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1、2023/7/14,1,第二章 工程构件用钢,2023/7/14,2,主要内容,2.1 构件用钢的力学性能特点2.2 构件用钢的工艺性能2.3 构件用钢耐大气腐蚀性能2.4 碳素构件用钢2.5 低合金高强度钢2.6 微合金化低合金高强度钢,2023/7/14,3,概 述,构件用钢指用于制造各种大型金属结构(如桥梁、船舶、屋架、锅炉及压力容器等)的钢材，又称为工程用钢。,大桥,船舶,屋架,压力容器,尼米兹核动力航母001,钢制桥梁,压力容器,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
2、%），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。,一工程构件用钢工作条件特点,1 长时间承受静载荷；2 有一定温度要求，如锅炉构件，寒冷地区构件等；3 长时间在大气环境中服役，有的还与海水或淡水接触；4 构件加工往往需要冷变形和焊接。,二、工程构件用钢性能要求,1 一定的综合力学性能；2 耐大气腐蚀和海水腐蚀性能好，有的还需好的耐高温 腐蚀性能；3良好的工艺性能，即冷变形及焊接性能好。,2023/7/14,9,构件用钢以工艺性能为主，力学性能为辅。成分:低碳(0.2%)基体组织：大量的铁素体和少量的珠光体。性能特点：屈服、冷脆及时效等现象。使用状态：热轧空冷(正火)，有时
3、也在回火状态下使用。,2023/7/14,10,2.1 构件用钢的力学性能特点,力学性能三大特点：屈服现象 冷脆现象 时效现象,2023/7/14,11,一、构件用钢的屈服现象,屈服现象是低碳钢所具有的力学行为特点之一，主要表现在两方面：(1)拉伸曲线上出现屈服齿与屈服平台。(2)在屈服过程中试件的塑性变形分布是宏 观不均匀的。,弹性阶段,弹性极限p,屈服阶段,屈服点s,强化阶段,强度极限b,颈缩阶段,2023/7/14,13,屈服现象的危害及消除,表现形式：屈服变形集中在局部地区少数滑移带上，引起滑移台阶高度增大，使试样表面有明显滑移线，表面出现皱折。屈服现象有时会影响构件(如汽车蒙皮)的表
4、面质量。一些冷轧钢板在冲压前表面质量很好，但冲压后却在某些部分形成皱折，这是一种水波纹状的表面缺陷，称为滑移线。,2023/7/14,14,滑移线的出现破坏了构件的外观，甚至在涂漆以后仍然可以看出，故必须消除。消除的办法是对于一些冲压用的钢板退火后，进行变形量约为0.81.5的冷轧，即平整加工。其目的是使钢板的屈服在冷轧过程中完成，使钢板处于正常的加工硬化状态，从而在以后的冲压过程中变形均匀，以免出现皱折。,2023/7/14,15,屈服现象的产生原因：,一般认为，钢中C、N原子与位错相互作用产生的“柯氏气团”有关。,2023/7/14,16,二、构件用钢的冷脆现象,冷脆现象：随着试验温度的降
5、低，构件用钢的屈服点显著升高，且出现断裂特征，由宏观塑性破坏过渡到宏观脆性破坏，这种现象称为冷脆。构件生产及使用过程中，往往存在着尖锐的缺口，甚至裂缝。带有尖锐缺口或裂缝的构件，上述断裂形式的过渡可能在一般的气温条件下即能产生，而且其断裂应力往往低于室温下的屈服极限。,2023/7/14,17,评定指标：冷脆转变温度，又称脆性转折温度。是组织敏感的参数。晶体结构、强度、合金元素及晶粒大小等均有影响。变形速度、试件尺寸、应力状态及缺口形式等也有一定的影响。实际意义：构件用钢在常温拉伸时能表现出很好的极限塑性，因此曾经认为按照钢材的屈服点设计的各种构件是安全的。但在生产实际中，一系列低碳构件(船舶
6、、桥梁、容器等)在较低使用温度下发生的引起严重后果的冷脆事故，使人们认识到只根据常规拉伸性能数据还不能全面评价构件用钢的性能。,2023/7/14,18,冷脆的防止：1.合金元素可使脆性转折温度下降。如Ni、Mn、Al等使之下降，而C、Si使之上升 2.细化晶粒 3.更换基体材料,2023/7/14,19,三、构件用钢的应变时效、淬火 时效及蓝脆,时效：构件用钢加热到Ac1以上进行淬火(快冷)或经塑性变形后，在放置过程中，钢的力学性能和物理性能将随时间而变化。通常强度、硬度增高，塑性、韧性下降，并提高钢的脆性转折温度，这种现象称为时效。塑性变形后的时效称为应变时效；淬火后的时效称为淬火时效；在
7、一般气候条件下的时效称为自然时效；在较高温度下进行的时效称为人工时效。,2023/7/14,20,时效的危害：对塑性变形：应变时效一般应视为一种不利的现象。在生产中的弯角、卷边、冲孔、剪裁等过程中产生局部塑性变形的工艺操作，由于应变时效会使局部地区的断裂抗力降低，增加构件脆断的危险性。应变时效还给冷变形工艺造成困难，裁剪下的毛坯如过一段时间再进行下道冷变形工序，往往因为裁剪边出现裂缝而报废。对焊接成型：焊接构件热影响区的温度可以达到淬火以上温度而产生淬火时效。此时，钢的显微组织没有明显变化，但其力学性能也发生类似于应变时效的变化。,2023/7/14,21,蓝脆现象,低碳钢在300400的温度
8、范围内却出现反常的抗拉强度、硬度升高，而延伸率、断面收缩率下降的现象。钢表面有蓝色氧化膜，故称为蓝脆。蓝脆现象是由于塑变时位错运动速度与该温度下固溶的C、N原子的移动速度几乎相等造成的，所以应变时效与塑性变形同时发生。,2023/7/14,22,2.2 构件用钢的工艺性能,一、冷变形性能二、焊接性能,2023/7/14,23,一、构件用钢的冷变形性能,钢材的冷变形性能包括三个方面：钢材的变形抗力，它决定钢材制成必要形状的部件的难易程度；钢材在承受一定量的塑性变形时产生开裂或其它缺陷的可能性；钢材在冷变形后性能的变化，即危害性或可利用性。,2023/7/14,24,影响因素：含碳量影响最大，含碳
9、量增高，钢中的珠光体量增多，塑变抗力增高，而塑性降低，变形时开裂的倾向性增大。含硫量增高，钢中的MnS夹杂物增多，也使钢材变形开裂的倾向增大，并使轧制钢板纵向及横向的塑性不同。钢材易于沿着呈条状分布的硫化物夹杂发生开裂或分层。,2023/7/14,25,磷有强烈的偏析倾向，含磷较高的钢板带状组织比较严重，其性能也有明显的方向性。钢材表面质量也影响冷变形性能，表面上的裂缝、结疤、折叠、划痕等缺陷，往往是冷变形开裂的根源。,2023/7/14,26,二、构件用钢的焊接性能,焊接性能也是很重要的工艺性能，特别是近年来，随着断裂力学的发展，人们对焊接性能的重要性更为重视。,2023/7/14,27,焊
10、接材料总是不均质的：金属在焊接过程中，其焊缝区、半熔化区及热影响区发生小范围的复杂冶金过程、熔化过程及热处理过程，使各处形成不同的组织；由于热循环及组织变化，产生一定的焊接残余应力；焊接过程可能产生未焊透、气泡、夹渣、裂纹等缺陷。这些复杂的变化必然会影响整个构件的承载能力和使用寿命。,2023/7/14,28,影响焊接质量的因素：构件的结构及焊接工艺材料的焊接性能,2023/7/14,29,（1）马氏体转变脆性（2）过热及过烧脆性（3）凝固脆性（4）热影响区的时效脆性,由于钢材化学成分和组织的变化而导致焊接构件脆断趋势增加的现象称为焊接脆性。,2023/7/14,30,（1）马氏体转变脆性 是
11、焊接时造成冷裂纹的主要原因之一。马氏体的形成取决于钢材的淬透性。碳是显著增加钢材淬透性的元素，且还增大马氏体的延迟断裂倾向，因此在一般碳素构件用钢中应将含碳量控制在0.25以下，在普通低合金构件用钢中一般不超过0.2。很多合金元素都会增加钢的淬透性，对焊接性能不利，故对其含量也应加以控制。,2023/7/14,31,碳及合金元素还会降低钢的Ms点，这也是不利的。Ms点最好不低于300。这是因为在热影响区虽有马氏体转变，但 Ms点高于300时可产生“自回火”现象，从而减少了开裂的倾向。,2023/7/14,32,(2)过烧脆性产生在紧靠熔合线的热影响区。防止方法:限制钢的含碳量，或者向钢中加少量
12、稀土元素(如铈)以固定硫。稀土硫化物可以降低钢对过烧脆性的敏感性。过热脆性易产生在离熔合线较远的热影响区，可降低钢的塑性，增加冷脆倾向性。向钢中加入少量Mo、V、Ti、Nb等强碳化物形成元素时，可阻止晶粒长大，并减小过热敏感性。,2023/7/14,33,（3）凝固脆性一般以热裂纹的形式表现出来。引起凝固脆性的主要元素是S、P、Si等，C、Ni、Cu也有促进作用。减小凝固脆性元素：Ti、Zr或Ce能形成球状的硫化物并提高其熔点。,2023/7/14,34,（4）热影响区的时效脆性也可能成为构件用钢在使用过程中的开裂源，必须充分注意。为此，向钢中加入Al、V、Ti、Nb等元素，以抑制时效敏感性。
13、综上所述，焊接会带来很多缺陷或脆性而使构件的承载能力降低，因此必须改善焊接性能。钢中的碳及合金元素都易使焊接性能下降，这便是要求构件一般应为低碳、低合金的主要原因之一。,2023/7/14,35,2.3 构件用钢耐大气腐蚀性能,使用环境易被腐蚀 保护措施较差 用量大,尼米兹核动力航母001,2023/7/14,36,一、大气腐蚀过程,电化学腐蚀过程形成原电池构件用钢在大气中的腐蚀又与一般的原电池腐蚀有所不同。,2023/7/14,37,微电池现象是指在一块钢板里构成有许多个微小的原电池，从而引起钢板腐蚀的现象。,2023/7/14,38,例如碳钢在水中的电化学过程便形成腐蚀，因为钢中铁素体的电
14、极电位低于渗碳体的电极电位，铁素体构成微电池的阳极，渗碳体为阴极。阳极是溶解极：2Fe2Fe2+4e。电子向阴极Fe3C移动，与介质中的O2和H2O作用形成氢氧离子，即4e+2H2O+O24OH。Fe2+在介质中与OH相遇又形成Fe(OH)2，即整个过程为2Fe+O2+2H2O2Fe(OH)2，这样钢铁在水中不断得到腐蚀。合金中各种元素或组织在电解质中会构成多电极的微电池电化学腐蚀。,2023/7/14,39,二、提高构件用钢耐大气腐蚀的途径,1.减少微电池数量（低碳）2.提高基体的电极电位（高成本）3.利用钝化效应（Cu与P复合）,2023/7/14,40,1.减少微电池数量,微电池数量越多
15、，则腐蚀速度越快，故为了减慢腐蚀速度，应减少微电池数目。C与S含量增多时，会使第二相质点(碳化物与硫化物)数量增多，从而导致腐蚀速度加快。所以应对构件用钢的含碳量和含硫量加以限制。这也是要求构件用钢应是低碳钢的重要原因之一。,2023/7/14,41,2.提高基体的电极电位,基体与第二相的电极电位差越大，则腐蚀速度越快。为了减慢腐蚀速度，应力求提高基体的电极电位，以抑制阳极反应。从这一角度出发，可向钢中加入能与-Fe形成固溶体并能提高其电极电位的合金元素(例如Cr、Ni、Ti等元素）。但这种办法的缺点是提高了钢的成本。,2023/7/14,42,3.利用钝化效应,钝化效应是指通过改变钢表面状态
16、而造成基体金属表面部分电极电位升高的现象。最常采用的钝化措施是在金属表面形成一层致密的氧化膜。这种氧化膜使钢的表面与电介质隔开，从而使阳极反应受到阻碍。一般认为Cr是最有效的钝化元素，但成本较高，发展量大面广的构件用钢不宜走这一条路。,2023/7/14,43,Cu含量达到一定数量时，可以促进钝化效应。原因：在室温下Cu在-Fe中的溶解度较小，约为0.2%时，便有Cu原子以游离状态在钢的表面析出，形成均匀、弥散分布的富Cu相。Cu的电极电位比较高，这样就增加了微电池的阴极接点，弥散均匀分布的Cu阴极接点有利于迅速在构件用钢表面上形成一层比较致密的氧化膜而产生钝化作用。,2023/7/14,44
17、,少量的铜(0.2）溶入-Fe中提高-Fe的电极电位，也有利于提高抗蚀性。0.1%0.15%的Cu便可使腐蚀速度显著下降。达到0.25%左右，则抗蚀性可提高l倍以上。Cu含量过高(如Cu0.5%)易使钢产生热脆现象。通常在耐大气腐蚀用钢中Cu含量在0.2%0.5%，特别是Cu与P复合存在时效果更好，以P0.1%+Cu0.3%效果最佳。值得注意的是P含量过高会增加钢的脆性，应加以控制。,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
18、合金高强度钢。,2023/7/14,46,2.4 碳素构件用钢,碳素构件用钢又称普碳钢，其产量约占钢总产量的70%80%，其中大部分用作钢的结构件，少量用作机器零件。由于普碳钢易于冶炼，价格低廉，性能也基本满足了一般构件的要求，所以工程上用量很大。普碳钢常以热轧状态供货，一般不经热处理强化。为了满足工艺性能和使用性能的要求，其含碳量一般小于0.2%。,47,1、碳素工程结构钢的分类、成分及性能特点 1)编号 Q屈服点质量等级脱氧 Q：表示屈服强度 屈服点：分为5个等级：195，215，235，255，275（MPa）,2023/7/14,48,等级符号是指这类钢所独用的质量等级符号。也是按S、
19、P杂质多少来分。以A、B、C、D四个符号代表四个等级。,A级 ws0.05，wp0.045 B级 ws0.045，wp0.045 C级 ws0.04，wp0.04 D级 ws0.035，wp0.035,49,2)特点：(1)碳含量较低。0.06-0.38%C(2)热轧态供货，不需热处理，组织为FP。(3)S，P含量随质量等级提高而减少。3)用途 主要用于工程结构钢。产量大。,2、常用碳素工程结构用钢,3）Q235 C量适中，是最通用的工程构件用钢之一，具有 一定的强度、塑性及良好的焊接性；,5）Q275 C、Si、Mn含量较高，具有较高的强度及硬度 较好的塑性及耐磨性，而塑性较低。,4）Q25
20、5 良好的强度、塑韧性、焊接性及冷热压力加工。,2）Q215 C、Mn含量低，强度不高，塑韧性好，同时具有良好的焊接性能及工艺成型性。,1）Q195 C、Mn含量低，强度不高，塑韧性高；,2023/7/14,51,2023/7/14,52,2023/7/14,53,四、碳素结构钢供货品种,供货品种：钢板，钢带，钢管，槽钢，角钢，钢轨，钢筋，钢丝等,碳素结构钢薄钢板,钢管,钢带,槽钢,角钢,钢丝,钢筋,2023/7/14,57,2.5 低合金高强度钢,普通低合金构件用钢，简称普低钢，国外称低合金高强度钢。英文缩写HSLA钢。尽管国内外叫法不同，但从成分上都是低碳、低合金元素的钢种。,2023/7
21、/14,58,普低钢是为了适应大型工程结构(如大型桥梁、大型压力容器及船舶等)、减轻结构质量、提高使用的可靠性及节约钢材的需要而发展起来的。,2023/7/14,59,一、普低钢合金化,基本原则：低碳，合金化以Mn为主，适当加入Al、V、Ti、Nb、Cu、P及稀土等元素。其发展方向是多组元微量合金化。,2023/7/14,60,(1)低碳低合金元素，基本上不加Cr和Ni，是经济性能较好的钢种。(2)主加合金元素是Mn，Mn的固溶强化效果较大。合金元素在-Fe中的固溶强化次序是：Si、Mn较大，Ni次之，W、Mo、V、Cr较小。,2023/7/14,61,(3)辅加合金元素A1、V、Ti、Nb等
22、Al形成AlN的细小质点，以细化晶粒，提高强度，降低脆性转折温度。例如，在C0.15%+Mnl.8%的钢中，用Al脱氧正火后可使屈服强度达到425475MPa，而Tk下降到-70。微量V、Ti、Nb等元素既可产生沉淀强化作用，还可细化晶粒，从而使强韧性得以改善。此类元素所形成的碳化物在高温轧制时可以溶解，此时细化晶粒效果消失，Tk反而上升。所以在轧制时必须控制轧制温度。,2023/7/14,62,(4)为改善钢的耐腐蚀性能，应加入 Cu和P。(5)加人微量稀土元素可以脱硫去气，净化钢材，并改善夹杂物的形态与分布，从而改善钢的机械性能和工艺性能。,2023/7/14,63,二、我国的低合金高强度
23、钢,我国列入冶金部标准的普低钢，按屈服强度的高低分为300MPa级、350MPa级、400MPa级、450MPa级、500MPa级和650MPa级六个级别。,2023/7/14,64,(1)300MPa级,12Mn钢 在300MPa级中是一个较好的钢种。综合机械性能好，生产工艺简单。可用于船舶、容器、油罐和其它金属结构。加热至450时，其屈服强度还可维持在200210MPa。国内很多锅炉厂采用此钢。09MnNb钢 在09Mn2钢基础上，以Nb代替部分Mn而发展起来的。加入少量的Nb(0.050.5)可细化晶粒，并有NbC的析出强化作用。多用于桥梁及车辆。,2023/7/14,65,(2)350
24、MPa级,16Mn钢 是发展最早，使用最多，最有代表性的钢种。由于含C量提高，因而强度较高，同时具有良好的综合机械性能和焊接性。多用于船舶、桥梁、车辆、大型容器、大型钢结构等。比使用碳钢可节约钢材2030。12MnPRE(铼)钢 其中加入少量的P(0.070.12)，提高了扰蚀性，并有较大的强化作用。另外加入稀土元素可消除有害杂质，改善夹杂物的形状及分布，减弱冷脆性。可用于化工容器及建筑结构。,2023/7/14,66,(3)400MPa级,16MnNb钢 与16Mn钢相比，Mn含量降低了一些。由于Nb的强化作用，16MnNb钢的强度比16Mn钢高一级。综合机械性能与焊接性都比较好。多用于大型
25、结构及起重机械。10MnPNbRE钢 由于Nb及P的强化作用，使C量可以低一些。P也使钢的抗蚀性提高。RE起净化钢材的作用，从而改善钢材质量。这种钢多用于造船、港口建筑结构及石油井架,2023/7/14,67,(4)450MPa级,14MnVTiRE钢 由于V、Ti的强化作用，因而屈服强度进一步提高。该钢经正火后具有良好的综合机械性能和焊接性。多用于大型船舶。15MnVN钢 由于V、N可以细化晶粒，又具有析出强化作用，机械性能及焊接性都好。可用于大型桥梁，锅炉及车辆等。,2023/7/14,68,(5)500MPa级,14MnMoVBRE钢 由于Mo及微量B的作用，使C曲线的上部右移，而对贝氏
26、体转变区影响很小。正火后可得到大量贝氏体组织，屈服强度显著提高；Mn，V都有强化作用，RE不仅净化钢材，而且使钢材表面的氧化膜致密，因而使钢材具有一定的耐热性，可在5000C以下使用。多用于石油、化工的中温高压容器。18MnMoNb钢，Nb和Mo都能提高钢的热强性。这种钢经过正火和回火或调质后使用。正火温度为9509800C，回火温度为600650C。调质规范为930淬火和600620C回火。18MnMoNb钢的强度高，综合机械性能和焊接性好，适合用作化工石油工业用的中温高压厚壁容器和锅炉等，可在500C以下工作。此钢还用于做大锻件，如水轮机大轴。,2023/7/14,69,(6)650MPa级,14CrMnMoVB钢它是在14MnMoVBRE钢的基础上加入一定量的Cr（0.91.3），因而强度进一步提高。它在正火后也得到低碳下贝氏体组织。强度、韧性及焊接性都比较满意。也多用于高温中压(400560C)容器。,2023/7/14,70,三、国外低合金高强度钢的概况,国外一般称低合金高强度钢为“HT”钢 合金元素的加入量少 强度极限大于500MPa 屈服极限大于320MPa 焊接性、低温韧性以及抗大气腐蚀性都较好国外最典型的低合金高强度钢如表。,2023/7/14,71,
