金屬材料學(xué) 第2章-工程結(jié)構(gòu)鋼

第二章工程(gōngchéng)結(jié)構(gòu)鋼

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)度鋼是指在碳含量低于0.25%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）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。按用途可分為結(jié)構(gòu)鋼、耐腐蝕鋼、低溫用鋼、耐磨鋼、鋼筋(gāngjīn)鋼、鋼軌鋼及其他專業(yè)用鋼等共四十六頁2.1工程(gōngchéng)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(yùn)動(dòng)受大氣(dàqì)（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)度與韌性（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。共四十六頁2.2低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的合金化

1、Me對低合金高強(qiáng)度鋼力學(xué)性能的影響(yǐngxiǎng)C↑固溶強(qiáng)化效果和珠光體含量，低成本?！麮，↓塑、韌性，↓焊接(hànjiē)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%共四十六頁Mn固溶強(qiáng)化作用大，1%Mn，σs↑33MPa。約有3/4量溶入F中，弱的細(xì)晶作用，↓TK。同樣(tóngyàng)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，↑σs，↑δ、AK，綜合效果↓TK。改善(gǎishàn)焊接性。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。共四十六頁共四十六頁低合金高強(qiáng)度鋼的基本成分應(yīng)考慮低碳，稍高的錳含量(hánliàng)，并適當(dāng)用硅強(qiáng)化。共四十六頁

在低合金高強(qiáng)度鋼中常利用Nb、V、Ti合金化來細(xì)化晶粒。其作用順序?yàn)椋篢i、Nb、V。

Nb、V、Ti合金元素還可以生成細(xì)小(xìxiǎo)的化合物，產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化。其作用順序?yàn)椋篘b、Ti、V。共四十六頁2、Me對焊接性和耐大氣腐蝕性的影響(yǐngxiǎng)

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?？刂?kòngzhì)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

。↑P，冷脆和時(shí)效傾向增加?！肁l脫氧→細(xì)晶粒鋼。復(fù)合加入適量元素，則↑鋼耐蝕性效果更佳。如09CuPCrNi-A、09CuP、09CuPCrNi-B共四十六頁共四十六頁時(shí)效(shíxiào)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，鋼的性能會發(fā)生明顯變化的現(xiàn)象。（淬火(cuìhuǒ)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)力波等共四十六頁2.3鐵素體-珠光體鋼最新研究成果：如F晶粒尺寸細(xì)化到μ級，則F-P類低合金高強(qiáng)度(qiángdù)鋼的強(qiáng)度(qiángdù)也可達(dá)到800MPaF-P類型是工程結(jié)構(gòu)鋼中最主要的一類鋼。有碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度鋼兩類。根據(jù)質(zhì)量要求分為A、B、C、D四個(gè)等級。A、B級為普通質(zhì)量級；C級為優(yōu)質(zhì)(yōuzhì)級；D級和E級為特殊質(zhì)量級，有低溫沖擊韌性要求。

組織：10~25％片層狀P+75~90％多邊形F。共四十六頁表2-1碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(páihào)、化學(xué)成分、力學(xué)性能和用途共四十六頁共四十六頁共四十六頁低碳鐵素體/珠光體鋼超細(xì)晶強(qiáng)韌(qiánɡrèn)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(zhǔyào)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σs由200MPa提高到350～400MPa；低合金鋼由350～400MPa提高到600～700MPa。共四十六頁

低碳鐵素體/珠光體鋼超細(xì)晶鋼材生產(chǎn)工藝控制和不同(bùtónɡ)的制品共四十六頁高科技的建筑用材，和建筑技術(shù)是奧運(yùn)場館建設(shè)的堅(jiān)實(shí)保證，同時(shí)也為我國的建筑用材迎來了新的挑戰(zhàn)。Q460鋼材(gāngcái)以前在國內(nèi)從未生產(chǎn)過，“鳥巢”是這種鋼材(gāngcái)在國內(nèi)建筑上的首次使用，而這次使用的鋼板厚度達(dá)110mm，也是史無前例的，在國家標(biāo)準(zhǔn)中，“Q460”的最大厚度只是100mm。這種高韌性抗震鋼采用全新的優(yōu)化成分設(shè)計(jì)、氧化物冶金技術(shù)和先進(jìn)的軋制及熱處理工藝，使之形成高密度位錯(cuò)的強(qiáng)韌性組織結(jié)構(gòu)，有著強(qiáng)度高、韌性好、焊接性能優(yōu)良的特點(diǎn)。高韌性抗震鋼保證了“鳥巢”最大可以承受530兆帕的外力。這意味著如果北京遭受(zāoshòu)上世紀(jì)70年代唐山大地震一樣的地震波，“鳥巢”依然能保持原狀。

共四十六頁武漢長江大橋A3鋼（現(xiàn)Q235）共四十六頁南京長江大橋共四十六頁九江長江大橋15MnVN（Q420）由于添加V的方法提高強(qiáng)度，導(dǎo)致低溫(dīwēn)韌性和焊接性較差。共四十六頁蕪湖長江大橋蕪湖長江大橋?yàn)殡p層，鐵路橋在下層，公路橋在上層。鐵路橋全長10511米，其中(qízhōng)正橋長2193米，蕪湖岸引橋長2228米，無為岸引橋長6089米。公路橋全長5681米，橋?qū)?1米，蕪湖岸引橋長2038米，無為岸引橋長1449米。

采用的14MnNbq鋼（Q370qE）。

共四十六頁世界上跨度最大的拱橋--重慶朝天門大橋主跨達(dá)552米。朝天門大橋主橋分為上、下兩層,上層是“汽車道+人行道”、下層“汽車道+軌道線”。上層橋面寬31米,雙向6車道。朝天門全橋永久用鋼4.6萬噸，輔助用鋼近4萬噸。其拱梁部分1.2萬噸鋼材全部由舞鋼公司提供。橋梁(qiáoliáng)鋼板從鞍鋼中厚板廠Q420qD。朝天門長江大橋共四十六頁南京大勝關(guān)長江大橋全長9.27公里，全程(quánchéng)共架設(shè)11個(gè)橋墩。橋上鐵軌按六線布置，分別為京滬高速鐵路雙線、滬漢蓉鐵路雙線和南京地鐵雙線。Q420q（WNQ570）鋼共四十六頁2.4微珠光體低合金高強(qiáng)度鋼

石油(shíyóu)、天然氣開發(fā)，需要大量輸送管線。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。油氣管線用鋼發(fā)展為微P低合金高強(qiáng)度鋼。強(qiáng)化(qiánghuà)機(jī)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σ，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?。共四十六頁控制軋制和控制冷卻技術(shù)高溫形變(xíngbiàn)熱處理→F大幅度晶粒細(xì)化→↑強(qiáng)度和韌度。控制軋制和控制冷卻的組織(zǔzhī)變化模式圖

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

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圖

各種軋制程序模式圖

CR：控制(kòngzhì)軋制；AcC:控制冷卻

共四十六頁TMCP（ThermoMechanicalControlProcess：熱機(jī)械控制工藝）就是在熱軋過程中，在控制加熱溫度、軋制溫度和壓下量的控制軋制（ControlRolling）的基礎(chǔ)上，再實(shí)施空冷或控制冷卻及加速冷卻（AcceleratedCooling）的技術(shù)總稱。由于TMCP工藝在不添加過多合金元素，也不需要復(fù)雜的后續(xù)熱處理的條件(tiáojiàn)下生產(chǎn)出高強(qiáng)度高韌性的鋼材，被認(rèn)為是一項(xiàng)節(jié)約合金和能源、并有利于環(huán)保的工藝，故自20世紀(jì)80年代開發(fā)以來，已經(jīng)成為生產(chǎn)低合金高強(qiáng)度寬厚板不可或缺的技術(shù)。隨著市場對TMCP鋼的要求不斷提高，TMCP工藝本身也在應(yīng)用中不斷發(fā)展。從近幾年的研究工作看，重點(diǎn)是放在控制冷卻，尤其是加速冷卻方面。

TMCP技術(shù)(jìshù)共四十六頁

通過加快軋制后的冷卻速度，不僅可以抑制晶粒的長大，而且可以獲得高強(qiáng)度高韌性所需的超細(xì)鐵素體組織或者貝氏體組織，甚至(shènzhì)獲得馬氏體組織。目前正在研發(fā)的在線加速冷卻，是在軋制后直接將鋼板冷卻至常溫，可以避免再加熱工序。在線冷卻的輸送方式分為“一步冷卻”與“通過型冷卻”兩種。所謂“一步冷卻”就是將冷卻水一下子噴射到軋制后的整個(gè)鋼板上進(jìn)行冷卻。為了使冷卻均勻，必須讓鋼板在冷卻裝置中振動(dòng)。該方法需要超過鋼板長度的大冷卻裝置，而且也難以避免冷卻不均勻問題，故后來改為“通過型冷卻”，即鋼板一面通過一面接受冷卻，現(xiàn)已成為加速冷卻的主流方式。另外，冷卻方式又分“約束冷卻”與“無約束冷卻”兩種。所謂“約束冷卻”是指用上下輥約束鋼板的條件下進(jìn)行冷卻，采用噴霧水口；而“無約束冷卻”則是用層流式水口對輸出輥道上的鋼板進(jìn)行冷卻。

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在線加速冷卻裝置可放在矯直機(jī)前、矯直機(jī)后，或兩臺矯直機(jī)之間。放在矯直機(jī)前可以方便地選擇和調(diào)整冷卻開始溫度，但冷卻均勻性較差；放在矯直機(jī)后，則可進(jìn)行約束型冷卻，但難以控制所需的冷卻開始溫度；放在兩臺矯直機(jī)之間，可以利用后一臺矯直機(jī)消除加速冷卻所造成的變形，但設(shè)備復(fù)雜，成本較高。

加速冷卻工藝的研發(fā)所要解決的最大課題就是要防止冷卻過程中產(chǎn)生的鋼板(gāngbǎn)變形，其關(guān)鍵在于保證對于寬幅鋼板(gāngbǎn)的冷卻均勻性。在這方面，還有大量的研究工作需要進(jìn)行。

共四十六頁3、微合金元素的作用

Nb、V、Ti單元或復(fù)合是常用的，其作用主要有細(xì)化晶粒組織和析出強(qiáng)化。微合金元素細(xì)化鋼晶粒主要通過以下兩種方式：（1）阻止加熱時(shí)奧氏體晶粒長大（2）抑制奧氏體形變再結(jié)晶在熱加工過程中，奧氏體會發(fā)生形變再結(jié)晶使晶粒回復(fù)粗大。但應(yīng)變動(dòng)態(tài)析出Nb、V、Ti的碳氮化物，沉淀(chéndiàn)在晶界、亞晶界和位錯(cuò)上起釘軋作用，有效地阻止奧氏體再結(jié)晶時(shí)晶界和位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，從而抑制奧氏體形變再結(jié)晶。

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沉淀析出強(qiáng)化相主要是低溫下析出的Nb(C，N)和VC。Nb≤0.04%時(shí)，ΔσG＞Δσph；Nb≥0.04%時(shí)，Δσph增量大大增加，而ΔσG保持不變。V引起析出強(qiáng)化增量Δσph最顯著(xiǎnzhù)，而Ti的作用處于Nb和V之間。

微合金元素對鋼的屈服強(qiáng)度的影響（σG：晶粒細(xì)化的貢獻(xiàn)(gòngxiàn)σPh：析出強(qiáng)化的貢獻(xiàn)）

共四十六頁2.5針狀鐵素體鋼

對于一些(yīxiē)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?；?jīběn)特點(diǎn)針狀鐵素體（acicularferrite，簡寫AF）鋼實(shí)際上屬于超低碳貝氏體鋼?！?.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）。σs達(dá)700~800MPa，低溫沖擊韌性、焊接性更好.用于現(xiàn)場焊接條件及其寒冷地帶管線。被稱為21世紀(jì)的控軋鋼。共四十六頁針狀鐵素體型鋼的典型鋼種為Mn-Mo-Nb鋼，其化學(xué)成分范圍為w(C)≤0.10%，w(Mn)=1.6%~2.0%，w(Mo)=0.2%~0.6%，w(Nb)=0.04%~0.06%，有時(shí)還加w(V)=0.06%，w(Ti)=0.01%。這類鋼通過控制軋制和控制冷卻，可以達(dá)到高強(qiáng)韌性。通常將其板坯加熱到1150℃~1260℃范圍，然后控制軋制成鋼板，終軋溫度等于或低于760℃，軋后空冷。顯微組織是細(xì)晶粒（ASTM12級或更細(xì)）的多邊化鐵素體、30%以上(yǐshàng)的針狀鐵素體片（高位錯(cuò)密度的細(xì)小的亞結(jié)構(gòu)）、高度彌散的滲碳體質(zhì)點(diǎn)、少量島狀的馬氏體-奧氏體塊（通常小于整個(gè)組織體積的5%）和細(xì)而彌散的Nb(C,N)質(zhì)點(diǎn)。

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AF鋼不僅具有良好的低溫韌性（Tk<-100℃），而且還具有良好的焊接性能，已成功地應(yīng)用(yìngyòng)于制造寒帶輸送石油和天然氣的管線。共四十六頁

西氣東輸工程，起自新疆塔里木輪南市，終至為上海白鶴鎮(zhèn)，總投資額超過1200億元人民幣，其輸送管道的全長達(dá)4200公里，估計(jì)使用鋼材總量約160-180萬噸，其中包括，將利用(lìyòng)於鋪設(shè)非城市地段的螺紋鋼管，用熱卷100萬噸，及鋪設(shè)沿途城市地段使用之X70大口徑UO鋼管65萬噸。另外，還有UO鋼管加工用厚板15萬噸。工程用鋼需求之大，備受國內(nèi)外鋼鐵業(yè)界關(guān)注。螺紋鋼管加工用熱卷，共計(jì)30萬噸，由上海寶鋼及韓國POSCO分別取得19及11萬噸供貨權(quán)。X70大口徑UO鋼管，共計(jì)65萬噸，由新日鐵、NKK和住友金屬叁廠獲得62萬噸供料數(shù)，歐盟鋼管(EURO.PIPE)僅取得3萬噸。

共四十六頁2.6低碳貝氏體和馬氏體鋼

低碳貝氏體鋼是指含碳量為0.10~0.15%，使用狀態(tài)組織為B的鋼。貝氏體鋼通常(tōngcháng)是在軋制空冷或控制冷卻，直接獲得B組織。由于B的相變強(qiáng)化，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.共四十六頁主要(zhǔyào)特點(diǎn)合金(héjīn)元素是保證在較寬的冷速范圍內(nèi)獲得以貝氏體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)。

14MnMoV和14MnMoVBRE鋼是我國發(fā)展的低碳貝氏體鋼，屈服強(qiáng)度為490MPa級共四十六頁低碳馬氏體鋼

工程機(jī)械上相對運(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(liánghǎo)的韌性?！?.16%C，加入(jiārù)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。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。共四十六頁2.7雙相鋼

由于傳統(tǒng)的低合金高強(qiáng)度鋼對汽車壓力(yālì)加工件來說，沒有具備足夠的冷成形性，因而需要改善其強(qiáng)度-成形性的綜合性能以滿足汽車沖壓成型件的要求。把傳統(tǒng)的低合金高強(qiáng)度的顯微組織，即鐵素體加珠光體改成鐵素體加馬氏體（實(shí)際上還包含少量奧氏體）的雙相組織，其顯微組織特征是20%左右的馬氏體呈小島狀或纖維狀分布在80%左右的鐵素體基體上。

共四十六頁強(qiáng)度MPa雙相鋼600400普通鋼

20010203040應(yīng)變(yìngbiàn)/%雙相鋼和普通鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線的比較性能(xìngnéng)低σs，且是連續(xù)屈服，無屈服平臺和上、下屈服；均勻塑變能力強(qiáng)，總延伸率較大，冷加工性能好；加工硬化率n值大，成型后σs可達(dá)500~700MPa。共四十六頁生產(chǎn)工藝與類型

雙相組織既可以通過亞臨界溫度范圍內(nèi)的退火獲得，也可以通過熱軋后的控制冷卻來獲得。因此生產(chǎn)(shēn