第2章工程結(jié)構(gòu)鋼-2014

1、 概述概述 合金化合金化 常用工程結(jié)構(gòu)鋼常用工程結(jié)構(gòu)鋼 工程結(jié)構(gòu)鋼的冶金工藝特點(diǎn)工程結(jié)構(gòu)鋼的冶金工藝特點(diǎn) 第二章第二章 工程結(jié)構(gòu)鋼工程結(jié)構(gòu)鋼 工程結(jié)構(gòu)鋼工程結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼 機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼2.1 2.1 概概 述述 工作條件不同工作條件不同 性能要求不同性能要求不同 組織不同組織不同 合金化和熱處理技術(shù)不同合金化和熱處理技術(shù)不同v概念概念l 指專門用來(lái)制造各種工程結(jié)構(gòu)的一大類鋼種，如指專門用來(lái)制造各種工程結(jié)構(gòu)的一大類鋼種，如制造橋梁、船體、油井或礦井用鋼制造橋梁、船體、油井或礦井用鋼、鋼軌、高壓鋼軌、高壓容器、管道和建筑鋼結(jié)構(gòu)等。容器、管道和建筑鋼結(jié)構(gòu)等。v組織組織l 熱軋態(tài)或

2、正火態(tài)使用的低熱軋態(tài)或正火態(tài)使用的低C C鋼鋼; ;l 組織為組織為F+P; BF+P; B或或MM； 多相組織（或多相組織（或F+AF+A，F(xiàn)+MF+M等）。等）。v 性能要求性能要求l 足夠高的強(qiáng)度、良好的塑性足夠高的強(qiáng)度、良好的塑性; ;l 適當(dāng)?shù)某貨_擊韌性，有時(shí)要求適當(dāng)?shù)牡蜏貨_擊適當(dāng)?shù)某貨_擊韌性，有時(shí)要求適當(dāng)?shù)牡蜏貨_擊韌性韌性; ;l 良好的工藝性能（成形性、焊接性）；良好的工藝性能（成形性、焊接性）；l 良好的的耐蝕性。良好的的耐蝕性。2. 2 工程結(jié)構(gòu)鋼的合金化工程結(jié)構(gòu)鋼的合金化一一. . 工程結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)化工程結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)化固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化C,C, Si, Mn, Cr, Mo

3、, NiSi, Mn, Cr, Mo , Ni細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化 Ti,Nb,V; Cr,Mn,Ni,MoTi,Nb,V; Cr,Mn,Ni,Mo沉淀強(qiáng)化沉淀強(qiáng)化 V, Ti, NbV, Ti, Nb珠光體含量珠光體含量 C C 二二. . F-PF-P組織的沖擊韌性和脆性轉(zhuǎn)化溫度組織的沖擊韌性和脆性轉(zhuǎn)化溫度 C C量越高，沖擊韌性下降，脆化溫度升高；量越高，沖擊韌性下降，脆化溫度升高；Ni, MnNi, Mn, , Cr Cr 提高沖擊韌性，降低脆化溫度；提高沖擊韌性，降低脆化溫度；細(xì)化晶粒；細(xì)化晶粒；Ti, Nb, VTi, Nb, V 提高強(qiáng)度，對(duì)韌性影響不大；提高強(qiáng)度，對(duì)韌性影響不大；非

4、金屬夾雜物降低韌性。非金屬夾雜物降低韌性。當(dāng)合金元素含量高時(shí)當(dāng)合金元素含量高時(shí), , 可焊性變差；可焊性變差；用碳當(dāng)量來(lái)表示：用碳當(dāng)量來(lái)表示： 碳當(dāng)量大于碳當(dāng)量大于0.40.5%0.40.5%時(shí)時(shí), ,可焊性變差；可焊性變差；常用多元少（微）量合金化；常用多元少（微）量合金化；微合金化元素，尤其是微合金化元素，尤其是0.01-0.02%Ti, 0.01-0.02%Ti, 可提高可提高鋼的焊接性。鋼的焊接性。三三. . 工程結(jié)構(gòu)鋼的可焊性工程結(jié)構(gòu)鋼的可焊性多在潮濕空氣或海洋大氣中服役多在潮濕空氣或海洋大氣中服役, , 會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕；腐蝕；少量少量CuCu（0.25%0.25%）,

5、 , P P（ 0.15%0.15% ）, , Ni, CrNi, Cr（有利于鋼的鈍化）等元素（有利于鋼的鈍化）等元素, , 可提高抗大氣腐蝕可提高抗大氣腐蝕能力能力; ;常用耐候鋼鋼種常用耐候鋼鋼種 09 09CuPTi, 08CuPV, 10MnPNbRECuPTi, 08CuPV, 10MnPNbRE Q295NHQ295NH； Q295GNHQ295GNH四四. .工程結(jié)構(gòu)鋼的耐大氣腐蝕性工程結(jié)構(gòu)鋼的耐大氣腐蝕性2.3 2.3 常用工程結(jié)構(gòu)鋼常用工程結(jié)構(gòu)鋼 v 鐵素體鐵素體- -珠光體（珠光體（F-PF-P）鋼鋼 碳素工程結(jié)構(gòu)鋼碳素工程結(jié)構(gòu)鋼 高強(qiáng)度低合金鋼高強(qiáng)度低合金鋼 微合金鋼微

6、合金鋼 v 低碳貝氏體鋼和馬氏體鋼低碳貝氏體鋼和馬氏體鋼 低碳貝氏體鋼低碳貝氏體鋼 針狀鐵素體鋼針狀鐵素體鋼 低碳馬氏體鋼低碳馬氏體鋼 雙相鋼雙相鋼 一一. . 鐵素體鐵素體- -珠光體（珠光體（F-PF-P）鋼鋼1.1.碳素工程結(jié)構(gòu)鋼碳素工程結(jié)構(gòu)鋼 碳鋼碳鋼 碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼 普通碳結(jié)構(gòu)鋼普通碳結(jié)構(gòu)鋼 優(yōu)質(zhì)碳結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳結(jié)構(gòu)鋼 碳素工具鋼碳素工具鋼 以以Fe-C + Fe-C + 少量少量Mn, Si, S, PMn, Si, S, P（常存元素）常存元素） + Cu, Cr, Ni, Mo, V, Ti; N, H, O + Cu, Cr, Ni, Mo, V, Ti; N, H, O

7、n碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼 鋼中應(yīng)用最多的、數(shù)量最大的。常軋制成板材、鋼中應(yīng)用最多的、數(shù)量最大的。常軋制成板材、型材及異型材，一般不需要經(jīng)熱處理直接使用。型材及異型材，一般不需要經(jīng)熱處理直接使用。用于一般結(jié)構(gòu)和工程。用于一般結(jié)構(gòu)和工程。鋼的牌號(hào)由代表屈服點(diǎn)的字母（鋼的牌號(hào)由代表屈服點(diǎn)的字母（QQ）、屈服點(diǎn)數(shù)）、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)（值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)（A A、B B、C C、DD、）脫氧方法、）脫氧方法符號(hào)等四部分按順序組成。符號(hào)等四部分按順序組成。圖示：圖示：F+P 組織組織 含碳量與對(duì)熱軋?zhí)间摍C(jī)械性能的影響含碳量與對(duì)熱軋?zhí)间摍C(jī)械性能的影響v 幾個(gè)元素引起的脆性幾個(gè)元素引起的脆性 熱脆熱脆-

8、-S 冷脆冷脆- -P 藍(lán)脆藍(lán)脆- -N 氫脆氫脆- -H 白點(diǎn)白點(diǎn)- -Hl 碳量提高，硬度提高；碳量提高，硬度提高；l 碳量提高，強(qiáng)度先升后降；碳量提高，強(qiáng)度先升后降；l 碳量提高，塑韌性降低；碳量提高，塑韌性降低； WHY？普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、成分與用途普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、成分與用途(GB/T700一2008)二二. . 高強(qiáng)度低合金鋼（高強(qiáng)度低合金鋼（HSLA steelsHSLA steels） 1 1、概念及特點(diǎn)、概念及特點(diǎn)n概念：概念：一種含有少量合金元素具有較高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)鋼。一種含有少量合金元素具有較高強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)鋼。n特點(diǎn)：特點(diǎn)：強(qiáng)度較高；合金消耗量小，成本低廉；工藝簡(jiǎn)單，

9、強(qiáng)度較高；合金消耗量小，成本低廉；工藝簡(jiǎn)單，適合于大量生產(chǎn)；可焊性能較好；應(yīng)用廣泛。適合于大量生產(chǎn)；可焊性能較好；應(yīng)用廣泛。 按屈服強(qiáng)度按屈服強(qiáng)度可分為可分為Q345Q345、Q390Q390、Q420Q420、Q460Q460、Q500Q500、Q550Q550、Q620Q620和和Q690Q690等八個(gè)級(jí)別；等八個(gè)級(jí)別；n合金元素強(qiáng)化機(jī)制合金元素強(qiáng)化機(jī)制 固溶強(qiáng)化，細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化，細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化。2. 2. 鋼種及用途鋼種及用途 Q345Q345：相當(dāng)于相當(dāng)于16Mn16Mn，16MnRE16MnRE、18Nb18Nb、14MnNb14MnNb、12MnV12MnV。 Q

10、390Q390：相當(dāng)于相當(dāng)于15MnV15MnV、15MnTi15MnTi、16MnNb16MnNb。 Q420Q420：相當(dāng)于相當(dāng)于15MnVN15MnVN、14MnVTiRE14MnVTiRE。三三. . 微合金鋼微合金鋼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；主要依靠細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化來(lái)提高強(qiáng)度；主要依靠細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化來(lái)提高強(qiáng)度；利用控制軋制和控制冷卻工藝?yán)每刂栖堉坪涂刂评鋮s工藝-高強(qiáng)度低合金鋼。高強(qiáng)度低合金鋼。 2. 2. 微合金元素的作用微合金元素的作用 抑制奧氏體形變?cè)俳Y(jié)晶；抑制奧氏體形變?cè)俳Y(jié)晶； 阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大；阻止奧氏

11、體晶粒長(zhǎng)大； 沉淀強(qiáng)化；沉淀強(qiáng)化； 改變與細(xì)化鋼的組織。改變與細(xì)化鋼的組織。 3. 3. 軋制方法軋制方法l 鈮主要用來(lái)在高溫形變時(shí)產(chǎn)生應(yīng)變誘導(dǎo)析出相鈮主要用來(lái)在高溫形變時(shí)產(chǎn)生應(yīng)變誘導(dǎo)析出相 Nb Nb（C C，N N），），細(xì)化奧氏體晶粒；細(xì)化奧氏體晶粒；l 釩主要用來(lái)產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化相釩主要用來(lái)產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化相V V（C, NC, N）；）；l 目前微合金元素組合方法：目前微合金元素組合方法： 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復(fù)合法復(fù)合法四四. . 低碳貝氏體鋼和馬氏體鋼低碳貝氏體鋼和馬氏體鋼1. 1.

12、低碳貝氏體鋼低碳貝氏體鋼1 1）概念）概念 在軋制或正火后得到在軋制或正火后得到B B組織，屈服強(qiáng)度可達(dá)到組織，屈服強(qiáng)度可達(dá)到490-780 490-780 MPaMPa。2 2）合金化原理合金化原理 合金元素主要是能顯著推遲先共析合金元素主要是能顯著推遲先共析 F F和和P P轉(zhuǎn)變，但對(duì)轉(zhuǎn)變，但對(duì)B B轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變推遲較少的元素如變推遲較少的元素如MoMo，B B，可得到貝氏體組織?？傻玫截愂象w組織。 如如14MnMoV14MnMoV及及14CrMnMoVB14CrMnMoVB。屈服強(qiáng)度分別為大于。屈服強(qiáng)度分別為大于490MPa490MPa和和640MPa640MPa。l 加入加入Mn, Ni,

13、CrMn, Ni, Cr等合金元素，進(jìn)一步推遲先共析等合金元素，進(jìn)一步推遲先共析F F和和P P轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)變，并使變，并使BsBs點(diǎn)下降，可得到下點(diǎn)下降，可得到下B B組織；組織；l 加入微合金化元素充分發(fā)揮其細(xì)化作用和沉淀作用；加入微合金化元素充分發(fā)揮其細(xì)化作用和沉淀作用；l 低碳低碳, ,使韌性和可焊性提高。鋼種使韌性和可焊性提高。鋼種1414MnMoV,MnMoV, 14MnMoVBRE 14MnMoVBRE，用來(lái)制造容器。用來(lái)制造容器。上貝氏體組織上貝氏體組織2. 2. 針狀鐵素體鋼針狀鐵素體鋼l 低碳或超低碳的針狀低碳或超低碳的針狀F F，實(shí)質(zhì)上也是屬于低碳實(shí)質(zhì)上也是屬于低碳B B鋼鋼 C

14、0.1%,C470470MPaMPa，如如 06 06MnMoNb, 09MnMoVNbMnMoNb, 09MnMoVNb l 具有好的低溫韌性，而且有良好具有好的低溫韌性，而且有良好 焊接性，成功地應(yīng)用于制造寒帶焊接性，成功地應(yīng)用于制造寒帶 輸送石油和天然氣的管線。輸送石油和天然氣的管線。針狀鐵素體針狀鐵素體3. 3. 低碳馬氏體鋼（低碳馬氏體鋼（C0.25%C0.25%）l 性能性能：更高的強(qiáng)度（：更高的強(qiáng)度（1000 MPa1000 MPa級(jí)）和良好的焊接性級(jí)）和良好的焊接性, ,超群的疲超群的疲勞性能；勞性能；l 合金元素：合金元素：AlAl、NbNb、V V、B B及及Mn,Mn,

15、CrCr 1 1）鍛軋空冷得到）鍛軋空冷得到B+M+FB+M+F混合組織；混合組織； 2 2）軋后淬火并自回火）軋后淬火并自回火 , , 得到得到 M M 組織。組織。 如如 0.10C-1.80Mn-0.45Mo-0.05%Nb 。 鍛軋后空冷：鍛軋后空冷：B + M + F混合組織。混合組織。s：828MPa，Ak：96J。 直接淬火直接淬火+自回火：自回火：低碳馬氏體。低碳馬氏體。 s：935MPa，Ak：50J。 Mn-Si-V-Nb系，系， s：8601116MPa，Ak為為4675J。l 應(yīng)用：應(yīng)用：運(yùn)動(dòng)的部件和低溫下使用的部件運(yùn)動(dòng)的部件和低溫下使用的部件。4. 4. 雙相鋼雙相鋼

16、l 近近7080%7080%細(xì)晶多邊形細(xì)晶多邊形F F+2030%+2030%M;M;l 通過(guò)兩相區(qū)加熱淬火或熱軋后空冷通過(guò)兩相區(qū)加熱淬火或熱軋后空冷; ;l 高強(qiáng)度，良好冷成型性能，高強(qiáng)度，良好冷成型性能， 極佳沖壓性能（薄板或帶鋼極佳沖壓性能（薄板或帶鋼 深沖用鋼材）深沖用鋼材）; ;l 分為退火雙相鋼和熱軋雙相鋼；分為退火雙相鋼和熱軋雙相鋼；l 鋼種舉例：鋼種舉例：Si-Mn-Cr-MoSi-Mn-Cr-Mo-V-V。F+B雙相鋼雙相鋼2.4 2.4 工程結(jié)構(gòu)鋼的冶金工藝特點(diǎn)工程結(jié)構(gòu)鋼的冶金工藝特點(diǎn)冶煉工藝冶煉工藝 1 1）固固N(yùn) N：AlAl脫氧脫氧; ; 2 2）控控S S：降低降低

17、S%S%；改變改變MnSMnS形態(tài)形態(tài); ; 3 3）加入微合金元素：強(qiáng)化與細(xì)化。）加入微合金元素：強(qiáng)化與細(xì)化?？刂栖堉婆c控制冷卻控制軋制與控制冷卻熱處理工藝與金相組織熱處理工藝與金相組織 正火或淬回火正火或淬回火 ，F(xiàn)-PF-P，B B，MM F-P的理想組織的理想組織帶狀組織帶狀組織 控制軋制與控制冷卻控制軋制與控制冷卻l 控制軋制控制軋制 l 主要由三個(gè)階段組成：主要由三個(gè)階段組成： 1 1）高溫下的再結(jié)晶區(qū)變形；）高溫下的再結(jié)晶區(qū)變形； 2 2）在緊靠）在緊靠ArAr3 3以上的低溫?zé)o再結(jié)晶區(qū)變形；以上的低溫?zé)o再結(jié)晶區(qū)變形； 3 3）在奧氏體和鐵素體兩相區(qū)變形）在奧氏體和鐵素體兩相區(qū)變

18、形l 鋼坯的加熱溫度、保溫時(shí)間、開軋溫度、軋制道次和道鋼坯的加熱溫度、保溫時(shí)間、開軋溫度、軋制道次和道次變形量、終軋溫度以及軋后冷卻等參數(shù)，都極為重要。次變形量、終軋溫度以及軋后冷卻等參數(shù)，都極為重要。通過(guò)控制軋制過(guò)程中的各種參數(shù)，形成軋制工藝。通過(guò)控制軋制過(guò)程中的各種參數(shù)，形成軋制工藝。 l 控制冷卻控制冷卻 主要在相變后的卷取過(guò)程主要在相變后的卷取過(guò)程。 v 采用采用CSPCSP工藝工藝的的典型典型企業(yè)企業(yè)馬來(lái)西亞梅加廠馬來(lái)西亞梅加廠德國(guó)蒂森德國(guó)蒂森韓國(guó)韓寶韓國(guó)韓寶v CSP CSP工藝與傳統(tǒng)連鑄連軋工藝熱歷史的比較工藝與傳統(tǒng)連鑄連軋工藝熱歷史的比較約約95095010001000直接進(jìn)均熱爐直接進(jìn)均熱爐 中間無(wú)相變中間無(wú)相變連鑄快速凝連鑄快速凝固成薄板坯固成薄板坯鋼水鋼水熱連軋熱連軋 精軋精軋 層流層流 冷卻冷卻卷取卷取 均熱均熱（2530分）分）冷卻至室溫或冷卻至室溫或約約700熱裝熱送熱裝熱送 相變相變鋼水鋼水連鑄凝固連鑄凝固成厚板坯成厚板坯 加熱、均熱加熱、均熱（約（約100150分）分）粗軋粗軋熱連軋熱連軋精軋精軋 層流層流 冷卻冷卻 卷取卷取a a薄板坯連鑄連軋工藝流程薄板坯連鑄連軋工藝流程b b 傳統(tǒng)連鑄連軋工藝流程