工程结构用钢

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1、第三章 工程结构用钢,国家体育场（鸟巢）用于搭建其外部巨大钢结构主支撑件的是Q460E钢，厚度达到110mm，是国内在建筑结构上首次使用Q460钢。那么Q460是什么钢呢？这种钢的化学成分有哪些特点？它具备哪些性能使其能托起“鸟巢”的钢铁脊梁？,第一节 工程结构用钢概述,工程结构用钢是指专门用来制造建筑或工程结构件的一类钢种。 广泛应用于建筑、国防、石油、化工、车辆、造船等领域，如用于制造桥梁、车辆、船体及海洋结构、建筑钢结构件、油井或矿井架、压力容器、输气输油管道等，,1. 应用背景,2.工程结构用钢的分类,碳素构件用钢（普碳钢） 低合金结构钢（普低钢） 新型及微合金化低碳高强度钢,输油管线

2、,根据国家标准GB/T 13304.2-2008钢分类第二部分，低合金钢分类如下。,（1）按主要质量等级 分为普通质量低合金钢、优质低合金钢、特殊质量低合金钢三类。 （2）按主要性能和使用特性 分为一般用途的低合金高强度结构钢、桥梁用钢、船舶及海洋工程结构用钢、锅炉用钢、管线用钢、容器用钢、低合金耐候钢、低合金钢筋钢、低合金冲压钢、铁道用低合金钢、矿用低合金钢及低温用钢等。 此外，在正火钢中，还有具有良好抗层状撕裂性能的Z向（沿厚度方向）钢，主要用于海上采油平台、核反应堆及潜艇等大型厚板结构。,二、工程结构用钢的性能要求,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

3、疲劳冲击； 一般在-50100范围内使用； 如：桥梁、船舶等受到像风力或海浪冲击.,服役 条件,生产 工艺,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,技术 要求,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。,主要 矛盾,力学性能（主要是强度）和韧度、 工艺性能之间的合理平衡 基体成分和显微组织。,三、工程结构用钢的合金化思想,C,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。,Si,最常用且

4、较经济的元素。强化F较显著， 1%Si，ReL85MPa，TK，量多时可大为 降低塑韧性，所以Si控制在1.1%,1.Me对低合金高强度钢力学性能的影响,Mn,固溶强化作用大，1%Mn，ReL33MPa。 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%。,Nb、V Ti、Al,形成稳定细小的K等， 粒子210nm，既细晶又 沉淀强化，ReL，A、K， 综合效果TK。改善焊接性。 作用顺序:TiNbAlV。,RE,脱氧去硫吸氢作用，改善塑韧性，TK,2、Me对焊接性和耐大气腐蚀性的影响,所谓优良的焊接性是指： L 焊接工艺简单； l 焊接时不易产

5、生裂纹及各种缺陷； l 焊缝处保持足够的强度与韧性，强度不低于母材。,Me对焊接性的影响,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。,2、Me对耐大气腐蚀性的影响,Cu P,耐大气腐蚀性最有效的元素。 一般含量:0.0250.25% Cu ，0.050.15 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-B,总结,工程结构用钢的合金化思想是：低碳， 以Mn为基础，适当加入Nb、Ti、V、Cu、P 及稀土金属

6、等元素。,四、工程结构用钢的组织类型,工程结构用钢的显微组织有铁素体珠光体、低碳贝氏体、低碳马氏体、针状铁素体和铁素体马氏体双相组织等几种类型。,1.P+F, 屈服强度的极限约为460MPa。,2.低碳贝氏体组织,屈服强度显著提高,可达490980MPa。塑性、焊接性能也较好，韧-脆转变温度降低，多用于高压锅炉、高压容器等。,主要 特点,合金元素保证在较宽的冷速范 围内获得以贝氏体为主的组织,成分特点: 下贝氏体组织 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 钢结构。,14MnMoV和14MnMoVBRE钢是我国发展的 低

7、碳贝氏体钢，屈服强度为490MPa级,3.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。,基本 特点,针状铁素体（acicular ferrite，简写AF） 钢实际上属于超低碳贝氏体钢。 0.06C + 适量Mn、Mo、Nb等 具有 高密度位错（1010cm2）亚结构的“针状F” 组织（超低碳B）。 ReL 达700800MPa，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。,屈服强度一般大于470MPa，断后伸长率大于20%，室温冲击吸收能量大于80J，韧-脆转变温度低于60，焊接性能良

8、好，抗H2S腐蚀性好，主要应用于制造寒带输送石油和天然气的管线。,4.低碳马氏体钢,工程机械上相对运动部件和低温下使用部件， 要求有更高的强度和良好的韧性。,0.16%C，加入Mo、Nb、V、B及控制Mn或Cr与之 配合 淬火回火处理组织为低碳回火马氏体。,BHS-1钢的成分为0.10C-1.80Mn-0.45Mo-0.05Nb。 锻轧后空冷或直接淬火并自回火。达到合金调质钢调质 后的性能水平。,制造汽车的轮臂托架、操纵杆、车轴、转向联动节和 拉杆等，也可用于冷墩、冷拨及制作高强度紧固件。,低碳马氏体的显微组织，屈服强度可达900MPa以上，40冲击吸收能量可达30J。,控制轧制（Contro

9、lled Rolling ，CR）和控制冷却（Accelerated controlled cooling ，ACC）区别于常规热轧，常规热轧后室温下材料晶粒比较粗大，因此强度低、脆性大。 控制轧制和控制冷却后可使钢材细化晶粒、细化亚结构是钢强韧化的又一种非常重要的手段。 细化晶粒，从而实现最佳强韧化效果，即细晶强化和沉淀强化等的最佳组合。,五、控制轧制和控制冷却,轧制过程可分为加热、粗轧和精轧三个阶段。,1.控制轧制 在调整钢的化学成分的基础上，通过控制加热温度、轧制温度、压下量等工艺参数，控制奥氏体状态和相变产物的组织状态，从而达到控制钢材组织性能的目的。 非调质的热轧材，如建筑用低合金高

10、强度钢的热轧钢板，钢带，钢筋等（C-Mn-Nb、C-Mn-V、 C-Mn-Nb-V等） 控制轧制实质上是形变强化和相变强化的结合，关键在于轧制是在比通常轧制温度更低的范围内进行。,工艺特点： 1）控制加热温度 为控制原始奥氏体晶粒尺寸，有时要控制加热温度，不能太高。 2）控制终轧温度 比一般轧制的终轧温度低。 一般轧制的终轧温度都高于900 ，甚至在950 1000 。 而控制轧制的终轧温度一般都在Ar3附近，有的在（+）两相区，即800850 。 通过低温轧制能够实现铁素体的大幅度晶粒细化，这样即使成分相同，也能得到比正火或淬火-回火更好的强度和韧度。,2.控制冷却,控制冷却（Acceler

11、ated controlled cooling ，ACC）是对控制轧制后的奥氏体以高于空冷的速度从Ar3以上的温度控制冷却到相变区域，最大限度地细化铁素体晶粒和发挥析出沉淀强化效果。 控制冷却工艺已有层流冷却、水幕冷却、雾化冷却和穿水冷却等。,各种轧制程序模式图 CR：控制轧制 ；ACC:控制冷却,热机械轧制工艺TMCP,将控制轧制和控制冷却技术结合起来就是热机械轧制工艺（Thermalmechanical Control Process ，TMCP），能够进一步提高钢材的强韧度和获得合理的综合性能，并能够降低合金元素含量和碳的质量分数，节约贵重的合金元素，降低生产成本。,控制轧制和控制冷却原

12、理,粗轧后奥氏体晶粒被拉长，在变形晶粒内形成许多密集位错的形变带，此时铁素体在奥氏体晶界及晶内形变带形成大量核心，细化了铁素体晶粒。 在铁素体奥氏体两相区继续轧制并终轧，使铁素体长大时仍受塑性变形，亚结构细化。 在控制冷却过程中，未再结晶的奥氏体转变为等轴的铁素体晶粒，同时变形的铁素体产生亚结构，最终获极细组织。,第二节 通用低合金高强度结构钢,低合金钢高强度结构钢是在碳素工程结构钢的基础上，加入少量合金元素（主要是Mn、Si和微合金元素Nb、V、Ti等)而形成的钢。 “低合金”和“高强度”是指相对于合金元素含量较高的合金钢和较低强度的普通碳素结构钢而言的。 低合金钢高强度结构钢的名称几经变化

13、，如低合金建筑钢、普通低合金钢、低合金钢等，至1994年叫做低合金高强度结构钢。,最新研究成果：如F晶粒尺寸细化到级，则 F-P类低合金高强度钢的强度也可达到800MPa,组织： 1025片层状P+ 7590多边形F。,P-F钢 分类,碳素工程结构钢,（普通）低合金高强度钢,微合金化低合金高强度钢,南京长江大桥是长江上第一座由我国自行设计建造的双层式铁路、公路两用桥梁，1960年1月正式动工，1968年12月正式建成通车。,一、低合金钢高强度结构钢的化学成分特点,碳质量分数不超过0.20%。在微合金钢中为形成一定量的碳氮化物，碳的质量分数只需要0.01%0.02%；所以降碳是这类钢发展的必然趋

14、势，从而可大大改善钢的韧度和焊接性能。 主加元素为Mn，其主要作用是通过溶入铁素体中，起固溶强化作用；还通过细化晶粒，改善塑性、韧度，是一种固溶强化效果显著又比较便宜的元素，为保证钢的塑性和韧度加入量不超过1.8%。,Nb、Ti、V等为辅加元素，少量的Nb、Ti、V在钢中形成细碳化物或碳氮化物，一方面在热轧时阻止奥氏体晶粒长大，另一方面在冷却过程中碳氮化物析出，进一步提高钢的强度和韧度。 加入少量Cu（0.4%）和P（0.1%左右）等，可提高抗大气腐蚀性能。 少量稀土元素RE (0.001%左右)不影响钢的强度。其主要作用是脱硫、去气，使钢材净化，控制硫化物形态，改善韧度和工艺性能。,二、低合

15、金钢高强度结构钢的性能特点,低合金高强度结构钢强度高，一般屈服强度在300MPa以上，使钢结构构件的强度、刚度、稳定性三个主要控制指标都能充分发挥。 低合金高强度结构钢塑性、韧度好，并且韧-脆转变温度低。断后伸长率为15%20%，室温冲击吸收能量大于30J。E级钢的韧-脆转变温度可达-50。 低合金高强度结构钢具有良好的焊接性能和冷成形性能，抗大气腐蚀性高。,1.大多数在热轧状态使用，组织为FP； 2.有些钢种为了获得均匀组织和稳定的性能，可采用高温回火或调质处理；为低碳贝氏体组织或淬火成低碳马氏体组织。 3.屈服强度要求高的材料还采用轧后控冷工艺； 4.有些钢种还应用于冲压用钢，耐海水腐蚀的

16、结构、化工设备和管线用钢，因此发展成为各种专业用钢。,使用状态,三、低合金钢高强度结构钢的编号方法,低合金高强度结构钢的牌号表示方法与碳素结构钢相同，也是以屈服强度级别为标准编号，用“Q数字字母”表示。其中，“Q”字是钢材的屈服强度“屈”字的汉语拼音字首，紧跟后面的是屈服强度值，再其后分别是质量等级符号和脱氧方法。 Q345-C表示ReL345MPa、质量等级为C级的低合金高强度钢。,Q 345 C,常用的钢种,Q345钢(16Mn )是我国低合金高强钢中用量最多、产量最大的钢种。 使用状态的组织为细晶粒的铁素体珠光体，强度比普通碳素结构钢Q235高约20%30%，耐大气腐蚀性能高20%38%，用于船舶、桥梁、车辆等大 型钢结构。,1.Q390钢（15MnVN ）含V、Ti、Nb， 中等级别强度钢中使用最多的钢种。 2.强度较高，且韧性、焊接性及低温韧性也较好，被广泛用于制造桥梁、锅炉、船舶