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1、 第3章 工程结构钢 3.1 工程结构钢的基本要求 3.2低合金高强度结构钢的合金化 Me对力学性能焊接性能和耐大气腐蚀性的影响 3.3铁素体珠光体钢 3.4微珠光体低合金高强度钢 3.5针状铁素体钢 3.6低碳贝氏体和马氏体钢 3.7双相钢 工程结构钢是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。 低合金高强度钢是指在碳含量低于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。 按用途可分为结构钢、耐腐蚀钢
2、、低温用钢、耐 磨钢、钢筋钢、钢轨钢及其他专业用钢等（其它分类 方法见书） 高强度耐候厚壁冷 弯高频焊管用于东 方明珠塔 浦东国际机场候机 楼以及道路护栏 耐候钢用于体育馆-2012欧锦赛体育馆 镀锌C型钢用于上海大剧院屋架桁架 现代化大棚支架 3.1 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 有一定的环境使用温度（在-50100范围）； 受大气（海水）的侵蚀；有些构件受疲劳冲击； 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）
3、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。 3.2 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 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 固溶强化作用大，1%Mn，s33MPa。 约有3/4量溶入F中，（使A3 ）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NbAlV。 Re 脱氧去硫吸氢作用，改善塑韧性，TK 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。 最常用且较经济的元素。强化F
4、较显著， 1%Si，s85MPa，TK，量多时可大为 降低塑韧性，所以Si控制在1.1% Si 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 （a）强化机制的影响 （b）成分的影响 图 铁素体-珠光体钢的各种强化机制和成份对屈服强 度和韧-脆转折温度的影响 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。 Cu P 耐大气腐蚀性最有
5、效的元素。一般含量: 0.0250.25% Cu ，0.050.15 P 。 P，冷脆 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09CuP、09CuPCrNi-B 3.3 铁素体-珠光体钢 q 碳素工程结构钢 Q+最低屈服强度值+质量等级符号（A,B,C,D,E)+脱氧 方法符号：F-沸腾钢: 脱氧不完全 ；Z-镇静钢 :完全脱氧 ； b-半镇静钢 :脱氧较完全; TZ特殊镇静钢 按国标，碳素工程结构钢可依据s分类（共五级）： Q195 (无分级） Q215（A、B两级） 编号 Q235（A、B、C、D四级，区别P、S含量） Q255（A、B两级）
6、Q275 (无分级） q 碳素工程结构钢 3.3 铁素体-珠光体钢 q低合金高强度钢（屈服强度提高25%-100%） u 都是镇静钢或特殊镇静钢，其牌号中没有表示脱 氧的方法， 如Q345C u屈服点从300-650MPa分六个等级，也可采用两位 数字（表示平均 含碳量的万分之几）+化学元素符 号，如16Mn. 说明：通常情况下，屈服强度值小于300MPa为碳素结构钢，大于 300MPa为低合金高强度钢 3.3 铁素体-珠光体钢 我国发展的低合金高强度结构钢的化学成分和力学性能（GB/T1591-1994) 3.3 铁素体-珠光体钢 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
7、钢的强度也可达到800MPa 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、E五个等级。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： 1025片层状P+ 7590多边形F。 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 主要 特点 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。 具体 指标 采用形变诱导F相变，可把
8、F晶粒细化到2 -5m（碳钢）和12m（微合金钢）。碳 钢的s由200MPa提高到350400MPa；低 合金钢由350400MPa提高到600 700MPa。 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 3.4 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 对F-P钢, P量每10%，将使TK22。 油气管线用钢:C, 0.1%；为保证， 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
9、和晶粒细化钢性能。 Nb、V、Ti微合金化和控轧处理工艺。 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。 控制轧制和控制冷却的组织变化模式图 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 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
10、 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。 沉淀析出强化相主要是低温下析出的Nb(C，N)和VC。 Nb0.04%时，Gph；Nb0.04%时，ph 增量大大增加，而G保持不变。V引起析出强化增量 ph最显著，而Ti的作用处于Nb和V之间。 微合金元素对钢的屈服强度的影响 （G：晶粒细化的贡献Ph：析出强化的贡献） 3.5 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。 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
11、、Nb等 具有 高密度位错（1010cm2）亚结构的“针状F” 组织（超低碳B）。s 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。 3.6 低碳贝氏体和马氏体钢 低碳贝氏体钢是指含碳量为0.100.15%，使 用状态组织为B的钢。贝氏体钢通常是在轧制空 冷或控制冷却，直接获得B组织。 由于B的相变强化，低碳贝氏体钢与相同含碳 量的铁素体-珠光体型钢相比，具有更高的强度和 良好的韧度，屈服强度可达450980MPa . 主要 特点 合金元素是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: ? 0.5%左右Mo + 微
12、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 低碳贝氏体钢，屈服强度为490MPa级 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
13、作高强度紧固件。 3.7 双相钢 成分 主要成分为： 0.2%C，1.21.5%Si， 0.81.5%Mn，0.45%Cr，0.4%Mo， 少量V 、Nb、Ti。（质量分数） 组织 F+M组织，F基体上分布不连续岛 状混合型M（20%） 双相钢。 F中非常干净，C、N等间隙原子很 少；C和Me大部分在M中. 强度 MPa 双相钢 600 400 普通钢 200 10 20 30 40 应变 / % 双相钢和普通钢应力应变曲线的比较 性能 低s，且是连续屈服，无屈服平台和上、 下屈服；均匀塑变能力强，总延伸率较大， 冷加工性能好；加工硬化率n值大，成型后 s可达500700MPa。 应 用 冲压型双相钢主要是板材，广泛用 于各种容器和汽车冲压件。 非冲压双相钢有棒材、线材、钢筋 薄壁无缝钢管等产品。钢材经热轧后 控制冷却，得到F加M双相钢组织， 然后经冷拨、冷墩等工艺制成成品。 可用于汽车的大梁和滚型车轮，汽车 的前后保险杠、发动机悬置梁等，使 用双相钢可使汽车重量降低1030% 低合金高强度钢发展趋势 低碳超低碳0.06%甚至0.02% 高纯净化 微合金化技术 控轧和控冷工艺 超细晶粒化 自动化在线控制 在线生产系统 复合微合金化 净化钢中的有害杂质 组织微细化 计算机控制和性能预报
