工程材料學(xué)工程構(gòu)件用鋼

工程材料學(xué)工程構(gòu)件用鋼第1頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第一節(jié)工程構(gòu)件用鋼的使用性能

一.力學(xué)性能特點(diǎn)

1.工程構(gòu)件的屈服現(xiàn)象：

為何出現(xiàn)這種現(xiàn)象：金屬的塑性變形過(guò)程，軟位向（少量晶粒）中處于與應(yīng)力成45゜滑移面上的位錯(cuò)先移動(dòng)；掙脫且CN釘扎后，所需應(yīng)力小或不變；而變形還在繼續(xù)；當(dāng)已移動(dòng)的位錯(cuò)造成的應(yīng)力場(chǎng)足以使周圍晶粒（硬位向）中位錯(cuò)移動(dòng)時(shí)，其他滑移面上位錯(cuò)與軟位錯(cuò)一起運(yùn)動(dòng)，即：晶粒均塑變，均勻變形。實(shí)際應(yīng)用中：（鋼材扎制）冷軋鋼板時(shí)出現(xiàn)皺折第2頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

2.冷脆現(xiàn)象：構(gòu)件在低溫使用時(shí)，發(fā)生脆性斷裂時(shí)的應(yīng)力小于屈服極限。

原因：存在冷裂紋，缺口，淬火時(shí)效，應(yīng)變時(shí)效的鋼(低碳鋼)使Tk↑，在使用T下，處于解理斷裂區(qū)，脆性↑，冷脆傾向性的大小用Tk來(lái)衡量（Tk是光滑試樣測(cè)得的）第3頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一影響Tk的因素a構(gòu)件表面質(zhì)量b構(gòu)件的冶金質(zhì)量c構(gòu)件的晶粒度d合金元素第4頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一3.工程構(gòu)件用鋼的應(yīng)變時(shí)效

概念：構(gòu)件鋼在塑性變形后（高溫Ac1以下）放置，其（力學(xué)性能）強(qiáng)度，硬度等塑性變形抗力指標(biāo)增高，而極限塑性和韌性等斷裂抗力指標(biāo)降低的現(xiàn)象，稱應(yīng)變時(shí)效。危害：

a.使材料的斷裂抗力降低，成為裂紋的起源，局部變形，卷邊，沖孔，剪裁。

b.給冷變形工藝造成困難：硬，脆，繼續(xù)加工難度大，有的無(wú)法加工。第5頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一控制：

a.C,N↓（用低C鋼），加入碳化物形成元素（Al，

V，Ti，Mo），可控制或消除應(yīng)變時(shí)效。

b.冶煉方法，澆鑄方法：平爐鋼的時(shí)效敏感性＜側(cè)吹轉(zhuǎn)爐鋼鎮(zhèn)靜鋼的時(shí)效敏感性＜沸騰鋼衡定指標(biāo)：應(yīng)變時(shí)效前后的ak、HRB值差與原值相比的百分?jǐn)?shù)。第6頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一4.淬火時(shí)效

含義：淬火后放置時(shí)，使σs，HB↑，δT，φk↓的現(xiàn)象

原因：淬火時(shí)效是過(guò)飽和C，N脫溶的結(jié)果：共格Fe2.4C-?Fe16N2-α脆性大，（高溫，過(guò)時(shí)效，F(xiàn)e2.4C-?轉(zhuǎn)變Fe3C,Fe16N2-α轉(zhuǎn)變Fe4N且長(zhǎng)大）

應(yīng)用：焊接熱影響區(qū)的淬火時(shí)效—熱循環(huán)（加熱，冷卻），構(gòu)件開(kāi)裂

5.藍(lán)脆：在低碳鋼中在200-350℃時(shí)，光亮的鋼表面存在藍(lán)的顏色，測(cè)力學(xué)性質(zhì)發(fā)現(xiàn)，塑性，韌性↓，強(qiáng)度↑，這種現(xiàn)象稱藍(lán)脆。

第7頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二工程構(gòu)件鋼的耐大氣腐蝕性1.

大氣腐蝕過(guò)程：如圖所示電化學(xué)腐蝕——原電池現(xiàn)象（兩塊金屬極板）—構(gòu)件用鋼——一塊鋼板上進(jìn)行的（兩種組織）——微電池現(xiàn)象。

2.提高構(gòu)件用鋼的耐大氣腐蝕途徑：（1）減少微電池?cái)?shù)量：S，C↓，要求是低碳鋼（2）提高基體（α-Fe）的電極電位：抑制陽(yáng)極反應(yīng)，α-Fe→固溶體，Ni，Ti可溶于α-Fe中，使其電極電位增高，防止大氣腐蝕。

第8頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（3）利用鈍化效應(yīng)

鈍化效應(yīng)：指通過(guò)改變表面狀態(tài)而造成基體金屬表面部分電極電位增高的現(xiàn)象。鈍化措施：迅速形成一層保護(hù)膜，使基體金屬與電介質(zhì)隔開(kāi)，從而使陽(yáng)板反應(yīng)受到阻礙

Cu（0.2-0.5%）

P加入鋼中，也提高鋼的耐腐蝕性

Cu+P：Wp：0.06-0.15%；

WCu:0.1-0.3%效果最佳，P有益元素第9頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第二節(jié)工程構(gòu)件用鋼的加工工藝性能

一.冷變形性能1.鋼材的變形能力：指制備成必要形狀的工件時(shí)的難易程度，塑變抗力→C↑M↑d↓

設(shè)備功率大小不同﹤﹦﹥不同變形程度﹤﹦﹥構(gòu)件鋼的C、M低，不會(huì)對(duì)變形造成困難。2.產(chǎn)生開(kāi)裂（其他缺陷）的可能性：

a.φk，δT不足，是開(kāi)裂的原因。

σs/σb來(lái)衡量材料塑性失穩(wěn)的可能性，σs/σb高，易塑性失穩(wěn)一般σs/σb<0.7（延伸，彎曲較大變形的鋼）

b.含C程度高開(kāi)裂傾向大（珠光體↑，α少）

c.含S程度高開(kāi)裂傾向大分層裂紋源

d.含P程度高開(kāi)裂傾向大偏析，脆

e.表面質(zhì)量差開(kāi)裂傾向大裂紋源3.冷變形后性能：變形后ρ↑△σs↑，塑性↓應(yīng)變時(shí)效△σs↑，塑性↓

第10頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二.焊接性能

焊接脆性：由于鋼材的成分和組織的變化而導(dǎo)致焊接構(gòu)件脆斷趨勢(shì)增加的現(xiàn)象，即焊接脆性。1.

馬氏體轉(zhuǎn)變脆性：產(chǎn)生熱影響區(qū)（HAZ）Ac1以上，γ晶粒大，冷卻M粗大，使σ↑，δ↓，應(yīng)力（組織、熱應(yīng)力）經(jīng)常出現(xiàn)裂紋。原因：與C、M有關(guān)，Cz（合金元素折合成含C對(duì)它的行為影響），Cz↓焊接性能↑（Cz<0.35%，焊接性好；Cz>0.4-0.5%焊接困難，母材預(yù)熱，焊后熱；Cz>0.6%預(yù)熱，構(gòu)件保持200-400℃之間。正火處理）∴構(gòu)件應(yīng)為低C，低合金鋼

第11頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.凝固脆性

在凝固過(guò)程中，由于成分和結(jié)構(gòu)變化而引起的裂紋。先結(jié)晶純，把雜質(zhì)推向液相，在晶界偏析，收縮應(yīng)力作用下沿著柱狀晶產(chǎn)生熱裂紋。

S，P，Si，C，Ni，Cu控制。如圖

3.

熱影響區(qū)的時(shí)效脆性：淬火時(shí)效，應(yīng)變時(shí)效（淬火應(yīng)力使淬角處產(chǎn)生微塑）

4.

焊接后加熱脆性（開(kāi)裂）：γ不銹鋼，V鋼，加熱松弛應(yīng)力時(shí)開(kāi)裂，往往在融合線附近粗大晶粒區(qū)，焊縫粗大組織中，主要是雜質(zhì)，第二相偏析（相當(dāng)于第二次回火脆）由此看來(lái)，以上這些脆性均是C，M↑所造成的。因此，為了提高保證焊接性能，構(gòu)件鋼往往采用低C鋼，低M鋼。作業(yè)題思考題

第12頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)

低合金構(gòu)件鋼

用途：主要制作大量金屬構(gòu)件如橋梁、船舶、車輛、鍋爐、高壓容器、輸油輸氣管道、大型鋼結(jié)構(gòu)等（圖)，它代替碳素結(jié)構(gòu)鋼，可大大減輕結(jié)構(gòu)重量，節(jié)省鋼材，保證使用可靠，耐久。一.性能要求：

1.

力學(xué)性能

第13頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

2.

工藝性能：冷成型性，焊接性要求好，要求碳含量<0.35%3.

耐大氣腐蝕性：向鋼中加入Cu，P，（Cr，Ni等元素）

4.經(jīng)濟(jì)：節(jié)省資源，多之合金元素，低是不用Ni，Cr第14頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一二.成分特點(diǎn)

1.

低碳：由于韌性，焊接性，冷成型性的要求，其C的質(zhì)量成分不超過(guò)0.20%；

2.Mn為主要元素；以低合金鋼基本不用貴重Ni，Cr等元素，而以資源豐富的Mn為主要元素，Mn固溶強(qiáng)化，可使奧氏體分解溫度降低，細(xì)化了晶粒，使P變細(xì)，消除晶界上的粗大片狀碳化物，提高鋼的強(qiáng)度和韌性；

第15頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

3.

Nb，V，Ti為輔加元素：Nb，V，Ti強(qiáng)碳化物形成元素，在鋼中形成細(xì)碳化物，阻礙鋼熱扎時(shí)γ晶粒張大，細(xì)化晶粒；析出強(qiáng)化作用，強(qiáng)韌化提高；

4.

Cu，P：耐大氣腐蝕性能提高；

5.加入微量RE：凈化鋼材，脫S，改夾雜物形態(tài)，提高力學(xué)性能，改善韌性，工藝性能。三普低鋼的牌號(hào)見(jiàn)（書(shū)）表2-7、表3-8第16頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一四.常用鋼種及用途

16Mn：我國(guó)低合金高強(qiáng)鋼中用量最多、產(chǎn)量最大的鋼種。較低強(qiáng)度級(jí)別鋼中最具代表性的鋼種Q345，使用狀態(tài)的組織為細(xì)晶粒的鐵素體—珠光體，綜合力學(xué)性能好，強(qiáng)度比普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235高約20%～30%，耐大氣腐蝕性能高20%～38%，省材20%-30%，低T性能好。

15MnVN（Q420）中等級(jí)別強(qiáng)度鋼中使用最多的鋼種。中強(qiáng)度級(jí)別代表性鋼種V，N可形成V的N化物，細(xì)化晶粒，析出強(qiáng)化，強(qiáng)韌性綜合好，焊接性，低溫韌性較好。用于制造橋梁，鍋爐，船等大型結(jié)構(gòu)。特點(diǎn)和作用如圖。強(qiáng)度級(jí)別超過(guò)500MPa后，鐵素體和珠光體組織難以滿足要求，于是發(fā)展了低碳貝氏體鋼。加入Cr、Mo、Mn、B等元素，有利于空冷條件下得到貝氏體組織，使強(qiáng)度更高，塑性、焊接性能也較好，多用于高壓鍋爐、高壓容器等。

第17頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一五.熱處理特點(diǎn)（根據(jù)使用狀態(tài)）：

a.

這類鋼一般在熱扎空冷狀態(tài)下使用，細(xì)α+p

b.

如有特殊需要時(shí)，如為改善焊接性能，正火處理，高溫回火，α+索氏體

c.

屈服強(qiáng)度高的鋼材還采用軋后控冷方法Q420鋼

第18頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一返回第19頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一返回第20頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)和化學(xué)成分（摘自GB/T700-1988）

牌號(hào)

等級(jí)化學(xué)成分w/%

脫氧方法CMnSiSP不大于Q195

0.06～0.120.25～0.500.300.0500.045F,b,ZQ215A0.09～0.150.25～0.550.300.0500.045F,b,ZB0.045Q235A0.14～0.220.30～0.650.0350.0500.045F,b,ZB0.12～0.200.30～0.700.045C≤0.180.35～0.800.0400.040ZD≤0.170.035TZQ255A0.18～0.280.40～0.700.300.0500.045F、b、ZB0.045Q275

0.28～0.380.50～0.800.350.0500.045b、Z說(shuō)明： 1.Q235A，B級(jí)沸騰鋼錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)上限為0.60%。

2.“F”沸騰鋼，“b”半鎮(zhèn)靜鋼、“Z”鎮(zhèn)靜鋼，“TZ”特殊鎮(zhèn)靜續(xù)第21頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一返回碳素結(jié)構(gòu)鋼的機(jī)械性能（摘自GB/T700-1988）

牌號(hào)

等級(jí)拉伸試驗(yàn)沖擊試驗(yàn)屈服點(diǎn)σs/MPa抗拉強(qiáng)度σb/MPa伸長(zhǎng)率δ5/%

溫度/℃V型沖擊功（縱向）/J鋼材厚度（直徑）/mm鋼材厚度（直徑）/mm≤1616～4040～6060～100100～150>150≤1616～4040～6060～100100～150>150不小于不小于不小于Q195

(195)(185)

315～3903332

Q215A215205195185175165335～410313029282726

B2027Q235A

235

225

215

205

195

185

375～460

26

25

24

23

22

21

B20

27C0D-20Q255A255245235225215205410～510242322212019

B2027Q275

275265255245235225490～610201918171615

第22頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一新舊GB700標(biāo)準(zhǔn)牌號(hào)對(duì)照GB700－88GB700－79Q195不分等級(jí)，化學(xué)成分和力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率和冷彎）均須保證，但軋制薄板和盤(pán)條之類產(chǎn)品，力學(xué)性能的保證項(xiàng)目，根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)和使用要求，可在有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中另行規(guī)定1號(hào)鋼Q195的化學(xué)成分與本標(biāo)準(zhǔn)1號(hào)鋼的乙類鋼B1同，力學(xué)性能（抗拉強(qiáng)度，伸長(zhǎng)率和冷彎）與甲類鋼A1同（A1的冷彎試驗(yàn)是附加保證條件），1號(hào)鋼沒(méi)有特類鋼Q215A級(jí)

B級(jí)（做常溫沖擊試驗(yàn)，V型缺口）A2C2Q235A級(jí)（不做沖擊試驗(yàn)）B級(jí)（做常溫沖擊試驗(yàn)，V型缺口）C級(jí)（作為重要焊接結(jié)構(gòu)用）D級(jí)（作為重要焊接結(jié)構(gòu)用）A3（附加保證常溫沖擊試驗(yàn)，U型缺口）C3（附加保證常溫或－20℃沖擊試驗(yàn)，U型缺口）Q255A級(jí)

B級(jí)（做常溫沖擊試驗(yàn)，V型缺口）A4C4（附加保證沖擊試驗(yàn)，U型缺口）Q275不分等級(jí)，化學(xué)成分和力學(xué)性能均須保證C5返回第23頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一作業(yè)及思考題1低碳鋼板采用冷軋工藝時(shí)，為何出現(xiàn)表面皺褶？2淬火時(shí)效、應(yīng)變時(shí)效、鈍化效應(yīng)含義3構(gòu)件用鋼的大氣腐蝕效應(yīng)4常見(jiàn)的焊接脆性有哪些5碳鋼中常存雜質(zhì)元素對(duì)鋼性能有何影響6碳鋼常見(jiàn)的分類方法有哪些？試說(shuō)明20鋼、45、60、Q215-A鋼，Q215-B鋼，T8鋼、T10A鋼、T12鋼、7為什么普低鋼（低合金結(jié)構(gòu)鋼）用Mn作為主要的合金元素？輔助元素在鋼中起什么作用？8試說(shuō)明16Mn、15MnVN中合金元素的作用？返回第24頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一常用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的鋼號(hào)、成分、性能及用途（摘自GB/T1591-1994）鋼號(hào)

化學(xué)成分

w/%厚度或

直徑/mm機(jī)械性能

舊鋼號(hào)

應(yīng)用舉例CMnSiVNbTi其它

σs/MPaσb/MPaδ5/%

Akv(20℃)/J

Q295≤0.160.80～1.50≤0.55

0.02～0.150.015～0.0600.02～0.20

<1616～3535～50≥295≥275≥255390～570233409MnV09MnNb09Mn212Mn橋梁，車輛，容器，油罐

Q3450.18～0.201.00～1.60≤0.55

0.02～0.150.015～0.0600.02～0.20

<1616～3535～50≥345≥325≥295470～63021～223412MnV14MnNb16Mn18Nb16MnRE橋梁，車輛，船舶，壓力容器，

建筑結(jié)構(gòu)

Q390≤0.201.00～1.60≤0.55

0.02～0.200.015～0.0600.02～0.20Cr≤0.30Ni≤0.70<1616～3535～50≥390≥370≥350490～65019～203415MnV15MnTi16MnNb橋梁，船舶

起重設(shè)備，

壓力容器

Q420≤0.201.00～1.70≤0.55

0.02～0.200.015～0.0600.02～0.20Cr≤0.40Ni≤0.70<1616～3535～50≥420≥400≥380520～68018～193415MnVN14MnVTi-RE橋梁，高壓容器

大型船舶，

電站設(shè)備，管道

Q460≤0.201.00～1.70≤0.55

0.20～0.200.015～0.0600.02～0.20Cr≤0.70Ni≤0.70<1616～3535～50≥460≥440≥420550～720返回第25頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一鋼板、鋼筋建筑構(gòu)件螺釘、鉚釘鋼橋梁返回第26頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一齒輪螺栓曲軸返回第27頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一彈簧返回第28頁(yè)，共32頁(yè)，2023年，2月20日，星期一優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分（摘自GB/T699-1999）鋼號(hào)化學(xué)成分w/%CMnSiCr其它08F0.05～0.110.25～0.50≤0.03≤0.10Ni不大于0.30Cu不大于0.20S不大于0.035P不大于0.035100.07～0.130.35～0.650.17～0.37≤0.15200.17～0.230.35～0.650.17～0.37≤0.25350.32～0.390.50～0.800.17～0.37≤0.25400.37～0.440.50～0.800.17～0.37≤0.25450.42～0.500.50～0.800.17～0.37≤0.25500.47～0.550.50～0.800.17～0.37≤0.25600.57～0.650.50～0.800.17～0.37≤0.25650.62～0.700.50～0.800.17～0.37≤0.25

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