金屬材料學02課件

1金屬材料學第二章工程結構鋼工程結構鋼主要用于制造各種大型金屬結構（如橋梁、船舶、屋架、鍋爐及壓力容器等），約占鋼總產(chǎn)量的90%。金屬材料學按用途分類結構鋼耐腐蝕鋼低溫用鋼耐磨鋼鋼筋鋼鋼軌鋼等按顯微組織分類鐵素體-珠光體鋼微珠光體鋼針狀鐵素體鋼低溫回火馬氏體鋼低碳貝氏體鋼雙相鋼等碳素鋼（

s

235

MPa）工程結構鋼低合金高強度鋼（合金元素<3%，

s

295

MPa

）金屬材料學§1工程結構鋼的基本要求服役特點不作相對運動，長期承受靜載荷作用，有一定的使用溫度和環(huán)境要求。如寒冷的北方，構件在承載的同時，還要長期經(jīng)受低溫的作用；橋梁或船舶則長期經(jīng)受大氣或海水的浸蝕；電站鍋爐構件的使用溫度則可達到250℃以上。性能要求彈性模量大，以保證構件有更好的剛度；有足夠的抗塑性變形及抗破斷的能力，即σs和σb較高，而δ和ψ較好；缺口敏感性及冷脆傾向性較?。痪哂幸欢ǖ哪痛髿飧g及海水腐蝕性能；良好的冷變形性能和焊接性能；以工藝性能為主，力學性能為輔。成分設計要求低碳（wC%≤0.2%）；

加入適量的合金元素提高強度（1）當合金元素含量較低時，如低合金高強度結構鋼和微合金化鋼，其基體組織是大量的鐵素體和少量的珠光體；（2）當合金元素含量較多時，其基體組織可變?yōu)?，貝氏體、針狀鐵素體或馬氏體組織。供貨狀態(tài)大部分構件通常是在熱軋空冷（正火）狀態(tài)下使用，有時也在回火狀態(tài)下使用。金屬材料學§2低合金高強度結構鋼的合金化

低碳，這類鋼中碳的質量分數(shù)一般小于0.2%，主要是為了獲得較好的塑性s韌性s焊接性能。主加合金元素主要是MnsSi，其它有NbsVsTisAl。合金元素作用：固溶強化s彌散析出強化s細晶強化s增加P含量。Mn能細化珠光體和鐵素體晶粒；Mn的含量在1%~1.5%范圍內(nèi)可促進鐵素體在形變時發(fā)生交滑移，使{112}<111>滑移系在低溫下仍其作用，同時，錳還使三次滲碳體難于在鐵素體晶界析出，減少了晶界的裂紋源，這也將改善鋼的沖擊韌性。

Mn的加入還可使Fe-Fe3C相圖中的S點左移，使基體中珠光體數(shù)量增多，使強度不斷提高。Si能固溶強化，不能細化F晶粒。用Al脫氧；金屬材料學輔加合金元素Al、V、Ti、Nb等，既可產(chǎn)生沉淀強化作用，還可細化晶粒，從而使強韌性得以改善。焊接性要求：工藝簡單；結合牢固；熱影響區(qū)足夠的強度和韌性；沒有裂紋等缺陷。碳當量和焊縫裂紋敏感性指數(shù)來評價焊接性碳當量

Ceq=C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/5；焊縫裂紋敏感性指數(shù)Pcm=C+Si/30+Mn/20+Cu/20+Ni/60+Cr/20+Mo/15+V/10+5B。加入一定量的Cu和P，改善這類鋼的耐大氣腐蝕性能。

Cu元素沉積在鋼的表面，具有正電位，成為附加陰極，使鋼在很小的陽極電流下達到鈍化狀態(tài)；P在鋼中可以起固溶強化的作用，也可以提高耐蝕性能；Ni和Cr都能促進鋼的鈍化，減少電化學腐蝕；5.加入微量稀土元素可以脫硫去氣，凈化鋼材，并改善夾雜物的形態(tài)與分布，從而改善鋼的力學性能和工藝性能。金屬材料學Nb在鋼中的作用Nb

高溫A化未溶的Nb(C,N)溶解的Nb(C,N)析出的Nb(C,N)抑制A晶粒長大細化F晶粒阻止A晶粒長大A F轉變T抑制形變A的回復和再結晶高溫A區(qū)析出低溫A區(qū)析出低溫F區(qū)析出相間沉淀析出A中的形變帶回復的亞結構邊界沉淀強化韌性強度強度韌性控制軋制金屬材料學V在鋼中的作用V固溶在A中A中析出F中析出加熱時阻止晶粒長大阻止變形的A再結晶阻止F再結晶延緩

B轉變延緩

P轉變對F形成無影響餅形晶粒等軸F細晶粒細化F晶粒析出強化M組織多邊形F+M島混合組織對焊縫金屬和熱影響區(qū)中的B形成無影響金屬材料學§3鐵素體-珠光體鋼組織特點：75~90%F+10~25%P碳素鋼低合金高強度鋼具有鐵素體-珠光體組織的低合金鋼和微合金鋼的屈服強度的極限約為460MPa。合金元素：MnsSisNbsVsTisAl等，主要起固溶強化s細晶強化和沉淀強化作用。P.53表2-1和P.54表2-2列出了低合金高強度結構鋼的牌號s化學成分以及力學性能。5個牌號；5個等級金屬材料學§4微珠光體低合金高強度鋼性能要求：強調焊接性、低溫韌性和強度等綜合性能。組織特點：大量F+較少量P。一、化學成分特點降低含C量(<0.1%)，強度補救辦法：加入適量微合金化元素Ti、Nb、V等。二、工藝特點運用控制軋制和控制冷卻生產(chǎn)工藝。通過化學成分和制備工藝的最佳配合達到最佳強韌化效果，即細晶強化和沉淀強化等的最佳組合。三、微合金元素在鋼中的作用阻止奧氏體晶粒的長大；抑制奧氏體形變再結晶；形成沉淀相促進沉淀強化。金屬材料學§5針狀鐵素體鋼性能要求：對焊接性、低溫沖擊韌性和強度等要求更高。組織特點：過飽和的針片狀F（高密度位錯）+彌散分布的碳氮化物。一、顯微組織低碳或超低碳（

C≤0.06%）的針狀F（屬于貝氏體），其F片呈板條狀，具有高密度位錯。二、成分及性能典型鋼種：Mn-Mo-Nb鋼。其成分范圍：C≤0.06%，Mn：1.6-2.0%，Mo：0.2-0.6%，Nb：0.04-0.06%；有時還加0.06%V或0.01%Ti。屈服強度＞470MPa，伸長率≥20%，室溫沖擊韌性值≥80J，并具有好的低溫韌性，焊接性能良好，抗H2S腐蝕性好。通過控制軋制和控制冷卻，獲得極細針狀F，屈服強度可達700~800

MPa。金屬材料學三、合金元素的作用

C：低碳量是為了降低對韌性的損害，增加Nb的碳化物沉淀。

Mn：推遲先共析鐵素體和珠光體轉變，降低BS點，使針狀的鐵素體在450℃以下形成；也是固溶強化元素。

Mo：能有效地推遲先共析鐵素體轉變而不影響貝氏體轉變；Mo與Mn聯(lián)合使用還有利于得到

細晶粒的針狀鐵素體而不是粗大的多邊形鐵素體。

Nb：通過沉淀相Nb(C,N)的析出能有效地產(chǎn)生沉淀強化，并且在奧氏體熱軋時，沉淀相Nb(C,N)也可以細化晶粒。四、針狀鐵素體鋼的用途應用于寒冷地帶建造輸送石油和天然氣的管線。金屬材料學§6低碳貝氏體和馬氏體鋼一、低碳貝氏體鋼含C量：0.10~0.15%在軋制或正火后控制冷卻，得到低碳貝氏體組織，與相同含碳量的鐵素體-珠光體組織相比，具有更高的強度和良好的韌性。利用貝氏體相變強化，鋼的屈服強度可達450~980

MPa。貝氏體鋼的成分

主加合金元素是Mo和B，顯著推遲先共析鐵素體和珠光體轉變，而對貝氏體轉變推遲較少。

在此基礎上再加入Mn、Cr、Ni元素，進一步推遲先共析鐵素體和珠光體轉變，并使Bs下降，以獲得下貝氏體組織。下貝氏體組織比上貝氏體組織具有更高強度和更低韌脆轉變溫度。通過微合金化，充分發(fā)揮Nb、V、Ti的細化晶粒和沉淀強化。金屬材料學鋼種及處理工藝14MnMoV、14MnMoVBRE：屈服強度為490

MPa級。主要用于制造容器的板材和其他鋼結構。板厚＜14mm，熱軋；板厚＞14mm，正火+高溫回火。14MnMoVBRE焊接性能不好，焊接前需150℃以上預熱。針狀鐵素體鋼可以理解為超低碳貝氏體鋼金屬材料學二、低碳馬氏體鋼作相對運動的部件，要求更高的強度、韌性和疲勞強度的配合。1.低碳馬氏體鋼的合金化低C(<0.16%)、加入Mo、Nb、V、B等與合理含量的Mn和Cr配合。提高淬透性，Nb還細化晶粒。BHS系列：Mn-Mo-Nb；BHS-1成分：C：0.10%，Mn：1.8%，Mo：0.45%，Nb：0.05%Mn-Si-V-Nb系列。顯微組織、性能及處理工藝鍛軋后空冷：貝氏體+馬氏體+鐵素體；

BHS-1鋼性能為：σ0.2=828

MPa；σb=1049

MPa；室溫沖擊功96

J。用于制造汽車的輪臂托架。鍛軋后直接淬火并回火：BHS-1鋼低碳回火馬氏體。σ0.2=935MPa；σb=1197MPa；室溫沖擊功50J，-40℃沖擊功32J。制造汽車的下操縱桿。

具有高強度、高韌性和高的疲勞強度，適用于工程機械上運動的部件和低溫下使用的部件。金屬材料學低的屈服強度，一般不超過350MPa；σ-ε曲線是光滑連續(xù)的，沒有屈服平臺，更沒有鋸齒形屈服現(xiàn)象；高的均勻延伸率和總延伸率，其總延伸率在24%以上；高的加工硬化指數(shù)，n值大于0.24；（σ=Kεn）高的塑性應變比（）。（

=εw/εb。εw

為寬度應變，εb

為厚度應變）§7雙相鋼強調沖壓成形性1.雙相鋼的特征顯微組織：F+5~20%島狀M+少量（殘余A+B+碳化物K）。性能特點：2.雙相組織的獲得方法熱處理雙相處理鋼在Ac1與Ac3雙相區(qū)加熱，其組織為F＋A，隨著加熱溫度的升高，鋼中A也隨著增加。在冷卻過程中，應保證轉變產(chǎn)物為F＋M，而不是F＋P。

雙相鋼的力學性能與組織有密切的關系，鋼的化學成分、亞臨界區(qū)的加熱溫度、最終冷卻速度，將起著決定性的作用。金屬材料學（2）熱軋雙相鋼鋼在熱軋后從奧氏體狀態(tài)冷卻(控制冷卻)時，首先形成70～80％的多邊形鐵素體。使未轉變的奧氏體有足夠的穩(wěn)定性，避免發(fā)生珠光體和貝氏體相變，而是在以后冷卻時轉變成M。這個工藝要求合理設計合金成分和實現(xiàn)控軋與控冷。雙相鋼優(yōu)異性能的原因低屈服強度和高應變硬化率的原因：

首先，在馬氏體區(qū)域存在殘余應力，這些應力來源于快速冷卻時馬氏體相變的體積和形狀變化。

其次，由于這些體積和形狀變化效應，使周圍鐵素體經(jīng)受塑性變形，導致鐵素體中存在高密度的可動位錯。再次，殘余奧氏體在成形操作時，發(fā)生應變誘發(fā)馬氏體相變。雙相鋼的典型成分和用途

典型的化學成分范圍是：其典型的化學成分范圍是：

C：0.04~0.10%，Mn：0.8~1.8%，Si：0.9~1.5%，M