工程构件用合金结构钢培训课件.ppt

Chapter 2 工程构件用合金结构钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,主要内容,第一节 低合金高强度结构钢,第二节 微合金化钢,第三节 低碳贝氏体型钢 针状铁素体型钢 铁素体-马氏体双相钢,第四节 新一代钢铁材料,重点与难点：工程结构件用钢的力学性能特点、耐大气腐蚀性及微量合金元素的作用。,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,教学要求,基本要求：了解工程结构件用钢的力学性能特点、耐大气腐蚀性及加工工艺性能；熟悉常用碳素构件用钢和低合金构件用钢。,一、应用背景 工程构件用合金结构钢是在普通碳素结构钢的基础上发展起来的，主要用于制造各种大型金属结构（如桥梁、船舶、屋架、锅炉及压力容器等）的钢材。,2.0 引 言,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,二、工程构件的服役特点 不作相对运动，长期承受静载荷作用； 有一定的使用温度和环境要求： 如寒冷的北方，构件在承载的同时，还要长期经受低温的作用； 桥梁或船舶则长期经受大气或海水的浸蚀； 电站锅炉构件的使用温度则可达到250以上。,2.0 引言,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,三、力学性能要求 一是弹性模量大，以保证构件有更好的刚度； 二是有足够的抗塑性变形及抗破断的能力，即s和b较高，而和较好； 三是缺口敏感性及冷脆倾向性较小等； 四是要求具有一定的耐大气腐蚀及海水腐蚀性能。,2.0 引言,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,四、工艺性能要求 良好的冷变形性能； 良好的焊接性能。,2.0 引言,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,力学性能为辅,工艺性能为主,五、成分设计要求 低碳（wC%0.25%）； 加入适量的合金元素提高强度: (1)当合金元素含量较低时，如低合金高强度结构钢和微合金化钢，其基体组织是大量的铁素体和少量的珠光体； (2)当合金元素中含量较多时，基体组织可变为贝氏体、针状铁素体或马氏体组织。,2.0 引言,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,六、供货状态 大部分构件通常是在热轧空冷（正火）状态下使用； 有时也在回火状态下使用。,2.0 引言,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,鞍钢1700精轧机组现场图,2.1 低合金高强度结构钢,一、低合金高强度结构钢 也称为普通低合金钢（简称普低钢），这类钢是为了适应大型工程结构（如大型桥梁、大型压力容器及大型船舶等）、减轻结构重量、提高使用的可靠性及节约钢材的需要而发展起来的。,2.0 引言,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,二、普通低合金高强度结构钢的化学成分特点 （1）低碳，这类钢中碳的质量分数一般小于0.2%，主要是为了获得较好的塑性、韧性、焊接性能。 （2）主加合金元素主要是Mn，很少加Cr和Ni，是经济性能较好的钢种。,2.1 低合金高强度结构钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,Mn能细化珠光体和铁素体晶粒； Mn的含量在1%1.5%范围内可促进铁素体在形变时发生交滑移，使112111滑移系在低温下仍其作用，同时，锰还使三次渗碳体难于在铁素体晶界析出，减少了晶界的裂纹源，这也将改善钢的冲击韧性； Mn的加入还可使Fe-Fe3C相图中的S点左移，使基体中珠光体数量增多，致使强度不断提高。,2.1 低合金高强度结构钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,（3）辅加合金元素Al、V、Ti、Nb等，既可产生沉淀强化作用，还可细化晶粒，从而使强韧性得以改善。 （4）加入一定量的Cu和P，改善这类钢的耐大气腐蚀性能。 Cu元素沉积在钢的表面，具有正电位，成为附加阴极，使钢在很小的阳极电流下达到钝化状态。 P在钢中可以起固溶强化的作用，也可以提高耐蚀性能； Ni和Cr都能促进钢的钝化，减少电化学腐蚀； 加入微量的稀土金属也有良好的效果。,2.1 低合金高强度结构钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,（5）加入微量稀土元素可以脱硫去气，净化钢材，并改善夹杂物的形态与分布，从而改善钢的力学性能和工艺性能。,2.1 低合金高强度结构钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,总之，普通低合金高强度结构钢合金化的思路是：低碳，以Mn为基础，适当加入Al、V、Ti、Nb、Cu、P及稀土等合金元素。,我国低合金高强度结构钢的牌号是按屈服强度的高低来分类的，共5个级别，21个钢种。 我国低合金高强度结构钢的化学成分、力学性能和特性及用途分别如表2-1、表2-3所示。,2.1 低合金高强度结构钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,一、微合金化钢是70年代在低合金高强度结构钢基础上发展起来的一大类高强度低合金钢。 其化学成分特点是加入适量的微合金化合金元素，如钛、铌、钒等； 其工艺特点是运用控制轧制和控制冷却生产工艺。 通过化学成分和制备工艺的最佳配合达到了铁素体型钢的最佳强化效果，即细化晶粒强化和沉淀强化的最佳组合。,2.2 微合金化钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,二、微量合金元素钛、铌、钒等的作用 1.抑制奥氏体形变再结晶 在热加工过程中，通过固溶、偏聚在奥氏体晶界、应变诱导析出氮化物，阻止了奥氏体再结晶的晶界和位错运动，从而抑制再结晶过程的进行。,2.2 微合金化钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,图2-1 Nb、V和Ti对再结晶临界温度的影响,强,弱,延缓奥氏体再结晶能力,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.2 微合金化钢,2.阻止奥氏体晶粒的长大 通过加入钛和铌形成TiN或Nb(C,N)，它们在高温下非常稳定，其弥散分布对控制高温下的晶粒长大有强烈的抑制作用。 微量铌（w0.06%）形成的Nb(C,N) 阻止奥氏体晶粒长大作用可达1150； 微量钛（w0.02%）以TiN从高温固态钢中析出，呈弥散分布，对阻止奥氏体晶粒长大很有效。,2.2 微合金化钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.2 微合金化钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,图2-2 Nb、V和Ti对正火态低合金钢晶粒度的影响,细化晶粒的作用,强,弱,3.形成沉淀相促进沉淀强化作用 钛和铌的碳化物和氮化物有足够低的固溶度和高的稳定性。钒只有在氮化物中才这样。一般微合金化钢中的沉淀强化相主要是低温下析出的Nb(C,N)和VC。 当w(Nb)0.04%时，其细化晶粒对屈服强度的贡献大于沉淀强化的作用；当w(Nb)0.04%时，其沉淀强化作用对屈服强度的贡献大于细化晶粒的作用。,2.2 微合金化钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,微合金化元素钒的沉淀强化对屈服强度的作用最大，而钛的作用处于铌和钒之间。,图2-3 微合金元素对钢屈服强度的影响 G细化晶粒强化的贡献； ph沉淀强化的贡献,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.2 微合金化钢,4.改善钢的显微组织 钛、钒、铌等合金碳化物和氮化物随奥氏体化温度的升高有一定的溶解量，溶于奥氏体的微合金化元素提高了过冷奥氏体的稳定性，降低了发生先共析铁素体和珠光体的温度范围，低温下形成的先共析铁素体和珠光体组织更细小，并使相间沉淀Nb(C,N)和V(C,N)的粒子更细小。,2.2 微合金化钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.2 微合金化钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.2 微合金化钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,三、控制轧制与控制冷却 钢材的热轧工艺（如钢坯的加热温度、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）对钢材的力学性能有重要影响。 由于在普低钢中加入微量的Nb、V等合金元素可以产生显著的沉淀强化效应，但同时也使钢的冷脆性倾向增大。所以要生产强韧性钢还必须采取相应的韧化措施，即采用控制轧制和控制冷却工艺来细化铁素体晶粒。,2.2 微合金化钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,1.控制轧制是将加入微合金化元素的普低钢加热到高温（12501350）进行轧制，但必须将终轧温度控制在Ar3附近。控制轧制本质上是形变热处理的一种派生形式，其主要目的是细化晶粒组织，从而提高热轧钢的强韧性。,2.2 微合金化钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,在高于1200时， 一方面，钢中的铌、钛的碳氮化物部分溶解于奥氏体，以便在随后的轧制过程中析出，起抑制再结晶和控制奥氏体晶粒长大的作用；在轧制完毕的冷却过程中，又有部分弥散的碳化物析出起沉淀强化作用。 另一方面，未溶的铌、钛的碳氮化物起阻止钢坯的奥氏体晶粒过渡长大的作用。,2.2 微合金化钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,控制轧制通常由三个阶段组成： 第一阶段是高温下的再结晶区变形； 第二阶段是在紧靠Ar3以上的低温无再结晶区变形； 第三阶段是在奥氏体-铁素体两相区变形。,2.2 微合金化钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,图2-6 控制轧制三个阶段及每个阶段变形时显微组织的变化示意图,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.2 微合金化钢,常规热轧和控制轧制之间的差别在于 常规热轧的铁素体形核只在A晶界上形成； 控制轧制的奥氏体晶粒被形变带划分为几个部分，使得铁素体形核不仅发生在奥氏体晶界上，而且还在奥氏体的晶内。,2.2 微合金化钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,若将一般热轧与控制轧制比较，可以发现它们与正火与淬火之间的关系: 相似:在控制轧制和淬火钢中，奥氏体晶粒被分割为几部分，从而形成非常细小的晶粒组织。 区别:控制轧制和淬火分割奥氏体晶粒的区别在于，控制轧制是依靠变形带，淬火是依靠马氏体相变。,2.2 微合金化钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,控制轧制通常有两种工艺： 传统的控制轧制，即当控制轧制是在低于再结晶终止温度时变形，此时已变形的奥氏体或发生再结晶但晶粒来不及长大，或者仅达到回复状态未发生再结晶，奥氏体在形变道次时间终了时，实际上仍保持加工状态的薄饼形晶粒。 随后通过控制冷却使得铁素体在奥氏体晶界和晶内滑移带上多处形核得到极细小的铁素体晶粒。,2.2 微合金化钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,微合金化元素的作用是为了在热加工时应变诱导析出，阻碍奥氏体再结晶，升高奥氏体的再结晶温度。 只有Nb(C,N)是最理想的应变诱导析出相； TiN由于沉淀温度太高，不能成为应变诱导析出相； 而VN和VC沉淀的温度太低，不能用来抑制奥氏体再结晶，只能用作沉淀强化相。,2.2 微合金化钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,传统的控制轧制工艺的缺点是终轧温度较低，一般要低于900，此时钢的强度因温度降低而升高，轧制时变形抗力增大，必须有高功率的强力轧机才能实现这种工艺。,2.2 微合金化钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,再结晶控制轧制，即当控制轧制是在高于再结晶终止温度时变形，此时奥氏体要发生再结晶，因此必须抑制热变形后再结晶奥氏体的粗化和避免应变诱导析出。 微合金化元素的作用 加入钛使钢在液凝后的冷却过程中析出稳定弥散的TiN质点，可抑制经反复形变再结晶细化的奥氏体晶粒长大，当反复多道次形变和再结晶后，奥氏体晶粒得到细化。,2.2 微合金化钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,由于终轧温度高（高于950），形变不能诱导V(C,N)相产生，所以不能阻碍奥氏体再结晶，加入微合金化元素钒只作为低温析出的沉淀强化相。 由此发展了高于再结晶温度控轧的V-Ti-N钢。这种钢可以通过控制轧制得到极细小的铁素体晶粒和珠光体团。 再结晶控制轧制工艺的优点是特别适合在不能进行低温轧制的低功率轧机上实施，或者在锻造时使用。,2.2 微合金化钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.控制冷却工艺对获得细小的铁素体晶粒和沉淀强化相极为重要。 对于截面较厚的钢材，冷却速度过慢时，对于截面较厚的钢材，析出的先共析铁素体将长大，珠光体团和片层也粗化，这就降低了钢的强度和韧性； 对于微合金化钢，冷却速度过慢时，发生相间沉淀的温度较高，沉淀相过于粗大，减弱了沉淀强化效应。,2.2 微合金化钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,根据钢材截面的厚度不同，控制冷却可以采用强制风冷、喷雾、喷水等措施来控制冷却速度。,2.2 微合金化钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,冷却速度过快时，钢的塑性和韧性又较差。所以，在连轧钢板生产过程中，控制钢板的卷取温度也很重要，卷取温度一般控制在600650，使钢板在600以下冷却速度减慢，以便改善钢材的塑性和韧性。,2.2 微合金化钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,控制轧制和控制冷却的主要工艺参数 选择合适的加热温度，以获得细小而均匀的奥氏体晶粒； 选择适当的轧制道次和每道的压轧量，通过回复再结晶获得细小的晶粒； 选择合适的在再结晶区和无再结晶区停留时间和温度，以使再结晶的晶粒内产生形变回复的多边化亚结构；,2.2 微合金化钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,在铁素体-奥氏体两相区选择适宜的总压下量和轧制温度； 控制冷却速度。,2.2 微合金化钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,经控制冷却后的优质中板,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,背景 具有铁素体-珠光体组织的低合金钢和微合金化钢的屈服强度的极限约为460MPa。 若要求更高强度和韧性的配合，就需要考虑选择其它类型组织的低合金钢，如采用相变强化的方法，因而发展了低碳贝氏体型、低碳索氏体型及低碳马氏体型钢。,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,主要是适当降低钢的含碳量以改善韧性，由此造成的强度损失可由加入合金元素通过控制轧制和控制冷却后形成低碳贝氏体或马氏体的相变强化的方法得到补偿。 配合加入微合金化元素，如铌以细化晶粒并进一步提高韧性。,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,一、低碳贝氏体型钢 贝氏体钢的发展过程 20 世纪 20 年代， Robertson 首先发现钢的中温转变产物，随后 Devenport 和 Bain 等人对这种组织进行了大量细致的研究，直到 1934 年 “ 贝氏体 ” 术语的提出，贝氏体结构及其相变机制一直是人们研究的重点。,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,由于贝氏体转变的温度范围界于珠光体与马氏体之间，相应地贝氏体组织兼备了高温转变产物的塑韧性和低温转变的强度，具有良好的强韧性配合，从而引起人们的极大关注。 但早期的贝氏体钢一般是通过等温淬火工艺获得，由于工艺复杂使其大规模生产应用受到限制。,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,20 世纪 50 年代末期，英国的 Irvine 和 Pickering 等人率先发明了具有高的贝氏体淬透性 Mo-B 系贝氏体钢，通过 Mo 、 W 、 B 等元素的加入使一定尺寸的工件在空冷条件下即可得到以贝氏体为主的组织，从而实现了贝氏体钢生产的工艺变革：尽管 Mo 的价格较高，而且为了降低贝氏体转变起始温度（ BS ），改善强韧性，还须添加其他合金元素复合金化，致使钢的成本进一步增加，但是 Mo-B 系贝氏体钢还是得到了一定的发展。,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,20 世纪 70 年代，方鸿生教授等人的研究发现： Mn 在一定含量时，使钢的 C 曲线形状发生变化。 Mn 在过冷奥氏体转变中具有特殊的再分配规律。对 Mn-B 钢中 Mn 富集因子的实验结果表明在600 左右的温度区间内， Mn 在 和 两相中的浓度无明显区别，而在/ 界界面富集程度很大。,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Mn在相界面的浓度峰势必对界面迁移产生钉扎作用即溶质拖曳作用，使铁素体生长显著推迟。 此外，Mn 在相界面的富集也降低了相界附近奥氏体基体内碳的活度及活度梯度 ，导致碳在奥氏体中扩散速度降低，此即所谓溶质类拖曳作用，进一步抑制了铁素体生长。,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,由于溶质拖曳和类拖曳作用，导致该合金的转变曲线在 600 左右出现“河湾”形状。 此拖曳作用还显著降低贝氏体相变驱动力及贝氏体相变温度，细化贝氏体尺寸。,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,低碳贝氏体型钢的组织和成分 低碳贝氏体钢在轧制或正火后控制冷却，直接得到低碳贝氏体组织。 与相同碳含量的铁素体-珠光体组织钢相比具有更高的强度和良好的韧性。利用贝氏体相变强化，钢的屈服强度可达到490MPa 780MPa。,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,低碳贝氏体钢的化学成分: w(C)=0.10%0.20%， w(Mo)=0.30%0.60%， w(Mn)=0.60%1.60%， w(B)=0.001%0.005%， w(V)=0.04%0.10%， w(Nb)或w(Ti)=0.010% 0.06%， 并经常加w(Cr)=0.4%0.7%。,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,低碳贝氏体型钢中的合金化: 主加合金元素钼和硼是能显著推迟先共析铁素体和珠光体转变，而对贝氏体转变推迟较少。,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,图2-7 低碳钼钢和钼硼钢的过冷奥氏体恒温转变开始曲线,再加入锰、铬、镍等元素，进一步推迟先共析铁素体和珠光体转变，并使BS点下降，以获得下贝氏体组织。 通过微合金化，充分发挥铌、钛、钒的细化晶粒和沉淀强化的作用。,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,典型的低碳贝氏体型钢: 14MnMoV和14MnMoVBRE钢是我国发展的典型的低碳贝氏体型钢，其屈服强度为490 MPa级。主要用于制造容器的板材和其它钢结构。板厚小于14mm时，在热轧态即可得到贝氏体；板厚大于14mm时，需要正火处理。,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,为了提高钢的室温和低温韧性，改善焊接性，发展了超低碳贝氏体钢，钢的含碳量降低到w(C)=0.02%，并加入w(Ti)=0.01%使之成为Mn-Mo-Nb-Ti-B超低碳贝氏体型钢。通过控制轧制和控制冷却可以得到高位错密度的细小贝氏体组织。这种钢可在0以下温度条件下服役。,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,方鸿生教授等人研究的Mn系及Mn-B系贝氏体钢： 突破了为获空冷贝氏体必须加昂贵 Mo 、 W 的传统成分设计思路。 Mn 原料的价格约为 Mo 的 1/50 。 高的贝氏体空冷淬透性和较低的贝氏体转变起始温度（ Bs ），有利于大件实现空冷自硬，且具备足够的韧性；,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,无需添加多量合金元素进行复合金化，成分简单，成本低； 摒弃了 Mo-B 系贝氏体钢限于低碳为主的传统，设计出不同性能、用途的中高碳、中碳 Mn 系贝氏体体钢系列钢种，该钢免除了淬火或淬回火工序，降低了淬火过程中产生的变形，开裂，氧化和脱碳倾向； 有效地缩短了工艺流程并节省能源，因此近年来已在我国多个产品中得到应用。,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,二、针状铁素体型钢 针状铁素体钢是钢材在控制轧制后空冷过程中通过切变和扩散相变形成由位错列阵和位错胞组成的非等轴铁素体钢。相变开始发生在较上贝氏体为高的温度范围里，反映在连续冷却转变图上，贝氏体区被铁素体区所掩盖。这类钢的显微组织是低碳或超低碳的针状铁素体，与低碳贝氏体很相似，但由于含C量极低，故铁素体板条的相界上不存在碳化物。,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,针状铁素体型钢的合金化 低碳是为了Nb的碳化物沉淀，含C量一般不低于0.06%，高于这一水平，C的偏析将引起韧性的下降，这是由于高碳区往往成为断裂的微孔形核核心。 Mn的含量根据钢板厚度和要求的强度水平决定，一般在1.4%2.2%之间。Mn推迟铁素体-珠光体相变，降低BS点，使细晶粒的针状铁素体在450以下形成； Mn也是固溶强化的元素。,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,Mo的含量也根据钢板厚度确定 在0.15% 0.6%之间。Mo能有效地推迟铁素体而不影响贝氏体相变； Mo与Mn联合使用还有利于得到细晶粒的针状铁素体而不是粗大的多边形铁素体。当Mo被Cu-Ni-Cr代替时，通过控制轧制，也可以得到针状铁素体。,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,Nb的含量一般在0.04%0.06%之间，通过沉淀相Nb(C,N)的析出能有效地产生沉淀强化，并且在奥氏体热轧时，沉淀相Nb(C,N)也可以细化晶粒。 显微组织和性能特点 细晶粒的多边化铁素体、30%以上的针状铁素体片、高度弥散的渗碳体质点、少量岛状的马氏体-奥氏体块和细而弥散的Nb(C,N)质点。,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,这类钢由于缺乏足够的C去锁住位错，因而未锁住的部分可以导致位错运动而不能突然引发屈服点的自由位错的产生，从而显示出连续的应力-应变曲线。这种力学行为与铁素体-珠光体钢相比，在许多场合是十分有利的，比如在管线建设中。轧材可以精确地就位成形。这类钢的屈服强度一般大于470MPa，伸长率大于20%，室温冲击值大于80J。,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,X70级管线钢拉伸试验曲线,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,典型针状铁素体型钢钢种 针状铁素体型钢的典型钢种为Mn-Mo-Nb钢，其化学成分范围为w(C)0.10%，w(Mn)=1.6%2.0%，w(Mo)=0.2%0.6%，w(Nb)=0.04%0.06%，有时还加w(V)=0.06%，w(Ti)=0.01%。 这类钢通常用碱性氧气转炉冶炼，用铝脱氧，并且S含量很低（大约为0.05%左右）；或者用稀土处理，控制硫化物的形态，提高横向冲击性能。,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,这类钢和低碳贝氏体型钢一样，不仅具有良好的低温韧性，而且还具有良好的焊接性能，已成功地应用于制造寒带输送石油和天然气的管线。,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,西气东输工程,三、铁素体-马氏体双相钢 背景 由于传统的低合金高强度钢对汽车压力加工件来说，没有具备足够的冷成形性，因而需要改善其强度-成形性的综合性能以满足汽车冲压成型件的要求。,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,显微组织特点 把传统的低合金高强度的显微组织，即铁素体加珠光体改成铁素体加马氏体（实际上还包含少量奥氏体）的双相组织，其显微组织特征是20%左右的马氏体呈小岛状或纤维状分布在80%左右的铁素体基体上。,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,一方面使钢中的碳在奥氏体发生转变析出先共析铁素体时集中在奥氏体中，当奥氏体转变成马氏体（含碳量偏高）时，将引起体积和形状变化，并且铁素体相中的间隙碳原子相对较为贫化； 另一方面，在一定冷却条件或应变诱发下的马氏体相变将在马氏体区域产生残余应力，在铁素体中激发出高密度的可动位错（由于铁素体中的碳、氮量极低，位错不易被钉扎）。,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,性能特点 具有较低的屈服强度，且是连续屈服；同时在屈服发生以后，铁素体中的位错运动互相缠结，因而继续塑性变形所需应力迅速增加，表现为高的应变硬化速率。 此外加之有强韧的马氏体岛或纤维和很细的铁素体晶粒及结合牢固的马氏体/铁素体界面，使得塑性变形主要发生在铁素体相中，所以表现为高的均匀伸长率和高的强度。,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,连续的应力-应变曲线，低的屈服应力，高的应变硬化速率和优良的抗拉强度与塑性配合,生产工艺及类型 由于双相组织既可以通过亚临界温度范围内的退火获得，也可以通过热轧后的控制冷却来获得。因此生产上通常又把双相钢分为退火双相钢和热轧双相钢。并且它们在合金化上也有明显的区别。 退火双相钢 热轧双相钢,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,退火双相钢又称热处理双相钢： 将钢加热到亚临界温度范围（即在A+F两相区）内，形成20%左右的奥氏体，然后空冷或快冷即可得到铁素体加马氏体组织。当钢长时间在A+F两相区内退火时，钢中的合金元素将在奥氏体和铁素体之间重新分配，其中奥氏体形成元素碳、锰等将富集于奥氏体中，这样就提高了奥氏体的稳定性，从而抑制了珠光体的转变，保证钢中的奥氏体在空冷条件下得到马氏体。,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,热轧双相钢 在热轧状态下，通过控制转运台的冷却，使钢形成80%左右的铁素体发生多边化，C和其它合金元素在剩余的奥氏体岛中富集，提高奥氏体的稳定性，而避免形成珠光体和贝氏体，最后得到铁素体加马氏体的双相组织。,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,其典型的化学成分范围是： w(C)=0.04%0.10%， w(Mn)=0.8%1.8%， w(Si)=0.9%1.5%， w(Mo)=0.3%0.4%， w(Cr)=0.4%0.6%，以及微合金元素V等。,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,四、低碳调质钢 提高低合金高强度钢的另一途径，是采用低碳低合金钢淬火获得低碳马氏体，然后进行高温回火，获得低碳索氏体组织，从而得到良好的综合机械性能和焊接性。 这类钢一般在调质状态下供货。既有较高的强度，又有较好的韧性、塑性和焊接性。,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,低碳调质钢的合金化设计原则与铁素体珠光体型热轧和正火钢不一样。其强度主要不直接取决于合金元素的含量，而取决于含碳量。 美国最具有代表性的这类钢是T-1钢。该钢淬火后获得低碳的板条马氏体组织，具有很好的强度与韧性。,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,其合金化特点是： 把C含量限制在0.12以下，这样可以保证优良的焊接性与低温韧性； 为了保证最低限度的淬透性，复合地加入少量Mn、Ni、Cr、Mo、B等元素； 少量的V提高了钢的回火稳定性，使焊接时的热影响区变窄； 加入少量的Cu是为了提高钢的抗大气腐蚀能力。,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,T-1钢是美国早期发展的一种含Cr、Ni的低碳调质钢，主要用于压力容器、桥梁、工程机械和塔式结构等。 日本的HT-80型的Welten80C类似T-1钢，但不含Ni和V，故抗应力腐蚀能力高，在日本用来制造-30的大型球形贮罐。 我国GQ-702和GQ-705属于这类钢。,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,HY-80钢是美国s=540687MPa的调质高强钢，低温下有高的韧性与防爆性能，用于制造潜艇这类的耐压外壳。日本的NS-63、英国的Q1钢和我国的GQ-604钢类似于此类钢。 HY-130钢是s=883MPa的韧性优良的低碳调质钢，主要用于海洋和宇航等重要结构。 我国发展的s=600700MPa级的无Ni、Cr低碳调质钢，如14MnMoVN和14MnMoNbB等，主要用于制造中温高压锅炉及石油、化工作的中温高压容器等。,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,209级潜艇是德国专为出口建造的，但正是该级潜艇为德国战后潜艇树立了赫赫丰碑，以其出色的性能创造了常规潜艇出口数量最多，使用国家最多的两项世界纪录，成为世界市场上的“名牌产品”。209级潜艇根据不同国家的需要，有1100吨、1200吨、1300吨、1400吨和1500吨多种型号。,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,典型的209级潜艇采用单壳体结构，艇体为优质HY-80钢，安全潜深可达300米，水下最大航速23节，主要武器是8具533mm鱼雷发射管，携带鱼雷14枚，部分型号还有发射“捕鲸叉”反舰导弹的能力。209级潜艇提高了集中控制和自动化水平，可靠性高且维修工作量少，因而仅配备了30多名艇员。,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢,所谓“新一代钢铁材料”就是使用现有的设备（或略加改造），用一种便宜的办法（不是加入合金元素，增加成本的办法），也不是大变形量，低温扎制的办法），在比较高的温度下扎制钢材，在扎制过程钢材产生相变，“形变诱导铁素体相变”，通过改变钢材物理性能和显微组织，得到超细显微组织，提高钢材的力学性能，也就是在性能价格比提高和经济性优良的情况下，保持钢材韧性和塑性的同时，把现在钢材的强度提高一倍，使用寿命提高一倍，从而得到良好的经济效益和社会效益。,2.4 新一代钢铁材料,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,背景 钢铁是结构材料的主体，迄今为止仍然是可加工性能最好、性能价格比最合理、生产规模最大、供给能力最强及循环利用性最佳的基础原材料之一。可以说，钢铁作为结构材料的主导地位仍然是不可替代的。 20世纪堪称是世界钢铁业大发展的世纪，全球钢产量从20世纪初的2850万吨猛增到2000年的8.43亿吨，增长了近29倍。在此期间，钢铁业科学技术发展迅速，新工艺、新技术、新品种和新装备大量涌现。,2.4 新一代钢铁材料,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,近年来，世界钢铁业的形势发生了新变化。受西方经济复苏和我国经济快速增长的影响，全球钢材需求日趋强劲。 2003年，世界钢产量达到了9.63亿吨，其中约80%的新增产量来自亚洲，其中大部分来自我国。我国钢产量在由2001年的1.516亿吨增至2003年的2.201亿吨的同时，钢材价格一路攀升，效益得到明显改善。2003年，CRU国际钢材价格指数达到106.8，创13年以来的新高；我国国内钢材市场价格指数也达到了104.5，创近年之最。,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.4 新一代钢铁材料,需求 钢铁业的快速发展也引发了“资源、能源和环境”方面的问题。钢铁业的竞争日益升级，用户要求也不断提高。所有这些问题给钢铁业的持续稳定发展带来了严峻的挑战，因此，依靠科技进步不断提高钢铁产品质量，按照“节约、回收和再利用”的原则，开发质量更高、性能更好、寿命更长和性能价格比更高的先进钢铁结构材料，比任何时候都显得紧迫和必要。,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.4 新一代钢铁材料,进入21世纪，轻量节能汽车、大跨度重载桥梁、深井采油管和大口径输油（气）管、大型工程机械、大型高性能船舶、高层建筑等的升级换代，又对钢铁材料的性能和使用寿命提出了更高的要求。按照“节约，回收，再利用”原则，突破冶金资源和冶金环保这一新的制约矛盾，开发性能更好、寿命更长、性能价格比更高的先进钢铁结构材料势在必行。,2.4 新一代钢铁材料,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,我国当前冶金行业发展的重点应从以工艺结构调整为主转到以产品结构调整为主。在钢铁总量增加、高需求基本建设用长型材增加时，板带比和板管比应相应地增长。社会经济的发展对钢材都有了更高的要求，这也是我国工业化走向逐步成熟的标志。 重视制造执行系统（MES）的建设，迅速推进钢铁业的信息化建设和管理技术的发展，从而使我国能早日实现从“钢铁大国”向“钢铁强国”的跨越。,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.4 新一代钢铁材料,日本于1997年提出了STX-21“Ultra-Steel（超级钢）研究计划”，分两个5年实施，第一个5年他们就投入了10亿美金，目标是10年内开发出强度相当于现有钢铁材料两倍的超级钢，用于道路、桥梁、高层建筑等基础设施建材的更新换代。主要研究开发800MPa级易焊接的铁素体-珠光体型低合金钢、耐延迟破坏和疲劳破坏的1500MPa级超高强度钢、超临界压力发电设备用铁素体耐热钢和海滨地区用合金结构钢及高氮不锈钢等。,2.4 新一代钢铁材料,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,1998年韩国启动了一个历时10年的“21世纪高性能结构钢”计划，具体分两个5年来进行的，头5年就投入了3000万美金，研究600MPa级耐候钢、800MPa低合金结构钢和13001500MPa级合金结构钢（螺栓钢）。 2001年欧盟启动了有意大利、英国、德国和比利时等国参与的“超细晶粒钢开发“计划，2002年美国在钢铁研究指南中公布了两个超级钢开发项目。,2.4 新一代钢铁材料,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,我国于1998年在国家重大基础研究发展计划中启动了“新一代钢铁材料”重大基础研究的“973项目”。在具体的研究课题上，和日本、韩国略有差别，考虑到我国的基本国情：尚处于工业化、城市化的建设时期，基础设施建设方兴未艾，对建筑用钢铁材料的需求就相对多一些，应重视研究这类建筑用钢材（400MPa级的建筑用钢）。2001年在国家高技术研究发展计划（863计划）中又安排了题为“500MPa碳素钢先进工业化制造技术“的超级钢开发项目，以积极的姿态参与到这场国际竞争之中。,2.4 新一代钢铁材料,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,国内最新研究开发的“新一代钢铁材料”分为三类。 第一类是碳素结构钢，现在强度级别是200 MPa级，要把它提高到400MPa级； 第二类是将400MPa级低合金钢（微合金钢）强度提高到800MPa级； 第三类是45、40Cr、42CrMo等机械制造用钢材，现在是700800MPa级，要提高到1500MPa级。,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.4 新一代钢铁材料,以上三类钢材在我国钢铁总产量中占60%以上，如果按年产量2亿吨来算的话，这些钢材的产量就超过了1亿吨。而如果通过努力使其中较大数量的材料使用新一代钢铁材料，那就可节约上千万吨钢，其意义十分重大。 如果将其强度或寿命提高一倍，取代目前工艺水平中的50，预计每年可节省2250多万吨钢材，直接经济效益562亿元；其它节省钢厂、矿山基建投资及运输费用，降低生产能耗和生态环境损害所带来的间接效益就更加可观。,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.4 新一代钢铁材料,参加“新一代钢铁材料”重大基础研究的单位 北京科技大学、清华大学、东北大学等； 钢铁研究总院、中科院沈阳金属所等； 宝钢、首钢、鞍钢、武钢、攀钢、唐钢、淮钢、珠江钢厂、大连钢厂等； 一汽、二汽等。 涉及的品种有：螺纹钢、薄板、中厚板、薄板坯、特殊钢等。,2.4 新一代钢铁材料,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,2.4 新一代钢铁材料,Chapter 2 工程构件用合金结构钢,技术思路 细化钢铁材料的晶粒和组织，提高钢材的洁净度，改善其均匀性，在大幅提高强度的同时，获得足够的塑