金属材料学课件：工程结构钢.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,工程结构钢的基本要求,低合金高强度结构钢的合金化,铁素体,-,珠光体钢,低碳贝氏体钢、针状铁素体钢和马氏体钢,双相钢,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,C0.25%,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,镀锌,C,型钢用于上海大剧院屋架桁架,现代化蔬菜大棚,工程构件的服役特点：,1.,不作相对运动，长期承受静载荷作用；,2.,有一定的使用温度和环境要求：如寒冷的北方，构件在承载的同时，还要长期经受低温的作用；,3.,桥梁或船舶长期经受大气或海水的浸蚀；,4.,电站锅炉构件的使用温度可达到,250,以上。

2.1,工程结构钢的基本要求,力学性能要求如下：,1,、高的强度2,、良好的塑性；,3,、冲击韧性好；,（,1,）一定的常温冲击韧性；,（,2,）尽可能低的脆性转变温度；,（,3,）低的时效敏感性预先拉伸,10%,的板试样，在,250,，,1h,人工时效后，测出室温冲击韧性，与原材料相比，不得低于,50%,，且不小于,27J,2.1,工程结构钢的基本要求,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，,A,k,=120J,，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2.1,工程结构钢的基本要求,工艺性能要求：,良好的成形工艺性能和焊接性能要求具有一定的耐大气腐蚀及海水腐蚀性能以工艺性能为主，力学性能为辅2.1,工程结构钢的基本要求,成分设计要求：,1.,低碳（,w,(C)%0.25%,）；,2.,加入适量的合金元素提高强度,（,1,）当合金元素含量较低时，其基体组织是大量的铁素体和少量的珠光体；,（,2,）合金元素含量较高时，基体组织可变为贝氏体、针状铁素体和马氏体。

供货状态：,大部分构件通常是在热轧空冷（正火）状态下使用，有时也在回火状态下使用2.1,工程结构钢的基本要求,一、工程结构钢的强化机制,在铁素体,-,珠光体钢中，合金元素对强化的贡献有：溶入铁素体中，起固溶强化；细化晶粒，起细晶强化；析出碳化物、碳氮化物，起弥散强化；增加珠光体含量1.,固溶强化,主要利用,Mn,、,Si,、,Cu,、,P,等元素溶入铁素体中来提高强度2.1,工程结构钢的基本要求,C,固溶强化效果和珠光体含量，低成本C,，,塑、韧性，,焊接性、冷成型性如,0.1%C,，,T,k,为,-50,，,0.3%C,，,T,k,为,50,一般均应限制在,0.2%,以下Si,最常用且经济的元素，强化铁素体较显著，,1%Si,，,s85MPa,，,T,k,，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,量溶入铁素体中；,弱的细晶作用，,T,k,量多时可大为降低塑、韧性所以,Mn,控制,在,TiV,2.1,工程结构钢的基本要求,4.,增加珠光体含量,当,C0.1%,，珠光体约为,1015%,时，珠光体数量对,s,无影响，但增大,b,。

由于珠光体增多会降低塑性，韧性，可发展无珠光体钢，以满足焊接、深冲、耐低温、耐腐蚀需要2.1,工程结构钢的基本要求,二、工程结构钢的焊接性,金属结构焊接时要求焊缝与母材有牢固的结合，强度不低于母材，焊缝的热影响区有较高的韧性，无焊接裂纹焊接时，焊缝被钢液充填，电弧移走后，焊缝的热量为周围的母材所吸收，焊缝的冷速很大，往往超过母材钢种的临界冷却速度而发生局部淬火，产生相变，在焊缝和热影响区产生很大的内应力热影响区由于温度高而引起晶粒粗化以及形成马氏体组织这些都促使焊接裂纹的产生2.1,工程结构钢的基本要求,加入合金元素恶化工程结构钢焊接性的因素有：,增加钢的淬透性，焊后冷却发生马氏体转变，升高内应力；,钢中含碳量增高马氏体的比容和硬度，引起内应力增加；,降低,Ms,点，易获得孪晶,M,；,钢中含氢量高使钢的塑性下降，引起氢脆一般来说，加入合金元素会使钢的焊接性变差，影响最大是,C,，所以低碳钢的焊接性较好，焊接后，可获得位错型的板条马氏体，韧性好2.1,工程结构钢的基本要求,三、工程结构钢的耐腐蚀性能,工程结构多是在大气或海洋中服役，在潮湿空气作用下，会产生电化学腐蚀，因而要求有抗大气腐蚀的能力。

1.,抗大气腐蚀的元素：,Cu,、,P,、,Cr,、,Ni,等,2.,抗,S,或抗,H,2,S,气体腐蚀的元素：,Cr,、,Mo,、,Al,3.,抗海水腐蚀的元素：,Mn,、,P,、,Re,2.2,铁素体,-,珠光体钢,F-P,钢是工程结构钢中最主要的一类钢种，包括碳素工程,结构钢、高强度低合金钢和微合金化钢碳素工程结构钢有,Q195,、,Q215,、,Q235,、,Q255,和,Q275,高强度低合金钢有,Q29,5,、,Q345,、,Q390,、,Q420,和,Q460,有低温冲击韧性要求组织：,1025%,片层状,P,和,7590%,多边形,F,最新研究成果：如,F,晶粒尺寸细化到微米级，则,F-P,类,低合金高强度钢的强度也可达到,800MPa,2.2,铁素体,-,珠光体钢,TiV,2.2,铁素体,-,珠光体钢,（,3,）沉淀相与沉淀强化,Ti,和,Nb,的碳化物和氮化物及,V,的氮化物具有足够低的固溶度和高的稳定性因此，一般微合金钢中的沉淀强化相主要是低温下析出的,Nb,（,C,，,N,）和,VC,Nb,0.04%,时，,G,ph,；,Nb,0.04%,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2.2,铁素体,-,珠光体钢,（,4,）改变钢的显微组织,Ti,、,Nb,、,V,等合金碳化物和氮化物随奥氏体温度升高有一定的溶解量，如,Nb(C,N),在,1150,溶于奥氏体的铌约,0.03%,，而,V(C,N),更易溶于奥氏体在轧制加热时，溶于奥氏体的微合金元素提高了过冷奥氏体的稳定性，降低了发生先共析铁素体和珠光体的温度范围，低温下形成的先共析铁素体和珠光体组织更细小，并使相间沉淀,Nb,（,C,，,N,）和,V,（,C,，,N,）的粒子更细小2.2,铁素体,-,珠光体钢,2.3,低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢和马氏体钢,一、低碳贝氏体钢,低碳：,0.100.20%,，一般为,0.100.15%,（保持韧性，提高焊接性）,使用状态组织：,贝氏体加工过程：,轧制空冷或正火后控制冷却，直接得到低碳贝氏体组织屈服强度较高：,可达,450980MPa,（贝氏体的相变强化）,低碳贝氏体钢与相同碳含量的,F-P,型钢相比，具有更高的强度和良好的韧性合金元素的作用是保证在较宽冷速范围内获得,以贝氏体为主的组织,成分特点：,0.5%,左右,Mo+,微量,B,（,0.005%,）,+Mn,、,Cr,、,Ni,等,+Nb,、,Ti,、,V,主要用于制造容器的板材和其他钢结构,14MnMoV,和,14MnMoVBRE,钢是我国发展的低碳贝氏体钢，,屈服强度为,490MPa,级,主要,特点,2.3,低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢和马氏体钢,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。

针状铁素体钢实际上属于超低碳贝氏体钢0.06%C+,适量,Mn,、,Mo,、,Nb,等，,实施控轧控,冷技术，获得,具有高密度位错（,10,10,cm,-2,）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极其寒冷地带管线被称为,21,世纪的控轧钢基本,特点,二、针状铁素体钢,2.3,低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢和马氏体钢,三、低碳马氏体钢,工程机械上相对运动部件和低温下使用部件，要求有更高的强度、良好韧性和,超群的疲劳性能0.16%C,，加入,Mo,、,Nb,、,V,、,B,及控制,Mn,或,Cr,与之配合,淬火,和自回火获得低碳回火马氏体，,具有高强度、高韧性和高疲劳强,度,如,BHS-1,钢（,0.1C-1.8Mn-0.45Mo-0.05Nb,锻轧后空冷或直接淬,火并自回火达到合金调质钢调质后的性能水平制造汽车的轮臂托架、操纵杆、车轴、转向联动节和、冷拔,及制作高强度紧固件拉杆等，也可用于冷镦2.3,低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢和马氏体钢,2.4,双相钢,传统的低合金高强度钢对汽车压力加工件来说，没有具备足够的冲压成型性，因而需要改善强度,-,成型性的综合性能，以满足汽车冲压成型件的要求。

双相钢的开发，使这类问题在一定程度上得到了解决主要成分：,0.2%C,，,1.21.5%Si,，,0.81.5%Mn,，,0.45%Cr,，,0.4%Mo,，少量,V,、,Nb,、,Ti,成分,组织,F+M,组织，,F,（,7080%,）基体上分布不连续岛状,混合型,M,（,2030%,）,双相钢F,中非常干净，,C,、,N,等间隙原子很少；,C,和,Me,大,部分在,M,中2.4,双相钢,低,s,，且是连续屈服，无屈服平台和上、下,屈服；均匀塑变能力强，总延伸率较大，冷加,工性能好；加工硬化率,n,值大，成型后强度可达,500700MPa,性能,2.4,双相钢,将热轧的板材或冷轧的薄板在两相区（,+,，,740,800,）加热退火时，在铁素体基体上形成,2030,%,的奥氏体，并且,C,、,Mn,等奥氏体形成元素富集于奥,氏体中，提高过冷奥氏体的稳定性，抑制珠光体转变，,在空冷条件下即能转变成马氏体，获得,F+M,热处,理双,相钢,热轧后直接成材，控制转运台的冷却，使钢形成,70,80%,的细小多边形铁素体未转变的奥氏体因,C%,上,升和,Me,上升，提高奥氏体的稳定性，而避免形成珠光,体和贝氏体，最后得到,F+M,的双相组织。

通常，这类钢的成分较一般低合金高强度钢含较高的,合金元素热轧,双,相钢,2.4,双相钢,冲压型双相钢主要是板材，广泛用于各种,容器和汽车冲压件非冲压双相钢有棒材、,线材、钢筋、薄壁无缝钢管等产品钢材经热轧后控制冷却，得到,F+M,双相钢,组织，后经冷拔、冷镦等工艺制成成品，可,用于汽车的大梁和滚型车轮，汽车的前后保,险杠、发动机悬置梁等，使用双相钢可使汽,车重量降低,1030%,应,用,2.4,双相钢,2.5,低合金高强度钢发展趋势,2.6,抗震耐火钢,一、概述,建筑结构,：钢结构、网架结构、钢筋混凝土结构和木结构钢结构的,优点,：,施工速度快、节能环保、综合经济指标佳、建筑造型美观、抗震性能好等钢结构的,缺点,：,防火、防腐性能较差当普通建筑用钢温度为,400,时，钢材的屈服强度将降至室温强度的一半；温度达到,600,时，钢材基本丧失强度和刚度2.6,抗震耐火钢,耐火钢强度级别,：,400MPa,、,490MPa,和,520MPa,耐火钢品种,：板材、,H,型钢和钢管目前耐火钢在日本、韩国及欧美国家已获得广泛的应用我国的钢铁研究总院从,20,。