工程结构钢及其应用

工程结构钢分类：铁素体-珠光体（F-P）钢碳素工程结构钢高强度低合金钢微合金钢低碳贝氏体钢和马氏体钢针状铁素体钢低碳贝氏体钢低碳马氏体钢双相钢本章主要内容本章主要内容1.工程构件用钢的用途、工作特点及性能要求2.碳素结构钢的用途、性能特点及常用钢种3.碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响4.HSLA钢的性能要求、合金元素的强化方式及其对材料性能的影响。5.HSLA钢的成分设计思路及常用钢种6.特殊用途的低合金高强度钢工程结构钢主要内容◆碳素结构钢（重点掌握）◆低合金高强度（重点掌握）◆具有特殊用途的低合金高强度钢◆微合金化低合金高强度钢◆工程构件用钢的研究发展趋势概述1.工程结构钢的用途如建筑、桥梁、船舶、钢轨、车辆、石油、化工、电站、锅炉、压力容器等，应用范围很广。工程结构钢：用于制造各种大型金属结构的钢材。工程结构钢占钢总产量90%左右。一般进行焊接，不需热处理；特殊要求时在钢厂进行正火、调质处理；可靠性要求高时，焊后现场进行整体或局部去应力退火。大部分以钢板或型钢供货。◆1889年为庆祝法国大革命100周年，巴黎举办大型国际博览会时建造，是博览会上最引人注目的展品，成为当时席卷世界的工业革命的象征。◆1887年1月28日开工，1889年3月31日大功告成。金属制件有1.8万多个，重达7000吨，施工时共钻孔700万个，使用铆钉250万个。◆设计者是法国建筑师居斯塔夫·埃菲尔，早年以旱桥专家而闻名。一生中杰作累累，遍布世界，但使他名扬四海的还是这座铁塔。用他自己的话说：埃菲尔铁塔“把我淹没了，好像我一生只是建造了她”钢铁巨人埃菲尔铁塔（1889年建）高300米，重7000吨南京长江大桥（1968年建）◆1960年1月18日开工，1968年9月铁路桥通车，同年12月公路桥通。正桥长1577米，铁路桥长6772米，公路桥长4589米，桥塔高70米。工程造价2.87亿元。◆采用优质合金钢杆件在现场铆接拼装架设。◆是新中国第一座依靠自己的力量设计施工建造而成的铁路、公路两用桥，它的建成开创了我国“自力更生”建设大型桥梁的新纪元。概述长期承受静载荷，偶尔有动载荷，互相无相对运动；受大气或海水的侵蚀；某些构件受疲劳冲击；如桥梁、船舶等受风力或海浪冲击。一般在-50~100℃范围内使用；3.工程构件的性能要求●有足够的强度与韧性（低的韧脆转变温度）；●有良好的焊接性能和成型工艺性能；●有良好的耐大气腐蚀性能和耐海水腐蚀性能。生产工艺：常用：焊接；一般都要经过如剪切、冲孔、热弯、深冲等成型工艺。2.工程构件的服役条件4.工程构件用钢的发展历程①铆钉连接，设计依据是σb，C%较高，约为0.3％，热轧态供货。②焊接连接，↓C%；为保持强度，↑Mn%。③焊接构件的脆性断裂，韧性、韧脆转变温度的重要性，↓↓C%但Mn量仍保持较高水平。④利用AlN细化晶粒提高强韧性。σs从225MPa提高到300MPa，韧转温度降到0℃以下。如：0.3%C降低到0.1%，韧脆转变温度由50℃降低到-50℃。概述4.工程构件用钢的发展历程⑤保持低C、高Mn、细化晶粒条件，利用NbC、VC、TiC析出强化进一步↑σs。但终轧温度高，晶粒粗化，冲击韧性较差。⑥开发了控制轧制和控制冷却技术，解决晶粒粗化问题。细晶、析出强化，σs提高到450~525MPa，韧转温度降到-80℃。这类钢称为微合金化、控轧、低碳、低合金高强度钢，简称微合金化钢。⑦在钢中加入微量的Zr、稀土元素、Ca等，改变夹杂物形态，减少轧制钢材的各向异性，改善其成型性。概述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、钢轨钢及其他专业用钢等。耐候Z型钢用于体育馆浦东国际机场候机楼及道路护栏客车及农业机械现代化蔬菜棚高强度耐候厚壁冷弯高频焊管用于东方明珠塔镀锌C型钢用于上海大剧院屋架椼架碳素结构钢碳素结构钢，用量很大，约占钢产量的70%，大部分用作结构件，如工字钢、槽钢、角钢、钢板、钢管及各种型材，少量用于制造机器零件和其它制品。碳素结构钢易于冶炼和轧制，价格低廉，有足够的强度，良好的塑性和韧性，且易于成型和焊接。碳素钢含碳量一般在0.2%以下，常以热轧态供货，一般不再进行热处理。表2-1碳素结构钢的牌号、化学成分及用途(GB700-1988)表2-2碳素结构钢的力学性能牌号等级拉伸试验冲击试验屈服点s（MPa）抗拉强度b(MPa)延伸率5（%）温度/CV型冲击功(纵向)J钢材厚度（直径）（mm）钢材厚度（直径）（mm）≤1616～4040～6060～100100～150150≤1616～4040～6060～100100～150150不小于不小于不小于Q195--(195)(185)--------315～3903332------------Q215AB215205195185175165335～410313029282726--20--27Q235ABCD235225215205195185375～460262524232221--20020---27Q255AB255245235225215205410～510242322212019--20--27Q275--275265255245235225490～610201918171615----第一节碳素结构钢二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响碳钢以Fe、C为主，还有Mn、Si、S、P及N、H、O常存元素。第一节碳素结构钢二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响1、碳C%↑，强度↑，硬度↑，塑性、韧性↓。第一节碳素结构钢二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响2、锰锰是炼钢时用锰铁脱氧、脱硫残存在钢中的元素，或由生铁残存下来。锰的作用：①锰脱氧能力很强,可把钢水中的FeO还原为Fe②Mn与S结合力强，形成MnS夹杂物，降低S的有害影响③剩余的大量Mn固溶于F中，起到固溶强化作用。④少部分则溶于Fe3C中，形成合金渗碳体。⑤可以增加P含量，并能细化晶粒，使钢具有更好的综合机械性能，显著提高钢的强度。由于Mn具有较多的有益影响，一般看作是有益元素，但其含量不能太高，通常小于0.8%。第一节碳素结构钢二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响3、硅硅的影响与锰相似，也是作为脱氧剂加入而残留在钢中，或由生铁残存下来。硅的作用：①Si的脱氧能力比Mn强，能更好地将FeO还原。②剩余Si绝大部分固溶于F中，起固溶强化作用。③少部分则存在于硅酸盐夹杂中，会降低钢的性能。总的来说，Si也是一种有益的杂质元素，其含量通常小于0.5%。第一节碳素结构钢二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响4、硫硫是由原料带入、无法除尽的杂质硫的作用：①S难溶于固态Fe，与Fe形成FeS(1190℃)，FeS又与γ-Fe形成熔点更低（989℃）的共晶体(FeS+Fe),并分布在A晶界上。在热加工（轧制、锻造）时共晶体熔化，沿晶界碎裂，引起钢的热脆（红脆）。第一节碳素结构钢二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响4、硫②Mn↓S的有害作用，Mn与S优先形成高熔点MnS(1620℃),MnS在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆。④S是钢中有害元素（易削钢除外），在优质钢中规定其含量≤0.04%；而在普通碳素钢中也限制S含量≤0.055%。③S对钢的焊接性能有不良影响，容易导致焊缝热裂，且易于氧化生成气体，致使焊缝中出现气孔和疏松。1912年4月14日，当年最为豪华、号称永不沉没的泰坦尼克号首航沉没于冰海，成了20世纪令人难以忘怀的悲惨海难。耗资两亿五千万美金的影史巨片“TITANIC”带领世人重新审视了这文明史上的大灾难。1985年以后，探险家们数次深潜到12,612英尺深的海底研究沉船，起出遗物。1995年2月美国《科学大众》（PopularScience）杂志发表了RGannon的文章，标题是『WhatReallySankTheTitanic』，副标题是“为什么‘不会沉没的’船在撞上一个冰山后3小时就沉没了？一项新的科学研究回答了80年未解之谜”。作者出示了两个冲击试验结果。左边的试样取自海底的Titanic号，右边的是近代船用钢板的冲击试样。由于早年的Titanic号采用了含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。Gannon的文章指出，在水线上下都由10张30英尺长的高含硫量脆性钢板焊接成300英尺的船体。船体上可见长长的焊缝。船在冰水中撞击冰山而裂开时，脆性的焊缝无异于一条300英尺长的大拉链，使船体产生很长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。这是钢材韧性与人身安全的一个突出例证。第一节碳素结构钢二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响5、磷炼钢时由生铁带入钢中的不能除尽的有害元素.磷的作用：①P固溶于F中，起固溶强化作用，使强度、硬度显著↑。②急剧↓室温下钢的塑性、韧性，使钢变脆，在低温更严重，与S产生“热脆”相对应，称为“冷脆”。③Fe-P合金结晶范围很宽，因此P具有严重的偏析倾向。④在易削钢中，把P%提高到0.08%～0.15%，使F适当脆化，提高钢的切削加工性。⑤P提高钢在大气中的抗腐蚀性，尤其是同时含Cu的情况下，其作用更加显著，普通质量钢中P%＜0.04%～0.05%。第一节碳素结构钢二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响6.氮氮是炼钢过程中从周围气氛中被吸入的气体。590℃时N在α-Fe中溶解度最大，约为0.1%，而室温则降到0.001%以下，溶解度随温度降低急剧降低，快速冷却时N来不及析出。若经冷变形后在室温放置或稍微加热时，从F中沉淀出极微细的氮化物质点，使钢的强度提高，塑韧性下降，称为机械时效或应变时效。对低碳钢性能不利。当低C钢中存在V、Nb、Ti等而形成N化物时，有细化晶粒和沉淀强化的效果，是钢中的微合金化元素。第一节碳素结构钢二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响7.氢冶炼过程中从潮湿的空气或含水炉料带入钢液中。钢中H含量一般很少，危害很大，表现为两个方面：一是溶入钢中后引起“氢脆”，使钢的塑性↓，脆性↑。二是导致钢件内产生大量的细微裂纹缺陷—白点，使δ显著↓，αk↓更多，几乎为0。具有白点的钢件一般不能使用。第一节碳素结构钢二、碳钢中的常存元素及其对碳钢机械性能的影响8.氧在炼钢过程中脱氧不完全，氧残留在钢中。氧在钢中几乎全部以氧化物的形式存在，如FeO、Fe2O3、SiO2、MnO、Al2O3、CaO、MgO等，并且往往形成复合氧化物或硅酸盐，会使钢的性能下降。时效现象：所谓时效，即钢的力学性能和物理性能随着时间而发生变化，可以发生在室温或稍高于室温的较低温度下。低碳钢的时效分为淬火时效和应变时效两种。第一节碳素结构钢三、低碳钢的时效产生原因：在室温放置的过程中，过饱和固溶体不稳定；而且C、N原子发生扩散，并在晶界或晶内的缺陷处聚集，阻碍位错的运动，产生时效硬化，使钢的强度、硬度增大，而塑性、韧性降低。淬火时效：又称热时效，钢加热到高温（A1以上或以下）快冷以后，在室温附近性能随时间而发生变化。例如，焊接的钢板焊缝，在三个月后，其冲击韧性值由原来的91J/cm2降低到33J/cm2。曾发生过船舶和桥梁因时效而出现突然断裂的事故。应变时效：是钢在冷加工塑性变形以后，钢的性能随时间而发生变化。例如，一种锅炉用钢板，在冷塑性变形后，其冲击韧性为120J／cm2，而放置十天之后下降到35J／cm2。第一节碳素结构钢三、低碳钢的时效产生原因：C、N都能引起应变时效，但N的影响更大一些。应变时效的原因是由于冷塑性变形降低了C、N在α-Fe中的溶解度。室温下N的溶解度比C要高得多，同时N原子半径（0.071nm）比C原子小（0.077nm），其扩散速度较快，所以N对应变时效的