第2章 工程结构钢--20090316

概述合金化常用工程结构钢工程结构钢的冶金工艺特点第二章工程结构钢工程结构钢结构钢机械制造结构钢2.1概述工作条件不同性能要求不同组织不同合金化和热处理技术不同概念指专门用来制造各种工程结构的一大类钢种，如制造桥梁、船体、油井或矿井用钢、钢轨、高压容器、管道和建筑钢结构等。组织热轧态或正火态使用的低C钢;组织为F+P;B或M。性能要求足够高的强度、良好的塑性;适当的常温冲击韧性，有时要求适当的低温冲击韧性;良好的工艺性能。2.2工程结构钢的合金化一.工程结构钢的强化固溶强化——C,Si,Mn,Ni,Cr,Mo细晶强化——Ti,Nb,V;Cr,Mn,Ni,Mo沉淀强化——V,Ti,Nb珠光体含量——C二.F-P组织的冲击韧性和脆性转化温度C量越高，冲击韧性下降，脆化温度升高；Ni,Mn,Cr提高冲击韧性，降低脆化温度；细化晶粒；Ti,Nb,V提高强度，对韧性影响不大；非金属夹杂物降低韧性。当合金元素含量高时,可焊性变差；用碳当量来表示：碳当量大于0.4~0.5%时,可焊性变差；常用多元少(微)量合金化；微合金化元素，尤其是0.01-0.02%i,可提高钢的焊接性。三.工程结构钢的可焊性多在潮湿空气或海洋大气中服役,会产生电化学腐蚀；少量Cu,P,Ni,Cr等元素,可提高抗大气腐蚀能力;常用耐候钢钢种09CuPTi,08CuPV,10MnPNbRE等。四.工程结构钢的耐大气腐蚀性2.3常用工程结构钢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低碳贝氏体钢针状铁素体钢低碳马氏体钢双相钢一.铁素体-珠光体（F-P）钢1.碳素工程结构钢碳钢碳素结构钢普通碳结构钢优质碳结构钢碳素工具钢以Fe-C+少量Mn,Si,S,P（常存元素）+Cu,Cr,Ni,Mo,V,Ti;N,H,O碳素结构钢钢中应用最多的、数量最大的。常轧制成板材、型材及异型材，一般不需要经热处理直接使用。用于一般结构和工程。钢的牌号由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D、）脱氧方法符号等四部分按顺序组成。图示：F+P组织含碳量与对热轧碳钢机械性能的影响几个元素引起的脆性热脆----S冷脆----P蓝脆----N氢脆----H白点----H碳量提高，硬度提高；碳量提高，强度先升后降；碳量提高，塑韧性降低；WHY？？？普通碳素结构钢的牌号、成分与用途(GB700-88)二.高强度低合金钢（HSLAsteels）1.概念及特点概念：一种含有少量合金元素具有较高强度的结构钢。特点：强度较高；合金消耗量小，成本低廉；工艺简单，适合于大量生产；可焊性能较好；应用广泛。合金元素强化机制固溶强化，细晶强化和沉淀强化。2.钢种及用途16Mn产量最多，用量最广。345MPa15MnTi,16MnNb,15MnV，15MnVN屈强：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。三.微合金钢1.概念利用微合金化元素Ti,Nb,V；主要依靠细晶强化和沉淀强化来提高强度；利用控制轧制和控制冷却工艺-----高强度低合金钢。2.微合金元素的作用抑制奥氏体形变再结晶；阻止奥氏体晶粒长大；沉淀强化；改变与细化钢的组织。3.轧制方法铌主要用来在高温形变时产生应变诱导析出相Nb（C，N），细化奥氏体晶粒；钒主要用来产生沉淀强化相V（C,N）；目前微合金元素组合方法：1）V-Ti法或V-Ti-N法2）Nb-V或V-Nb-Ti复合法四.低碳贝氏体钢和马氏体钢1.低碳贝氏体钢1）概念在轧制或正火后得到B组织，屈服强度可达到490-780MPa。2）合金化原理合金元素主要是能显著推迟先共析F和P转变，但对B转变推迟较少的元素如Mo，B，可得到贝氏体组织。加入Mn,Ni,Cr等合金元素，进一步推迟先共析F和P转变，并使Bs点下降，可得到下B组织；加入微合金化元素充分发挥其细化作用和沉淀作用；低碳,使韧性和可焊性提高。钢种14MnMoV,14MnMoVBRE，用来制造容器。上贝氏体组织2.针状铁素体钢低碳或超低碳的针状F，实质上也是属于低碳B钢C0.1%,其α片呈板条状，具有高位错密度，在450℃以下形成。常用Mn-Mo-Nb钢，屈强470MPa，如06MnMoNb,09MnMoVNb具有好的低温韧性，而且有良好焊接性，成功地应用于制造寒带输送石油和天然气的管线。针状铁素体3.低碳马氏体钢（C0.25%）性能：更高的强度和良好的焊接性,超群的疲劳性能；合金元素：Al、Nb、V、B及Mn,Cr常用的钢种（多用中厚板）1）锻轧空冷得到B+M+F混合组织；2）轧后淬火并自回火,得到M组织。应用：运动的部件和低温下使用的部件。4.双相钢近70~80%细晶多边形F+20~30%M;通过两相区加热淬火或热轧后空冷;高强度，良好冷成型性能，极佳冲压性能（薄板或带钢—深冲用钢材）;分为退火双相钢和热轧双相钢；钢种举例：Si-Mn-Cr-Mo-V。F+B双相钢2.4工程结构钢的冶金工艺特点冶炼工艺1）固N：Al脱氧;2）控S：降低S%；改变MnS形态;3）加入微合金元素：强化与细化。控制轧制与控制冷却热处理工艺与金相组织正火或淬回火，F-P，B，MF-P的理想组织带状组织控制轧制与控制冷却控制轧制主要由三个阶段组成：1）高温下的再结晶区变形；2）在紧靠Ar3以上的低温无再结晶区变形；3）在奥氏体和铁素体两相区变形钢坯的加热温度、保温时间、开轧温度、轧制道次和道次变形量、终轧温度以及轧后冷却等参数，都极为重要。通过控制轧制过程中的各种参数，形成轧制工艺。控制冷却主要在相变后的卷取过程。采用CSP工艺的典型企业马来西亚梅加厂德国蒂森韩国韩宝CSP工艺与传统连铸连轧工艺热历史的比较约950～1000℃直接进均热炉中间无相变连铸快速凝固成薄板坯钢水热连轧精轧层流冷却卷取均热（25~30分）冷却至室温或约700℃热装热送γα相变钢水连铸凝固成厚板坯加热、均热（约100~150分）粗轧热连轧精轧层流冷却卷取a．薄板坯连铸连轧工艺流程b．传统连铸连轧工艺流程薄板坯连铸连轧与传统连铸连轧工艺热历史比较℃150013001100900700500300100A3A1γ+αγ(2)γ(2)γ(1)薄板坯连铸连轧传统连铸连轧时间F+PF1F2F3F4F5F650μmZJ330六道次轧卡件横向心部组织变化二．材料的性质与使用性能1．材料的性质物理性质:材料的热学、电学、磁学、光学等性质；热学性能：熔点、(比)热容、热膨胀系数、热导率等；电学性能：电阻率、电导率、介电常数等；磁学性能：磁导率、磁感应强度、磁场强度等；光学性能：光反射率、折射率等；摩擦学：摩擦系数，磨损量，磨损率等。化学性质指材料发生化学反应和电化学反应时所显示的性质；如耐蚀性、耐氧化性、抗高温氧化性等；常用的有腐蚀速率、电极电位、应力腐蚀临界应力场强度因子等参量。力学性质指材料在不同载荷和环境作用下表现的变形和断裂行为的描述。强度（单位：MPa)屈服强度、抗拉强度（材料常用的强度指标）抗弯强度、抗压强度抗扭强度、抗剪强度疲劳强度（极限）（交变应力下的强度）蠕变强度、持久强度（高温下的强度）硬度材料抵抗局部塑性变形的能力。有几种表示方法：布氏(HB)、洛氏(HRC)、维氏(HV)、肖氏硬度(HS)等弹性弹性是指材料在外力作用下产生变形，当外力取消后以恢复到原来的形状和大小的一种特性。弹性模量、比例极限、弹性极限等。塑性概念:材料在外力作用下产生永久变形的能力。指标:伸长率(δ/%)、断面收缩率(ψ/%)韧性概念:材料抵抗塑性变形和断裂的能力。指标:冲击韧性（ak,J/cm2）断裂韧性（KIC，N/mm2/3）韧脆性转变温度2.材料的使用性能指材料在服役条件下所表现的特性，它是材料性质与服役条件、产品设计及加工融合在一起所决定的要素。度量指标使用寿命速度能量效率安全性费用（成本）