工程結(jié)構(gòu)鋼課件

18四月2024工程結(jié)構(gòu)鋼本章要點工程結(jié)構(gòu)鋼基本要求低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的合金化鐵素體-珠光體鋼微珠光體低合金高強度鋼針狀鐵素體鋼低碳貝氏體和馬氏體鋼雙相鋼新一代鋼鐵材料低合金高強度鋼發(fā)展趨勢4/18/20242工程結(jié)構(gòu)鋼工程結(jié)構(gòu)鋼是指專門用來制造工程結(jié)構(gòu)件的一大類鋼種。在鋼總產(chǎn)量中，工程結(jié)構(gòu)鋼占90％左右。工程結(jié)構(gòu)鋼包括碳素鋼和低合金高強度鋼。低合金高強度鋼是指在碳含量低于0.25%的普通碳素鋼的基礎(chǔ)上，通過添加一種或多種少量合金元素（低于3%），使鋼的強度明顯高于碳素鋼的一類工程結(jié)構(gòu)用鋼，統(tǒng)稱低合金高強度鋼。按用途可分為結(jié)構(gòu)鋼、耐腐蝕鋼、低溫用鋼、耐磨鋼、鋼筋鋼、鋼軌鋼及其他專業(yè)用鋼等4/18/202432.1工程結(jié)構(gòu)鋼基本要求

工程結(jié)構(gòu)件長期受靜載；互相無相對運動受大氣（海水）的侵蝕；有些構(gòu)件受疲勞沖擊；一般在-50~100℃范圍內(nèi)使用；如：橋梁、船舶等受到像風(fēng)力或海浪沖擊.服役條件生產(chǎn)工藝焊接是構(gòu)成金屬結(jié)構(gòu)的常用方法；一般都要經(jīng)過如剪切、沖孔、熱彎、深沖等成型工藝技術(shù)要求

1、足夠的強度與韌度（特別是低溫韌度）；2、良好的焊接性和成型工藝性；3、良好的耐腐蝕性；4、低的成本。4/18/202442.2低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的合金化Me對HSLA力學(xué)性能影響C↑固溶強化效果和珠光體含量，低成本。↑C，↓塑、韌性，↓焊接性、冷成型。如0.1%C，TK為-50℃，0.3%C，TK為50℃一般均應(yīng)限制在0.2%以下Si最常用且較經(jīng)濟的元素。強化F較顯著，1%Si，σs↑85MPa，↑TK，量多時可大為降低塑韌性，所以Si控制在<1.1%4/18/202452.2低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的合金化Me對HSLA力學(xué)性能影響Mn固溶強化作用大，1%Mn，σs↑33MPa。約有3/4量溶入F中，弱的細晶作用，↓TK。同樣量多時可大為降低塑韌性.所以Mn控制在<1.8%。Nb/VTi/Al形成穩(wěn)定細小的K等，粒子2~10nm，既細晶又沉淀強化，↑σs，↑δ、AK，綜合效果↓TK。改善焊接性。作用順序:Ti>Nb>Al>V。4/18/202462.2低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的合金化Me對HSLA力學(xué)性能影響Re脫氧去硫吸氫作用，改善塑韌性，↓TK所以，低合金高強度鋼的基本成分應(yīng)考慮低碳，稍高的錳含量，并適當(dāng)用硅強化。4/18/20247

合金元素對低合金高強度鋼的固溶強化

鋼的韌－脆轉(zhuǎn)折溫度與碳含量的關(guān)系

4/18/20248（a）強化機制的影響（b）成分的影響圖F-P鋼的各種強化機制和成份對屈服強度和韌-脆轉(zhuǎn)折溫度的影響

4/18/202492.2低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼的合金化Me對焊接性和耐大氣腐蝕性的影響CC↑→焊縫處硬化與脆化傾向↑，焊接裂紋↑。提高淬透性的Me種類及其數(shù)量也應(yīng)適當(dāng)控制，如Cr、Mn、Mo、Ni等。CuP

↑耐大氣腐蝕性最有效的元素。一般含量:0.025~0.25%Cu

，0.05~0.15％P

?！黀，冷脆和時效傾向增加?！肁l脫氧→細晶粒鋼。復(fù)合加入適量元素，則↑鋼耐蝕性效果更佳。如090CuPCrNi-A、09CuP、09CuPCrNi-B4/18/202410時效現(xiàn)象低碳工程構(gòu)件經(jīng)加工或高溫冷卻后，在室溫或較低溫度下放置一段時間，鋼的性能會發(fā)生明顯變化的現(xiàn)象。（淬火時效和機械時效）產(chǎn)生原因C、N等間隙原子偏聚或內(nèi)吸附于位錯等晶體缺陷處。提高硬度、降低塑性和韌度。如：某鋼板剛變形時，AK120J，十天后降為35J；焊接鋼板在三個月后由92J降為33J。4/18/202411思考題：

退火后的低C鋼板一般在深沖前，先進行一次少量變形的平整加工，然后再進行深沖，為什么?4/18/2024122.3鐵素體-珠光體鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼Q+最低屈服強度值(MPa)；+質(zhì)量等級符號(A、B、C、D、E)+脫氧方法符號如Q235AF、Q235BZ一般以熱軋空冷狀態(tài)供應(yīng)鋼板沸騰鋼—F；鎮(zhèn)靜鋼—Z；半鎮(zhèn)靜鋼—b；特殊鎮(zhèn)靜鋼—TZ4/18/2024132.3鐵素體-珠光體鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼（GB/T700－1988）

4/18/2024142.3鐵素體-珠光體鋼低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼（屈服強度提高25%～100%）都是鎮(zhèn)靜鋼或特殊鎮(zhèn)靜鋼，其牌號中沒有表示脫氧方法的符號。如Q345C屈服點從300～650MPa分為六級，也可采用兩位阿拉伯?dāng)?shù)字（表示平均含碳量的萬分之幾）和化學(xué)元素符號，按順序表示，如16Mn。*說明：通常情況下，屈服強度值小300MPa時為碳素結(jié)構(gòu)鋼，大于300MPa時為低合金高強度鋼。4/18/2024152.3鐵素體-珠光體鋼最新研究成果：如F晶粒尺寸細化到μ級，則F-P類低合金高強度鋼的強度也可達到800MPaF-P類型是工程結(jié)構(gòu)鋼中最主要的一類鋼。有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五個牌號。根據(jù)質(zhì)量要求分為A、B、C、D四個等級。A、B級為普通質(zhì)量級；C級為優(yōu)質(zhì)級；D級和E級為特殊質(zhì)量級，有低溫沖擊韌性要求。

組織：10~25％片層狀P+75~90％多邊形F。4/18/202416低碳鐵素體/珠光體鋼超細晶強韌化與控制技術(shù)

——2004年度國家科學(xué)技術(shù)進步一等獎主要特點超細晶粒、高潔凈度、高均勻性。生產(chǎn)節(jié)約能源和資源，不用或少用Me，改善環(huán)境，↓成本，具有更高的經(jīng)濟效益。如何形成微米級的超細晶是該項目的核心技術(shù)和難點。具體指標(biāo)采用形變誘導(dǎo)F相變，可把F晶粒細化到2-5μm（碳鋼）和1～2μm（微合金鋼）。碳鋼的σs由200MPa提高到350～400MPa；低合金鋼由350～400MPa提高到600～700MPa。4/18/202417

低碳鐵素體/珠光體鋼超細晶鋼材生產(chǎn)工藝控制和不同的制品4/18/2024182.4微珠光體低合金高強度鋼強化機理對F-P鋼,P量每↑10%，將使TK↑22℃。油氣管線用鋼:↓C,<0.1%；為保證σ，就必須采用其它不損害或少損害焊接性和韌度的強化措施?！龀鰪娀途Я＜毣撔阅堋！鶱b、V、Ti微合金化和控軋?zhí)幚砉に嚒?/18/202419控制軋制和控制冷卻技術(shù)高溫形變熱處理→F大幅度晶粒細化→↑強度和韌度。控制軋制和控制冷卻的組織變化模式圖

圖中軋制溫度向右邊降低，上層表示奧氏體組織變化，下層表示奧氏體開始相變后組織及F核的形成

4/18/202420圖

各種軋制程序模式圖CR：控制軋制；AcC:控制冷卻

4/18/2024212.4微珠光體低合金高強度鋼微合金元素的作用阻止加熱時奧氏體晶粒長大抑制奧氏體形變再結(jié)晶

在熱加工過程中，奧氏體會發(fā)生形變再結(jié)晶使晶?；貜?fù)粗大。但應(yīng)變動態(tài)析出Nb、V、Ti的碳氮化物，沉淀在晶界、亞晶界和位錯上起釘軋作用，有效地阻止奧氏體再結(jié)晶時晶界和位錯的運動，從而抑制奧氏體形變再結(jié)晶。4/18/202422

微合金元素對鋼的屈服強度的影響（σG：晶粒細化σPh：析出強化）

4/18/2024232.5針狀鐵素體鋼基本特點針狀鐵素體（acicularferrite，簡寫AF）鋼實際上屬于超低碳貝氏體鋼?！?.06％C+適量Mn、Mo、Nb等→具有高密度位錯（1010cm－2）亞結(jié)構(gòu)的“針狀F”組織（超低碳B）。σs達700~800MPa，低溫沖擊韌性、焊接性更好.用于現(xiàn)場焊接條件及其寒冷地帶管線。被稱為21世紀(jì)的控軋鋼。4/18/2024242.6低碳貝氏體和馬氏體鋼低碳貝氏體鋼是指含碳量為0.10~0.15%，使用狀態(tài)組織為B的鋼。貝氏體鋼通常是在軋制空冷或控制冷卻，直接獲得B組織。由于B的相變強化，低碳貝氏體鋼與相同含碳量的鐵素體-珠光體型鋼相比，具有更高的強度和良好的韌度，屈服強度可達450~980MPa.4/18/202425主要特點合金元素是保證在較寬的冷速范圍內(nèi)獲得以貝氏體為主的組織成分特點:?0.5%左右Mo+微量B（0.005%）+Mn、Cr、Ni等+Nb、Ti、V主要用于制造容器的板材。

14MnMoV和14MnMoVBRE鋼是我國發(fā)展的低碳貝氏體鋼，屈服強度為490MPa級4/18/2024262.6低碳貝氏體和馬氏體鋼低碳馬氏體≤0.16%C，加入Mo、Nb、V、B及控制Mn或Cr與之配合→淬火回火處理組織為低碳回火馬氏體。BHS-1鋼的成分為0.10C-1.80Mn-0.45Mo-0.05Nb。鍛軋后空冷或直接淬火并自回火。達到合金調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)后的性能水平。制造汽車的輪臂托架、操縱桿、車軸、轉(zhuǎn)向聯(lián)動節(jié)和拉桿等，也可用于冷墩、冷撥及制作高強度緊固件。4/18/2024272.7雙相鋼成分成分：~0.2%C，1.2~1.5%Si，0.8~1.5%Mn，~0.45%Cr，~0.4%Mo，少量V、Nb、Ti。組織

F+M組織，F(xiàn)基體上分布不連續(xù)島狀混合型M（<20%）→雙相鋼。F中非常干凈，C、N等間隙原子很少；C和Me大部分在M中.性能低σs，且是連續(xù)屈服，無屈服平臺和上、下屈服；均勻塑變能力強，總延伸率較大，冷加工性能好；加工硬化率n值大，成型后σs可達500~700MPa。4/18/202428強度MPa雙相鋼600400普通鋼

20010203040應(yīng)變/%雙相鋼和普通鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線的比較4/18/202429應(yīng)用

沖壓型雙相鋼主要是板材，廣泛用于各種容器和汽車沖壓件。非沖壓雙相鋼有棒材、線材、鋼筋薄壁無縫鋼管等產(chǎn)品。鋼材經(jīng)熱軋后控制冷卻，得到F加M雙相鋼組織，然后經(jīng)冷撥、冷墩等工藝制成成品。可用于汽車的大梁和滾型車輪，汽車的前后保險杠、發(fā)動機懸置梁等，使用雙相鋼可使汽車重量降低10~30%4/18/2024304/18/2024312.8新一代鋼鐵材料國家973項目“新一代鋼鐵材料”重大基礎(chǔ)研究首席科學(xué)家翁宇慶教授。項目的設(shè)想是把占全國鋼材總產(chǎn)量70%的三類鋼，即碳素、低合金、合金結(jié)構(gòu)鋼的強度或使用壽命提高一倍。研究人員提出了碳素結(jié)構(gòu)鋼的σs由目前的200MPa提高到400MPa，低合金結(jié)構(gòu)鋼的σs由目前的400MPa提高到800MPa，合金結(jié)構(gòu)鋼σs由800MPa提高到1500MPa。新一代鋼鐵材料性能的提高，還有望降低目前約占全國總能耗1/10的鋼鐵工業(yè)對能源、資源的消耗。4/18/202432先進鋼鐵材料技術(shù)的進展鋼鐵研究總院先進鋼鐵材料技術(shù)國家工程研究中心董瀚摘要：鋼鐵材料是不斷發(fā)展的先進材料，它依然是本世紀(jì)的主要結(jié)構(gòu)材料。先進鋼鐵材料具有環(huán)境友好、性能優(yōu)良、資源節(jié)約、成本低廉的特征。本文從鋼鐵材料理論進展出發(fā)，評述微合金化鋼、超細晶粒鋼、氮合金化不銹鋼、高質(zhì)量特殊鋼、鋼材組織性能預(yù)報和材料信息化技術(shù)等重要的先進鋼鐵材料技術(shù)進展。4/18/202433低合金高強度鋼發(fā)展趨勢低碳超低碳<0.06%甚至<0.02%高純凈化微合金化技術(shù)控