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1、金属学热处理主课老师：安会芬,项目七：工程结构件的选材及应用,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。,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
2、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、足够的强度与韧度（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,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%,1、Me对低合金高强度钢力学性能的影响,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
3、。同样量多时可大为降低塑韧性.所以Mn控制在1.8%。,NbVTiAl,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:TiNbAlV。,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。,合金元素对低合金高强度钢的固溶强化,钢的韧脆转折温度与碳含量的关系,（a）强化机制的影响图（b）成分的影响图 铁素体-珠光体钢的各种强化机制和成份对屈服强 度和韧-脆转折温度的影响,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
4、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。,CuP,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090CuPCrNi-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
5、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。例如：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Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五个牌号。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。,低碳铁素体/珠光体钢超细晶强韧化与控制技术 200
6、4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,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
7、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,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
8、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。,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。,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
9、接条件及其寒冷地带管线。被称为21世纪的控轧钢。,基本特点,2.6 低碳贝氏体和马氏体钢,低碳贝氏体钢是指含碳量为0.100.15%，使用状态组织为B的钢。贝氏体钢通常是在轧制空冷或控制冷却，直接获得B组织。由于B的相变强化，低碳贝氏体钢与相同含碳量的铁素体-珠光体型钢相比，具有更高的强度和良好的韧度，屈服强度可达450980MPa.,主要特点,合金元素是保证在较宽的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
10、强度为490MPa级,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，要求有更高的强度和良好的韧性。,0.16%C，加入Mo、Nb、V、B及控制Mn或Cr与之配合 淬火回火处理组织为低碳回火马氏体。,BHS-1钢的成分为。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、转向联动节和拉杆等，也可用于冷墩、冷拨及制作高强度紧固件。,低合金高强度钢发展趋势,低碳超低碳,0.06%甚至0.02%,高纯净化,微合金化技术,控轧和控冷工艺,超细晶粒化,自动化在线控制,在线生产系统,复合微合金化,净化钢中的有害杂质,组织微细化,计算机控制和性能预报,采用超级钢概念及技术构造的超级结构示意图,小 结,在微合金化成分设计的基础上，正确的控轧和控冷工艺是关键因素。组织变化是在T-t-P三元处理过程中动态地进行的，从而获得了优异的复合强化。这是对传统T-t二元处理的一个突破，从而对钢的各种强化机制也有了新的认识与发展,Ti、Nb、V等元素在控轧和控冷工艺过程的各个环节中起了重要作用。合适的量及其它们的复合加入使各强化机制得到了最佳的发挥,作业：常用石油管线钢的牌号、成分、组织特点、性能。工程结构钢微合金元素的主要作用。,
