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1、,第2章 工程结构钢,本章主要内容 碳素结构钢 （重点掌握） 低合金高强度（重点掌握） 具有特殊用途的低合金高强度钢 微合金化低合金高强度钢 工程构件用钢的研究发展趋势,概 述,1. 工程结构钢的用途,如建筑、桥梁、船舶、钢轨、车辆、石油、化工、电站、锅炉、压力容器等，应用范围很广。,工程结构钢：用于制造各种大型金属结构的钢材。工程结构钢 占钢总产量90%左右。,一般进行焊接，不需热处理；特殊要求时在钢厂进行正火、调质处理；可靠性要求高时，焊后现场进行整体或局部去应力退火。,大部分以钢板或型钢供货。, 1889年为庆祝法国大革命100周年，巴黎举办大型国际博览会时建造， 是博览会上最引人注目的
2、展品，成为当时席卷世界的工业革命的象征。 1887年1月28日开工，1889年3月31日大功告成。金属制件有1.8万多个，重达7000吨，施工时共钻孔700万个，使用铆钉250万个。 设计者是法国建筑师居斯塔夫埃菲尔，早年以旱桥专家而闻名。一生中杰作累累，遍布世界，但使他名扬四海的还是这座铁塔。用他自己的话说：埃菲尔铁塔“把我淹没了，好像我一生只是建造了她”,钢铁巨人 埃菲尔铁塔（1889年建） 高300米， 重7000吨,南京长江大桥（1968年建）, 1960年1月18日开工，1968年9月铁路桥通车，同年12月公路桥通。正桥长1577米，铁路桥长6772米，公路桥长4589米，桥塔高70
3、米。工程造价2.87亿元。 采用优质合金钢杆件在现场铆接拼装架设。 是新中国第一座依靠自己的力量设计施工建造而成的铁路、公路两用桥， 它的建成开创了我国“自力更生”建设大型桥梁的新纪元。,概 述,长期承受静载荷，偶尔有动载荷，互相无相对运动；受大气或海水的侵蚀；某些构件受疲劳冲击；如桥梁、船舶等受风力或海浪冲击。 一般在-50100范围内使用；,3. 工程构件的性能要求,有足够的强度与韧性（低的韧脆转变温度）；,有良好的焊接性能和成型工艺性能；,有良好的耐大气腐蚀性能和耐海水腐蚀性能。,生产工艺：常用：焊接；一般都要经过如剪切、冲孔、热弯、 深冲等成型工艺。,2.工程构件的服役条件,4. 工程
4、构件用钢的发展历程,铆钉连接，设计依据是b，C%较高，约为0.3，热轧态供货。,焊接连接， C% ； 为保持强度， Mn% 。,焊接构件的脆性断裂，韧性、韧脆转变温度的重要性，C% 但Mn量仍保持较高水平。,利用AlN细化晶粒提高强韧性。 s从225MPa提高到300MPa，韧转温度降到0以下。,如：0.3%C降低到0.1%，韧脆转变温度由50降低到-50 。,概 述,4. 工程构件用钢的发展历程,保持低C、高Mn、细化晶粒条件，利用NbC、VC、TiC析出强化进一步 s 。但终轧温度高，晶粒粗化，冲击韧性较差。,开发了控制轧制和控制冷却技术，解决晶粒粗化问题。 细晶、析出强化，s提高到450
5、525MPa，韧转温度降到-80 。这类钢称为微合金化、控轧、低碳、低合金高强度钢，简称微合金化钢。,在钢中加入微量的Zr、稀土元素、Ca等，改变夹杂物形态，减少轧制钢材的各向异性，改善其成型性。,概 述,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、钢轨钢及其他专业用钢等。,耐候Z型钢用于体育馆,浦东国际机场候机楼及道路护栏,客车及农业机械,现代化蔬菜棚,高强度耐候厚壁冷弯高频焊
6、管用于东方明珠塔,镀锌C型钢用于上海大剧院屋架椼架,第一节 碳素结构钢,碳素结构钢，用量很大，约占钢产量的70%，大部分用作结构件，如工字钢、槽钢、角钢、钢板、钢管及各种型材，少量用于制造机器零件和其它制品。,碳素结构钢易于冶炼和轧制，价格低廉，有足够的强度，良好的塑性和韧性，且易于成型和焊接。,碳素钢含碳量一般在0.2%以下，常以热轧态供货，一般不再进行热处理。,第一节 碳素结构钢,一、碳素结构钢的牌号、化学成分及力学性能,在国标GB700-1988中，碳素结构钢按屈服强度的下限值分为Q195、Q215、Q235、Q255、Q275，其化学成分和力学性能可参阅相关资料。,表2-1 碳素结构钢
7、的牌号、化学成分及用途(GB700-1988),表2-2 碳素结构钢的力学性能,第一节 碳素结构钢,二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响,碳钢以Fe、C为主，还有Mn、Si、S、P及N、H、 O常存元素。,第一节 碳素结构钢,二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响,1、碳,C%，强度，硬度， 塑性、韧性。,第一节 碳素结构钢,二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响,2、锰,锰是炼钢时用锰铁脱氧、脱硫残存在钢中的元素，或由生铁残存下来。 锰的作用： 锰脱氧能力很强,可把钢水中的FeO还原为Fe Mn与S结合力强，形成MnS夹杂物，降低S的有害影响 剩余的大量Mn固溶于F中，起
8、到固溶强化作用。 少部分则溶于Fe3C中，形成合金渗碳体。 可以增加P含量，并能细化晶粒，使钢具有更好的综合机械性能，显著提高钢的强度。 由于Mn具有较多的有益影响，一般看作是有益元素，但其含量不能太高，通常小于0.8%。,第一节 碳素结构钢,二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响,3、硅,硅的影响与锰相似，也是作为脱氧剂加入而残留在钢中，或由生铁残存下来。 硅的作用： Si的脱氧能力比Mn强，能更好地将FeO还原。 剩余Si绝大部分固溶于F中，起固溶强化作用。 少部分则存在于硅酸盐夹杂中，会降低钢的性能。 总的来说，Si也是一种有益的杂质元素，其含量通常小于0.5%。,第一节 碳素结构
9、钢,二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响,4、硫,硫是由原料带入、无法除尽的杂质 硫的作用： S难溶于固态Fe，与Fe形成FeS (1190) ， FeS又与-Fe形成熔点更低（989）的共晶体(FeS+Fe),并分布在A晶界上。在热加工（轧制、锻造）时共晶体熔化，沿晶界碎裂，引起钢的热脆（红脆）。,第一节 碳素结构钢,二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响,4、硫, Mn S的有害作用， Mn与S优先形成高熔点MnS(1620), MnS在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆。, S是钢中有害元素（易削钢除外），在优质钢中规定其含量0.04%；而在普通碳素钢 中也限制S含量0
10、.055% 。, S对钢的焊接性能有不良影响，容易导致焊缝热裂，且易于氧化生成气体，致使焊缝中出现气孔和疏松。,第一节 碳素结构钢,二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响,4、硫 S虽然有害，但能改善钢的切削加工性，钢中S%达到一定数值(0.18%0.3%)后，使切削变脆易断。获得较高的表面光洁度，且MnS有一定的润滑作用，可减少刀具与工件表面的磨损，延长刀具寿命，这种含S高的钢称为“易削钢”。“易削钢”主要用在自动机床上加工批量大、要求光洁度较好而受力不大的零件。如螺钉、螺母等各种标准件和一般小零件等。,1912年4月14日，当年最为豪华、号称永不沉没的泰坦尼克号首航沉没于冰海，成了2
11、0世纪令人难以忘怀的悲惨海难。耗资两亿五千万美金的影史巨片“TITANIC” 带领世人重新审视了这文明史上的大灾难。1985年以后，探险家们数次深潜到12,612英尺深的海底研究沉船，起出遗物。1995年2月美国科学大众（Popular Science）杂志发表了R Gannon 的文章，标题是What Really Sank The Titanic，副标题是“为什么不会沉没的船在撞上一个冰山后3小时就沉没了？一项新的科学研究回答了80年未解之谜”。,作者出示了两个冲击试验结果。左边的试样取自海底的Titanic号，右边的是近代船用钢板的冲击试样。由于早年的Titanic 号采用了含硫高的钢板
12、，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。,Gannon 的文章指出，在水线上下都由10 张30 英尺长的高含硫量脆性钢板焊接成300英尺的船体。船体上可见长长的焊缝。船在冰水中撞击冰山而裂开时，脆性的焊缝无异于一条300英尺长的大拉链，使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。这是钢材韧性与人身安全的一个突出例证。,第一节 碳素结构钢,二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响,5、磷,炼钢时由生铁带入钢中的不能除尽的有害元素. 磷的作用： P固溶于F中，起固溶强化作用，使强度、硬度显著 。 急剧室温下钢的塑性、韧性，使
13、钢变脆，在低温更严重，与S产生“热脆”相对应，称为“冷脆”。 Fe-P合金结晶范围很宽，因此P具有严重的偏析倾向。 在易削钢中，把 P%提高到0.08%0.15%，使F适当脆化，提高钢的切削加工性。 P提高钢在大气中的抗腐蚀性，尤其是同时含Cu的情况下，其作用更加显著，普通质量钢中P%0.04%0.05%。,第一节 碳素结构钢,二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响,6.氮,氮是炼钢过程中从周围气氛中被吸入的气体。,590时N在-Fe中溶解度最大，约为0.1%，而室温则降到0.001%以下，溶解度随温度降低急剧降低，快速冷却时N来不及析出。若经冷变形后在室温放置或稍微加热时，从F中沉淀出
14、极微细的氮化物质点，使钢的强度提高，塑韧性下降，称为机械时效或应变时效。对低碳钢性能不利。 当低C钢中存在V、Nb、Ti等而形成N化物时，有细化晶粒和沉淀强化的效果，是钢中的微合金化元素。,第一节 碳素结构钢,二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响,7.氢,冶炼过程中从潮湿的空气或含水炉料带入钢液中。,钢中H含量一般很少，危害很大，表现为两个方面： 一是溶入钢中后引起“氢脆”，使钢的塑性 ，脆性 。 二是导致钢件内产生大量的细微裂纹缺陷白点，使显著 ，k 更多，几乎为0。具有白点的钢件一般不能使用。,第一节 碳素结构钢,二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响,8. 氧,在炼钢过程中
15、脱氧不完全，氧残留在钢中。,氧在钢中几乎全部以氧化物的形式存在，如FeO、Fe2O3、SiO2、MnO、Al2O3、CaO、MgO 等，并且往往形成复合氧化物或硅酸盐，会使钢的性能下降。,时效现象：,所谓时效，即钢的力学性能和物理性能随着时间而发生变化，可以发生在室温或稍高于室温的较低温度下。 低碳钢的时效分为淬火时效和应变时效两种。,第一节 碳素结构钢,三、低碳钢的时效,产生原因：在室温放置的过程中，过饱和固溶体不稳定；而且C、N原子发生扩散，并在晶界或晶内的缺陷处聚集，阻碍位错的运动，产生时效硬化，使钢的强度、硬度增大，而塑性、韧性降低。,淬火时效：又称热时效，钢加热到高温（A1以上或以下
16、）快冷以后，在室温附近性能随时间而发生变化。例如，焊接的钢板焊缝，在三个月后，其冲击韧性值由原来的91 J/cm2降低到33J/cm2。曾发生过船舶和桥梁因时效而出现突然断裂的事故。,应变时效：是钢在冷加工塑性变形以后，钢的性能随时间而发生变化。例如，一种锅炉用钢板，在冷塑性变形后，其冲击韧性为120Jcm2，而放置十天之后下降到35Jcm2。,第一节 碳素结构钢,三、低碳钢的时效,产生原因：C、N都能引起应变时效，但N的影响更大一些。应变时效的原因是由于冷塑性变形降低了C、N在-Fe中的溶解度。室温下N的溶解度比C要高得多，同时N原子半径（0.071nm）比C原子小（0.077nm），其扩散速度较快，所以N对应变时效的影响比较大。塑性变形时位错数量大量增加，C、N原子能经过短距离扩散聚集在位错附近，形成气团，使硬度增加。,
