工程材料學(xué)第二章構(gòu)件用鋼課件

第二章構(gòu)件用鋼構(gòu)件用鋼是指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)的鋼材，又稱為工程用鋼。

一般說來，構(gòu)件的工作特點是不作相對運動，長期承受靜載荷作用，有一定的使用溫度要求。如鍋爐使用溫度可到250℃以上，而有的構(gòu)件在北方寒冷條件下工作長期經(jīng)受低溫作用，橋梁或船舶則長期與大氣或海水接觸，承受大氣和海水的侵蝕。2.構(gòu)件用鋼概述工程材料學(xué)

(1)力學(xué)性能要求。要求構(gòu)件用鋼彈性模量大，以保證構(gòu)件有較好的剛度；有足夠的抗塑性變形及抗破斷的能力；缺口敏感性及冷脆傾向性較小等。(2)耐腐蝕性能要求。為使構(gòu)件在大氣或海水中能長期穩(wěn)定工作，要求構(gòu)件用鋼具有一定的耐大氣腐蝕及耐海水腐蝕性能。(3)冷變形和焊接成型要求。要求構(gòu)件用鋼有良好的冷變形性能和焊接性能。2.構(gòu)件用鋼概述工程材料學(xué)

根據(jù)上述性能要求，構(gòu)件用鋼應(yīng)以工藝性能為主，力學(xué)性能為輔。從成分上看，構(gòu)件用鋼應(yīng)是低碳的(加C≤0.2％)，鋼軌除外，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。構(gòu)件用鋼的基體組織是大量的鐵素體和少量的珠光體。這種組織狀態(tài)便決定了構(gòu)件用鋼具有一系列性能特點，如具有屈服、冷脆及時效等現(xiàn)象。2.構(gòu)件用鋼概述工程材料學(xué)2.1構(gòu)件用鋼的力學(xué)性能特點2.1構(gòu)件用鋼的力學(xué)性能特點一、構(gòu)件用鋼的屈服現(xiàn)象二、構(gòu)件用鋼的冷脆現(xiàn)象三、構(gòu)件用鋼的應(yīng)變時效、淬火時效及籃脆(1)拉伸曲線上出現(xiàn)屈服齒與屈服平臺。(2)在屈服過程中，試件的塑性變形分布是宏觀不均勻的。由于屈服變形集中在局部地區(qū)少數(shù)滑移帶上，所以必然引起滑移臺階高度增大，使試樣表面有明顯滑移線，表面出現(xiàn)皺褶。冷軋鋼板在沖壓后卻在某些部分形成皺褶，消除的辦法是對于一些沖壓用的鋼板退火后，進行變形量約為0.8％-1.5％的冷軋，即平整加工。使鋼板的屈服現(xiàn)象在冷軋過程中完成，使鋼板處于正常的加工硬化狀態(tài)，從而在以后的沖壓過程中變形均勻，以免出現(xiàn)皺褶。注意冷軋后不能停留時間過長，否則易產(chǎn)生應(yīng)變時效現(xiàn)象。一般認為，屈服現(xiàn)象與鋼中C、N原子與位錯相互作用產(chǎn)生的“柯氏氣團”有關(guān)。因此減少鋼中C、N原子的含量或加入強碳化物形成元素(如Ti、Nb等)，使C、N原子與之結(jié)合成穩(wěn)定的碳化物，抑制柯氏氣團的形成，可避免沖壓時產(chǎn)生表面皺褶。工程材料學(xué)由于屈服變形集中在局部地區(qū)少數(shù)滑移帶上，所以必然引起滑移臺階高度增大，使試樣表面有明顯滑移線，表面出現(xiàn)皺褶。2.1構(gòu)件用鋼的力學(xué)性能特點工程材料學(xué)

冷軋鋼板在沖壓后卻在某些部分形成皺褶，消除的辦法是對于一些沖壓用的鋼板退火后，進行變形量約為0.8％-1.5％的冷軋，即平整加工。使鋼板的屈服現(xiàn)象在冷軋過程中完成，使鋼板處于正常的加工硬化狀態(tài)，從而在以后的沖壓過程中變形均勻，以免出現(xiàn)皺褶。注意冷軋后不能停留時間過長，否則易產(chǎn)生應(yīng)變時效現(xiàn)象。2.1構(gòu)件用鋼的力學(xué)性能特點工程材料學(xué)

一般認為，屈服現(xiàn)象與鋼中C、N原子與位錯相互作用產(chǎn)生的“柯氏氣團”有關(guān)。因此減少鋼中C、N原子的含量或加入強碳化物形成元素(如Ti、Nb等)，使C、N原子與之結(jié)合成穩(wěn)定的碳化物，抑制柯氏氣團的形成，可避免沖壓時產(chǎn)生表面皺褶。2.1構(gòu)件用鋼的力學(xué)性能特點工程材料學(xué)一、構(gòu)件用鋼的屈服現(xiàn)象二、構(gòu)件用鋼的冷脆現(xiàn)象三、構(gòu)件用鋼的應(yīng)變時效、淬火時效及籃脆2.1構(gòu)件用鋼的力學(xué)性能特點

隨著試驗溫度的降低，構(gòu)件用鋼的屈服點顯著升高，且出現(xiàn)斷裂特征，由宏觀塑性破壞過渡到宏觀脆性破壞，這種現(xiàn)象稱為冷脆。帶有尖銳缺口或裂縫的構(gòu)件，上述斷裂形式的過渡可能在一般的氣溫條件下即能產(chǎn)生，而且其斷裂應(yīng)力往往低于室溫下的屈服極限。評定材料冷脆傾向大小的指標(biāo)是冷脆轉(zhuǎn)變溫度，又稱脆性轉(zhuǎn)折溫度(Tk)。Tk是組織敏感的參數(shù)。如金屬的晶體結(jié)構(gòu)、強度、合金元素及晶粒大小等均對Tk有影響。除此之外，變形速度、試件尺寸、應(yīng)力狀態(tài)及缺口形式等對Tk也有一定影響.構(gòu)件用鋼的冷脆現(xiàn)象在生產(chǎn)上有很大的實際意義。曾經(jīng)認為按照鋼材的屈服點設(shè)計的各種構(gòu)件是安全的，即使在受到超載作用時，也只能產(chǎn)生過量的塑性變形而失效，不會因構(gòu)件斷裂造成嚴重后果。但在生產(chǎn)實際中，一系列低碳構(gòu)件(船舶、橋梁、容器等)在較低使用溫度下發(fā)生的引起嚴重后果的冷脆事故，使人們認識到只根據(jù)常規(guī)拉伸性能數(shù)據(jù)還不能全面評價構(gòu)件用鋼的性能。為了防止發(fā)生冷脆，對構(gòu)件用鋼還必須要求低的脆性轉(zhuǎn)折溫度，并且要保證構(gòu)件的工作溫度高于Tk。工程材料學(xué)

隨著試驗溫度的降低，構(gòu)件用鋼的屈服點顯著升高，且出現(xiàn)斷裂特征，由宏觀塑性破壞過渡到宏觀脆性破壞，這種現(xiàn)象稱為冷脆。帶有尖銳缺口或裂縫的構(gòu)件，上述斷裂形式的過渡可能在一般的氣溫條件下即能產(chǎn)生，而且其斷裂應(yīng)力往往低于室溫下的屈服極限。

二、構(gòu)件用鋼的冷脆現(xiàn)象2.1構(gòu)件用鋼的力學(xué)性能特點工程材料學(xué)

評定材料冷脆傾向大小的指標(biāo)是冷脆轉(zhuǎn)變溫度，又稱脆性轉(zhuǎn)折溫度(Tk)。Tk是組織敏感的參數(shù)。如金屬的晶體結(jié)構(gòu)、強度、合金元素及晶粒大小等均對Tk有影響。除此之外，變形速度、試件尺寸、應(yīng)力狀態(tài)及缺口形式等對Tk也有一定影響。2.1構(gòu)件用鋼的力學(xué)性能特點工程材料學(xué)構(gòu)件用鋼的冷脆現(xiàn)象在生產(chǎn)上有很大的實際意義。曾經(jīng)認為按照鋼材的屈服點設(shè)計的各種構(gòu)件是安全的，即使在受到超載作用時，也只能產(chǎn)生過量的塑性變形而失效，不會因構(gòu)件斷裂造成嚴重后果。但在生產(chǎn)實際中，一系列低碳構(gòu)件(船舶、橋梁、容器等)在較低使用溫度下發(fā)生的引起嚴重后果的冷脆事故，使人們認識到只根據(jù)常規(guī)拉伸性能數(shù)據(jù)還不能全面評價構(gòu)件用鋼的性能。為了防止發(fā)生冷脆，對構(gòu)件用鋼還必須要求低的脆性轉(zhuǎn)折溫度，并且要保證構(gòu)件的工作溫度高于Tk。2.1構(gòu)件用鋼的力學(xué)性能特點工程材料學(xué)一、構(gòu)件用鋼的屈服現(xiàn)象二、構(gòu)件用鋼的冷脆現(xiàn)象三、構(gòu)件用鋼的應(yīng)變時效、淬火時效及籃脆2.1構(gòu)件用鋼的力學(xué)性能特點

構(gòu)件用鋼加熱到Ac以上進行淬火(快冷)或經(jīng)塑性變形后，在放置過程中，強度、硬度增高，塑性、韌性下降，并提高鋼的脆性轉(zhuǎn)折溫度，這種現(xiàn)象稱為時效。塑性變形后的時效稱為應(yīng)變時效；淬火后的時效稱為淬火時效；在一般氣候條件下的時效稱為自然時效；在較高溫度下進行的時效稱為人工時效，時效溫度升高，時效進程加快。對低碳構(gòu)件用鋼，時效的影響較顯著。低碳鋼經(jīng)淬火后天然時效時力學(xué)性能的變化低碳鋼應(yīng)變時效及淬火時效(虛線)時硬度的變化工程材料學(xué)三、構(gòu)件用鋼的應(yīng)變時效、淬火時效及籃脆

構(gòu)件用鋼加熱到Ac以上進行淬火(快冷)或經(jīng)塑性變形后，在放置過程中，強度、硬度增高，塑性、韌性下降，并提高鋼的脆性轉(zhuǎn)折溫度，這種現(xiàn)象稱為時效。塑性變形后的時效稱為應(yīng)變時效；淬火后的時效稱為淬火時效；在一般氣候條件下的時效稱為自然時效；在較高溫度下進行的時效稱為人工時效，時效溫度升高，時效進程加快。對低碳構(gòu)件用鋼，時效的影響較顯著。2.1構(gòu)件用鋼的力學(xué)性能特點工程材料學(xué)應(yīng)變時效

鋼材經(jīng)一定量塑性變形之后在常溫下長期停留，或經(jīng)100～300℃加熱一定時間后，其常溫沖擊功值及塑性下降而硬度提高的現(xiàn)象。主要是塑性變形后晶格出現(xiàn)了滑移層而扭曲，對固溶合金元素的溶解能力下降，呈現(xiàn)出飽和或過飽和狀態(tài)，必然促使被溶物質(zhì)擴散及析出，這就引起了鋼材性能的變化。在加熱狀態(tài)下原子活力增加，促使固溶體內(nèi)過飽和物質(zhì)加速析出，也引起時效。應(yīng)變時效主要發(fā)生在低碳鋼中，鋼中氧、氮、錳、銅會顯著提高應(yīng)變時效傾向，鎳可降低該傾向。2.1構(gòu)件用鋼的力學(xué)性能特點工程材料學(xué)低碳鋼經(jīng)淬火后天然時效時力學(xué)性能的變化低碳鋼應(yīng)變時效及淬火時效(虛線)時硬度的變化2.1構(gòu)件用鋼的力學(xué)性能特點工程材料學(xué)2.1構(gòu)件用鋼的力學(xué)性能特點彎曲、卷邊、沖孔、剪裁等過程中產(chǎn)生局部塑性變形的工藝操作，由于應(yīng)變時效會使局部地區(qū)的斷裂抗力降低，增加構(gòu)件脆斷的危險性。

應(yīng)變時效還給冷變形工藝造成困難，裁剪下的毛坯如過一段時間再進行下道冷變形工序，往往因為裁剪邊出現(xiàn)裂縫而報廢。在一些焊接構(gòu)件上，由于熱影響區(qū)的溫度可以達到Ac以上溫度而產(chǎn)生淬火時效。此時，鋼的顯微組織沒有明顯變化，但其力學(xué)性能也發(fā)生類似于應(yīng)變時效的變化，硬度等指標(biāo)增高，韌性等指標(biāo)降低。應(yīng)變時效的不利影響鋼材應(yīng)變時效敏感性主要與固溶于αFe中的少量C、N原子(特別是N原子的影響較大)有關(guān)。因此，應(yīng)控制在Q—Fe中的C、N原子數(shù)量。為此，應(yīng)向鋼中加入強碳、氮化物形成元素。如址、V、Ti、Nb等，使低碳鋼中的C、N元素以化合物形式固定下來而較少地溶入αFe中。另外，鋼中氣體的含量與冶煉方法和澆鑄方法有關(guān)，因而不同的冶煉方法所得鋼材的時效敏感性不同。一般說來，側(cè)吹轉(zhuǎn)爐鋼的時效敏感性要大于平爐鋼，沸騰鋼的時效敏感性要大于鎮(zhèn)靜鋼。工程材料學(xué)應(yīng)變時效的不利影響彎曲、卷邊、沖孔、剪裁等過程中產(chǎn)生局部塑性變形的工藝操作，由于應(yīng)變時效會使局部地區(qū)的斷裂抗力降低，增加構(gòu)件脆斷的危險性。應(yīng)變時效還給冷變形工藝造成困難，裁剪下的毛坯如過一段時間再進行下道冷變形工序，往往因為裁剪邊出現(xiàn)裂縫而報廢。在一些焊接構(gòu)件上，由于熱影響區(qū)的溫度可以達到Ac以上溫度而產(chǎn)生淬火時效。此時，鋼的顯微組織沒有明顯變化，但其力學(xué)性能也發(fā)生類似于應(yīng)變時效的變化，硬度等指標(biāo)增高，韌性等指標(biāo)降低。2.1構(gòu)件用鋼的力學(xué)性能特點工程材料學(xué)鋼材應(yīng)變時效敏感性主要與固溶于αFe中的少量C、N原子(特別是N原子的影響較大)有關(guān)。因此，應(yīng)控制在αFe中的C、N原子數(shù)量。為此，應(yīng)向鋼中加入強碳、氮化物形成元素。如址、V、Ti、Nb等，使低碳鋼中的C、N元素以化合物形式固定下來而較少地溶入αFe中。另外，鋼中氣體的含量與冶煉方法和澆鑄方法有關(guān)，因而不同的冶煉方法所得鋼材的時效敏感性不同。一般說來，側(cè)吹轉(zhuǎn)爐鋼的時效敏感性要大于平爐鋼，沸騰鋼的時效敏感性要大于鎮(zhèn)靜鋼。2.1構(gòu)件用鋼的力學(xué)性能特點工程材料學(xué)

2.2構(gòu)件用鋼的工藝性能2.2構(gòu)件用鋼的工藝性能

制造各種工程構(gòu)件時，通常在室溫下進行冷變形，然后用焊接或鉚接等方法裝配連接起來，因此要求構(gòu)件用鋼具有良好的冷變形性能和焊接性能。工程材料學(xué)鋼材的變形抗力，它決定鋼材制成必要形狀

的部件的難易程度

鋼材的含碳量對其冷變形性能影響最大。含碳量增高，鋼中的珠光體量增多，塑變抗力增高，而塑性降低，變形時開裂的傾向性增大。

含硫量增高，鋼中的MnS夾雜物增多，也使鋼材變形開裂的傾向增大，并使軋制鋼板縱向及橫向的塑性不同。鋼材易于沿著呈條狀分布的硫化物夾雜發(fā)生開裂或分層。磷有強烈的偏析傾向，含磷較高的鋼板帶狀組織比較嚴重，其性能也有明顯的方向性。2.2構(gòu)件用鋼的工藝性能工程材料學(xué)鋼材在承受一定量的塑性變形時產(chǎn)生

開裂或其他缺陷的可能性鋼材表面質(zhì)量也影響冷變形性能，表面上的裂縫、結(jié)疤、折疊、劃痕等缺陷，往往是冷變形開裂的根源。鋼材在冷變形后性能的變化，即危害性或可利用性鋼材冷變形后，強度增高，而塑性降低，應(yīng)變時效進一步提高強度和降低塑性。但多數(shù)構(gòu)件進行變形是由于加工上的需要，因此強度的增高往往不能利用，而塑性的降低卻可能成為構(gòu)件斷裂的起因，必須予以注意。2.2構(gòu)件用鋼的工藝性能工程材料學(xué)二、構(gòu)件用鋼的焊接性能2.2構(gòu)件用鋼的工藝性能焊接脆性工程材料學(xué)焊接材料的不均質(zhì)性2.2構(gòu)件用鋼的工藝性能馬氏體轉(zhuǎn)變脆性是焊接時造成冷裂紋的主要原因之一。是否易于形成馬氏體取決于鋼材的淬透性。碳是顯著增加鋼材淬透性的元素，且還增大馬氏體的延遲斷裂傾向，因此在一般碳素構(gòu)件用鋼中應(yīng)將C的質(zhì)量分數(shù)控制在0.25％以下，合金元素都會增加鋼的淬透性，對焊接性能不利，故對其含量也應(yīng)加以控制。工程材料學(xué)焊接材料的不均質(zhì)性2.2構(gòu)件用鋼的工藝性能過燒脆性產(chǎn)生在緊靠熔合線的熱影響區(qū)。防止過燒脆性的方法是限制鋼的含碳量。或者向鋼中加少量稀土元素(如鈰)以固定硫。稀土硫化物可以降低鋼對過燒脆性的敏感性。離熔合線較遠的熱影響區(qū)易產(chǎn)生過熱脆性，可降低鋼的塑性，增加冷脆傾向性。向鋼中加入少量Mo、V、Ti、Nb等強碳化物形成元素時，可阻止晶粒長大，并減小過熱敏感性。工程材料學(xué)焊接材料的不均質(zhì)性2.2構(gòu)件用鋼的工藝性能凝固脆性一般以熱裂紋的形式表現(xiàn)出來。引起凝固脆性的主要元素是S、P、Si等，C、Ni、Cu也有促進作用，故對這些元素在構(gòu)件用鋼中的含量也應(yīng)加以限制。而加入Ti、Zr或Ce能形成球狀的硫化物并提高其熔點，對減小凝固脆性有一定的好處。工程材料學(xué)焊接材料的不均質(zhì)性2.2構(gòu)件用鋼的工藝性能熱影響區(qū)的時效脆性也可能成為構(gòu)件用鋼在使用過程中的開裂源，必須充分注意，向鋼中加入Al、V、Ti、Nb等元素，以抑制時效敏感性。工程材料學(xué)2.3構(gòu)件用鋼耐大氣腐蝕性能2.3構(gòu)件用鋼耐大氣腐蝕性能耐大氣腐蝕性能也是構(gòu)件用鋼的重要使用性能。構(gòu)件用鋼多在野外使用，又不可能保護得很好，加之其用量極大，因而，對于如何防止銹蝕必須給予足夠的重視。一、大氣腐蝕過程二、提高構(gòu)件用鋼耐大氣腐蝕的途徑微電池現(xiàn)象示意圖

微電池現(xiàn)象，是指在一塊鋼板里構(gòu)成有許多個微小的原電池，從而引起鋼板腐蝕的現(xiàn)象。鋼板的組織是不均勻的，例如構(gòu)件用鋼的組織除了基體α-Fe外，還有第二相質(zhì)點(如碳化物)，這就構(gòu)成了原電池中的兩極。一般說做陽極；而第二相質(zhì)點的電極電勢比較高，在微電池中做陰極。這樣基體金屬與第二相便可以看成是原電池中天然使用導(dǎo)線連接起來的兩個極板。加之鋼板在大氣中放置時表面上會吸附水汽并形成水膜，于是便構(gòu)成一個完整的微電池?？梢允闺娀瘜W(xué)腐蝕過程自動地進行，結(jié)果使金屬基體不斷遭受腐蝕。工程材料學(xué)2.3構(gòu)件用鋼耐大氣腐蝕性能一、大氣腐蝕過程二、提高構(gòu)件用鋼耐大氣腐蝕的途徑

1．減少微電池數(shù)量一般說來，微電池數(shù)量越多，則腐蝕速度越快，故為了減慢腐蝕速度，應(yīng)減少微電池數(shù)目。C與S含量增多時，會使第二相質(zhì)點(碳化物與硫化物)數(shù)量增多，從而導(dǎo)致腐蝕速度加快。所以構(gòu)件用鋼的含碳量和含硫量加以限制。2．提高基體的電極電勢基體與第二相的電極電勢差越大，則腐蝕速度越快。為了減慢腐蝕速度，應(yīng)力求提高基體的電極電勢，以抑制陽極反應(yīng)。從這一角度出發(fā)，可向鋼中加入能與aFe形成固溶體并能提高其電極電勢的合金元素(例如Q、Ni、Ti等元素)。

3．利用鈍化效應(yīng)所謂鈍化效應(yīng)是指通過改變鋼表面狀態(tài)而造成基體金屬表面部分電極電勢升高的現(xiàn)象。最常采用的鈍化措施是在金屬表面形成一層致密的氧化膜。這種氧化膜使鋼的表面與電介質(zhì)隔開，從而使陽極反應(yīng)受到阻礙。一般認為Cr是最有效的鈍化元素，但成本較高，發(fā)展量大面廣的構(gòu)件用鋼不宜走這一條路。工程材料學(xué)2.4碳素構(gòu)件用鋼

碳素構(gòu)件用鋼又稱普碳鋼，其產(chǎn)量約占鋼總產(chǎn)量的70-80％，其中大部分用作鋼的結(jié)構(gòu)件，少量用作機器零件。由于普碳鋼易于冶煉，價格低廉，性能也基本滿足了一般構(gòu)件的要求，所以工程上用量很大。普碳鋼常以熱軋狀態(tài)供貨，一般不經(jīng)熱處理強化。為了滿足工藝性能和使用性能的要求，其w(C)：0.2％。2.4碳素構(gòu)件用鋼工程材料學(xué)

據(jù)國家標(biāo)準GB700-88，將普碳鋼分為Q195、Q215、Q235、Q255及Q275等五類。其化學(xué)成分和力學(xué)性能見表。其中，Q195和Q275不分等級，但化學(xué)成分和力學(xué)性能均須保證。此類鋼可制成各種型材，用在建筑、車輛等行業(yè)，還可做其他構(gòu)件用鋼。

按鋼的脫氧程度和澆注方法又可將普碳鋼分為沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼和半鎮(zhèn)靜鋼。

2.4碳素構(gòu)件用鋼工程材料學(xué)2.4碳素構(gòu)件用鋼

沸騰鋼的優(yōu)點是，鋼錠縮孔小、切除量小、成材率高。缺點是，沸騰鋼的偏析較嚴重，鋼錠中心區(qū)域富集S、P、C等元素，沖擊韌性、冷脆傾向性、時效敏感性及焊接性能較差。故沸騰鋼不適于在高沖擊載荷及低溫條件下工作，尤其當(dāng)鋼材厚度較大時，其心部的不良影響尤甚。但總的來看沸騰鋼的成材率高、價格低廉，在能滿足使用要求時應(yīng)盡量選用。鎮(zhèn)靜鋼的優(yōu)點是，偏析程度小，含氣體量少，質(zhì)量較高。只是成材率低，成本高。所以在使用條件要求高時，多使用鎮(zhèn)靜鋼。工程材料學(xué)2.4碳素構(gòu)件用鋼

碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號和化學(xué)成分(GB/T700-1988)牌號等級化學(xué)成分脫氧方法w(C)%w(Mn)%w(Si)%w(S)%w(P)%不大于Q195－0.06-0.120.25-0.500.300.0500.045F,b,ZQ215A/B0.09-0.150.25-0.550.300.050/0.0450.045F,b,Z

Q235

A0.14-0.220.30-0.650.300.0500.045F,b,ZB0.12-0.200.30-0.700.300.0450.045F,b,ZC0.180.35-0.800.300.0400.040ZD0.170.35-0.800.300.0350.035TZQ255A/B0.18-0.280.40-0.700.300.050/0.0450.045ZQ275－0.28-0.380.50-0.800.350.0500.045Z工程材料學(xué)2.4碳素構(gòu)件用鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼的機械性能(GB/T700-1988)牌號等級拉伸試驗沖擊試驗屈服點s

，MPa抗拉

強度b/MPa伸長率s

,%溫度℃V型沖擊功(縱向)J鋼材厚度(直徑)，mm鋼材厚度(直徑),mm16>40~60>100~150>15016>40~60>100~150>150不小于不小于不小于Q195－195－－－315-39033－－－－－Q215A/B215195175165335-41031292726－/20－/27Q235A/BC/D235215195185375-46026242221－/200/-20－/27Q255A/B255235215205410-51024222019－/20－/27Q275－275255235225490-61020181615－－工程材料學(xué)碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號：

Q195、Q215、Q235、Q255、Q275成分特點：低C，高S、P性能特點：冶煉容易工藝性好冶金質(zhì)量差機械性能低使用狀態(tài)：熱軋空冷S＋F用途：工程結(jié)構(gòu)件（鋼板、鋼筋、型鋼等）

普通機械零件（少）

Wc

低時可用作焊接、鉚接件等；重要零件用Q235C、Q235D建筑構(gòu)件鋼橋梁2.4碳素構(gòu)件用鋼工程材料學(xué)快冷正火試驗表明，低碳沸騰鋼加熱到Ac3以上并在水中急冷，可在提高強度(特別是屈服強度)的同時，大大降低其冷脆、應(yīng)變時效及淬火時效的傾向(表)。經(jīng)這種處理所得組織為細晶粒鐵素體與細片狀的珠光體(偽共析體)，所以確切地說應(yīng)叫快冷正火。沸騰鋼經(jīng)快冷正火后，甚至可以具有比相同含碳量的鎮(zhèn)靜鋼更好的性能。狀態(tài)Ak/(Kgmcm-2)/斷口中韌性部分的部分數(shù)10℃-20℃-40℃-60℃熱軋后24542033.76014/603.2/0-0.8/0快冷正火35953029.069.516/10014/7012.5/2511/20快速正火對沸騰鋼性能的影響

普碳鋼經(jīng)快冷正火后，有時為了消除應(yīng)力，還要在400℃左右回火。通常將普碳鋼在950℃加熱后水冷和在400℃回火處理，稱水韌處理。經(jīng)此處理后可使時效傾向性大為降低。采用快冷正火的好處是大大發(fā)揮了普碳鋼的性能潛力，不利之處是增加一道熱處理工序，提高了成本。但可將此工藝與生產(chǎn)實際結(jié)合起來進行，如在熱軋后直接噴水冷卻，生產(chǎn)上叫熱軋淬火，不過叫熱軋快冷正火更確切些。2.4碳素構(gòu)件用鋼工程材料學(xué)試驗表明，低碳沸騰鋼加熱到Ac3以上并在水中急冷，可在提高強度(特別是屈服強度)的同時，大大降低其冷脆、應(yīng)變時效及淬火時效的傾向(表)。經(jīng)這種處理所得組織為細晶粒鐵素體與細片狀的珠光體(偽共析體)，所以確切地說應(yīng)叫快冷正火。沸騰鋼經(jīng)快冷正火后，甚至可以具有比相同含碳量的鎮(zhèn)靜鋼更好的性能。工程材料學(xué)快速正火對沸騰鋼性能的影響

普碳鋼經(jīng)快冷正火后，有時為了消除應(yīng)力，還要在400℃左右回火。通常將普碳鋼在950℃加熱后水冷和在400℃回火處理，稱水韌處理。經(jīng)此處理后可使時效傾向性大為降低。采用快冷正火的好處是大大發(fā)揮了普碳鋼的性能潛力，不利之處是增加一道熱處理工序，提高了成本。但可將此工藝與生產(chǎn)實際結(jié)合起來進行，如在熱軋后直接噴水冷卻，生產(chǎn)上叫熱軋淬火，不過叫熱軋快冷正火更確切些。工程材料學(xué)冷沖壓薄板用鋼冷沖壓薄板用鋼主要用于制造厚度在4mm以下的各種冷沖壓構(gòu)件，如車身、駕駛室、各種儀器及機器的外殼等。這些構(gòu)件一般對強度要求不高，但卻要求鋼板有良好的冷沖壓性能、應(yīng)變時效敏感性。冷沖壓薄板鋼通常采用優(yōu)質(zhì)低碳鋼，用量最大的是08鋼。采用低碳鋼主要是為了提高塑性，以保證鋼的冷沖壓性能。由于Si和P固溶于鐵素體，使強度顯著提高，塑性明顯下降，所以要求含Si和P量愈低愈好。Mn與S可形成MnS夾雜，呈細長條狀分布時，將嚴重降低鋼板的橫向塑性使其在冷沖壓時易于開裂，因此對鋼中Mn和S的含量也應(yīng)加以限制。冷沖壓薄板鋼要求具有細小而均勻的鐵素體晶粒(6～7級)。如果晶粒過粗(1～4級)，在沖壓過程中易在變形量較大的部位發(fā)生開裂，并且沖壓后表面變得粗糙(桔皮狀)。但晶粒過細(8級以上)又使鋼板的塑變抗力增高，沖壓性能惡化，容易磨損沖模。此外，對滲碳體是數(shù)量和分布也有一定的要求。2.4碳素構(gòu)件用鋼工程材料學(xué)冷沖壓薄板用鋼主要用于制造厚度在4mm以下的各種冷沖壓構(gòu)件，如車身、駕駛室、各種儀器及機器的外殼等。這些構(gòu)件一般對強度要求不高，但卻要求鋼板有良好的冷沖壓性能、應(yīng)變時效敏感性。工程材料學(xué)冷沖壓薄板鋼通常采用優(yōu)質(zhì)低碳鋼，用量最大的是08鋼。采用低碳鋼主要是為了提高塑性，以保證鋼的冷沖壓性能。由于Si和P固溶于鐵素體，使強度顯著提高，塑性明顯下降，所以要求含Si和P量愈低愈好。Mn與S可形成MnS夾雜，呈細長條狀分布時，將嚴重降低鋼板的橫向塑性使其在冷沖壓時易于開裂，因此對鋼中Mn和S的含量也應(yīng)加以限制。工程材料學(xué)冷沖壓薄板鋼要求具有細小而均勻的鐵素體晶粒(6～7級)。如果晶粒過粗(1～4級)，在沖壓過程中易在變形量較大的部位發(fā)生開裂,并且沖壓后表面變得粗糙(桔皮狀)。但晶粒過細(8級以上)又使鋼板的塑變抗力增高，沖壓性能惡化，容易磨損沖模。工程材料學(xué)2.4普通低合金構(gòu)件用鋼普通低合金構(gòu)件用鋼，簡稱普低鋼，成分上都是低碳、低合金元素的鋼種。普低鋼是為了適應(yīng)大型工程結(jié)構(gòu)(如大型橋梁、大型壓力容器及船舶等)、減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、提高使用的可靠性及節(jié)約鋼材的需要而發(fā)展起來的。我國列入冶金部標(biāo)準的普低鋼，按屈服強度的高低分為300MPa級、350MPa級、400級、450MPa級、500MPa級和650MPa級六個級別。具有代表性的鋼種在表2.5中列出，國外最典型的低合金高強度鋼如表2.6所示。2.5普通低合金構(gòu)件用鋼工程材料學(xué)工程材料學(xué)普低鋼化學(xué)成分特點(1)低碳低合金元素，基本上不加Cr和Ni，是經(jīng)濟性能較好的鋼種。(2)主加合金元素是Mn，Mn屬于復(fù)雜立方點陣，其點陣類型和原子尺寸與a-Fe相差較大，因而Mn的固溶強化效果較大。合金元素在a-Fe中的固溶強化次序是：Si、Mn較大，Ni次之，W、Mo、V、Cr較小。2.5普通低合金構(gòu)件用鋼工程材料學(xué)

Mn是促使奧氏體長大的元素，但在構(gòu)件用鋼中，由于基體組織為鐵素體加少量的珠光體；Mn能降低奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的溫度范圍，并減緩其轉(zhuǎn)變速度，因而表現(xiàn)出細化珠光體和鐵素體的作用，有利于鋼的韌性提高。2.5普通低合金構(gòu)件用鋼工程材料學(xué)

Mn的加人可使Fe-C狀態(tài)圖中的點“S”左移，使基體中珠光體數(shù)量增多，因而可使鋼在C的質(zhì)量分數(shù)相同下，隨鐵素體量減少，珠光體量增多，致使強度不斷提高。2.5普通低合金構(gòu)件用鋼工程材料學(xué)普低鋼化學(xué)成分特點(3)輔加合金元素Al、V、Ti、Nb等。在普低鋼中加入Al形成AIN的細小質(zhì)點，以細化晶粒，提高強度，降低脆性轉(zhuǎn)折溫度Tk。加入微量的V、Ti、Nb等元素既可產(chǎn)生沉淀強化作用，還可細化晶粒，從而使強韌性得以改善。要注意的是，此類元素所形成的碳化物在高溫軋制時可以溶解，此時細化晶粒效果消失，而Tk反而上升。所以在軋制時必須控制軋制溫度，發(fā)揮V、Ti、Nb的沉淀強化作用和細化晶粒作用。2.5普通低合金構(gòu)件用鋼工程材料學(xué)(4)為改善鋼的耐大氣腐蝕性能，應(yīng)加入Cu和P。(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，從而改善鋼的機械性能和工藝性能。2.5普通低合金構(gòu)件用鋼工程材料學(xué)

普低鋼合金化總的概念是：低碳，合金化時以Mn為基礎(chǔ)，適當(dāng)加入Al、V、Ti、Nb、Cu、P及稀土等元素。其發(fā)展方向是多組元微量合金化。2.5普通低合金構(gòu)件用鋼工程材料學(xué)

低合金結(jié)構(gòu)鋼（普通低合金鋼）成分特點：

低C(Wc

<

0.2%)、低合金(Wme

<

3%)

Me的作用:①提高F

的強度②細化晶粒σs、σb、ak③增加P，并使之細化④彌散強化⑤提高耐蝕性⑥脫硫、去氣，使鋼材凈化，改善韌性和工藝性能性能特點：①σ(σs)高σs/σb高減重20%～30%②具有良好的塑性和韌性③具有較高的冷加工成形性④具有良好的可焊性、耐蝕性使用狀態(tài)：熱軋或正火，

S＋F用途：強度較高的工程結(jié)構(gòu)件保證鋼的韌性、焊接性和冷成形性能Mn、V、Ti、Nb、Cu、P、Si、Re2.5普通低合金構(gòu)件用鋼工程材料學(xué)

2.6進一步提高普低鋼力學(xué)性能的途徑具有鐵素體一珠光體組織的普低鋼，通過上述強化方法，在保持良好的綜合機械性能的條件下，其屈服極限最高約為470MPa，若希望獲得強度更高的普低鋼，就需要考慮選擇其他類型組織的普低鋼，因而發(fā)展了低碳貝氏體型普低鋼、低碳索氏體型普低鋼及針狀鐵素體型普低鋼。另外，還可通過控制軋制方法來獲得高強度的普低鋼。2.6進一步提高普低鋼力學(xué)性能的途徑工程材料學(xué)低碳貝氏體型普低鋼低碳貝氏體型普低鋼的主要特點是使大截面的構(gòu)件在熱軋空冷(正火)條件下，能獲單一的貝氏體組織。2.6進一步提高普低鋼力學(xué)性能的途徑發(fā)展貝氏體型普低鋼的主要冶金措施是向鋼中加入能顯著推遲珠光體轉(zhuǎn)變而對貝氏體轉(zhuǎn)變影響很小的合金元素，從而保證熱軋空冷(正火)條件下獲得貝氏體組織。貝氏體型普低鋼多采用Mo(w=0.5％)+B(w=0.003％)為基本成分，以保詞得到貝氏體組織，加入Mn、Cr、V等元素是為了進一步提高鋼的強度及綜合性能。這些員素的作用是：①產(chǎn)生固溶強化作用；②降低貝氏體轉(zhuǎn)變溫度，旋貝氏體及其析出的碳鋼物更加細小；③強烈推遲C曲線中的珠光體轉(zhuǎn)變，進一步提高貝氏體的淬透性；④提高回火穩(wěn)定性(Mo和V最有效)。工程材料學(xué)低碳索氏體型普低鋼提高普低鋼強度的另一途徑是采用低碳低合金鋼淬火獲得低碳馬氏體，然后進行高溫回火，獲得低碳回火索氏體組織，以保證鋼具有良好的綜合力學(xué)性能和焊接性能。與熱軋狀態(tài)或正火狀態(tài)使用的鐵素體-珠光體型普低鋼不同，低碳索氏體型普低鋼的強度主要取決于含碳量及鋼的回火穩(wěn)定性，所選的合金元素及其含量應(yīng)保證鋼具有壓夠的淬透性、較高的回火穩(wěn)定性和良好的焊接性能。2.6進一步提高普低鋼力學(xué)性能的途徑低碳索氏體型普低鋼已在重型載重車輛、橋梁、水輪機及艦艇等方面得到應(yīng)用。我國在發(fā)展這類鋼中也做了不少工作，并成功地應(yīng)用于導(dǎo)彈、火箭等國防工業(yè)中。工程材料學(xué)T-1型鋼板不同狀態(tài)下的力學(xué)性能2.6進一步提高普低鋼力學(xué)性能的途徑元素CMnSiNiCrMoVCuB重量百分數(shù)0.1-0.20.6-1.00.15-0.350.7-1.00.4-0.80.4-0.60.04-0.10.15-0.50.002-0.006工程材料學(xué)三、控制軋制的應(yīng)用在普低鋼巾加入微量的Nb、V等元素，可以產(chǎn)生顯著的沉淀強化效應(yīng)，但同時也使鋼的冷脆傾向性增大。所以，為了充分發(fā)揮Nb、V等元素的沉淀強化效應(yīng)，必須相應(yīng)采取韌化措施，即采用控制軋制工藝。2.6進一步提高普低鋼力學(xué)性能的途徑控制軋制是高溫形變熱處理的一種派生形式，其主要目的是細化晶粒，提高熱軋鋼的強韌性?？刂栖堉剖菍⑵盏弯摷訜岬礁邷?1250-1350℃)進行軋制，但必須將終軋溫度控制在Ar3附近。。常規(guī)熱軋和控制軋制之間的差別在于，前者鐵素體晶粒在奧氏體晶界上成核，而后者由于控制軋制，奧氏體晶粒被形變帶劃分為幾個部分，鐵素體晶?？稍诰?nèi)和晶界上同時成核，從而形成晶粒非常細小的組織。工程材料學(xué)2.6進一步提高普低鋼力學(xué)性能的途徑控制軋制的主要工藝參數(shù)是：①選擇合適的加熱溫度，以獲得細小而均勻的奧氏體晶粒；②選擇適當(dāng)?shù)能堉频来魏兔康赖膲很埩?，通過回復(fù)再結(jié)晶獲得細小的晶粒；③選擇合適的在再結(jié)晶區(qū)和無再結(jié)晶區(qū)停留的時間和溫度，以使再結(jié)晶晶粒內(nèi)產(chǎn)生形變回復(fù)的多邊形化亞結(jié)構(gòu)；④在兩相區(qū)(α＋γ)選擇適宜的總壓下量和軋制溫度；⑤控制冷卻速度。工程材料學(xué)四、發(fā)展針狀鐵素體型普低鋼為了滿足在北方嚴寒條件下工作的大直徑石油和天然氣輸出管道用鋼的需要，目前世界各國正在發(fā)展針狀鐵素體型鋼，并通過軋制獲得良好的強韌化效果。2.6進一步提高普低鋼力學(xué)性能的途徑元素CMnSiNbAlMoNSP重量百分數(shù)0.060.6-2.20.01-0.40.04-0.100.050.25-0.40≤0.01≤0.02≤0.02工程材料學(xué)附：鋼的低溫脆性一、系列沖擊實驗與低溫脆性

1、系列沖擊實驗不同溫度(低、室、高溫)下的沖擊試驗。沖擊韌性αK(AK)與溫度t的關(guān)系曲線(AK～t)。

2、低溫脆性：當(dāng)t<tk時，由韌性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)，沖擊吸收功明顯下降，斷裂機理由微孔聚集變?yōu)榇┚Ы饫?，斷口特征由纖維狀變?yōu)榻Y(jié)晶狀。

3、tk稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度或冷脆轉(zhuǎn)變溫度。附：

鋼的低溫脆性工程材料學(xué)A.溫度對斷裂強度σc無明顯作用；B.具有體心立方或密排六方結(jié)構(gòu)的金屬或合金屈服強度σs對溫度十分敏感，溫度降低，σs急劇增加；C.交點對應(yīng)的溫度即為tk；D.材料受載是先屈服再斷裂，為韌性斷裂；反之，為脆性斷裂；

面心立方結(jié)構(gòu)的σs’隨溫度變化不大，在很低的溫度下仍未與σc相交，脆性斷裂不明顯；近來認為體心和密排點陣的派納力受溫度影響大,T↓,τp-n(σi)↑,σs↑.早期認為是溶質(zhì)原子釘軋位錯,使σs↑.但與純鐵的冷脆性相矛盾.

附：

鋼的低溫脆性工程材料學(xué)二、韌脆轉(zhuǎn)化溫度及其評價方法

1、能量法：

(1)無塑性或零塑性轉(zhuǎn)變溫度NDT：①低階能：低于某一溫度，

沖擊能量基本不隨溫度而變化，形成一平臺。②低階能開始上升的溫度為tk(即NDT)。

NDT以下，斷口由100％結(jié)晶區(qū)(解理區(qū))組成。

(2)FTP：①高階能：高于某一溫度，吸收的能量基本不變，形成一個上平臺。②以高階能對應(yīng)的溫度為tk(即FTP)。高于FTP的斷裂，得到100％的纖維狀斷口。

(3)FTE：低階能和高階能平均值對應(yīng)的溫度。

(4)V15TT：以AKV=15尺磅(20.3N·m)對應(yīng)的溫度。附：

鋼的低溫脆性工程材料學(xué)2、斷口形貌法：

(1)斷口形貌：

(2)50%FATT(FATT50,t50)：通常取結(jié)晶區(qū)面積占整個斷口面積50％時的溫度為tk

。

由纖維區(qū)F、

放射區(qū)(結(jié)晶區(qū))R、

剪切唇S組成。

t不同，相對面積不同。

(面積～t曲線)附：

鋼的低溫脆性工程材料學(xué)三、影響材料低溫脆性的因素

1．晶體結(jié)構(gòu)的影響

2．化學(xué)成分的影響

3．顯微組織的影響

4．溫度的影響

5．加載速率的影響

6．試樣形狀和尺寸的影響附：

鋼的低溫脆性工程材料學(xué)1．晶體結(jié)構(gòu)的影響體心立方金屬及其合金存在低溫脆性，面心立方金屬及合金一般不存在低溫脆性。2．化學(xué)成分的影響間隙溶質(zhì)元素的含量增加，韌脆轉(zhuǎn)變溫度提高。間隙溶質(zhì)元素與位錯交互作用偏聚位錯線的附近形成柯氏氣團，增加了屈服強度，脆性增加。雜質(zhì)元素S、P、Pb、Sn、As等偏聚于晶界，降低晶界的表面能，產(chǎn)生沿晶脆性斷裂，降低脆斷應(yīng)力。

附：

鋼的低溫脆性工程材料學(xué)3．顯微組織的影響（1）晶粒大小細化晶?？梢允共牧系捻g性增加。晶界是裂紋擴展的阻力；晶界前塞積的位錯數(shù)減少，有利于降低應(yīng)力的集中；晶界總面積增加，使晶界上的雜質(zhì)濃度減少，避免產(chǎn)生沿晶脆性斷裂。（2）金相組織在較低強度的水平，強度相同的條件下，沖擊吸收功和韌脆轉(zhuǎn)變溫度以回火索氏體最佳，貝氏體回火組織次之，片狀珠光體最差；在較高強度的水平，中、高碳鋼的等溫淬火下貝氏體組織優(yōu)于同強度的淬火馬氏體回火組織；在低碳鋼合金中，經(jīng)不完全等溫處理獲得的貝氏體和馬氏體混合組織，韌性比單一馬氏體或貝氏體組織好。馬氏體鋼中存在穩(wěn)定的殘余奧氏體，可以抑制解理斷裂，從而顯著改善鋼的韌性。

附：

鋼的低溫脆性工程材料學(xué)4．溫度的影響

碳鋼和某些合金鋼在沖擊載荷或精載荷的作用下，在一定溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)脆性。因為在該溫度范圍內(nèi)加熱時，表面氧化為藍色，故此現(xiàn)象稱為藍脆。在靜拉伸時，藍脆的溫度范圍為230～370℃；在沖擊載荷作用下，藍脆最嚴重的溫度范圍為525～550℃；藍脆是形變時效加速的結(jié)果，但溫度升至某一適當(dāng)?shù)臏囟葧r，碳、氮原子擴散速度加快，易于在位錯附近偏聚形成柯氏氣團。這一過程的形成速率高于塑性變形速率，則在塑性變形過程中產(chǎn)生時效，是材料強度提高，塑性下降；反之，則材料的塑性提高。在沖擊載荷作用下，形變速率較高，碳、氮原子需要在較高溫度下才能獲得足夠的擴散激活能，以形成柯氏氣團，故藍脆溫度升高。附：

鋼的低溫脆性工程材料學(xué)

如果在屈服強度后某一點進行卸載，隨后若立即再拉伸加載，屈服現(xiàn)象不再出現(xiàn)；但是若在卸載后經(jīng)過時效處理，在拉伸變形時屈服現(xiàn)象又重新出現(xiàn)，而且新的屈服平臺高于卸載時的流變應(yīng)力。這種現(xiàn)象叫做應(yīng)變時效。低碳鋼的屈服現(xiàn)象的位錯理論解釋：退火低碳鋼是以鐵素體為基的合金，鐵素體中的碳（氮）原子與刃位錯交互作用形成柯氏氣團，從而釘扎刃型位錯，使之難以運動。因此，在開始塑性變形時，必須提高外力克服柯氏氣團的釘扎位錯，使之難以運動。因此，在開始塑性變形時，必須提高外力克服柯氏氣團的錨力才能使位錯運動，這就是上屈服點。附：

鋼的低溫脆性工程材料學(xué)

由于多晶體塑性變形是相鄰晶粒逐個進行的，其中位錯源開動都是通過前面晶粒位錯塞積的作用來實現(xiàn)的。每個晶粒位錯源的開動都需要克服柯氏氣團的錨力，但開動后，因變形應(yīng)力又很快降下來，于是就形成了鋸齒形的屈服曲線。

根據(jù)這種解釋，可以說明屈服現(xiàn)象為什么在預(yù)先塑性變形后不再出現(xiàn)和加熱時效后又再次出現(xiàn)的原因。因為預(yù)先塑性變形已經(jīng)全部破壞了柯氏氣團，所以屈服現(xiàn)象不再出現(xiàn)，但是如果在卸載后再加熱時效，碳（氮）原子又會擴散移至刃型位錯周圍形成柯氏氣團，第二次加載開始屈服變形時，就需要重新克服柯氏氣團作用，再次出現(xiàn)屈服現(xiàn)象。

由于第二次加載前，材料因前次變形位錯密度升高，其彈性極限升高,所以在第二次加載時，在彈性極限提高的基礎(chǔ)上又須進一步克服柯氏氣