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1、武汉理工大学 材料学院 School of Materials Science and Engineering, WUT,Chapter 2 工程结构钢,热轧钢板,2020/8/5,1,本章要点,工程结构钢基本要求(以船为例) 低合金高强度结构钢的合金化 铁素体-珠光体钢 微珠光体低合金高强度钢 针状铁素体钢 低碳贝氏体和马氏体钢 双相钢 新一代钢铁材料 低合金高强度钢发展趋势,2020/8/5,2,思路：,1、在低碳范围内提高碳含量，以提高强度。 2、添加合金元素提高强度。 3、热处理改变组织提高强度。 4、形变热处理细化组织提高强度。 5、在提高强度时一定要注意焊接性能和韧脆转变温度。,2
2、020/8/5,3,工程结构钢,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%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、低温用钢、耐磨钢、钢筋钢、钢轨钢、桥梁钢、船体钢、容器钢及其他专业用钢等,2020/8/5,4,低合金高强度钢,这是一类可焊接的低碳工程结构用钢。其含碳量通常小于0.25%，比普通碳素结构钢有较高的屈服强度 ，较好的冷热加工成型性，良好的焊
3、接性，较低的冷脆倾向、缺口和时效敏感性，以及有较好的抗大气、海水等腐蚀能力。其合金元素含量较低，一般在2.5%以下，在热轧状态或经简单的热处理（非调质状态）后使用。 高强度是针对低碳结构钢而言，实际上其含碳量低，合金元素含量低所以其强度不能和后面要介绍的钢相比较。,2020/8/5,5,碳素结构钢,现代化蔬菜棚,耐候Z型钢用于体育馆,2020/8/5,6,热轧态或正火态使用的低C钢; 组织 组织为F+P; B或M。空冷为何会有B或M？ C曲线的变化。 问题：低合金高强度钢热轧态或正火态使用的低C钢组织为F+P; B或M。 1、空冷为何会有B或M？ 2、若组织为F+P，当含碳量增加时会有什么变化
4、，性能如何？,2020/8/5,7,2.1 工程结构钢基本要求,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-50100范围内使用； 如：桥梁、船舶等受到风力或海浪冲击.,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。,2020/8/5,8,2.2 低合金高强度结构钢的合金化,Me对HSLA力学性能影响,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。
5、 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,最常用且较经济的元素。强化F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%,2020/8/5,9,2.2 低合金高强度结构钢的合金化,Me对HSLA力学性能影响,Mn,固溶强化作用大，1%Mn，s33MPa。 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，s，、AK， 综合效果TK。改善焊接性。 作用顺序:TiNbAlV。,2020/8
6、/5,10,2.2 低合金高强度结构钢的合金化,Me对HSLA力学性能影响,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。,2020/8/5,11,钢的韧脆转折温度与碳含量的关系,观看冲击试验视频,2020/8/5,12,工程结构钢的强化 固溶强化C, Mn, Si 细晶强化 Ti,Nb,V; 沉淀强化 V, Ti, Nb 珠光体含量 C 如何选择还要看工艺性能。不是一味 强调强化。 文章：为“鸟巢”量身定做的Q460,2020/8/5,13,鸟巢,2020/8/5,14,为“鸟巢”量身定做的Q460,2008年奥运会主体育
7、场“鸟巢”结构设计奇特新颖，而这次搭建它钢结构的Q460也有很多独到之处：这是国内在建筑结构上首次使用Q460规格的钢材；而这次使用的钢板厚度达到110毫米，是以前绝无仅有的。,2020/8/5,15,在种类繁多的钢材中，“鸟巢”为什么单单选中它作钢结构的材料？它的科研过程又是怎样的？带着诸多问题，记者来到为“鸟巢”研发生产Q460的河南舞阳钢铁公司一探究竟。 Q460是一种低合金高强度钢。Q300为界。 钢材在要求强度大的同时，用低合金冶炼也很重要，这主要是考虑钢材的可焊性。高合金的钢材虽然强度大，但可焊性差 。,2020/8/5,16,为了给“鸟巢”提供“合身”的Q460，从2004年9月
8、开始，舞钢的科研人员开始了长达半年多的攻关之路，前后3次试制方获成功。 2004年9月，第一次试制开始进行。首次试制的结果是除了强度不尽如人意外，其他各项指标全都合格。 在保证低碳当量的基础上，适当的增加了微合金元素的含量。,2020/8/5,17,改进工艺后，2005年的3、4月间，科研人员进行了第二次试制。这次试制，强度和其他指标达到了要求，但冲击韧性实验的结果却不能令人满意。 2005年的5月份，第三次试制实验开始，主攻方向是解决低温冲击韧性的问题。研究人员采取的办法是改进工艺、细化晶粒。 晶粒是钢材的组织或者成分，晶粒越细，钢材的韧性越好。细化的手段一个是降低轧制温度，另一个是增加压下
9、量。 通过改进工艺，终于使Q460达到了“鸟巢”的使用要求。2005年7月，为“鸟巢”准备的Q460开始批量生产，为奥运工程服务。,2020/8/5,18,2.2 低合金高强度结构钢的合金化,Me对焊接性和耐大气腐蚀性的影响,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
10、,2020/8/5,19,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）,产生 原因,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。,2020/8/5,20,思考题： 退火后的低C钢板一般在深冲前，先进行一次少量变形的平整加工，然后再进行深冲，为什么? 答：克服时效现象，不出现上下屈服点，深冲时板面平整度提高。,2020/8/5,21,2.3 铁素体-珠光体钢,碳素结构钢 Q+最低屈服强度
11、值(MPa)；+质量等级符号(A、B、C、D) +脱氧方法符号 如Q235AF、Q235BZ （质量等级为对S、P的控制） 一般以热轧空冷状态供应 还有冷轧成品供货，如冷轧薄板、冷拉钢丝、冷拔钢管,沸腾钢F；镇静钢Z； 半镇静钢b； 特殊镇静钢TZ,2020/8/5,22,质量等级分A、B、C、D、E，依次以A级质量较差，E级质量最高。质量等级为对S、P的控制。 工程中分别为： Q235A级，是不作冲击韧性试验要求； Q235B级，是作常温（20）冲击韧性试验； Q235C级，是作0冲击韧性试验； Q235D级，是作-20冲击韧性试验； Q235E级，是作-40冲击韧性试验。 冲击韧性试验采用
12、夏比V形缺口试件。冲击韧性指标为Akv。对上述B、C、D级钢在其各自不同温度要求下，都要求达到Akv27J。,2020/8/5,23,钢板,2020/8/5,24,图示：F+P 组织,2020/8/5,25,2.3 铁素体-珠光体钢,碳素结构钢（GB/T7001988）,2020/8/5,26,普通碳素结构钢的牌号、成分与用途(GB700-88),2020/8/5,27,普通碳素结构钢生活中应用,生活中：钉子、拉杆箱的拉杆、螺栓、螺母、螺钉、小轴。,2020/8/5,28,螺栓是否都要热处理,钢结构连接用螺栓性能等级分3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等
13、10余个等级，其中8.8级及以上螺栓材质为低碳合金钢或中碳钢并经热处理（淬火、回火），通称为高强度螺栓，其余通称为普通螺栓。 4.8级别 Q235（ A3 ），Q195等低碳钢 5.8级别 Q235以上所有材质都可以，不需要热处理 8.8级别 螺纹直径16mm以下，35# 调质热处理 16mm以上，45# 和低碳合金钢调质处理 只要达到抗拉强度等机械性能用什么材料都可以。,按工况要求选材和选择热处理。,2020/8/5,29,不合金化的铁素体-珠光体钢的屈服强度高低主要和含碳量有关，或者说和珠光体含量有关。 结合相图分析。,2020/8/5,30,2.3 铁素体-珠光体钢,低合金高强度结构钢（
14、屈服强度提高25%100%） 都是镇静钢或特殊镇静钢，其牌号中没有表示脱氧方法的符号。如Q345C 屈服点从300650MPa分为六级，也可采用两位阿拉伯数字（表示平均含碳量的万分之几）和化学元素符号，按顺序表示，如16Mn。,*说明：通常情况下，屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢。,2020/8/5,31,问题：低合金高强度结构钢比碳素结构钢 屈服强度提高25%100%的原因是什么？ 答：成分不同。锰料多。这是以合金化为目的添加元素。当然还有硅以及Ti，Nb，V，Al的作用。,2020/8/5,32,2.3 铁素体-珠光体钢,最新研究成果：如F晶粒尺寸
15、细化到级，则 F-P类低合金高强度钢的强度也可达到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： 1025片层状P+ 7590多边形F。,2020/8/5,33,钢种及用途 16Mn 产量最多，用量最广。屈服强度345MPa 15MnTi,16MnNb,15MnV，15MnVN 屈服强度：390MPa，利用低合金与微合金相结合。在建筑，石油，化工，铁道，桥梁，造船，机车，锅炉等应用广泛。 问题
16、：16MnNb和16Mn屈服强度有差别的原因。 答：微合金元素的碳化物和氮化物的析出强化。,2020/8/5,34,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600700MPa。,2020/8/5,35,2020/8/5,36,项目组在现代连续轧制条件下，在高速轧制发展过程中注意到了形变和相变的耦合，形成了形变诱导铁素体相变（DIFT）理论与控制技术和薄板坯连铸连轧流程生产超细晶钢的控制技术。,2020/8/5,37,形变诱导铁素体相变发生在奥氏体未再结晶区的较低温度范围（Ar3DIFTAD3）,与传统控轧控冷比较有以下发展： 1.是动态相变。相变主要发生在变形过程中； 2
