幾種重要的鋼種

第四章幾種重要的鋼種前言結構鋼的定義結構鋼人們主要是利用它的力學性能（強度、塑性、韌性、硬度等）；結構鋼用來制造工程結構和機械結構，它包括工程結構鋼和機械結構鋼兩大類；由于這兩類結構鋼的工作條件對性能的要求不同，因而對合金化要求、生產(chǎn)工藝和顯微組織都有很大的區(qū)別。我們分二節(jié)來講解。

第一節(jié)工程結構鋼1、工程結構鋼的定義1）工程結構鋼是指專門用來制造各種工程結構鋼的一大類鋼種；2）應用：如制造橋梁、船體、油井或礦井架、鋼軌、高壓容器、管道和建筑結構等；3）包括碳素工程結構鋼和高強度低合金鋼，前者屬于非合金鋼，后者屬于低合金鋼。4）產(chǎn)量：它在我國鋼產(chǎn)量中的份額很大：1995年我國鋼產(chǎn)量中，高強度低合金鋼占20%左右，碳素工程結構鋼占70%，故工程結構鋼占總鋼產(chǎn)量的95%。高強度合金結構鋼在橋梁、高架橋、高層建筑等的應用，實現(xiàn)設計的輕量化。高強度低合金結構鋼(HSLA)的應用

減輕船體重量，增加承載量大直徑油、氣輸送管槽船材料：含鎳鋼液化天然氣槽船－耐低溫鋼2、工作條件它們主要是承受各種載荷，包括動、靜載荷。3、性能要求使用性能（不同的工作條件，具體要求有所區(qū)別，如軌鋼要求有耐磨性，即硬度要高）有較高的屈服強度、良好的塑性和韌性；（對于有的鋼種）由于工作環(huán)境是暴露在大氣中，溫度可低到零下50℃，故要求低溫韌性，并要求耐大氣腐蝕。工藝性能：經(jīng)受劇烈的冷變形（冷彎、沖壓、剪切）和良好的焊接性。建筑用鋼顯微組織鋼軌用鋼組織4、工程結構鋼的合金設計常用的工程結構鋼是熱軋態(tài)或正火態(tài)使用的低碳鋼，因此，顯微組織是鐵素體-珠光體。T1,ε1T2,ε2T3,ε3空冷熱軋組織

為了能承受更大的載荷并減輕結構的重量，要求鋼材有較高的強度和良好的塑性。因此通過合金化來提高強韌性。如”973”項目研究。1）工程結構鋼的強化在鐵素體-珠光體鋼中，合金元素對強化的貢獻有：溶入鐵素體起固溶強化；細化晶粒起細晶強化；析出彌散的碳化物、碳氮化物，起沉淀強化；增加珠光體含量；主要利用錳、硅、銅、磷等元素溶入鐵素體來提高強度各元素的固溶強化效果不一樣。這主要與尺寸效應有關。磷的強化效果最大，碳的也較大，錳和硅為常用的固溶強化元素。但強化元素都有一個度的問題，它必須考慮對塑性、韌性、冷彎性和焊接性的不利影響。

細化晶粒由Hall-Petch關系可見，對C-Mn鋼和C-Mn-Nb鋼晶粒愈細小，鋼的屈服強度呈線性上升。細化的途徑有多種，其中重要的是用鋁脫氧和合金化（如鈦、鈮等生成細小質點；降低AC3點；推遲再結晶等），當然還有形變等，這不屬于合金化范疇。沉淀強化應用釩、鈮、鈦的微合金化，使過冷奧氏體發(fā)生相間沉淀和鐵素體中析出彌散的碳化物和碳氮化物，產(chǎn)生沉淀強化?？偟膹娀害襶=σ0+∑kiri+∑kjrj+kyd-0.5

ConventionalTMCPDIFTrolling高強度化–超細晶粒微合金鋼TMCP,ThermalMechanicallyControlledProcessingDIFT:DeformationInducedFerriteTransformation高強度化–超細晶粒微合金鋼細晶粒碳素結構鋼微合金管線鋼材中析出的微小顆粒，起沉淀強化作用思考題:1、鋼中合金元素是如何影響其過冷奧氏體轉變的？2、如何理解不同合金元素對過冷奧氏體穩(wěn)定性的影響？如何使鋼在常溫下獲得奧氏體相？2）鐵素體-珠光體組織的冷脆性韌脆的表征：用沖擊韌性以及斷口形貌等；表征的是強度與塑性的綜合；具有鐵素體-珠光體組織的工程結構鋼在-50℃-100℃間使用，因而要求有較低的韌-脆轉化溫度FATT50(℃)；影響鋼的沖擊韌性和韌-脆轉化溫度的因素：有含碳量、晶粒尺寸、固溶元素、彌散析出相和非金屬夾雜物等。隨著鋼的含碳量增加，鋼中珠光體含量相應增加，使韌-脆轉化溫度升高。故工程結構鋼一般為不超過0.25%的低碳鋼；②鋼中合金元素錳、鎳和鉻溶于鐵素體中可降低FATT50(℃),而磷、硅固溶后均升高FATT50(℃)；碳、氮在鐵素體中溶解量雖小，但危害最大。固溶的間隙原子碳、氮原子強烈升高鋼的FATT50(℃)。少量鋁可固定氮和脫氧，并細化晶粒，使鋼的FATT50(℃)下降。③細化鐵素體晶粒和珠光體團不僅可以提高強度，而且可以提高沖擊韌性和降低FATT50(℃)。④微合金鋼中的鈦、鈮、釩的二重性：沉淀強化與細化晶粒，導致FATT50(℃)的相反的結果。⑤鋼中存在的非金屬夾雜物降低鋼的沖擊韌性及平臺能。塑性MnS可用稀土加以改善橫向性能。

思考題1、如何來認識工程結構用鋼的強化？2、影響工程結構用鋼低溫韌性的因素有哪些？3、什么是鋼的焊接性？3）工程結構鋼的焊接問題（工藝性能）焊接是構成金屬結構件的常用方法；鋼的可焊性是指在比較簡單可行的焊接工藝條件下，鋼材焊接后不產(chǎn)生裂紋，并獲得良好的焊縫區(qū)的性能；焊縫區(qū)可分為：熔化區(qū)（焊縫）、熱影響區(qū)和未受熱影響區(qū)。

熔化區(qū)熱影響區(qū)（HAZ)未受熱影響區(qū)｛焊縫區(qū)｝Weldmetal焊接前的組織焊接熱影響區(qū)組織

組織粗大；組織類型變化；產(chǎn)生應力等熔化區(qū)：為了防止熔融金屬在凝固過程中發(fā)生熱裂或在冷卻到200℃以下時發(fā)生冷裂，要求對鋼和焊條的硫、磷含量加以限制，如0.05%。對于高磷鋼，應采取緩冷措施;熱影響區(qū)：在焊接時由于受熔化區(qū)的加熱作用，使其溫度遠遠超過鋼的臨界點，不僅使鋼的組織轉變?yōu)閵W氏體，并且發(fā)生晶粒的明顯長大。在焊接結束后，此熱影響區(qū)又受到周圍未被加熱的基體部分的激冷，因而產(chǎn)生很大的熱應力和組織應力，有時甚至發(fā)生馬氏體相變，相當受到淬火，使硬度明顯上升，同時塑性劇烈下降;

因而在熱影響區(qū)往往出現(xiàn)開裂,這種開裂傾向的大小就反映了鋼的焊接性能的優(yōu)劣。③熱影響區(qū)開裂傾向的評價主要決定于鋼的淬硬性和淬透性；這兩者主要取決于鋼的含碳量以及合金元素的本性及含量。含碳量愈高和提高淬透性的合金元素愈多，鋼的焊裂傾向也愈大，而前者的影響尤為嚴重。

為了估計鋼的可焊性的好壞，通常采用碳當量的概念；碳當量概念：把單個合金元素對熱影響區(qū)硬化傾向的作用折算成碳的作用，再與鋼的含碳量加在一起，用這個碳當量來判斷鋼的可焊性的好壞；

舉例對于抗拉強度在490—590MPa級的鋼，其碳當量公式為：

上式中，元素符號為各元素之質量百分數(shù)，w(Cu)≥0.5%;w(P)≥0.05%時才計算。熱影響區(qū)的最高硬度為HV=（666C當量+40）±40。當鋼的碳當量在0.47以上時，熱影響區(qū)的硬度可超過350HV，這是一個界限；此時為了安全，防止裂紋產(chǎn)生，在焊接工藝上要采取措施，如預熱焊件母材，焊后退火等方法，以減少焊接內應力；設計工程結構鋼（用焊接法聯(lián)接）時，充分考慮碳當量不能超過此值。4)應變時效和淬火時效應變時效：工程構件用鋼經(jīng)冷塑性變形后,在室溫放置較長時間后或稍經(jīng)加熱后,強度、硬度升高，塑性、韌性下降；應變時效的原因：低碳鋼在開始塑性變形時位錯掙脫柯氏氣團的釘扎而運動；當多數(shù)位錯都掙脫柯氏氣團后，流變應力開始增高，產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象；如果此時卸載放置或稍加熱時，存在于α-Fe間隙中的C、N原子重新形成柯氏氣團釘扎位錯，使強度升高，塑性降低。淬火時效：低碳鋼加熱到接近于Ac1

溫度淬火，于室溫放置或稍經(jīng)加熱后，其強度提高而塑性韌性下降的現(xiàn)象。淬火時效的原因：它是過飽和的α固溶體脫溶沉淀的結果，在室溫或較高溫度放置時，C、N原子將向位錯和晶界偏聚，然后析出彌散的與母相共格的亞溫相ε碳化物(Fe2.4C)和α’’氮化物(Fe16N2)，產(chǎn)生強化，降低塑性。應變時效和淬火時效都增加鋼的冷脆傾向，提高鋼的脆性轉折溫度。在制造各種構件時，經(jīng)常采用彎曲，卷邊，沖孔、剪裁等局部塑性變形的工藝操作，將引起應變時效；焊接廣泛用于各種鋼結構的生產(chǎn)，將會引起淬火時效。（例如一種鍋爐鋼板在變形后十天，αk由120J/cm2變?yōu)?5J/cm2)經(jīng)研究證明：應該對鋼中的氮進行嚴格控制。應力延伸率123上屈服點下屈服點1—屈服現(xiàn)象；2—去載后立即加載；3---去載后放置再加載5)工程結構鋼的耐大氣腐蝕性能工程結構鋼多是在大氣或海洋大氣中服役，在潮濕空氣作用下，會產(chǎn)生電化學腐蝕;因而,要求它具有抗大氣腐蝕的能力;鋼中加入少量銅（0.25—0.50%）、磷(0.06—0.15%)、鎳(≤0.65%)、鉻(0.30—1.25%)等元素，都會提高鋼抗大氣腐蝕;耐蝕機理:雖然耐候鋼與普碳鋼銹層都是同樣由γ-FeOOH、α-FeOOH、Fe3O4所組成，但耐候鋼生成的銹層與金屬基體之間有50--100μ厚的非晶態(tài)的尖晶石型氧化物層，它與基體金屬粘附性好、致密、富集Cr、Cu、P。(b)(d)耐蝕性差（表層有裂紋）耐蝕好（表層致密）思考題：1、工程結構鋼的合金化思想是什么？2、碳當量的概念是什么？3、應變時效現(xiàn)象？機理是什么？4、影響工程結構用鋼低溫韌性的因素有哪些？5、什么是鋼的焊接性？如何來表征？為什么？5、工程結構鋼的種類1）鐵素體—珠光體鋼這類鋼服役時的顯微組織是鐵素體—珠光體，包括碳素工程結構鋼、高強度低合金鋼和微合金鋼。①碳素工程結構鋼國家標準規(guī)定，碳素工程結構鋼按屈服強度分為五級，即Q195,Q215,Q235,Q255和Q275，其中Q表示屈服強度（定義是什么），其后的數(shù)字表示屈服強度值，單位為MPa；鋼的屈服強度主要取決于鋼中的碳含量，即珠光體量。含碳量從0.06—0.38%范圍增加，屈服強度從195---275MPa,延伸率從33—20%下降。

碳素工程結構鋼中五種常存元素：碳、硅、錳、硫、磷，其中W(Mn)≤1.0%,W(Si)≤0.5%,它們是冶煉工藝中為了脫氧和穩(wěn)定硫的需要而加進來的；它們大部分以熱軋成品供貨。②高強度低合金鋼(HighStrengthLowAlloySteels,簡為HSLA)

為提高碳素工程結構鋼強度，而加入少量合金元素；利用合金元素產(chǎn)生固溶強化、細晶強化和沉淀強化（不同鋼種情況不一樣）。利用細晶強化使鋼的韌-脆轉化溫度的降低，來抵消由于固溶強化、碳氮化物沉淀強化使鋼的韌-脆轉化溫度的升高。

案例分析----HSLA典型鋼種16Mn工程用高強度低合金鋼中16Mn是典型鋼種，它屬于屈服強度為345MPa級,有較高的強度、良好的塑性和低溫韌性以及焊接性，是我國這類鋼中產(chǎn)量最多、用量極廣的鋼種;16Mn中，w(Mn)=1.2—1.6%，起著固溶強化作用；錳降低A3溫度，增大鋼的奧氏體過冷能力，細化鐵素體晶粒，從而既提高強度，又降低鋼的冷脆性和FATT50(℃)。為進一步提高其綜合性能，采用微量元素處理，如微鈦、微鈮處理，細化晶粒、沉淀強化，發(fā)展成15MnTi、16MnNb、15MnV。思考題：1、工程結構鋼的合金化思想是什么？2、什么是鋼的焊接性？如何來表征？為什么？3、應變時效現(xiàn)象？機理是什么？4、影響工程結構用鋼低溫韌性的因素有哪些？③微合金鋼（高效鋼）微合金鋼是20世紀70年代以來發(fā)展起來的一大類高強度低合金鋼，其關鍵是細化晶粒和沉淀強化。定義：它是在普通碳素結構鋼的基礎上，加入少量微合金化元素(Ti、Nb、V)，與控制軋制和控制冷卻結合起來，獲得高性能的一類HSLA鋼種。它們在這工藝中，起什么作用？如何來實現(xiàn)它？為了充分發(fā)揮微合金元素鈦、鈮、釩的作用，同時發(fā)展了與之配套的控制軋制和控制冷卻工藝，從而來提高鋼的組織和性能。a.抑制奧氏體形變再結晶鈮阻止形變奧氏體的回復和再結晶方面作用最強，鈦次之，釩較弱。機制有二：一是在高溫區(qū)，鈮以固溶原子對晶界遷移的拖曳作用為主；一是在較低溫奧氏體區(qū)，以應變誘導析出的Nb(C,N)粒子的釘扎晶界作用為主。變形奧氏體再結晶剛剛開始Ti、Nb、Vb、阻止奧氏體晶粒長大在高溫鍛造和軋制過程中，每一道次后，再結晶完了，就要發(fā)生晶粒長大。通過加鈦和鈮形成TiN和Nb(C,N)，它們在高溫下非常穩(wěn)定，其彌散分布對控制高溫下的晶粒長大有強烈的抑制作用。C、沉淀相與沉淀強化

復型TEMEDS成分分析d、改變鋼的顯微組織鈦、鈮、釩等合金碳化物和氮化物隨奧氏體化溫度升高有一定的溶解量;溶于奧氏體的微合金元素提高了過冷奧氏體的穩(wěn)定性，降低了發(fā)生先共析鐵素體和珠光體的溫度范圍;低溫下形成的先共析鐵素體和珠光體組織更細小;當然，還有前述的作用，改變了鋼的組織。e、案例適用于傳統(tǒng)控制軋制的X65管線用鋼，應用于高緯度嚴寒地區(qū)的石油和天然氣輸送管線。其成分為：W(C)=0.10%,w(Si)=0.25%,w(Mn)=1.35%,w(Nb)=0.04%,w(V)=0.04%；

該鋼的性能：鋼的碳當量為0.32；鋼坯加熱溫度為1250℃,粗軋的終軋溫度為1000℃，第一道次終軋溫度為980℃，最終終軋溫度為830℃，板帶卷取溫度為630℃；其力學性能為：σs=465MPa,σb=575MPa,δ≥22%,-25℃，沖擊功129J。2）低碳貝氏體鋼及其它鋼具有鐵素體-珠光體組織的低合金鋼和微合金鋼的屈服強度的極限約440MPa；若要求更高強度和韌性的配合，就需要