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(qiáng)教授電話：84706169手機(jī)-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(dòng)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(dá)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(jī)械鍍鋅C型鋼用于上海大劇院屋架桁架浦東國際機(jī)場侯機(jī)樓及道路護(hù)欄現(xiàn)代化蔬菜棚耐候Z型鋼用于體育館高強(qiáng)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(qiáng)度鋼。

低合金高強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的合金化

Me對(duì)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(hào)

2.4微珠光體低合金高強(qiáng)度鋼（輸送石油天燃?xì)庥茫?/p>

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(qiáng)度鋼發(fā)展趨勢(shì)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(duì)運(yùn)動(dòng)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(qiáng)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(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的合金化

1、Me對(duì)低合金高強(qiáng)度鋼力學(xué)性能的影響

C↑固溶強(qiáng)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(jì)的元素。強(qiáng)化F較顯著，1%Si，σs↑85MPa，↑TK，量多時(shí)可大為降低塑韌性，所以Si控制在<1.1%2023/5/19Mn

固溶強(qiáng)化作用大，1%Mn，ReL↑33MPa。約有3/4量溶入F中，弱的細(xì)晶作用，↓TK。同樣量多時(shí)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(xì)小的K等，粒子2~10nm，既細(xì)晶又沉淀強(qiáng)化，↑ReL，↑δ、AK，綜合效果↓TK。改善焊接性。細(xì)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(qiáng)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(qiáng)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(duì)低合金高強(qiáng)度鋼的固溶強(qiáng)化效果的影響2023/5/19

C使屈服強(qiáng)度每增加15MPa時(shí)，韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高10℃；Si固溶強(qiáng)化但不能細(xì)化鐵素體，因此提高8℃；Mn、Ni的加入降低A3，細(xì)化鐵素體和珠光體，提高強(qiáng)度和韌度，降低5℃；鋁形成AlN質(zhì)點(diǎn)，細(xì)化晶粒，也提高強(qiáng)度和韌性，降低27℃。圖2-3鐵素體-珠光體鋼的各種強(qiáng)化機(jī)制和成分對(duì)屈服強(qiáng)度和韌-脆轉(zhuǎn)折溫度的影響理論上元素的作用是通過強(qiáng)化基體引起的，其中細(xì)晶強(qiáng)化每增加15MPa，Tk降低10℃，位錯(cuò)強(qiáng)化升高6℃，析出強(qiáng)化升高4℃，固溶強(qiáng)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(shí)對(duì)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(xì)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(xì)化作用較弱。VC、NbC、TiC細(xì)晶強(qiáng)化依次升高（＜0.2%C）。圖2-4微合金元素對(duì)鋼加熱時(shí)奧氏體晶粒長大傾向的影響

2023/5/192、Me對(duì)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(qiáng)度不低于母材；焊縫的熱影響區(qū)保持足夠的強(qiáng)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(dá)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(shí)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(shí)間，鋼的性能會(huì)發(fā)生明顯變化的現(xiàn)象。（淬火時(shí)效和機(jī)械時(shí)效）產(chǎn)生原因C、N等間隙原子偏聚或內(nèi)吸附于位錯(cuò)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(shí)，AK120J，十天后降為35J；焊接鋼板在三個(gè)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(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的合金化

?2.3常用工程結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)

2.4微珠光體低合金高強(qiáng)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(qiáng)度鋼發(fā)展趨勢(shì)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(jī)械零件。特點(diǎn)：易于冶煉，價(jià)格低廉，熱軋狀態(tài)供貨，一般不經(jīng)熱處理強(qiáng)化。分類（GB/T700－2006）Q195

Q215Q235Q2752.3常用工程結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)2.3.1普通碳素結(jié)構(gòu)鋼2023/5/19Q235－A.F，Q屈服強(qiáng)度，235屈服強(qiáng)度值，A質(zhì)量等級(jí)（A、B、C、D由低到高），F(xiàn)沸騰鋼。A、B級(jí)為普通質(zhì)量級(jí)；C級(jí)為優(yōu)質(zhì)級(jí)；D級(jí)和E級(jí)為特殊質(zhì)量級(jí)，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(hào)等級(jí)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(jí)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(hào)等級(jí)拉伸試驗(yàn)沖擊試驗(yàn)屈服點(diǎn)σs/MPa≥抗拉強(qiáng)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(qiáng)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(diǎn)：低碳，低合金。性能特點(diǎn)：普低鋼的屈服強(qiáng)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(qiáng)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(xì)化到μ級(jí)，則F-P類低合金高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度也可達(dá)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(gè)牌號(hào)。前三個(gè)根據(jù)質(zhì)量要求分為A、B、C、D、E五個(gè)等級(jí)。后五個(gè)分為C、D、E級(jí)三個(gè)等級(jí)；A、B為普通質(zhì)量級(jí)；C級(jí)為優(yōu)質(zhì)級(jí)；D級(jí)和E級(jí)為特殊質(zhì)量級(jí)，有低溫沖擊韌性要求。較94標(biāo)準(zhǔn)后四個(gè)新增。專用低合金鋼在鋼號(hào)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(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的合金化

2.3工程結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)

☆2.4微珠光體低合金高強(qiáng)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(qiáng)度鋼發(fā)展趨勢(shì)2023/5/192.4微珠光體低合金高強(qiáng)度鋼8

2.4.1微珠光體低合金高強(qiáng)度鋼強(qiáng)化機(jī)理油氣管線用鋼要求有很好的焊接性、低溫韌度和強(qiáng)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(qiáng)化機(jī)理

對(duì)F-P鋼,P量每↑10%，將使TK↑22℃。油氣管線用鋼:↓C,<0.1%；為保證強(qiáng)度，就必須采用其它不損害或少損害焊接性和韌度的強(qiáng)化措施。→析出強(qiáng)化和晶粒細(xì)化↑鋼性能?！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(xì)晶強(qiáng)韌化與控制技術(shù)

——2004年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng)主要特點(diǎn)

超細(xì)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(jì)效益。如何形成微米級(jí)的超細(xì)晶是該項(xiàng)目的核心技術(shù)和難點(diǎn)。具體指標(biāo)

采用形變誘導(dǎo)F相變，可把F晶粒細(xì)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(xì)小的鐵素體組織，提高鋼的強(qiáng)韌性?？刂栖堉茖?shí)質(zhì)就是形變強(qiáng)化和相變強(qiáng)化的結(jié)合；控制冷卻是最大限度地細(xì)化鐵素體晶粒，獲得最佳的析出強(qiáng)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(xì)化→↑強(qiáng)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(duì)鋼的屈服強(qiáng)度的影響σ

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

對(duì)于一些強(qiáng)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(qiáng)度鋼?；咎攸c(diǎn)

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(cuò)（1010cm－2）亞結(jié)構(gòu)的“針狀F”組織（超低碳B）。ReL達(dá)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(qiáng)度和良好的韌度，屈服強(qiáng)度可達(dá)450~980MPa。圖2-8低碳貝氏體鋼上貝氏體與下貝氏體的抗拉強(qiáng)度與韌脆轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系2023/5/19主要特點(diǎn)

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(diǎn):?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(qiáng)度為490MPa級(jí)2023/5/192.低碳馬氏體鋼

工程機(jī)械上相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件和低溫下使用部件。要求有更高的強(qiáng)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(dá)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(dòng)節(jié)和拉桿等，也可用于冷墩、冷撥及制作高強(qiáng)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(qiáng)度MPa雙相鋼

600400

普通鋼

20010203040應(yīng)變/%

圖