金属材料学 第2章_工程结构钢

第二章 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%（质量分数，下同）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,2.1 工程结构钢的基本要求,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-50100范围内使用； 如：桥梁、船舶等受到像风力或海浪冲击.,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、足够的强度与韧性（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。,2.2 低合金高强度结构钢的合金化 1、Me对低合金高强度钢力学性能的影响,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，s85MPa，TK，量多时可大为 降低塑韧性，所以Si控制在<1.1%,Mn,固溶强化作用大，1%Mn，s33MPa。 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%。,NbV TiAl,形成稳定细小的K等，粒子210nm， 既细晶又沉淀强化，s，、AK， 综合效果TK。改善焊接性。作用顺序:Ti>Nb>Al>V。,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。,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。,在低合金高强度钢中常利用Nb、V、Ti合金化来细化晶粒。其作用顺序为： Ti 、 Nb、V。Nb、V、Ti合金元素还可以生成细小的化合物，产生沉淀强化。其作用顺序为： Nb、 Ti 、 V。,2、Me对焊接性和耐大气腐蚀性的影响 优良的焊接性是指：焊接工艺简单；焊缝与母材结合牢 固，强度不低于母材；焊缝的热影响区保持足够的强度与韧 性，没有裂纹及各种缺陷。,控制 C,C 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。,Cu P,耐大气腐蚀性最有效的元素。一般含量: 0.0250.25% Cu ，0.050.15 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09CuPCrNi-A、 09CuP、09CuPCrNi-B,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。,当然桥梁、船舶等突然断裂的原因很多。共振、应力波等,2.3 铁素体-珠光体钢,最新研究成果：如F晶粒尺寸细化到级，则 F-P类低合金高强度钢的强度也可达到800MPa,F-P类型是工程结构钢中最主要的一类钢。有 碳素结构钢和低合金高强度钢两类。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： 1025片层状P+ 7590多边形F。,表2-1 碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能和用途,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2-5m（碳钢）和12m（微合金钢）。碳钢的s由200MPa提高到350400MPa；低合金钢由350400MPa提高到600700MPa。,低碳铁素体/珠光体钢超细晶钢材生产工艺控制和不同的制品,高科技的建筑用材，和建筑技术是奥运场馆建设的坚实保证，同时也为我国的建筑用材迎来了新的挑战。Q460钢材以前在国内从未生产过，“鸟巢”是这种钢材在国内建筑上的首次使用，而这次使用的钢板厚度达110mm，也是史无前例的，在国家标准中，“Q460”的最大厚度只是100mm。,这种高韧性抗震钢采用全新的优化成分设计、氧化物冶金技术和先进的轧制及热处理工艺，使之形成高密度位错的强韧性组织结构，有着强度高、韧性好、焊接性能优良的特点。高韧性抗震钢保证了“鸟巢”最大可以承受530兆帕的外力。这意味着如果北京遭受上世纪70年代唐山大地震一样的地震波，“鸟巢”依然能保持原状。,武汉长江大桥 A3钢（现Q235）,南京长江大桥,九江长江大桥 15MnVN（Q420） 由于添加V的方法提高强度，导致低温韧性和焊接性较差。,芜湖长江大桥,芜湖长江大桥为双层，铁路桥在下层，公路桥在上层。铁路桥全长10511米，其中正桥长2193米，芜湖岸引桥长2228米，无为岸引桥长6089米。公路桥全长5681米，桥宽21米，芜湖岸引桥长2038米，无为岸引桥长1449米。 采用的14MnNbq钢（Q370qE）。,世界上跨度最大的拱桥-重庆朝天门大桥主跨达552米。朝天门大桥主桥分为上、下两层,上层是“汽车道+人行道”、下层“汽车道+轨道线”。上层桥面宽31米,双向6车道。 朝天门全桥永久用钢4.6万吨，辅助用钢近4万吨。其拱梁部分1.2万吨钢材全部由舞钢公司提供。桥梁钢板从鞍钢中厚板厂 Q420qD。,朝天门长江大桥,南京大胜关长江大桥全长9.27公里，全程共架设11个桥墩。桥上铁轨按六线布置，分别为京沪高速铁路双线、沪汉蓉铁路双线和南京地铁双线。 Q420q（WNQ570）钢,2.4 微珠光体低合金高强度钢,石油、天然气开发，需要大量输送管线。油气管线 用钢要求有很好的焊接性、低温韧度和强度等综合性能。 输送油气距离越长，压力越大，质量要求也越高。油气 管线用钢发展为微P低合金高强度钢。,强化 机理,对F-P钢, P量每10%，将使TK22。油气管线用钢:C, <0.1%；为保证， 就必须采用其它不损害或少损害焊接性和 韧度的强化措施。 析出强化和晶粒细化钢性能。 Nb、V、Ti微合金化和控轧处理工艺。,控制轧制和控制冷却技术高温形变热处理F大幅度晶粒细化强度和韧度。,控制轧制和控制冷却的组织变化模式图,图中轧制温度向右边降低，上层表示奥氏体组织变化，下层表示奥氏体开始相变后组织及F核的形成,图 各种轧制程序模式图 CR：控制轧制 ；AcC:控制冷却,TMCP（ThermoMechanicalControlProcess：热机械控制工艺）就是在热轧过程中，在控制加热温度、轧制温度和压下量的控制轧制（ControlRolling）的基础上，再实施空冷或控制冷却及加速冷却（AcceleratedCooling）的技术总称。由于TMCP工艺在不添加过多合金元素，也不需要复杂的后续热处理的条件下生产出高强度高韧性的钢材，被认为是一项节约合金和能源、并有利于环保的工艺，故自20世纪80年代开发以来，已经成为生产低合金高强度宽厚板不可或缺的技术。随着市场对TMCP钢的要求不断提高，TMCP工艺本身也在应用中不断发展。从近几年的研究工作看，重点是放在控制冷却，尤其是加速冷却方面。,TMCP技术,通过加快轧制后的冷却速度，不仅可以抑制晶粒的长大，而且可以获得高强度高韧性所需的超细铁素体组织或者贝氏体组织，甚至获得马氏体组织。目前正在研发的在线加速冷却，是在轧制后直接将钢板冷却至常温，可以避免再加热工序。在线冷却的输送方式分为“一步冷却”与“通过型冷却”两种。所谓“一步冷却”就是将冷却水一下子喷射到轧制后的整个钢板上进行冷却。为了使冷却均匀，必须让钢板在冷却装置中振动。该方法需要超过钢板长度的大冷却装置，而且也难以避免冷却不均匀问题，故后来改为“通过型冷却”，即钢板一面通过一面接受冷却，现已成为加速冷却的主流方式。另外，冷却方式又分“约束冷却”与“无约束冷却”两种。所谓“约束冷却”是指用上下辊约束钢板的条件下进行冷却，采用喷雾水口；而“无约束冷却”则是用层流式水口对输出辊道上的钢板进行冷却。,在线加速冷却装置可放在矫直机前、矫直机后，或两台矫直机之间。放在矫直机前可以方便地选择和调整冷却开始温度，但冷却均匀性较差；放在矫直机后，则可进行约束型冷却，但难以控制所需的冷却开始温度；放在两台矫直机之间，可以利用后一台矫直机消除加速冷却所造成的变形，但设备复杂，成本较高。 加速冷却工艺的研发所要解决的最大课题就是要防止冷却过程中产生的钢板变形，其关键在于保证对于宽幅钢板的冷却均匀性。在这方面，还有大量的研究工作需要进行。,3、微合金元素的作用Nb、V、Ti单元或复合是常用的，其作用主要 有细化晶粒组织和析出强化。微合金元素细化钢 晶粒主要通过以下两种方式：（1）阻止加热时奥氏体晶粒长大（2）抑制奥氏体形变再结晶在热加工过程中，奥氏体会发生形变再结晶 使晶粒回复粗大。但应变动态析出Nb、V、Ti的 碳氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上起钉轧 作用，有效地阻止奥氏体再结晶时晶界和位错的 运动，从而抑制奥氏体形变再结晶。,沉淀析出强化相主要是低温下析出的Nb(C，N)和VC。Nb0.04%时，Gph；Nb0.04%时，ph 增量大大增加，而G保持不变。V引起析出强化增量 ph最显著，而Ti的作用处于Nb和V之间。,微合金元素对钢的屈服强度的影响（G：晶粒细化的贡献Ph：析出强化的贡献）,2.5 针状铁素体钢,对于一些强度、焊接性、低温冲击韧性等要 求更高的场合，还必须采用针状铁素体低合金 高强度钢。,基本 特点,针状铁素体（acicular ferrite，简写AF） 钢实际上属于超低碳贝氏体钢。0.06C + 适量Mn、Mo、Nb等 具有 高密度位错（1010cm2）亚结构的“针状F” 组织（超低碳B）。s 达700800MPa，低 温冲击韧性、焊接性更好.用于现场焊接条件及其寒冷地带管线。被 称为21世纪的控轧钢。,针状铁素体型钢的典型钢种为Mn-Mo-Nb钢，其化学成分范围为w(C)0.10%，w(Mn)=1.6%2.0%，w(Mo)=0.2%0.6%，w(Nb)=0.04%0.06%，有时还加w(V)=0.06%，w(Ti)=0.01%。 这类钢通过控制轧制和控制冷却，可以达到高强韧性。通常将其板坯加热到11501260范围，然后控制轧制成钢板，终轧温度等于或低于760，轧后空冷。显微组织是细晶粒（ASTM12级或更细）的多边化铁素体、30%以上的针状铁素体片（高位错密度的细小的亚结构）、高度弥散的渗碳体质点、少量岛状的马氏体-奥氏体块（通常小于整个组织体积的5%）和细而弥散的Nb(C,N)质点。,AF钢不仅具有良好的低温韧性（Tk<-100），而且还具有良好的焊接性能，已成功地应用于制造寒带输送石油和天然气的管线。,西气东输工程，起自新疆塔里木轮南市，终至为上海白鹤镇，总投资额超过1200亿元人民币，其输送管道的全长达4200公里，估计使用钢材总量约160-180万吨，其中包括，将利用於铺设非城市地段的螺纹钢管，用热卷100万吨，及铺设沿途城市地段使用之X70大口径UO钢管65万吨。另外，还有UO钢管加工用厚板15万吨。 工程用钢需求之大，备受国内外钢铁业界关注。 螺纹钢管加工用热卷，共计30万吨，由上海宝钢及韩国POSCO分别取得19及11万吨供货权。X70大口径UO钢管，共计65万吨，由新日铁、NKK和住友金属叁厂获得62万吨供料数，欧盟钢管(EURO.PIPE)仅取得3万吨。,