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1、低结构钢合金高强度第1页，共27页，编辑于2022年，星期四项目七：工程结构件的选材及应用项目七：工程结构件的选材及应用第2页，共27页，编辑于2022年，星期四工程结构钢工程结构钢 是指专门用来制造工程结是指专门用来制造工程结构件的一大类钢种构件的一大类钢种.在钢总产量中，工程在钢总产量中，工程结构钢占结构钢占90左右。工程结构钢包括碳素左右。工程结构钢包括碳素钢和低合金高强度钢。钢和低合金高强度钢。低合金高强度钢低合金高强度钢 是指在碳含量低于是指在碳含量低于0.25%（质量分数，下同）的普通碳素钢（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的基础上，通过添加一种或多
2、种少量合金元素（低于元素（低于3%），使钢的强度明显高于），使钢的强度明显高于碳素钢的一类工程结构用钢，统称低合金碳素钢的一类工程结构用钢，统称低合金高强度钢。高强度钢。第3页，共27页，编辑于2022年，星期四按钢的用途可分按钢的用途可分：钢轨钢及其他专业用钢钢轨钢及其他专业用钢结构钢结构钢耐腐蚀钢耐腐蚀钢低温用钢低温用钢钢筋钢钢筋钢耐磨钢耐磨钢第4页，共27页，编辑于2022年，星期四2.1 工程结构钢的基本要求工程结构钢的基本要求 工程结构件长期受静载；工程结构件长期受静载；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
3、般在一般在-50100范围内使用；范围内使用；如：桥梁、船舶等受到像风力或海浪冲击如：桥梁、船舶等受到像风力或海浪冲击.服役服役条件条件生产生产工艺工艺 焊接是构成金属结构的常用方法；一般都要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（特别是低温韧度）；、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；、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。第5页，共27页，编辑于2022年，星期四2.2 低合金高强度结构钢的合金化
4、低合金高强度结构钢的合金化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。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。强化最常用且较经济的元素。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%1 1、MeMe对低合金高强度钢力学性能的影响对低合金高强度钢力学性能的影响第6页，共27页，编辑于2022年，星期四Mn 固溶强化作用大，固溶强化作用大，1
5、%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控制在控制在 NbAlV。Re 脱氧去硫吸氢作用，改善脱氧去硫吸氢作用，改善塑韧性，塑韧性，TK 所以，低合金高强度钢的基本成分应考虑低碳，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。稍高的锰含量，并适当用硅强化。第7页，共27页，编辑于2022年，星期四 合金元素对低合金高强度合金元素对低合金高强度钢的固溶强化钢的固溶强化 钢的韧脆转折温度与碳含量的钢的韧脆转折温度与碳含量的关系关系 第8页，共27页，编辑于
6、2022年，星期四（a）强化机制的影响图）强化机制的影响图 （b）成分的影响）成分的影响图图 铁素体铁素体-珠光体钢的各种强化机制和成份对屈服强珠光体钢的各种强化机制和成份对屈服强 度和韧度和韧-脆转折温度的影响脆转折温度的影响 第9页，共27页，编辑于2022年，星期四2 2、MeMe对焊接性和耐大气腐蚀性的影响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。性，没有裂纹及各种缺陷。控制控
7、制C C 焊缝处硬化与脆化倾向焊缝处硬化与脆化倾向，焊接裂，焊接裂纹纹。提高淬透性的。提高淬透性的Me种类及其数量也应适种类及其数量也应适当控制，如当控制，如Cr、Mn、Mo、Ni等。等。CuP 耐大气腐蚀性最有效耐大气腐蚀性最有效的元素。的元素。一般一般含量含量:0.0250.25%Cu，0.050.15 P。P，冷脆，冷脆和时效倾向增加。和时效倾向增加。用用Al脱氧脱氧 细晶粒钢。细晶粒钢。复合加入适量元素，则复合加入适量元素，则钢耐蚀性效果更佳。钢耐蚀性效果更佳。如如090CuPCrNi-A、09CuP、09CuPCrNi-B第10页，共27页，编辑于2022年，星期四时效时效现象现象
8、低碳工程构件经加工或高温冷却后，在室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。（淬火时效和机械时发生明显变化的现象。（淬火时效和机械时效）效）产生产生原因原因 C、N等间隙等间隙原子偏聚原子偏聚或内吸附于或内吸附于位错等晶体缺陷处。提高硬度、降低位错等晶体缺陷处。提高硬度、降低塑性和韧度。如：某钢板刚变形时，塑性和韧度。如：某钢板刚变形时，AK120J，十天后降为，十天后降为35J；焊接钢板；焊接钢板在三个月后由在三个月后由92J降为降为33J。当然桥梁、船舶等突然断裂的原因很多。例如：共振、应力波等当然
9、桥梁、船舶等突然断裂的原因很多。例如：共振、应力波等第11页，共27页，编辑于2022年，星期四2.3 铁素体铁素体-珠光体钢珠光体钢 最新研究成果：如最新研究成果：如F晶粒尺寸细化到晶粒尺寸细化到级，则级，则F-P类低合金高强度钢的强度也可类低合金高强度钢的强度也可达到达到800MPa F-P类型是工程结构钢中最主要的一类钢。有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。根五个牌号。根据质量要求分为据质量要求分为A、B、C、D四个等级。四个等级。A、B级级为普通质量级；为普通质量级；C级为优质级；级为优质级；D级和级和E级为特殊级为特殊质量级
10、，有低温冲击韧性要求。质量级，有低温冲击韧性要求。组织：组织：1025片层状片层状P+7590多边形多边形F。第12页，共27页，编辑于2022年，星期四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，改善环境，改善环境，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技是该项目的核心技术和难点
11、术和难点。具体具体指标指标 采用形变诱导采用形变诱导F相变，可把相变，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）。碳（微合金钢）。碳钢的钢的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。第13页，共27页，编辑于2022年，星期四低碳铁素体/珠光体钢超细晶钢材生产工艺控制和不同的制品第14页，共27页，编辑于2022年，星期四2.4 微珠光体低合金高强度钢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
12、温韧度和强度等综合性能。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管线用钢发展为微P P低合金高强度钢。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。第15页，共2
13、7页，编辑于2022年，星期四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FF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 图中轧制温度图中轧制温度向右边降低，向右边降低，上层表示奥氏上层表示奥氏体组织变化，体组织变化，下层表示奥氏下层表示奥氏体开始相变后体开始相变后组织及组织及F F核的核的形成形成 第16页，共27页，编辑于2022年，星期四3 3、微合金元素的作用、微合金元素的作用 Nb、V、Ti单元或复合是常用的，其作用主要单元或复合是常用的，其作用主要有细化晶粒组织和析出有细化晶
14、粒组织和析出强化。微合金元素细化钢强化。微合金元素细化钢晶粒主要通过以下两种方式：晶粒主要通过以下两种方式：（1 1）阻止加热时奥氏体晶粒长大）阻止加热时奥氏体晶粒长大 （2 2）抑制奥氏体形变再结晶）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。但应变动态析出使晶粒回复粗大。但应变动态析出Nb、V、Ti的的碳氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上起钉轧碳氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上起钉轧作用，有效地阻止奥氏体再结晶时晶界和位错的作用，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。运动，从而抑制奥氏体形
15、变再结晶。第17页，共27页，编辑于2022年，星期四2.5 针状铁素体钢针状铁素体钢 对于一些强度、焊接性、低温冲击韧性等要对于一些强度、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求更高的场合，还必须采用针状铁素体低合金高强度钢。高强度钢。针状铁素体（针状铁素体（acicular ferrite，简写，简写AF）钢实际上属于超低碳贝氏体钢。钢实际上属于超低碳贝氏体钢。0.06C+适量适量Mn、Mo、Nb等等 具有具有高密度位错（高密度位错（1010cm2）亚结构的）亚结构的“针状针状F”组织（超低碳组织（超低碳B）。）。s 达达700800MPa，低，低温冲击韧性、焊接
16、性更好温冲击韧性、焊接性更好.用于现场焊接条件及其寒冷地带管线。被用于现场焊接条件及其寒冷地带管线。被称为称为21世纪的控轧钢。世纪的控轧钢。基本基本特点特点第18页，共27页，编辑于2022年，星期四2.6 低碳贝氏体和马氏体钢低碳贝氏体和马氏体钢 低碳贝氏体钢是指含碳量为低碳贝氏体钢是指含碳量为0.100.15%，使，使用状态组织为用状态组织为B的钢。贝氏体钢通常是在轧制空的钢。贝氏体钢通常是在轧制空冷或控制冷却，直接获得冷或控制冷却，直接获得B组织。组织。由于由于B的相变强化，低碳贝氏体钢与相同含碳的相变强化，低碳贝氏体钢与相同含碳量的铁素体量的铁素体-珠光体型钢相比，具有更高的强度和珠
17、光体型钢相比，具有更高的强度和良好的韧度，屈服强度可达良好的韧度，屈服强度可达450980MPa.第19页，共27页，编辑于2022年，星期四主要主要特点特点 合金元素是保证在较宽的冷速范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围内获得以贝氏体为主的组织成分特点成分特点:?0.5%左右左右Mo+微量微量B（0.005%）+Mn、Cr、Ni等等+Nb、Ti、V 主要用于制造容器的板材和其他主要用于制造容器的板材和其他钢结构。钢结构。14MnMoV和和14MnMoVBRE钢是我国发展的钢是我国发展的低碳贝氏体钢，屈服强度为低碳贝氏体钢，屈服强度为490MPa级级第20页，共27页，编
18、辑于2022年，星期四低碳马氏体钢低碳马氏体钢 工程机械上相对运动部件和低温下使用部件，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。要求有更高的强度和良好的韧性。0.16%C，加入，加入Mo、Nb、V、B及控制及控制Mn或或Cr与之与之配合配合 淬火回火处理组织为低碳回火马氏体。淬火回火处理组织为低碳回火马氏体。BHS-1钢的成分为钢的成分为0.10C-1.80Mn-0.45Mo-0.05Nb。锻轧后空冷或直接淬火并自回火。锻轧后空冷或直接淬火并自回火。达到合金调质钢调质达到合金调质钢调质后的性能水平。后的性能水平。制造汽车的轮臂托架、操纵杆、车轴、转向联动节和制造汽
19、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、冷拨及制作高强度紧固件。拉杆等，也可用于冷墩、冷拨及制作高强度紧固件。第21页，共27页，编辑于2022年，星期四第22页，共27页，编辑于2022年，星期四低合金高强度钢发展趋势低合金高强度钢发展趋势 低碳超低碳低碳超低碳0.06%甚至甚至0.02%高纯净化高纯净化微合金化技术微合金化技术控轧和控冷工艺控轧和控冷工艺超细晶粒化超细晶粒化自动化在线控制自动化在线控制在线生产系统在线生产系统复合微合金化复合微合金化净化钢中的有害杂质净化钢中的有害杂质组织微细化组织微细化计算机控制和性能预报计算机控制和性能预报 第23页，共27页，编辑
20、于2022年，星期四采用超级钢概念及技术构造的超级结构示意图采用超级钢概念及技术构造的超级结构示意图第24页，共27页，编辑于2022年，星期四第25页，共27页，编辑于2022年，星期四 小小 结结 在微合金化成分设计的基础上，正确的控轧和在微合金化成分设计的基础上，正确的控轧和控冷工艺是关键因素。组织变化是在控冷工艺是关键因素。组织变化是在T-t-P三元处三元处理过程中动态地进行的，从而获得了优异的复合理过程中动态地进行的，从而获得了优异的复合强化。这是对传统强化。这是对传统T-t二元处理的一个突破，从而二元处理的一个突破，从而对钢的各种强化机制也有了新的认识与发展对钢的各种强化机制也有了新的认识与发展 Ti、Nb、V等元素在控轧和控冷工艺过程的各等元素在控轧和控冷工艺过程的各个环节中起了重要作用。合适的量及其它们的复个环节中起了重要作用。合适的量及其它们的复合加入使各强化机制得到了最佳的发挥合加入使各强化机制得到了最佳的发挥第26页，共27页，编辑于2022年，星期四作业：1常用石油管线钢的牌号、成分、组织特点、性能。2工程结构钢微合金元素的主要作用。第27页，共27页，编辑于2022年，星期四