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1、 School of Materials Science and Engineering, WUTChapter 2 工程结构钢工程结构钢热轧钢板热轧钢板热轧钢板热轧钢板2022/5/81本章要点本章要点工程结构钢工程结构钢基本要求基本要求( (以船为例以船为例) )低合金高强度结构钢的低合金高强度结构钢的合金化合金化铁素体铁素体-珠光体钢珠光体钢微珠光体低合金高强度钢微珠光体低合金高强度钢针状铁素体钢针状铁素体钢低碳贝氏体和马氏体钢低碳贝氏体和马氏体钢双相钢双相钢新一代钢铁材料新一代钢铁材料低合金高强度钢发展趋势低合金高强度钢发展趋势2022/5/82思路：1、在低碳范围内提高碳含量，以提高
2、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。2022/5/83工程结构钢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，类钢种。在钢总产量中，工程结构钢占工程结构钢占9090左右。左右。工程结构钢包括工程结构钢包括碳素钢和低合金高强度钢碳素钢和低合金高强度钢。低合金高强度钢是指在低合金高强度钢是指在碳含量低于碳含量低于0.25%0.25%的普通碳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钢的基础上，通过添加一种或多种少量
3、合金元素（素（低于低于3%3%），使钢的强度明显高于碳素钢的一），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。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、耐按用途可分为结构钢、耐腐蚀钢、低温用钢、耐磨钢、磨钢、钢筋钢、钢轨钢、桥梁钢、船体钢、容器钢筋钢、钢轨钢、桥梁钢、船体钢、容器钢钢及其他专业用钢等及其他专业用钢等2022/5/84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
4、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。2022/5/85碳素结构钢现代化蔬菜棚现代化蔬菜棚耐候耐候Z Z型钢用于体育馆型钢用于体育馆2022/5/86l热轧态或正火态使用的低热轧态或正火态使用的低C C钢钢; ;v组织组织l组织为组织为F+P; BF+P; B或或MM。空冷为何会有空冷为何会有B B或或MM？lC C曲线的变化。曲线的变化。l问题：低合金高强度钢热轧态或正火态使用的低问题：低合金高强度钢热轧态或正火态使用的低C C钢组织为钢组织
5、为F+P; BF+P; B或或MM。l1 1、空冷为何会有空冷为何会有B B或或MM？l2 2、若组织为、若组织为F+PF+P，当含碳量增加时会有什么变化，当含碳量增加时会有什么变化，性能如何？性能如何？2022/5/872.1 2.1 工程结构钢基本要求工程结构钢基本要求 工程结构件长期受工程结构件长期受静载静载；互相无相对运动互相无相对运动受大气（海水）的侵蚀；受大气（海水）的侵蚀；有些构件受疲劳冲击；有些构件受疲劳冲击；一般在一般在-50100范围内使用；范围内使用；如：如：桥梁、船舶桥梁、船舶等受到风力或海浪冲击等受到风力或海浪冲击.服役服役条件条件生产生产工艺工艺 焊接焊接是构成金属
6、结构的常用方法；一般都要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、深冲等成型工艺经过如剪切、冲孔、热弯、深冲等成型工艺技术技术要求要求 1、足够的强度与韧度（特别是、足够的强度与韧度（特别是低温韧度低温韧度）；）； 2、良好的焊接性和成型工艺性；、良好的焊接性和成型工艺性； 3、良好的耐腐蚀性；、良好的耐腐蚀性； 4、低的成本。、低的成本。2022/5/882.2 2.2 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢的合金化的合金化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。固溶强化效果和珠光体含量，低成本。 C，塑、韧性，塑、韧性，焊接性、冷成型。焊接性、冷成型。
7、如如0.1%C，TK为为-50，0.3%C，TK为为50一般均应限制在一般均应限制在0.2%以下以下Si 最常用且较经济的元素。最常用且较经济的元素。强化强化F较显著较显著，1%Si，s85MPa，TK，量多时可大为，量多时可大为降低塑韧性，所以降低塑韧性，所以Si控制在控制在1.1%2022/5/892.2 2.2 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢的合金化的合金化Me对HSLA力学性能影响Mn 固溶强化作用大固溶强化作用大，1%Mn，s33MPa。约有约有3/4量溶入量溶入F中，弱的细晶作用，中，弱的细晶作用，TK。同样量多时可大为降低塑韧性同样量多时可大为降低塑韧性. 所以所以Mn控制
8、在控制在390390MPaMPa，利利用用低低合合金金与与微微合合金金相相结结合合。在在建建筑筑，石石油油，化化工工，铁铁道道，桥桥梁梁，造造船船，机车，锅炉等应用广泛。机车，锅炉等应用广泛。问题：问题：16MnNb16MnNb和和16Mn16Mn屈服强度有差别的原因。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。答：微合金元素的碳化物和氮化物的析出强化。2022/5/834低碳铁素体低碳铁素体/ /珠光体钢超细晶强韧化与控制技术珠光体钢超细晶强韧化与控制技术 20042004年度国家科学技术进步一等奖年度国家科学技术进步一等奖主要主要特点特点 超细晶粒、高洁净度、高均匀性超
9、细晶粒、高洁净度、高均匀性。生产生产节约能源和资源节约能源和资源，不用或少用不用或少用Me，改善改善环境，环境，成本成本，具有更高的经济效益。具有更高的经济效益。 如何形成如何形成微米级的超细晶微米级的超细晶是该项目的核心是该项目的核心技术和难点技术和难点。具体具体指标指标 采用采用形变诱导形变诱导F相变相变，可把，可把F晶粒细化到晶粒细化到2-5m（碳钢）和（碳钢）和12m（微合金钢）。（微合金钢）。碳钢的碳钢的s由由200MPa提高到提高到350400MPa；低合金钢由低合金钢由350400MPa提高到提高到600700MPa。2022/5/8352022/5/836项目组在现代连续轧制条
10、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。2022/5/837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.是形核为主的相变;3.相变和随后的动态再结晶相配合，产生了等轴、低位错密度的超细晶铁素体。因而比位错强化，析出强化或固溶强化具有高的韧性；4.研究了合金元素C、Mn、Nb、V、Ti在DIFT合金化的原理，为微合金化理论开辟了新的领域。5.在形变诱导铁素体相变理论研究成果的基础上
11、开发了生产应用的基础技术。把低碳铁素体/珠光体钢的强度提高了一倍并具有良好的韧性。2022/5/838该成果为钢铁工业的可持续发展和钢铁材料的可循环利用提供了广阔前景，还为今后新钢种、新工艺的研究开发提供了重要的理论和实践依据。文章：低碳钢先共析铁素体和形变诱导铁素体的相变机制、组织和性能王倩(1北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083；2钢铁研究总院结构材料研究所，北京100081)PDF文章2022/5/839微合金钢微合金钢1. 1. 概念概念利用微合金化元素利用微合金化元素Ti, Nb, VTi, Nb, V；主要依靠细晶强化和沉淀强化来提高强度；主要依靠细晶强化和沉淀强化来提
12、高强度；利用控制轧制和控制冷却工艺利用控制轧制和控制冷却工艺- - 高强度低合高强度低合金钢。金钢。2. 2. 微合金元素的作用微合金元素的作用 抑制奥氏体形变再结晶；（提高其温度）抑制奥氏体形变再结晶；（提高其温度） 阻止奥氏体晶粒长大；（没有固溶或固溶后析出）阻止奥氏体晶粒长大；（没有固溶或固溶后析出） 沉淀强化；（固溶后再析出）沉淀强化；（固溶后再析出） 改变与细化钢的组织。改变与细化钢的组织。2022/5/840 轧制方法轧制方法l 铌主要用来在高温形变时产生应变诱导析出相铌主要用来在高温形变时产生应变诱导析出相 Nb Nb（C C，N N），），细化奥氏体晶粒；细化奥氏体晶粒；l 钒
13、主要用来产生沉淀强化相钒主要用来产生沉淀强化相V V（C, NC, N）；）；l 目前微合金元素组合方法：目前微合金元素组合方法： 1 1）V-TiV-Ti法或法或V-Ti-N V-Ti-N 法法 2 2）Nb-VNb-V或或 V-Nb-TiV-Nb-Ti复合法复合法2022/5/841 低碳铁素体低碳铁素体/ /珠光珠光体钢超细晶钢材生体钢超细晶钢材生产工艺控制和不同产工艺控制和不同的制品的制品2022/5/8422.4 2.4 微珠光体低合金高强度钢微珠光体低合金高强度钢强化强化机理机理 对对F-P钢钢, P量每量每10%，将使，将使TK22。 油气管线用钢油气管线用钢:C, 0.1%；为
14、保证；为保证，就必须采用其它不损害或少损害焊接性和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。韧度的强化措施。 析出强化和晶粒细化析出强化和晶粒细化钢性能。钢性能。Nb、V、Ti微合金化和控轧处理工艺。微合金化和控轧处理工艺。问题：珠光体含量降低是由于含碳量降低，所以强度降低。如要提高强度可以从哪些方面考虑？2022/5/843控制轧制和控制冷却技术控制轧制和控制冷却技术 高温形变热处理高温形变热处理F F大幅度晶粒细化大幅度晶粒细化强度和韧度。强度和韧度。控制轧制和控制冷却的组织变化模式图控制轧制和控制冷却的组织变化模式图 图中轧制温图中轧制温度向右边降度向右边降低，上层表低，上层表
15、示奥氏体组示奥氏体组织变化，下织变化，下层表示奥氏层表示奥氏体开始相变体开始相变后组织及后组织及F F核的形成核的形成 2022/5/844图图 各种轧制程序模式图各种轧制程序模式图 CR：控制轧制：控制轧制 ；AcC:控制冷却控制冷却 2022/5/845 控制轧制与控制冷却控制轧制与控制冷却l控制轧制控制轧制 l主要由三个阶段组成：主要由三个阶段组成： 1 1）高温下的再结晶区变形；）高温下的再结晶区变形； 2 2）在紧靠在紧靠ArAr3 3以上的低温无再结晶区变形以上的低温无再结晶区变形； 3 3）在奥氏体和铁素体两相区变形）在奥氏体和铁素体两相区变形l钢坯的加热温度、保温时间、开轧温度
16、、轧制道次和道钢坯的加热温度、保温时间、开轧温度、轧制道次和道次变形量、终轧温度以及轧后冷却等参数，都极为重要。次变形量、终轧温度以及轧后冷却等参数，都极为重要。通过控制轧制过程中的各种参数，形成轧制工艺。通过控制轧制过程中的各种参数，形成轧制工艺。 l控制冷却控制冷却 主要在相变后的卷取过程主要在相变后的卷取过程。2022/5/846控制轧制在奥氏体再结晶区控制轧制在奥氏体再结晶温度以上的温度范围（950）内进行轧制,使再结晶和变形交替进行，以细化奥氏体晶粒。细化的奥氏体变成的铁素体，其晶粒也是细化的，从而也就提高了钢的韧性。在奥氏体未再结晶区控制轧制在奥氏体再结晶开始温度到Ar3以上进行轧制，其目的是使奥氏体晶粒拉长，同时在晶内形成大量变形带，增加奥氏体向铁素体转变时的晶核生成能，获得极其细小的铁素体晶粒，以提高钢的韧性，并在钢中形成铌的碳化物和氮化物，以抑制再结晶。在奥氏体和铁素体两相区控制轧制在奥氏体和铁素体两相区温度范围内(Ar3以下)进行轧制时,伴随着加工硬化和珠光体析出的硬化而提高了钢的强度，降低韧性脆性转变温度。但是由于产生了织构(见择优取向)，板厚方向的强度和冲击韧性
