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1、钢铁材料学,2015年 11月,七、主要钢铁材料,钢与铁,一般将碳含量小于2.11%的Fe-C合金（可以含有其他合金元素）称为钢 碳含量大于2.11%的Fe-C合金（通常的碳含量为2.54.5%，一般均含Si，可以含有其他合金元素）则称为铸铁 铸铁熔点较低，生产相对简单，但杂质元素含量较高，性能较低（特别是塑韧性）,合金钢与非合金钢,钢的生产原料中含有且在冶炼过程中不能完全脱除的元素（有害元素及有益元素）以及冶炼过程中为了脱氧等目的而加入钢中且保留下来的元素称为常存元素，如Si、Mn、S、P、Al、Cu、N、H、O等 为提高钢的某种性能而在钢中有意加入的元素称为合金元素。钢中常存元素中若其主要
2、目的为提高钢材的某种性能且加入量超过一定限度也将成为合金元素 含有除C以外的合金元素的钢称为合金钢，不含C以外的合金元素的钢称为非合金钢,钢的质量分类,普通钢：S、P等杂质及残存元素含量的控制要求一般的钢。普通非合金钢中S不大于0.055%，P不大于0.045%；普通低合金钢中S、P含量按A、B、C、D、E质量等级分别为不大于0.045%、0.040%、0.035%、0.030%、0.025%；对其它杂质元素的含量也有明确的控制要求 优质钢： S、P等杂质及残存元素含量的控制要求较高的钢。优质非合金结构钢中S、P均不大于0.040%，优质非合金工具钢中S、P分别不大于0.030%、0.035%
3、 特殊质量钢：S、P等杂质及残存元素含量的控制要求很高的钢。如特殊质量非合金工具钢中要求S、P分别不大于0.020%、0.030%,钢中碳含量分类,碳是钢中最重要的合金元素，其含量对钢的强度、塑韧性有关键的影响，因而往往按钢中碳含量进行分类：低碳钢（C小于0.25%）、中碳钢（C0.250.6%）、高碳钢（C大于0.6%，常用0.61.2%） 超低碳钢：一般把碳含量低于0.05%的钢称为超低碳钢,钢铁的室温平衡组织分类,亚共析钢、共析钢、过共析钢、莱氏体钢 低碳钢中：铁素体珠光体钢、针状铁素体钢、贝氏体钢、少珠光体钢、无珠光体钢、无间隙原子钢（IF钢） 高合金钢中：铁素体钢、奥氏体钢、马氏体钢
4、、双相钢 共晶铸铁、亚共晶铸铁、过共晶铸铁 石墨（或渗碳体）状态：白口铁、灰口铁、可锻（团絮）铸铁、蠕墨铸铁、球墨铸铁,冶炼工艺分类,炼钢设备：转炉钢、电炉钢、平炉钢（现已不用） 精炼设备：电渣钢、双真空处理钢 钢水浇注前的脱氧程度：镇静钢、沸腾钢、半镇静钢,钢的用途与钢类,根据用途可分为结构钢、工具钢、特殊性能钢（不锈钢、焊条钢、电工钢等） 我国国家标准规定按用途可分为13类钢（一些用量很大的钢类还考虑了合金化、冶金质量、专门用途方面区分）：非合金结构钢、优质非合金结构钢、非合金工具钢、易切削钢、低合金高强度钢、合金结构钢、弹簧钢、滚动轴承钢、合金工具钢和高速工具钢、不锈钢和耐热钢、焊条钢、
5、电工用硅钢、电工用纯铁,钢材供货状态,热轧态 正火态 冷轧态 退火态 预硬化态,钢材形状类型,长形材：棒、线、丝、型（方、扁、角、槽、轨、工字、H、异等）、无缝管 扁平材：板（厚板、中板、薄板、涂层板、镀锌板、彩涂板）、带（宽带、窄带、超薄带即箔）、管（焊管、异型管） 经济发展程度低主要使用长形材，经济发展程度高以后大量采用扁平材,7.1、工程结构钢,工程结构用钢,工程结构用钢一般无需热处理（特殊情况下需要进行简单的热处理时也主要在钢厂进行），用量占总钢产量的70%左右，大多需要焊接 主要包括非合金结构钢和低合金高强度钢 通用钢号按屈服强度分级，Q295、Q345、Q390、Q420和Q460
6、共五个强度级别，每个强度级别又按冶金质量分为A、B、C、D、E五个质量等级，A级不做冲击试验，后4个等级分别做+20、0、-20 、-40冲击试验。,工程结构用钢,工程结构用钢主要采用屈服强度级别来表示，如Q295表示屈服强度大于295MPa的工程结构钢。对其合金元素含量一般并无限定性要求 低合金高强度钢可采用合金钢钢号表示方法，如16Mn 特殊用途的工程结构钢在钢号后加字母表示 某些专门用途的钢类则采用特定的表示方式，如X80表示屈服强度大于80psi(磅/平方英寸，1psi约等于7MPa) 某些特殊用途的工程结构钢采用拉伸强度级别表示，如汽车大梁钢510L表示拉伸强度大于510MPa,工程
7、结构用钢的主要性能要求,高强度，强度的提高可增大工程结构的承载能力，减小自重，具有重大的经济效益 高韧性，包括较高的冲击韧度和较低的冷脆转折温度，以保证在承受冲击载荷时不会发生脆性断裂而引发事故，同时保证在适当的低温下也不会发生脆性断裂 良好焊接性能，大部分工程结构钢制作构件时均需要焊接（特别是扁平材），需要保证焊接后钢材性能（强度和韧性）不会明显较低 特殊性能，如耐候性、耐火性、深冲性等,工程结构用钢的强化,由于间隙固溶强化造成钢材韧性的明显下降，故在工程结构用钢中一般不采用，即通常不进行热处理 大多数置换固溶元素的固溶强化是不经济的，故仅采用较为便宜的Mn、Si的固溶强化，某些情况下可采用
8、P固溶强化 晶粒细化是最重要的强化方式，提高强度的同时可提高韧性 尺寸在nm数量级的微合金碳氮化物的沉淀强化是重要的强化方式，且微合金碳氮化物对晶粒细化有重要作用 适当采用位错强化（但不采用剧烈冷加工强化）,工程结构用钢的韧化,强度与韧性是矛盾的，一般情况下提高强度的同时将降低韧性 晶粒细化是唯一的同时提高强度和韧性的方式，在工程结构用钢中广泛采用；以前的晶粒尺寸普遍为2040m(68级晶粒度)，现超细晶钢工业生产为5m左右，实验室已达1m以下 消除显著降低韧性的因素：低熔点金属、偏聚的杂质元素、大颗粒夹杂物、组织偏析、间隙固溶原子、珠光体 微合金碳氮化物的沉淀强化对韧性的损害不大,工程结构用
9、钢的焊接性,大部分工程结构用钢需要焊接 碳当量Ceq的经验公式为： 碳当量数值越大，被焊钢材的淬硬倾向越大，焊接时产生焊接裂纹的倾向也就越大 焊接冷裂纹敏感性系数Pcm的经验公式为：,晶粒细化强化,Hall-Petch关系式： 低碳钢中比例系数约为17.4MPamm1/2；高碳钢中约为22.3MPamm1/2。但晶粒超细化后比例系数将降低。 该类型关系式可用于抗拉强度、断裂强度等。,晶粒细化强化效果,ASTM 8级晶粒度相当于20m 的晶粒尺寸，约7 .07mm-1/2 。晶粒度级别增大2级，晶粒尺寸减小为一半， mm-1/2数增大为21/2倍 传统热轧钢材保证6级晶粒度，5mm-1/2 ，晶
10、粒细化强度增量87MPa 细晶粒钢材可达10m 左右的晶粒尺寸，10mm-1/2 ，晶粒细化强度增量174MPa 超细晶钢材可达5m 的晶粒尺寸，14.14mm-1/2 ，晶粒细化强度增量246MPa,超细晶钢是工程结构钢的主要发展方向,晶粒细化是唯一的使钢材强度提高而同时使韧性也提高的强化方式，钢材强度提高后还可适当降低碳含量因而可使钢材焊接性能也提高或至少不降低 细晶化使钢材强度级别提高2级左右，即由Q235提高到Q345；而超细晶钢则可进一步提高到Q390、Q420、Q460级别 我国超级钢（新一代钢铁材料）发展的重点就是细晶化或超细晶化,晶粒细化工艺,控制轧制技术：未再结晶控制轧制与再
11、结晶控制轧制 动态再结晶技术：道次变形量及形变速率的增大促进动态再结晶，促使再结晶晶粒在晶界面而不仅仅是在晶棱或晶隅形核 第二相控制晶粒长大 控制冷却（加速冷却）技术：初轧与精轧间快冷快速通过部分再结晶温度区、轧后快冷使铁素体相变温度压低。水幕或称穿水 形变诱导铁素体相变技术,第二相强化：Orowan机制下的强度增量,第二相体积方式很小时（f1/2远小于0.854/1.2） ： 钢铁材料中，G为80650 MPa，泊松比为0.291，b为0.24824nm， 可得：,第二相强化强度增量,高碳钢中渗碳体体积分数可高达15，平均尺寸1 m （1000nm），强度增量27.1MPa；最佳控制条件下平
12、均尺寸 100nm，强度增量191MPa 微合金钢中微合金碳氮化物体积分数仅为0.1，最佳控制条件下平均尺寸 2nm，强度增量228MPa ；若体积分数增加至0.28%，强度增量约410MPa。微合金钢工业化生产中通过微合金碳氮化物的沉淀强化一般可得到100MPa左右的强度增量,位错强化,加速冷却后得到具有较高位错密度的非平衡组织，可使钢材产生一定程度的位错强化作用。针状铁素体组织、贝氏体组织均具有适当的位错强化作用 位错强化后在很大程度上消耗了钢的塑性（均匀伸长率），故一般仅在具有良好塑性的低碳或超低碳钢中采用位错强化，工程结构钢中的针状铁素体钢的碳含量一般低于0.1%，而超低碳贝氏体钢的碳
13、含量一般低于0.05%,脆性矢量,强度必须有足够的韧性做保证才能充分发挥作用，但强度和韧性是一对矛盾，提高强度时一般均将使材料韧性下降。因此，强韧化原理必须包括韧性方面的考虑 低碳钢及低合金钢韧性的最主要指标是韧脆转变温度TC 每提高强度1MPa使韧脆转变温度TC升高的温度数称为该强化方式的脆性矢量,脆性矢量,脆性矢量,晶粒细化强化的脆性矢量为-0.67/MPa ，是唯一的在提高强度的同时提高材料韧性的强化方式，因而获得最广泛的重视 合金元素Al、Mn对晶粒细化有较好作用 沉淀强化，0.26/MPa ，相对较小 片层状渗碳体强化，1.07/MPa 位错强化，0.4/MPa 间隙固溶强化的C、N
14、，1.53、2.0/MPa 置换固溶强化P,3.53；Sn,1.13；Si,0.53；Cr、Mn,0 /MPa,建筑钢,用于制作各种建筑工程结构件的钢，包括钢筋钢、建筑钢板、建筑型材、建筑五金制品等。建筑工程用钢占钢产量的比例最大，一般在40%左右，我国2003年生产量及用量已超过1亿吨 建筑钢一般要求具有较高的刚性、一定的强度和良好的韧塑性以及焊接性，同时要求价格较为低廉。一般建筑钢多采用低碳非合金结构钢，对高层建筑或重要建筑则往往采用低合金高强度钢,钢筋钢,钢筋钢是最广泛应用的建筑钢，分光圆钢筋（线材、直条）和带肋钢筋（螺纹钢） 根据钢材的强度级别可分为、和级钢筋，其屈服强度和抗拉强度分别
15、为235/370、335/510、400/570、540/835MPa 目前已完全不生产级钢筋，基本淘汰级钢筋，主要推广和发展、级钢筋。高层建筑需要大量的高强度建筑钢材,超细晶粒钢筋淮阴钢铁公司,400MPa级非合金钢钢筋 Rel=505MPa, Rm=410MPa A=30%, Rel/Rm=0.82,吉隆坡双塔，高452m，88层,上海金茂，高421m，88层,纽约世茂，高417m，110层,香港中银，高369m，70层,钢结构建筑,建筑结构发展：洞穴草木土木砖混钢混钢结构 钢结构建筑是建筑业发展方向 大型标志性建筑、工业厂房、商业服务业用房、部分民用建筑等均将广泛采用钢结构加幕墙的方式
16、可建设大跨度大开间、建设周期短、使用寿命长、维护管理方便 发达国家钢结构建筑已超过钢混结构 砖混钢混结构主要采用长型材，而钢结构主要采用扁平材，发达国家建筑钢扁平材占比已达35%，我国仅为23%,北京奥运会“鸟巢”,北京动物园交通枢纽,北京国家大剧院,法国钢结构停车场,建筑用钢占钢材总消费的比例,建筑用钢 占钢材总消费的比例,建筑用钢占钢材总消费的比例,建筑用扁平材,钢结构主要采用： 中厚板 H型钢及大型角、槽、工字钢 管材 要求具有较高的强度韧性，良好的焊接性能，良好的耐候性和耐火性 面板主要采用： 薄板：涂镀板、镀锌板、彩涂板,中厚板生产,镀锌板生产、彩涂板生产,耐候钢,耐大气腐蚀钢，包括常规大气、海洋大气、特殊环境大气 减少维护成本、提高外观质量、提高使用寿命 主要在工程结构钢基础上添加适量的Cu、P、Cr、Ni、RE提高耐候性，我国重点发展的是Cu-P系及Cu-P-RE系 钢结构发展趋势为完全采用耐候钢，部分甚至采用不锈钢,耐火钢,大型钢结构建筑物发生难于扑灭的火灾时，需要有一定时间逃生及抢
