第三章 工程构件用钢.ppt

1、第三章 工程构件用钢,工程构件用钢概述 第一节 碳素构件用钢 第二节 低合金构件用钢 第三节 进一步提高低合金构件用钢的途径,工程构件用钢概述,工程构件用钢（工程结构钢） 用于制造各种大型金属结构（如桥梁，船舶，车辆，锅炉，压力容器等）所用的钢材料，简称工程结构钢。,尼米兹核动力航母001,钢制桥梁,压力容器,国家体育场（鸟巢）总用钢量达到11万吨， 其中外部钢结构的钢材用量为4.2万吨 。,一工程构件用钢工作条件特点,1 长时间承受静载荷； 2 有一定温度要求，如锅炉构件，寒冷地区构件等； 3 长时间在大气环境中服役，有的还与海水或淡水接触； 4 构件加工往往需要冷变形和焊接。,二、工程构件

2、用钢性能要求,1 一定的综合力学性能； 2 耐大气腐蚀和海水腐蚀性能好，有的还需好的耐高温 腐蚀性能； 3良好的工艺性能，即冷变形及焊接性能好。,三、工程结构用钢的分类,工程构件用钢用量大，随着科技发展，各种高性能钢种也发展迅猛。 分类 ： 碳素构件用钢（普碳钢） 低合金构件用钢（普低钢） 新型及微合金化低碳高强度钢,输油管线,第一节 碳素构件用钢,碳素构件用钢又称碳素结构钢或普碳钢，其产量占钢总产量的7080，其中大部分用作结构件，少量做机械零件。 特点：易于冶炼，价格低廉，热轧状态供 货，一般不经热处理强化。 分类（GB7002006） Q195 Q215 Q235 Q275,一普碳钢的化

3、学成分,二、普碳钢的力学性能,三、普碳钢的应用举例,轧制成板、型、棒材，强度较高，其用途可代替低合金结构钢。,四、碳素结构钢供货品种,供货品种：钢板，钢带，钢管，槽钢，角钢，钢轨，钢筋，钢丝等,碳素结构钢薄钢板,钢管,钢带,槽钢,角钢,钢丝,钢筋,第二节 低合金构件用钢,低合金构件用钢又称低合金结构钢 或称普低钢（普通低合金高强度钢）。 发展普低钢的目的：减轻大型工程构件的重量，提高使用的可靠性，节约钢材。 成分特点：低碳，低合金。 性能特点：普低钢的屈服强度大大高于普碳钢。 例如：常用的Q235与16Mn相比，含碳量相同，但Mn提高到1.2-1.6% ，屈服强度大大提高。 Q235 s235

4、MPa b 375460MPa 16Mn s345MPa b 510660MPa,2.我国低合金结构钢牌号发展变化,我国的低合金结构钢的国家标准先后经历了： GB 15911979低合金结构钢技术条件 GB 1591-1988低合金结构钢 GB/T 1591-1994 低合金高强度结构钢 GB/T 1591-2008 低合金高强度结构钢(现行标准)四部。其中钢号的变化比较大，为了区别起见，分别简要叙述一下： GB 15911979低合金结构钢技术条件是将YB131969普通低合金结构钢钢号和一般技术条件经修订后升为国家标准，并将标准名称又改回为“低合金结构钢”。 GB15911979的牌号系列

5、基本上与YB131969标准相同，从原标准22个牌号中取消了没有生产或产量极少的3个牌号：09Mn2Si、08MnPRE、14MnNb。将15MnVN和15MnVNT合并为15MnVN。纳入了YB131969取消的，但YB131953曾经列入的睥号10MnSiCu。转出了准备列入低温钢专用标准的09Mn2V。共列入18个牌号： 09MnV、09MnNb、09Mn2、12Mn、18Nb、12MnV、12MnPRE、14MnNb、16Mn、16MnRE、15MnV、15MnTi、16MnNb、14MnVTiRE、15MnVN、09MnCuPTi、10MnSiCu、10MnPNbRE。 GB 159

6、1-1988低合金结构钢标准与GB 15911979低合金结构钢技术条件相比变化不大，除12MnPRE被排除外，GB 15911979列出的其余17种钢材均入选，并没有增加新的钢种。 1994年颁布的标准更名为低合金高强度结构钢（GBT15911994）较以往两个版本的国家标准牌号有了非常大的变化，为了努力向国际规范靠拢，1994版标准牌号编号方法采取现行的标号方法： 钢的牌号由代表屈服点的汉语拼音字母Q、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D、E）三个部分顺序排列，如Q390A。牌号分别为295460Mpa 5个强度等级和AE 5个质量等级。新旧钢号对照如表,GB/T1591-94牌号与G

7、B1591-88标准中的对应牌号对照,一、普低钢的性能要求,（一）力学性能要求 1. 高的屈服强度 如将屈服强度由235MPa提高到350MPa，可使结构自身重量减轻2030%。 2. 高的抗拉强度 通常构件按s设计，同时也要考虑 b 。b在本质上反映了钢材塑性失稳时的极限承载能力，万一构件超载（ s ）会引起塑性失稳现象（出现颈缩），因此除了满足设计要求提高s外，同时还应避免s 与b 太接近而引起的安全问题，一般要求 ： s /b=0.650.75（有一定的塑性储备）,3.塑性和韧性的要求 一般塑性要求 1820%， 50% 室温冲击韧性 纵向：ak80J/cm2 横向： ak60J/cm2

8、 在零下40或经时效后，ak下降不得低于室温的50 4.时效敏感性要小 C，N，Cu等元素使时效敏感性增大， Al，V，Nb等元素使时效敏感性减小。,1.良好的冷变形能力 以低碳含量保证 2.良好的焊接性能 为提高焊接性能，保证低碳含量 ，钢中的H、P、 S、As 等元素的含量应加以控制。 （三）耐大气腐蚀性能要求 向钢中加入Cu，P，(Cr，Ni)等元素 （四）经济性能要求 用量大，应充分考虑国内资源情况，大力推广多 组元微合金化。,（二）工艺性能要求,二、普低钢化学成分特点,1.低碳(低于0.2) 2.低合金，主加元素Mn，Mn的含量一般低于2 （1）Mn属复杂立方点阵，固溶强化效果好；

9、（2）Mn使Ar1线降低，降低过冷向P转化的温度的范围，细化了组织。 （3）Mn使FeC相图中的S点左移，使基体中的珠光体量增多，提高强度。 3.辅加元素：Al，V，Ti，Nb Al形成AlN细小质点，细化晶粒。 V，Ti，Nb产生沉淀强化，还可以细化晶粒。 4.加Cu，P改善耐大气腐蚀性能 Cu的加入量一般为0.0250.25，大量的加入会超过其溶解度，起到相反效果。 P：0.060.15的加入量。 5.加入微量稀土元素 脱S，去气，净化材质，改变夹杂物形态与分布。 国外的低合金高强度钢的主加元素为Cr，Ni，同时加入Cu，P,三、普低钢的使用特点,1.大多数在热轧状态使用，组织为FP； 2

10、.有些钢种为了获得均匀组织和稳定的性能，可采用高温回火或调质处理； 3.屈服强度要求高的材料还采用轧后控冷工艺； 4.有些钢种还应用于冲压用钢，耐海水腐蚀的结构、化工设备和管线用钢，因此发展成为各种专业用钢。,四、常用普低钢牌号,GB1591/T-2008按屈服强度分为8级 （组织是F+P，常用的钢种的屈服强度450MPa） Q295：09MnV，09MnNb，09Mn2，12Mn Q345：18Nb，09MnCuPTi，10MnSiCu，12MnV, 14MnNb， 16Mn，16MnRE Q390：10MnPNbRE，15MnV，15MnTi，16MnNb Q420：14MnVTiRE，1

11、5MnVN Q460： 在其他钢号中添加0.7Cr和0.7Ni Q500 Q550 Q620 Q690,16Mn螺旋焊管,第三节 进一步提高普低钢性能的途径,一、发展新型的普低钢 组织为FP的的普低钢屈服强度只能达到460MPa。 进一步提高普低钢性能途径： （研制开发了如下钢种） 低碳贝氏体钢； 低碳马氏体钢； 针状铁素体钢； 双相低合金高强度钢； 微合金化低碳高强度钢。,东方明珠电视塔超高、超大型钢结构建筑,（一）低碳贝氏体钢,能在热轧空冷条件（正火）下，获得单一的贝氏体组织的钢种。 1. 化学成分特点：0.5Mo0.003B为基本合金成分，能保证得到贝氏体组织，再加入Mn，Cr，V等进一

12、步提高钢的强度及综合力学性能。 2. 合金元素的作用：Mn，Cr，Mo固溶强化； Mo，B强烈推迟P转变，提高贝氏体淬透性； Cr，Mn，B降低贝氏体转变温度，使得贝氏体中 析出的碳化物更细小； V，Mo提高回火稳定性； RE，脱S，去气，净化，改变夹杂物形态与分布。 3. 性能特点：焊接性能好，不易出现焊接脆性。 s 500MPa 4. 代表牌号：14MnMoV，14MnMoVBRE， 14CrMnMoVB,我国发展的低碳贝氏体钢,（二）低碳马氏体钢,为了获得更高强度和良好焊接性能而发展起来的一类钢种。热（锻）轧后直接空冷或直接淬火获得M并自回火，使用状态组织为低碳回火马氏体，具有高强度、高

13、韧性。这类钢称低碳马氏体钢。 1.化学成分特点 低碳（通常0.16），低合金。 典型成分：0.10C-1.80 Mn-0.45 Mo-0.05 Nb 2. 合金元素的作用 低碳，保证钢具有良好冷变形能力和焊接性能。 低合金，加入Mo、Nb、V、B并与适量Mn等元素配合，合金元素选择主要是保证钢具有足够的淬透性和回火稳定性。,3. 性能特点 具有高强度、高韧性及高疲劳强度，焊接性能好，不易出现焊接脆性。 s ：8001100MPa，室温冲击功达到32 75 J 4. 代表牌号：18MnMoNb 5. 应用 汽车车轴、转向联动节、拉杆等。,对于要求强度、低温冲击韧性、焊接性能更高的场合，往往需采用

14、针状铁素体低合金高强度钢。 针状铁素体钢：实际上也属于超低碳贝氏体钢， 显微组织为低碳或超低碳的针状铁素体，其片呈板条状，具有高密度位错。 1.化学成份特点 低碳, C0.06，典型成分：0.06C-1.9 Mn-0.3 Mo-0.06 Nb. 超低碳, C0.03,典型成分：0.02C-1.72 Mn-0.18 Mo-0.04 Nb-0.01Ti-0.001B.,（三）针状铁素体钢,2.合金元素作用 低碳或超低碳为进一步提高钢低温冲击韧性和焊接性能。 常用Mo、Mn、Nb进行合金化。 Mo、Mn推迟先共析铁素体和珠光体转变，使贝氏体形成温度低于450以获得贝氏体组织， Nb形成Nb（C，N)

15、可细化晶粒和析出强化。 3. 性能特点 强度、低温冲击韧性、焊接性能高于铁素体-珠光体高强度钢。 s 470MPa，室温冲击功 80 J 4.应用：制作寒冷地区输送石油和天然气管线。,所谓双相低合金高强度钢：是指显微组织主要由铁素体和520马氏体所组成的钢。 1 双相钢的性能特点 由于基体为F，可以保证钢具有良好塑性、韧性和冲压成形性，一定量的M可以保证提高钢的强度。因此双相低合金高强度钢性能特点如下： 低的屈服强度（小于350MPa）； 应力-应变曲线光滑连续，无屈服平台及锯齿形屈服现象； 均匀伸长及总伸长率较大，冷加工性能好； 高的加工硬化指数（n) ； 高的塑性应变比（宽度）（厚度）,（

16、四）双相低合金高强度钢,2 双相低合金高强度钢生产工艺,生产工艺分两种： （1）热处理双相钢（又称作亚临界温度退火） 将热轧或冷轧钢板在两相区（+）加热退火，组织为铁素体基体加一定数量的奥氏体，然后空冷或快冷得到F+M组织。例如09Mn2Si钢可采用这种工艺得到。 （2）热轧双相钢 将钢材在热轧后，通过控制冷却得到F+M双相组织。采用这种工艺的钢含有较高的Si、Mo、Cr等合金元素，典型成分有：0.040.10 C， 0.81.8Mn，0.91.5Si， 0.30.4Mo，0.40.6Cr,3 双相低合金高强度钢应用,双相钢有冲压型和非冲压型两种 冲压型：主要是板材，典型用途是汽车大梁和滚型车

17、轮，汽车的前后保险杠等。 非冲压型：有棒材、线材、薄壁无缝钢管等产品。钢材热轧后控制冷却，得到铁素体加马氏体组织，然后经冷拔、冷墩制成成品。,二、发展微合金化低碳高强度钢,微合金化高强度钢成分特点是尽量降低碳含量，在保证塑性，韧性和焊接性能的基础上，采用微合金化元素细化晶粒、沉淀强化以及控制扎制和控制冷却的办法进一步提高强度。 （一）控制碳含量,降低有害元素的含量（S，P） 一般0.120.14，有的甚至0.030.06 一方面是为了良好的焊接性能，而P含量越多越脆。 （二）添加细化晶粒和沉淀强化元素 C的降低会损伤钢的强度，添加Al，V，Ti，Nb形成稳定的化合物，一方面细化晶粒，又可以产生

18、沉淀强化。,控制轧制和控制冷却区别于常规热轧，常规热轧后室温下材料晶粒比较粗大，因此强度低、脆性大。 控制轧制和控制冷却后可使钢材细化晶粒、细化亚结构是钢强韧化的又一种非常重要的手段。因此采取控制扎制和控制冷却的办法来进一步提高强度。,（三）控制轧制和控制冷却,1.控制轧制的三个阶段,（1）在高温下，再结晶区变形； 粗大的A晶粒a经多次变形和再结晶细化到b，如这时冷却，得到的F仍粗大bb （2）在紧邻Ar3以上的低温无结晶区变形； 在（1）基础上，在紧邻Ar3线以上的低温无再结晶区变形，其结果是在伸长和压扁的未再结晶的A晶粒内部形成变形带c，如这时冷却，F不仅可以在A晶界形核，还可以在A变形带上形核，从而形成细小的等轴F（C） （3）在AF两相区变形 再将钢的温度降到紧邻Ar3线以下的FA两相区变形，此时F也能变形，形成亚结构d，在变形之后的冷却过程中，未再结晶的A形成等轴的F晶粒，同时变