼是70年代以來發(fā)展起來的一大類高強(qiáng)度低合金鋼。從廣義來說，凡是在基體化學(xué)成分中添加了微量（不大于0.20％）的合金元素（鈦、鈮、釩），從而使其一種或幾種性能具有明顯變化的鋼，都可稱為微合金鋼。其關(guān)鍵是細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化。為了充分發(fā)揮微合金元素鈦、鈮、釩的作用，同時發(fā)展了與之配套的控制軋制和控制冷卻生產(chǎn)工藝。微合金元素在控制軋制和控制冷卻生產(chǎn)工藝過程中，對微合金鋼的組織和性能產(chǎn)生很大的影響。低碳貝氏體鋼強(qiáng)度級別超過500MPa后，鐵素體一珠光體組織難以滿足要求，于是發(fā)展了低碳貝氏體鋼。低碳貝氏體鋼是以鉬鋼或鉬硼鋼為基礎(chǔ)，再加入錳、鉻、鎳，有的在此基礎(chǔ)之上又添加微量碳化物形成元素如鈮、釩、鈦等，從而發(fā)展起來的一系列的具有貝氏體組織的鋼種

14MnMoV和14MnMoVBRE鋼是常用國產(chǎn)低碳貝氏體鋼，用于制造中溫高壓容器和其他鋼結(jié)構(gòu)，其屈服強(qiáng)度為500MPa級。低碳馬氏體鋼

低碳鋼（如15）和低碳合金鋼（如20Cr）經(jīng)過淬火和低溫回火（150~200℃）的處理?？梢缘玫礁邚?qiáng)度高韌性的低碳馬氏體。低碳馬氏體具有低的脆性轉(zhuǎn)變溫度，并有良好的工藝性能、冷變形能力、焊接性能和優(yōu)良的綜合機(jī)械性能。低碳馬氏體鋼15MnVB在礦山、汽車、石油、機(jī)車車輛和農(nóng)業(yè)機(jī)械制造領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用。如圖所示，如果以ak值降低到室溫時的0.4倍溫度作為脆性轉(zhuǎn)變溫度TC，則20Cr的TC＜-70℃，20MnVB的TC＜-80℃，15#的TC=-60℃，而40Cr的TC=-50℃雙相鋼雙相鋼是通過在γ+α兩相區(qū)加熱淬火或熱軋后控制冷卻，得到20％～30％馬氏體和80％～70％鐵素體組織的工程結(jié)構(gòu)鋼。雙相鋼主要是適應(yīng)汽車用薄板沖壓成型時保持表面光潔、無呂德斯帶、并在少量變形后就能提高強(qiáng)度的需要；也應(yīng)用在冷拉鋼絲、冷軋鋼帶或鋼管上。雙相鋼的性能特點是：1、低屈服強(qiáng)度，一般不超過350MPa；2、鋼的應(yīng)力一應(yīng)變曲線是光滑連續(xù)的，沒有屈服平臺，更無鋸齒形屈服現(xiàn)象；3、高的均勻伸長率和總伸長率（εt在24％以上）；4、高的加工硬化指數(shù)（n值），使深沖、薄板、細(xì)絲型零件在加工成型過程中應(yīng)變得以充分均勻化，而不至于因過早發(fā)生集中的局部變形而報廢；5、高的塑性應(yīng)變比，可使沖壓件厚度保持均勻。第四節(jié)工程結(jié)構(gòu)鋼的冶金工藝特點一、冶煉工藝工程結(jié)構(gòu)鋼的冶煉工藝和終脫氧，對鋼的質(zhì)量有很大的影響。廣泛采用的氧氣煉鋼使鋼中氮量降低，再加上用鋁脫氧并固定氮，形成AlN，對細(xì)化鋼的晶粒，減少應(yīng)變時效，起了良好的作用。用鋁脫氧，還保證了微合金化元素鈦、鉬、釩的收得率。二、控制軋制與控制冷卻熱軋工藝對鋼的性能有重要的影響，鋼坯的加熱溫度、保溫時間、開軋溫度、軋制道次和道次變形量、終軋溫度以及軋后冷卻等參數(shù)，都極為重要。通過控制軋制過程中的各種參數(shù)，使已變形的奧氏體或者發(fā)生再結(jié)晶但晶粒來不及長大，或者僅達(dá)到回復(fù)狀態(tài)而未發(fā)生再結(jié)晶，從而得到細(xì)化的鐵素體晶粒和珠光體團(tuán)，使鋼強(qiáng)韌化的工藝過程稱為控制軋制與控制冷卻。幾種常見低合金高強(qiáng)度鋼的成分及大致用途鋼號舊牌號CMnSiVMoN其他應(yīng)用舉例Q34516Mn(F-P)0.12~0.201.2~1.600.55船舶、橋梁、車輛、大型結(jié)構(gòu)、壓力容器等Q39015MnV(F-P)0.12~0.181.0~1.600.550.05~0.12Cr≤0.3Cr≤0.4Cr≤0.7Ni≤0.7船舶、橋梁壓力容器、起重設(shè)備等Q42015MnVN(F-P)0.121.0~1.700.550.05~0.120.012~0.02大型船舶、橋梁、電站設(shè)備等Q46014MnMo