4(工程材料Ⅱ)第4讲(第2章工程结构钢)

1第2章工程结构钢主讲：王军伟机械工程学院2013年9月2本章内容提要„一.前言„二.工程结构钢的合金化„三.铁素体-珠光体钢„四.低碳贝氏体和马氏体钢„五.工程结构钢的冶金工艺特点3„概念：专门用于制造各种工程结构钢的一大类钢种。结构钢工程结构钢机械制造结构钢工作条件对材料性能要求不同，则合金化方案及热处理方法不同。桥梁船舶4„性能要求：较高的屈服强度、塑性、韧性、低温韧性（50℃）、耐大气腐蚀、良好的工艺性能（冷弯、冲压、剪切、良好焊接性）。„分类：碳素工程结构钢(70%)、高强度低合金钢(20%)。油井钢轨5本章内容提要„一.前言„二.工程结构钢的合金化„三.铁素体-珠光体钢„四.低碳贝氏体和马氏体钢„五.工程结构钢的冶金工艺特点6„常用工程结构钢：热轧或正火状态；„组织：铁素体+珠光体（F+P）„缺点：不能承受更大载荷，结构太重。„解决方法：向铁素体+珠光体组织中加入合金元素，提高强韧性。72.1工程结构钢的强化„在铁素体+珠光体钢中，合金元素对强化的贡献：（1）溶入铁素体，固溶强化；（2）细化晶粒，细晶强化；（3）析出弥散碳化物、碳氮化物，沉淀强化；（4）增加珠光体含量；8„（1）固溶强化方式：利用Mn、Si、Cu、P等元素溶入铁素体来提高强度。◆P：强化作用最大，一般0.1%。低碳钢塑形储备大，加入一定量P不至过多降低韧性和塑性。◆Mn、Si：常用固溶强化元素，Mn≤2%，Si≤0.8%，否则对塑形、韧性、冷弯性能和焊接性不理。◆Cu：作为钢中的残余元素加以利用，可以提高耐大气腐蚀性能，一般为0.25%~0.5%。概念：合金元素固溶于基体金属中造成一定程度的晶格畸变从而使合金强度提高的现象。9„（2）细晶强化方式：合金元素包括Al、Ti、V、Nb，生成弥散相定扎奥氏体晶界、拖曳晶界，阻碍奥氏体晶粒长大，转变后细化铁素体晶粒和珠光体领域。◆Al：生成细小弥散的AlN质点。◆Ti、V、Nb：微合金化生成弥散的氮化物、碳化物和碳氮化物。概念：通过细化晶粒而使金属材料强度升高的现象。●细化晶粒的能力：TiNbAlV。◆钢中加入降低A3温度的元素，使奥氏体在更低温度转变，从而细化铁素体晶粒和珠光体晶粒。（Hall-Petch关系。图3-1）10„（3）沉淀强化方式：通过Ti、Nb、V的微合金化，使过冷奥氏体发生相间沉淀和铁素体中析出弥散的碳化物、氮化物，产生沉淀强化。◆氮化物：最稳定，在奥氏体中沉淀，抑制奥氏体高温形变、再结晶和晶粒长大。◆碳化物、碳氮化物：稳定性稍差，奥氏体转变中产生相间沉淀，也从过饱和奥氏体中析出。（氮化物、碳化物在奥氏体中沉淀条件图3-1）概念：材料冷却时，相间析出弥散碳化物、氮化物使其强度升高的现象。11◆Ti：以TiN出现，细化奥氏体晶粒。◆微合金钢中主要沉淀强化相：VC、NbC、TiC，粒子尺寸在2~10nm范围内具有最大沉淀强化效应。◆V:（1）相变时发生相间沉淀；（2）从过饱和铁素体中析出VC；◆Nb:（1）高温形变时析出NbN；（2）Nb也在晶界偏聚细化奥氏体晶粒；（3）还可以发生相间沉淀；（4）从过饱和铁素体析出Nb(C,N)；12„Pickering和Gladman提出了综合屈服强度表达式：式中：σ0为基体对强度的贡献；第二项表示几种元素的固溶强化；第三项表示几种元素的沉淀强化；第四项表示晶粒尺寸对强度的贡献。132.2铁素体-珠光体组织的冷脆性使用条件：具有F+P组织的工程结构钢，一般在-50℃~100℃之间使用。性能要求：要求有较低的韧-脆转变温度FATT50(℃)影响因素：◆（1）含碳量◆（2）晶粒尺寸◆（3）固溶元素◆（4）弥散析出相◆（5）非金属夹杂物14（1）含碳量碳含量增大时，钢中光体含量也增大，珠光体中有大量层片状渗碳体，提高韧脆转变温度。（2）晶粒尺寸细化铁素体和珠光体团，不仅可以提高强度，而且提高冲击韧性、降低FATT50(℃)。TiN、Nb(C、N)晶界处偏聚，可以细化奥氏体晶粒，降低FATT50(℃)。15（3）固溶元素◆Mn、Ni、Cr固溶于铁素体，可以提高冲击韧性，降低FATT50(℃)。促进铁素体在形变时发生交滑移，使{112}111滑移系在低温下仍起作用。◆P、Se、Si固溶后提高FATT50(℃)。限制了铁素体形变时发生的交滑移，使{112}111滑移系失去作用的温度升高，降低了冲击韧性。◆C、N固溶于铁素体中，提高FATT50(℃)。◆Al固定N和C，细化晶粒，降低FATT50(℃)。16（4）弥散析出相Ti、Nb、V产生沉淀强化相TiC、Nb(C,N)、VC等，产生沉淀强化，使钢的强度上升，但FATT50(℃)也升高。但这种对韧性的不良影响，可由细化晶粒的作用而抵消。（5）非金属夹杂物降低钢的冲击韧性及平台能。例如：MnS夹杂物在轧制时，沿轧向延伸成条状，割裂基体，恶化钢的横向性能。解决：加入稀土元素，使S、P杂质形成球状不变形的稀土硫氧化物，消除条状MnS。172.3工程结构钢的焊接性（1）金属结构良好焊接性的要求：◆焊缝与母材牢固结合，强度不低于母材；◆焊接热影响区（HAZ）有较高韧性，无裂纹。18◆增加钢的淬透性，焊后发生马氏体相变，提高了内应力；◆碳含量增高，提高了马氏体的硬度，内应力增大。◆降低了Ms点，使马氏体转变温度降低，此时钢的塑性较差。◆钢中氢含量增高，将使钢的塑性下降，引起氢脆。（2）因合金化而恶化工程结构钢焊接性因素：19焊接热影响区的硬度。硬度≥350HV，易产生裂纹；故控制硬度不超过250HV；淬透性、淬硬性。（决定于含碳量和合金元素含量）（4）决定焊接性好坏的因素：淬透性：在规定条件下钢淬透层深度和硬度分布来表征的材料特征。淬硬性：钢在理想条件下，淬火所能达到的（3）判断钢的焊接性的依据：最高硬度来表征的材料特性。20碳当量：把其它合金元素对钢焊接性的影响和对焊接热影响区硬化倾向的作用折合成碳的作用的当量系数，最后加成碳的总碳当量C当量。计算式见（3-2）。（5）钢材焊接性好坏的判据：碳当量。C当量0.47，HAZ区硬度将超过350HV，需采取预防措施，如预热焊接母材、焊后退火等。21加入Cu、P、Cr等元素，能提高钢耐大气腐蚀能力。2.4工程结构钢的耐大气腐蚀性能◆Cu：沉积在钢的表面，具有正电位，成为钢表面的附加阴极，促使钢在很小的阳极电流下达到钝化,(0.25~0.50%)。◆同时加入几种少量或微量元素，提高耐蚀效果更佳，如耐候钢：09CuPTi。22本章内容提要„一.前言„二.工程结构钢的合金化„三.铁素体-珠光体钢„四.低碳贝氏体和马氏体钢„五.工程结构钢的冶金工艺特点23包含：◆碳素工程结构钢◆高强度低合金钢◆微合金钢显微组织：F+P24Q：“屈服强度”；后面数字：屈服强度值，MPa；根据S、P含量分为四个等级：A/B/C/DA级质量最差；D级质量最高，并加入了细化晶粒的元素。牌号（5个）：Q195、Q215、Q235、Q255Q2753.1碳素工程结构钢25C:决定钢材性能；Si、Mn：为了脱氧和稳定硫的需要，以硅铁和锰铁形式而加入的。S、P：从矿石中引入的，部分S也来自燃料。五种常存元素：C、Si、Mn、S、Pw(Si)≤0.07%，脱氧不完全，沸腾钢，加F；w(Si)=0.05-0.17%,脱氧较完全,半镇静钢,加b；w(Si)=0.12-0.30%,脱氧完全,镇静钢,加z或不加；26◆碳素工程结构钢供货状态：多数热轧，少数冷轧。◆冷轧钢板热处理：冷轧成板——再结晶退火——1~3%平整变形◆08F钢含自由N，平整后仍有应变时效倾向，冲压时出现板面不平整的吕德斯带。★应变时效：将预塑性变形的试样放置一段较长时间后，屈服点又重新出现，且屈服应力提高的现象。★吕德斯带:应力达到上屈服点时，在试样的应力集中处首先开始变形，能在试样表面观察到与纵轴呈约45度交角的应变痕迹，称为吕德斯带。273.2高强度低合金钢碳素工程结构钢固溶强化细晶强化沉淀强化韧脆转变温度韧脆转变温度合金元素高强度低合金钢28我国高强度低合金钢中，用量最广。◆典型钢种：16Mn钢筋、建筑钢结构，也用于桥梁、容器、造船等用钢。29◆性能：σs≈345MPa，有较好的强度、塑性、低温韧性和焊接性。◆合金化：Mn：1.2%~1.6%，※固溶强化；※降低A3线温度，细化铁素体晶粒，降低钢的冷脆性和FATT50(℃)；微量Ti、Nb、V：0.02%※细化晶粒；※沉淀强化；例：16MnNb，σs属于390MPa级别。◆供货状态：正火。303.3微合金钢20世纪70年代发展起来的一大类高强度低合金钢，关键：细化晶粒和沉淀强化。实施方法：（1）微合金化：Ti、Nb、V（2）生产工艺：控制轧制、控制冷却31◆微合金化元素（Ti、Nb、V）的作用：（1）抑制奥氏体形变再结晶热加工过程中，通过应变诱导析出Ti、Nb、V的氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上，起定扎作用，阻止奥氏体再结晶的晶界、位错的运动，抑制再结晶过程的进行。※作用大小：NbTiV※Nb：高温区—固溶原子拖曳晶界迁移。低温区—应变诱导析出Nb(C,N)粒子定扎晶界。32（1）阻止奥氏体晶粒长大热加工过程中，通过应变诱导析出Ti、Nb、V的氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上，起定扎作用，阻止奥氏体再结晶的晶界、位错的运动，抑制再结晶过程的进行。※作用大小：NbTiV※Nb：高温区—固溶原子拖曳晶界迁移。低温区—应变诱导析出Nb(C,N)粒子定扎晶界。参考图3.433（2）阻止奥氏体晶粒长大每一道锻、轧工序后，再结晶完了，晶粒开始长大。Ti、Nb等形成高温下非常稳定的TiN、Nb(C,N)，弥散分布在晶界，阻碍奥氏体晶粒长大。※Nb(≤0.06%)：形成Nb(C,N)1250℃尚未完全溶解；1150℃以下，部分Nb(C,N)又析出。※Ti(≤0.02%)：形成TiN从高温固态钢中析出，阻碍奥氏体晶粒长大。34（3）沉淀相与沉淀强化V的氮化物、Ti和Nb的碳、氮化物在钢中具有足够低的固溶度和高的稳定性。可以起到沉淀强化。※w(Nb)≤0.04%：细化晶粒造成屈服强度的增量ΔσG大于沉淀强化引起的增量Δσph。w(Nb)≥0.04%：ΔσG不再变化，而Δσph迅速增大。35（4）改变钢的显微组织Ti、Nb、V等合金碳、氮化物随奥氏体温度升高具有一定的溶解量。溶解的微合金元素提高了过冷奥氏体的稳定性，降低了先析铁素体和珠光体的温度范围，使得低温下形成的先共析铁素体和珠光体组织更小，并使相间沉淀的Nb(C,N)、V(C,N)粒子更细小。36本章内容提要„一.前言„二.工程结构钢的合金化„三.铁素体-珠光体钢„四.低碳贝氏体和马氏体钢„五.工程结构钢的冶金工艺特点37概念：在轧制或正火后控制冷却，直接得到低碳贝氏体组织的钢。4.1低碳贝氏体钢性能：利用贝氏体相变强化，钢的屈服强度可达490~780MPa，与相同含碳量的铁素体—珠光体组织相比，强度更高，韧性更好。应用：制造容器的板材。38合金化：添加了Mo、B。◆可以显著推迟先共析铁素体和珠光体转变；◆对贝氏体转变推迟较少；添加了Mn、Cr、Ni。◆进一步推迟先共析铁素体和珠光体转变；◆降低Bs点，获得下贝氏体；添加了Ni、Ti、V。◆细化晶粒、沉淀强化；39钢材举例：14MnMoV、14MnMoVBRE(国产)。热处理：板厚≤14mm，热轧即可；板厚＞14mm，正火；40概念：显微组织是低碳或超低碳的针状铁素体。4.2针状铁素体钢性能：良好的低温韧性、良好的焊接性。应用：用于制造寒带输送石油和天然气的管线。41合金化：添加了Mo、Mn。◆可以显著推迟先共析铁素体和珠光体转变；◆降低Bs点，获得下贝氏体；◆＜450℃形成针状铁素体。低碳、超低碳。◆获得高韧性、耐低温性能；添加了Nb。◆形成Nb(C,N)，细化晶粒和起到沉淀强化的作用；42钢材举例：Mn-Mo-Nb。热处理：正火态使用；434.3低碳马氏体钢性能：低温下具有良好的强度，具有良好的焊接性、高韧性、高疲劳强度。应用：工程机械上的运动部件、低温下使用的部件，如