第2章工程结构钢

下午7时11分1武汉理工大学材料学院SchoolofMaterialsScienceandEngineering,WUTChapter2工程结构钢热轧钢板下午7时11分2本章要点•工程结构钢基本要求(以船为例)•低合金高强度结构钢的合金化•铁素体-珠光体钢•微珠光体低合金高强度钢•针状铁素体钢•低碳贝氏体和马氏体钢•双相钢•新一代钢铁材料•低合金高强度钢发展趋势下午7时11分3思路：•1、在低碳范围内提高碳含量，以提高强度。•2、添加合金元素提高强度。•3、热处理改变组织提高强度。•4、形变热处理细化组织提高强度。•5、在提高强度时一定要注意焊接性能和韧脆转变温度。下午7时11分4工程结构钢•工程结构钢是指专门用来制造工程结构件的一大类钢种。在钢总产量中，工程结构钢占90％左右。工程结构钢包括碳素钢和低合金高强度钢。•低合金高强度钢是指在碳含量低于0.25%的普通碳素钢的基础上，通过添加一种或多种少量合金元素（低于3%），使钢的强度明显高于碳素钢的一类工程结构用钢，统称低合金高强度钢。•按用途可分为结构钢、耐腐蚀钢、低温用钢、耐磨钢、钢筋钢、钢轨钢、桥梁钢、船体钢、容器钢及其他专业用钢等下午7时11分5低合金高强度钢•这是一类可焊接的低碳工程结构用钢。其含碳量通常小于0.25%，比普通碳素结构钢有较高的屈服强度，较好的冷热加工成型性，良好的焊接性，较低的冷脆倾向、缺口和时效敏感性，以及有较好的抗大气、海水等腐蚀能力。其合金元素含量较低，一般在2.5%以下，在热轧状态或经简单的热处理（非调质状态）后使用。•高强度是针对低碳结构钢而言，实际上其含碳量低，合金元素含量低所以其强度不能和后面要介绍的钢相比较。下午7时11分6•碳素结构钢现代化蔬菜棚耐候Z型钢用于体育馆下午7时11分7热轧态或正火态使用的低C钢;组织组织为F+P;B或M。空冷为何会有B或M？C曲线的变化。问题：低合金高强度钢热轧态或正火态使用的低C钢组织为F+P;B或M。1、空冷为何会有B或M？2、若组织为F+P，当含碳量增加时会有什么变化，性能如何？下午7时11分82.1工程结构钢基本要求工程结构件长期受静载；互相无相对运动受大气（海水）的侵蚀；有些构件受疲劳冲击；一般在-50~100℃范围内使用；如：桥梁、船舶等受到风力或海浪冲击.服役条件生产工艺焊接是构成金属结构的常用方法；一般都要经过如剪切、冲孔、热弯、深冲等成型工艺技术要求1、足够的强度与韧度（特别是低温韧度）；2、良好的焊接性和成型工艺性；3、良好的耐腐蚀性；4、低的成本。下午7时11分92.2低合金高强度结构钢的合金化•Me对HSLA力学性能影响C↑固溶强化效果和珠光体含量，低成本。↑C，↓塑、韧性，↓焊接性、冷成型。如0.1%C，TK为-50℃，0.3%C，TK为50℃一般均应限制在0.2%以下Si最常用且较经济的元素。强化F较显著，1%Si，σs↑85MPa，↑TK，量多时可大为降低塑韧性，所以Si控制在1.1%下午7时11分102.2低合金高强度结构钢的合金化•Me对HSLA力学性能影响Mn固溶强化作用大，1%Mn，σs↑33MPa。约有3/4量溶入F中，弱的细晶作用，↓TK。同样量多时可大为降低塑韧性.所以Mn控制在1.8%。Nb/VTi/Al形成稳定细小的K等，粒子2~10nm，既细晶又沉淀强化，↑σs，↑δ、AK，综合效果↓TK。改善焊接性。作用顺序:Ti＞Nb＞Al＞V。下午7时11分112.2低合金高强度结构钢的合金化•Me对HSLA力学性能影响Re脱氧去硫吸氢作用，改善塑韧性，↓TK所以，低合金高强度钢的基本成分应考虑低碳，稍高的锰含量，并适当用硅强化。下午7时11分12钢的韧－脆转折温度与碳含量的关系观看冲击试验视频下午7时11分13工程结构钢的强化固溶强化——C,Mn,Si细晶强化——Ti,Nb,V;沉淀强化——V,Ti,Nb珠光体含量——C如何选择还要看工艺性能。不是一味强调强化。文章：为“鸟巢”量身定做的Q460下午7时11分14鸟巢下午7时11分15为“鸟巢”量身定做的Q4602008年奥运会主体育场“鸟巢”结构设计奇特新颖，而这次搭建它钢结构的Q460也有很多独到之处：这是国内在建筑结构上首次使用Q460规格的钢材；而这次使用的钢板厚度达到110毫米，是以前绝无仅有的。下午7时11分16•在种类繁多的钢材中，“鸟巢”为什么单单选中它作钢结构的材料？它的科研过程又是怎样的？带着诸多问题，记者来到为“鸟巢”研发生产Q460的河南舞阳钢铁公司一探究竟。•Q460是一种低合金高强度钢。Q300为界。•钢材在要求强度大的同时，用低合金冶炼也很重要，这主要是考虑钢材的可焊性。高合金的钢材虽然强度大，但可焊性差。下午7时11分17•为了给“鸟巢”提供“合身”的Q460，从2004年9月开始，舞钢的科研人员开始了长达半年多的攻关之路，前后3次试制方获成功。•2004年9月，第一次试制开始进行。首次试制的结果是除了强度不尽如人意外，其他各项指标全都合格。•在保证低碳当量的基础上，适当的增加了微合金元素的含量。下午7时11分18•改进工艺后，2005年的3、4月间，科研人员进行了第二次试制。这次试制，强度和其他指标达到了要求，但冲击韧性实验的结果却不能令人满意。•2005年的5月份，第三次试制实验开始，主攻方向是解决低温冲击韧性的问题。研究人员采取的办法是改进工艺、细化晶粒。•晶粒是钢材的组织或者成分，晶粒越细，钢材的韧性越好。细化的手段一个是降低轧制温度，另一个是增加压下量。•通过改进工艺，终于使Q460达到了“鸟巢”的使用要求。2005年7月，为“鸟巢”准备的Q460开始批量生产，为奥运工程服务。下午7时11分192.2低合金高强度结构钢的合金化•Me对焊接性和耐大气腐蚀性的影响CC↑→焊缝处硬化与脆化倾向↑，焊接裂纹↑。提高淬透性的Me种类及其数量也应适当控制，如Cr、Mn、Mo、Ni等。CuP↑耐大气腐蚀性最有效的元素。一般含量:0.025~0.25%Cu，0.05~0.15％P。↑P，冷脆和时效倾向增加。→用Al脱氧→细晶粒钢。复合加入适量元素，则↑钢耐蚀性效果更佳。如090CuPCrNi-A、09CuP、09CuPCrNi-B下午7时11分20时效现象低碳工程构件经加工或高温冷却后，在室温或较低温度下放置一段时间，钢的性能会发生明显变化的现象。（淬火时效和机械时效）产生原因C、N等间隙原子偏聚或内吸附于位错等晶体缺陷处。提高硬度、降低塑性和韧度。如：某钢板刚变形时，AK120J，十天后降为35J；焊接钢板在三个月后由92J降为33J。下午7时11分21思考题：退火后的低C钢板一般在深冲前，先进行一次少量变形的平整加工，然后再进行深冲，为什么?答：克服时效现象，不出现上下屈服点，深冲时板面平整度提高。下午7时11分222.3铁素体-珠光体钢•碳素结构钢–Q+最低屈服强度值(MPa)；+质量等级符号(A、B、C、D)+脱氧方法符号–如Q235AF、Q235BZ–（质量等级为对S、P的控制）–一般以热轧空冷状态供应–还有冷轧成品供货，如冷轧薄板、冷拉钢丝、冷拔钢管沸腾钢—F；镇静钢—Z；半镇静钢—b；特殊镇静钢—TZ下午7时11分23•质量等级分A、B、C、D、E，依次以A级质量较差，E级质量最高。质量等级为对S、P的控制。•工程中分别为：•Q235A级，是不作冲击韧性试验要求；•Q235B级，是作常温（20℃）冲击韧性试验；•Q235C级，是作0℃冲击韧性试验；•Q235D级，是作-20℃冲击韧性试验；•Q235E级，是作-40℃冲击韧性试验。•冲击韧性试验采用夏比V形缺口试件。冲击韧性指标为Akv。对上述B、C、D级钢在其各自不同温度要求下，都要求达到Akv≥27J。下午7时11分24钢板下午7时11分25图示：F+P组织下午7时11分262.3铁素体-珠光体钢•碳素结构钢（GB/T700－1988）下午7时11分27普通碳素结构钢的牌号、成分与用途(GB700-88)下午7时11分28普通碳素结构钢生活中应用•生活中：钉子、拉杆箱的拉杆、螺栓、螺母、螺钉、小轴。下午7时11分29螺栓是否都要热处理•钢结构连接用螺栓性能等级分3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10余个等级，其中8.8级及以上螺栓材质为低碳合金钢或中碳钢并经热处理（淬火、回火），通称为高强度螺栓，其余通称为普通螺栓。•4.8级别Q235（A3），Q195等低碳钢•5.8级别Q235以上所有材质都可以，不需要热处理•8.8级别螺纹直径16mm以下，35#调质热处理•16mm以上，45#和低碳合金钢调质处理只要达到抗拉强度等机械性能用什么材料都可以。按工况要求选材和选择热处理。下午7时11分30•不合金化的铁素体-珠光体钢的屈服强度高低主要和含碳量有关，或者说和珠光体含量有关。•结合相图分析。下午7时11分312.3铁素体-珠光体钢•低合金高强度结构钢（屈服强度提高25%～100%）–都是镇静钢或特殊镇静钢，其牌号中没有表示脱氧方法的符号。如Q345C–屈服点从300～650MPa分为六级，也可采用两位阿拉伯数字（表示平均含碳量的万分之几）和化学元素符号，按顺序表示，如16Mn。*说明：通常情况下，屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢。下午7时11分32问题：低合金高强度结构钢比碳素结构钢屈服强度提高25%～100%的原因是什么？答：成分不同。锰料多。这是以合金化为目的添加元素。当然还有硅以及Ti，Nb，V，Al的作用。下午7时11分332.3铁素体-珠光体钢最新研究成果：如F晶粒尺寸细化到μ级，则F-P类低合金高强度钢的强度也可达到800MPaF-P类型是工程结构钢中最主要的一类钢。有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五个牌号。根据质量要求分为A、B、C、D四个等级。A、B级为普通质量级；C级为优质级；D级和E级为特殊质量级，有低温冲击韧性要求。组织：10~25％片层状P+75~90％多边形F。下午7时11分34钢种及用途16Mn产量最多，用量最广。屈服强度345MPa15MnTi,16MnNb,15MnV，15MnVN屈服强度：390MPa，利用低合金与微合金相结合。在建筑，石油，化工，铁道，桥梁，造船，机车，锅炉等应用广泛。问题：16MnNb和16Mn屈服强度有差别的原因。答：微合金元素的碳化物和氮化物的析出强化。下午7时11分35低碳铁素体/珠光体钢超细晶强韧化与控制技术——2004年度国家科学技术进步一等奖主要特点超细晶粒、高洁净度、高均匀性。生产节约能源和资源，不用或少用Me，改善环境，↓成本，具有更高的经济效益。如何形成微米级的超细晶是该项目的核心技术和难点。具体指标采用形变诱导F相变，可把F晶粒细化到2-5μm（碳钢）和1～2μm（微合金钢）。碳钢的σs由200MPa提高到350～400MPa；低合金钢由350～400MPa提高到600～700MPa。下午7时11分36下午7时11分37•项目组在现代连续轧制条件下，在高速轧制发展过程中注意到了形变和相变的耦合，形成了形变诱导铁素体相变（DIFT）理论与控制技术和薄板坯连铸连轧流程生产超细晶钢的控制技术。下午7时11分38•形变诱导铁素体相变发生在奥氏体未再结晶区的较低温度范围（Ar3DIFTAD3）,与传统控轧控冷比较有以下发展：1.是动态相变。相变主要发生在变形过程中；•2.是形核为主的相变;•3.相变和随后的α—动态再结晶相配合，产生了等轴、低位错密度的超细晶铁素体。因而比位错强化，析出强化或固溶强化具有高的韧性；•4.研究了合金元素C、Mn、Nb、V、Ti在DIFT合金化的原理，为微合金化理论开辟了新的领域。•5.在形变诱导铁素体相变理论研究成果的基础上开发了生产应用的基础技术。把低碳铁素体/珠光体钢的强度提高了一倍并具有良好的韧性。下午7时11分39•该成果为钢铁工业的可持续发展和钢铁材料的可循环利用提供