5工程结构用钢

河海大学力学与材料学院本科课程

金属材料学

out

第5章 工程结构钢工程结构钢：指专门用来制造工程结构件的一大类钢种。 在钢总产量中，工程结构钢占90%左右。 工程结构钢包括碳素钢和低合金高强度钢。 低合金高强度钢:(HSLA) 指在碳含量低于0.25%(质量分数，下同)的普通碳素 钢的基础上，通过添加一种或多种少量合金元素(低 于3%),使钢的强度明显高于碳素钢的一类工程结构 用钢，统称低合金高强度钢。out 按用途可分为：结构钢、耐腐蚀钢、低温用钢、耐磨钢、 钢筋钢、钢轨钢及其他专业用钢等

out3

客车及农业机械

浦东国际机场侯机楼及道路护栏

高强度耐侯厚壁冷 弯高频焊管用于东 方明珠塔 耐候Z型钢用于体育馆

out镀锌C型钢用于上海大剧院屋架桁架 现代化蔬菜棚4

2.1 工程结构钢的基本要求工程结构件长期受静载；互相无相对运动 受大气(海水)的侵蚀；有些构件受疲劳冲击； 一般在-50~100℃范围内使用； 如：桥梁、船舶等受到像风力或海浪冲击.焊接是构成金属结构的常用方法；一般都要 经过如剪切、冲孔、热弯、深冲等成型工艺 1、足够的强度与韧度(特别是低温韧度); 2、良好的焊接性和成型工艺性； 3、良好的耐腐蚀性； 4、低的成本。

服役 条件

生产 工艺

out

技术 要求

结构用钢的时效现象

时效 现象

低碳工程构件经加工或高温冷却后， 在室温或较低温度下放置一段时间， 钢的性能会发生明显变化的现象。 (淬火时效和机械时效) C、N等间隙原子偏聚或内吸附于 位错等晶体缺陷处。提高硬度、降低 塑性和韧度。如：某钢板刚变形时， AK120J,十天后降为35J;焊接钢板 在三个月后由92J降为33J。6

产生 原因

out

当然桥梁、船舶等突然断裂的原因很多。共振、应力波等

2.2 低合金高强度结构钢的合金化1、Me对低合金高强度钢力学性能的影响↑固溶强化效果和珠光体含量，低成本。 ↑C,↓塑、韧性，↓焊接性、冷成型。 如0.1%C,TK为-50℃,0.3%C,TK为50℃ 一般均应限制在0.2%以下

C

Siout

最常用且较经济的元素。强化F较显著， 1%Si,σs↑85MPa,↑TK,量多时可大为 降低塑韧性，所以Si控制在<1.1%7

Mn

固溶强化作用大，1%Mn,σs↑33MPa。 约有3/4量溶入F中，弱的细晶作用，↓TK。 同样量多时可大为降低塑韧性. 所以Mn控制在<1.8%。形成稳定细小的K等，粒子2~10nm, 既细晶又沉淀强化，↑σs,↑δ、AK, 综合效果↓TK。改善焊接性。 作用顺序:Ti>Nb>Al>V。 脱氧去硫吸氢作用，改善塑韧性，↓TK

Nb\V Ti\Al

Re

out

所以，低合金高强度钢的基本成分应考虑低碳， 稍高的锰含量，并适当用硅强化。

合金元素对低合金高 强度钢的固溶强化

钢的韧-脆转折温度与碳 含量的关系

out9

2、Me对焊接性和耐大气腐蚀性的影响优良的焊接性是指：焊接工艺简单；焊缝与母材结合牢 固，强度不低于母材；焊缝的热影响区保持足够的强度与韧 性，没有裂纹及各种缺陷。

控制 C

C↑→ 焊缝处硬化与脆化倾向↑,焊接裂 纹↑。提高淬透性的Me种类及其数量也应适 当控制，如Cr、Mn、Mo、Ni等。 ↑耐大气腐蚀性最有效的元素。一般含量: 0.025~0.25% Cu ,0.05~0.15% P 。 ↑P,冷脆 和时效倾向增加。→用Al脱氧→ 细晶粒钢。 复合加入适量元素，则↑钢耐蚀性效果更佳。 如090CuPCrNi-A、 09CuP、09CuPCrNi-B10

Cu Pout

out

3、微合金元素的作用 Nb、V、Ti单元或复合是常用的，其作用主要 有细化晶粒组织和析出强化。微合金元素细化钢 晶粒主要通过以下两种方式： (1)阻止加热时奥氏体晶粒长大 (2)抑制奥氏体形变再结晶 在热加工过程中，奥氏体会发生形变再结晶 使晶粒回复粗大。但应变动态析出Nb、V、Ti的 碳氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上起钉轧 作用，有效地阻止奥氏体再结晶时晶界和位错的 运动，从而抑制奥氏体形变再结晶。11

2.3 铁素体-珠光体钢F-P类型是工程结构钢中最主要的一类钢。有 Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五个牌号。根 据质量要求分为A、B、C、D四个等级。A、B级 为普通质量级；C级为优质级；D级和E级为特殊 质量级，有低温冲击韧性要求。 组织： 10~25%片层状P+ 75~90%多边形F。 最新研究成果：如F晶粒尺寸细化到μ级，则 out F-P类低合金高强度钢的强度也可达到800MPa12

低碳铁素体/珠光体钢超细晶强韧化与控制技术 ——2004年度国家科学技术进步一等奖超细晶粒、高洁净度、高均匀性。 生产节约能源和资源，不用或少用Me,改善 环境，↓成本，具有更高的经济效益。 如何形成微米级的超细晶是该项目的核心 技术和难点。 采用形变诱导F相变，可把F晶粒细化到 2-5μm(碳钢)和1~2μm(微合金钢)。 碳钢的σs由200MPa提高到350~400MPa; 低合金钢由350~400MPa提高到600~ 700MPa。

主要 特点

具体 指标out

控制轧制和控制冷却技术高温形变热处理→F大幅度晶粒细化→↑强度和韧度。

图中轧制温 度向右边降 低，上层表 示奥氏体组 织变化，下 层表示奥氏 体开始相变 后组织及F 核的形成 out控制轧制和控制冷却的组织变化模式图

out

图 各种轧制程序模式图 CR:控制轧制 ；AcC:控制冷却

低碳铁素体/珠光 体钢超细晶钢材生 产工艺控制和不同 的制品

out16

2.4 微珠光体低合金高强度钢石油、天然气开发，需要大量输送管线

。油气管线 用钢要求有很好的焊接性、低温韧度和强度等综合性能。 输送油气距离越长，压力越大，质量要求也越高。油气 管线用钢发展为微P低合金高强度钢。

强化 机理out

对F-P钢, P量每↑10%,将使TK↑22℃。 油气管线用钢:↓C, <0.1%;为保证σ, 就必须采用其它不损害或少损害焊接性和 韧度的强化措施。 → 析出强化和晶粒细化↑钢性能。 →Nb、V、Ti微合金化和控轧处理工艺。17

2.5 针状铁素体钢对于一些强度、焊接性、低温冲击韧性等要 求更高的场合，还必须采用针状铁素体低合金 高强度钢。针状铁素体(acicular ferrite,简写AF) 钢实际上属于超低碳贝氏体钢。 ≤0.06%C + 适量Mn、Mo、Nb等 →具有 高密度位错(1010cm-2)亚结构的“针状F” 组织(超低碳B)。σs 达700~800MPa,低 温冲击韧性、焊接性更好. 用于现场焊接条件及其寒冷地带管线。被 称为21世纪的控轧钢。18

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