幾種重要的鋼種

第四章幾種重要的鋼種前言結(jié)構(gòu)鋼的定義結(jié)構(gòu)鋼人們主要是利用它的力學(xué)性能（強(qiáng)度、塑性、韌性、硬度等）；結(jié)構(gòu)鋼用來(lái)制造工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)，它包括工程結(jié)構(gòu)鋼和機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼兩大類(lèi)；由于這兩類(lèi)結(jié)構(gòu)鋼的工作條件對(duì)性能的要求不同，因而對(duì)合金化要求、生產(chǎn)工藝和顯微組織都有很大的區(qū)別。我們分二節(jié)來(lái)講解。

第一節(jié)工程結(jié)構(gòu)鋼1、工程結(jié)構(gòu)鋼的定義1）工程結(jié)構(gòu)鋼是指專(zhuān)門(mén)用來(lái)制造各種工程結(jié)構(gòu)鋼的一大類(lèi)鋼種；2）應(yīng)用：如制造橋梁、船體、油井或礦井架、鋼軌、高壓容器、管道和建筑結(jié)構(gòu)等；3）包括碳素工程結(jié)構(gòu)鋼和高強(qiáng)度低合金鋼，前者屬于非合金鋼，后者屬于低合金鋼。4）產(chǎn)量：它在我國(guó)鋼產(chǎn)量中的份額很大：1995年我國(guó)鋼產(chǎn)量中，高強(qiáng)度低合金鋼占20%左右，碳素工程結(jié)構(gòu)鋼占70%，故工程結(jié)構(gòu)鋼占總鋼產(chǎn)量的95%。高強(qiáng)度合金結(jié)構(gòu)鋼在橋梁、高架橋、高層建筑等的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的輕量化。高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)鋼(HSLA)的應(yīng)用

減輕船體重量，增加承載量大直徑油、氣輸送管槽船材料：含鎳鋼液化天然氣槽船－耐低溫鋼2、工作條件它們主要是承受各種載荷，包括動(dòng)、靜載荷。3、性能要求使用性能（不同的工作條件，具體要求有所區(qū)別，如軌鋼要求有耐磨性，即硬度要高）有較高的屈服強(qiáng)度、良好的塑性和韌性；（對(duì)于有的鋼種）由于工作環(huán)境是暴露在大氣中，溫度可低到零下50℃，故要求低溫韌性，并要求耐大氣腐蝕。工藝性能：經(jīng)受劇烈的冷變形（冷彎、沖壓、剪切）和良好的焊接性。建筑用鋼顯微組織鋼軌用鋼組織4、工程結(jié)構(gòu)鋼的合金設(shè)計(jì)常用的工程結(jié)構(gòu)鋼是熱軋態(tài)或正火態(tài)使用的低碳鋼，因此，顯微組織是鐵素體-珠光體。T1,ε1T2,ε2T3,ε3空冷熱軋組織

為了能承受更大的載荷并減輕結(jié)構(gòu)的重量，要求鋼材有較高的強(qiáng)度和良好的塑性。因此通過(guò)合金化來(lái)提高強(qiáng)韌性。如”973”項(xiàng)目研究。1）工程結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)化在鐵素體-珠光體鋼中，合金元素對(duì)強(qiáng)化的貢獻(xiàn)有：溶入鐵素體起固溶強(qiáng)化；細(xì)化晶粒起細(xì)晶強(qiáng)化；析出彌散的碳化物、碳氮化物，起沉淀強(qiáng)化；增加珠光體含量；主要利用錳、硅、銅、磷等元素溶入鐵素體來(lái)提高強(qiáng)度各元素的固溶強(qiáng)化效果不一樣。這主要與尺寸效應(yīng)有關(guān)。磷的強(qiáng)化效果最大，碳的也較大，錳和硅為常用的固溶強(qiáng)化元素。但強(qiáng)化元素都有一個(gè)度的問(wèn)題，它必須考慮對(duì)塑性、韌性、冷彎性和焊接性的不利影響。

細(xì)化晶粒由Hall-Petch關(guān)系可見(jiàn)，對(duì)C-Mn鋼和C-Mn-Nb鋼晶粒愈細(xì)小，鋼的屈服強(qiáng)度呈線(xiàn)性上升。細(xì)化的途徑有多種，其中重要的是用鋁脫氧和合金化（如鈦、鈮等生成細(xì)小質(zhì)點(diǎn)；降低AC3點(diǎn)；推遲再結(jié)晶等），當(dāng)然還有形變等，這不屬于合金化范疇。沉淀強(qiáng)化應(yīng)用釩、鈮、鈦的微合金化，使過(guò)冷奧氏體發(fā)生相間沉淀和鐵素體中析出彌散的碳化物和碳氮化物，產(chǎn)生沉淀強(qiáng)化?？偟膹?qiáng)化：σy=σ0+∑kiri+∑kjrj+kyd-0.5

ConventionalTMCPDIFTrolling高強(qiáng)度化–超細(xì)晶粒微合金鋼TMCP,ThermalMechanicallyControlledProcessingDIFT:DeformationInducedFerriteTransformation高強(qiáng)度化–超細(xì)晶粒微合金鋼細(xì)晶粒碳素結(jié)構(gòu)鋼微合金管線(xiàn)鋼材中析出的微小顆粒，起沉淀強(qiáng)化作用思考題:1、鋼中合金元素是如何影響其過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變的？2、如何理解不同合金元素對(duì)過(guò)冷奧氏體穩(wěn)定性的影響？如何使鋼在常溫下獲得奧氏體相？2）鐵素體-珠光體組織的冷脆性韌脆的表征：用沖擊韌性以及斷口形貌等；表征的是強(qiáng)度與塑性的綜合；具有鐵素體-珠光體組織的工程結(jié)構(gòu)鋼在-50℃-100℃間使用，因而要求有較低的韌-脆轉(zhuǎn)化溫度FATT50(℃)；影響鋼的沖擊韌性和韌-脆轉(zhuǎn)化溫度的因素：有含碳量、晶粒尺寸、固溶元素、彌散析出相和非金屬夾雜物等。隨著鋼的含碳量增加，鋼中珠光體含量相應(yīng)增加，使韌-脆轉(zhuǎn)化溫度升高。故工程結(jié)構(gòu)鋼一般為不超過(guò)0.25%的低碳鋼；②鋼中合金元素錳、鎳和鉻溶于鐵素體中可降低FATT50(℃),而磷、硅固溶后均升高FATT50(℃)；碳、氮在鐵素體中溶解量雖小，但危害最大。固溶的間隙原子碳、氮原子強(qiáng)烈升高鋼的FATT50(℃)。少量鋁可固定氮和脫氧，并細(xì)化晶粒，使鋼的FATT50(℃)下降。③細(xì)化鐵素體晶粒和珠光體團(tuán)不僅可以提高強(qiáng)度，而且可以提高沖擊韌性和降低FATT50(℃)。④微合金鋼中的鈦、鈮、釩的二重性：沉淀強(qiáng)化與細(xì)化晶粒，導(dǎo)致FATT50(℃)的相反的結(jié)果。⑤鋼中存在的非金屬夾雜物降低鋼的沖擊韌性及平臺(tái)能。塑性MnS可用稀土加以改善橫向性能。

思考題1、如何來(lái)認(rèn)識(shí)工程結(jié)構(gòu)用鋼的強(qiáng)化？2、影響工程結(jié)構(gòu)用鋼低溫韌性的因素有哪些？3、什么是鋼的焊接性？3）工程結(jié)構(gòu)鋼的焊接問(wèn)題（工藝性能）焊接是構(gòu)成金屬結(jié)構(gòu)件的常用方法；鋼的可焊性是指在比較簡(jiǎn)單可行的焊接工藝條件下，鋼材焊接后不產(chǎn)生裂紋，并獲得良好的焊縫區(qū)的性能；焊縫區(qū)可分為：熔化區(qū)（焊縫）、熱影響區(qū)和未受熱影響區(qū)。

熔化區(qū)熱影響區(qū)（HAZ)未受熱影響區(qū)｛焊縫區(qū)｝Weldmetal焊接前的組織焊接熱影響區(qū)組織

組織粗大；組織類(lèi)型變化；產(chǎn)生應(yīng)力等熔化區(qū)：為了防止熔融金屬在凝固過(guò)程中發(fā)生熱裂或在冷卻到200℃以下時(shí)發(fā)生冷裂，要求對(duì)鋼和焊條的硫、磷含量加以限制，如0.05%。對(duì)于高磷鋼，應(yīng)采取緩冷措施;熱影響區(qū)：在焊接時(shí)由于受熔化區(qū)的加熱作用，使其溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)鋼的臨界點(diǎn)，不僅使鋼的組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，并且發(fā)生晶粒的明顯長(zhǎng)大。在焊接結(jié)束后，此熱影響區(qū)又受到周?chē)幢患訜岬幕w部分的激冷，因而產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力，有時(shí)甚至發(fā)生馬氏體相變，相當(dāng)受到淬火，使硬度明顯上升，同時(shí)塑性劇烈下降;

因而在熱影響區(qū)往往出現(xiàn)開(kāi)裂,這種開(kāi)裂傾向的大小就反映了鋼的焊接性能的優(yōu)劣。③熱影響區(qū)開(kāi)裂傾向的評(píng)價(jià)主要決定于鋼的淬硬性和淬透性；這兩者主要取決于鋼的含碳量以及合金元素的本性及含量。含碳量愈高和提高淬透性的合金元素愈多，鋼的焊裂傾向也愈大，而前者的影響尤為嚴(yán)重。

為了估計(jì)鋼的可焊性的好壞，通常采用碳當(dāng)量的概念；碳當(dāng)量概念：把單個(gè)合金元素對(duì)熱影響區(qū)硬化傾向的作用折算成碳的作用，再與鋼的含碳量加在一起，用這個(gè)碳當(dāng)量來(lái)判斷鋼的可焊性的好壞；

舉例對(duì)于抗拉強(qiáng)度在490—590MPa級(jí)的鋼，其碳當(dāng)量公式為：

上式中，元素符號(hào)為各元素之質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，w(Cu)≥0.5%;w(P)≥0.05%時(shí)才計(jì)算。熱影響區(qū)的最高硬度為HV=（666C當(dāng)量+40）±40。當(dāng)鋼的碳當(dāng)量在0.47以上時(shí)，熱影響區(qū)的硬度可超過(guò)350HV，這是一個(gè)界限；此時(shí)為了安全，防止裂紋產(chǎn)生，在焊接工藝上要采取措施，如預(yù)熱焊件母材，焊后退火等方法，以減少焊接內(nèi)應(yīng)力；設(shè)計(jì)工程結(jié)構(gòu)鋼（用焊接法聯(lián)接）時(shí)，充分考慮碳當(dāng)量不能超過(guò)此值。4)應(yīng)變時(shí)效和淬火時(shí)效應(yīng)變時(shí)效：工程構(gòu)件用鋼經(jīng)冷塑性變形后,在室溫放置較長(zhǎng)時(shí)間后或稍經(jīng)加熱后,強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性下降；應(yīng)變時(shí)效的原因：低碳鋼在開(kāi)始塑性變形時(shí)位錯(cuò)掙脫柯氏氣團(tuán)的釘扎而運(yùn)動(dòng)；當(dāng)多數(shù)位錯(cuò)都掙脫柯氏氣團(tuán)后，流變應(yīng)力開(kāi)始增高，產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象；如果此時(shí)卸載放置或稍加熱時(shí)，存在于α-Fe間隙中的C、N原子重新形成柯氏氣團(tuán)釘扎位錯(cuò)，使強(qiáng)度升高，塑性降低。淬火時(shí)效：低碳鋼加熱到接近于Ac1

溫度淬火，于室溫放置或稍經(jīng)加熱后，其強(qiáng)度提高而塑性韌性下降的現(xiàn)象。淬火時(shí)效的原因：它是過(guò)飽和的α固溶體脫溶沉淀的結(jié)果，在室溫或較高溫度放置時(shí)，C、N原子將向位錯(cuò)和晶界偏聚，然后析出彌散的與母相共格的亞溫相ε碳化物(Fe2.4C)和α’’氮化物(Fe16N2)，產(chǎn)生強(qiáng)化，降低塑性。應(yīng)變時(shí)效和淬火時(shí)效都增加鋼的冷脆傾向，提高鋼的脆性轉(zhuǎn)折溫度。在制造各種構(gòu)件時(shí)，經(jīng)常采用彎曲，卷邊，沖孔、剪裁等局部塑性變形的工藝操作，將引起應(yīng)變時(shí)效；焊接廣泛用于各種鋼結(jié)構(gòu)的生產(chǎn)，將會(huì)引起淬火時(shí)效。（例如一種鍋爐鋼板在變形后十天，αk由120J/cm2變?yōu)?5J/cm2)經(jīng)研究證明：應(yīng)該對(duì)鋼中的氮進(jìn)行嚴(yán)格控制。應(yīng)力延伸率123上屈服點(diǎn)下屈服點(diǎn)1—屈服現(xiàn)象；2—去載后立即加載；3---去載后放置再加載5)工程結(jié)構(gòu)鋼的耐大氣腐蝕性能工程結(jié)構(gòu)鋼多是在大氣或海洋大氣中服役，在潮濕空氣作用下，會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕;因而,要求它具有抗大氣腐蝕的能力;鋼中加入少量銅（0.25—0.50%）、磷(0.06—0.15%)、鎳(≤0.65%)、鉻(0.30—1.25%)等元素，都會(huì)提高鋼抗大氣腐蝕;耐蝕機(jī)理:雖然耐候鋼與普碳鋼銹層都是同樣由γ-FeOOH、α-FeOOH、Fe3O4所組成，但耐候鋼生成的銹層與金屬基體之間有50--100μ厚的非晶態(tài)的尖晶石型氧化物層，它與基體金屬粘附性好、致密、富集Cr、Cu、P。(b)(d)耐蝕性差（表層有裂紋）耐蝕好（表層致密）思考題：1、工程結(jié)構(gòu)鋼的合金化思想是什么？2、碳當(dāng)量的概念是什么？3、應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象？機(jī)理是什么？4、影響工程結(jié)構(gòu)用鋼低溫韌性的因素有哪些？5、什么是鋼的焊接性？如何來(lái)表征？為什么？5、工程結(jié)構(gòu)鋼的種類(lèi)1）鐵素體—珠光體鋼這類(lèi)鋼服役時(shí)的顯微組織是鐵素體—珠光體，包括碳素工程結(jié)構(gòu)鋼、高強(qiáng)度低合金鋼和微合金鋼。①碳素工程結(jié)構(gòu)鋼國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，碳素工程結(jié)構(gòu)鋼按屈服強(qiáng)度分為五級(jí)，即Q195,Q215,Q235,Q255和Q275，其中Q表示屈服強(qiáng)度（定義是什么），其后的數(shù)字表示屈服強(qiáng)度值，單位為MPa；鋼的屈服強(qiáng)度主要取決于鋼中的碳含量，即珠光體量。含碳量從0.06—0.38%范圍增加，屈服強(qiáng)度從195---275MPa,延伸率從33—20%下降。

碳素工程結(jié)構(gòu)鋼中五種常存元素：碳、硅、錳、硫、磷，其中W(Mn)≤1.0%,W(Si)≤0.5%,它們是冶煉工藝中為了脫氧和穩(wěn)定硫的需要而加進(jìn)來(lái)的；它們大部分以熱軋成品供貨。②高強(qiáng)度低合金鋼(HighStrengthLowAlloySteels,簡(jiǎn)為HSLA)

為提高碳素工程結(jié)構(gòu)鋼強(qiáng)度，而加入少量合金元素；利用合金元素產(chǎn)生固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化和沉淀強(qiáng)化（不同鋼種情況不一樣）。利用細(xì)晶強(qiáng)化使鋼的韌-脆轉(zhuǎn)化溫度的降低，來(lái)抵消由于固溶強(qiáng)化、碳氮化物沉淀強(qiáng)化使鋼的韌-脆轉(zhuǎn)化溫度的升高。

案例分析----HSLA典型鋼種16Mn工程用高強(qiáng)度低合金鋼中16Mn是典型鋼種，它屬于屈服強(qiáng)度為345MPa級(jí),有較高的強(qiáng)度、良好的塑性和低溫韌性以及焊接性，是我國(guó)這類(lèi)鋼中產(chǎn)量最多、用量極廣的鋼種;16Mn中，w(Mn)=1.2—1.6%，起著固溶強(qiáng)化作用；錳降低A3溫度，增大鋼的奧氏體過(guò)冷能力，細(xì)化鐵素體晶粒，從而既提高強(qiáng)度，又降低鋼的冷脆性和FATT50(℃)。為進(jìn)一步提高其綜合性能，采用微量元素處理，如微鈦、微鈮處理，細(xì)化晶粒、沉淀強(qiáng)化，發(fā)展成15MnTi、16MnNb、15MnV。思考題：1、工程結(jié)構(gòu)鋼的合金化思想是什么？2、什么是鋼的焊接性？如何來(lái)表征？為什么？3、應(yīng)變時(shí)效現(xiàn)象？機(jī)理是什么？4、影響工程結(jié)構(gòu)用鋼低溫韌性的因素有哪些？③微合金鋼（高效鋼）微合金鋼是20世紀(jì)70年代以來(lái)發(fā)展起來(lái)的一大類(lèi)高強(qiáng)度低合金鋼，其關(guān)鍵是細(xì)化晶粒和沉淀強(qiáng)化。定義：它是在普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上，加入少量微合金化元素(Ti、Nb、V)，與控制軋制和控制冷卻結(jié)合起來(lái)，獲得高性能的一類(lèi)HSLA鋼種。它們?cè)谶@工藝中，起什么作用？如何來(lái)實(shí)現(xiàn)它？為了充分發(fā)揮微合金元素鈦、鈮、釩的作用，同時(shí)發(fā)展了與之配套的控制軋制和控制冷卻工藝，從而來(lái)提高鋼的組織和性能。a.抑制奧氏體形變?cè)俳Y(jié)晶鈮阻止形變奧氏體的回復(fù)和再結(jié)晶方面作用最強(qiáng)，鈦次之，釩較弱。機(jī)制有二：一是在高溫區(qū)，鈮以固溶原子對(duì)晶界遷移的拖曳作用為主；一是在較低溫奧氏體區(qū)，以應(yīng)變誘導(dǎo)析出的Nb(C,N)粒子的釘扎晶界作用為主。變形奧氏體再結(jié)晶剛剛開(kāi)始Ti、Nb、Vb、阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大在高溫鍛造和軋制過(guò)程中，每一道次后，再結(jié)晶完了，就要發(fā)生晶粒長(zhǎng)大。通過(guò)加鈦和鈮形成TiN和Nb(C,N)，它們?cè)诟邷叵路浅７€(wěn)定，其彌散分布對(duì)控制高溫下的晶粒長(zhǎng)大有強(qiáng)烈的抑制作用。C、沉淀相與沉淀強(qiáng)化

復(fù)型TEMEDS成分分析d、改變鋼的顯微組織鈦、鈮、釩等合金碳化物和氮化物隨奧氏體化溫度升高有一定的溶解量;溶于奧氏體的微合金元素提高了過(guò)冷奧氏體的穩(wěn)定性，降低了發(fā)生先共析鐵素體和珠光體的溫度范圍;低溫下形成的先共析鐵素體和珠光體組織更細(xì)小;當(dāng)然，還有前述的作用，改變了鋼的組織。e、案例適用于傳統(tǒng)控制軋制的X65管線(xiàn)用鋼，應(yīng)用于高緯度嚴(yán)寒地區(qū)的石油和天然氣輸送管線(xiàn)。其成分為：W(C)=0.10%,w(Si)=0.25%,w(Mn)=1.35%,w(Nb)=0.04%,w(V)=0.04%；

該鋼的性能：鋼的碳當(dāng)量為0.32；鋼坯加熱溫度為1250℃,粗軋的終軋溫度為1000℃，第一道次終軋溫度為980℃，最終終軋溫度為830℃，板帶卷取溫度為630℃；其力學(xué)性能為：σs=465MPa,σb=575MPa,δ≥22%,-25℃，沖擊功129J。2）低碳貝氏體鋼及其它鋼具有鐵素體-珠光體組織的低合金鋼和微合金鋼的屈服強(qiáng)度的極限約440MPa；若要求更高強(qiáng)度和韌性的配合，就需要