第2章工程結構鋼

第二章工程結構鋼

工程結構鋼是指專門用來制造工程結構件的一大類鋼種。在鋼總產量中，工程結構鋼占90％左右。工程結構鋼包括碳素鋼和低合金高強度鋼。

低合金高強度鋼是指在碳含量低于0.25%（質量分數(shù)，下同）的普通碳素鋼的基礎上，通過添加一種或多種少量合金元素（低于3%），使鋼的強度明顯高于碳素鋼的一類工程結構用鋼，統(tǒng)稱低合金高強度鋼。按用途可分為結構鋼、耐腐蝕鋼、低溫用鋼、耐磨鋼、鋼筋鋼、鋼軌鋼及其他專業(yè)用鋼等12.1工程結構鋼的基本要求

工程結構件長期受靜載；互相無相對運動受大氣（海水）的侵蝕；有些構件受疲勞沖擊；一般在-50~100℃范圍內使用；如：橋梁、船舶等受到像風力或海浪沖擊.服役條件生產工藝焊接是構成金屬結構的常用方法；一般都要經(jīng)過如剪切、沖孔、熱彎、深沖等成型工藝技術要求

1、足夠的強度與韌性（特別是低溫韌度）；2、良好的焊接性和成型工藝性；3、良好的耐腐蝕性；4、低的成本。22.2低合金高強度結構鋼的合金化

1、Me對低合金高強度鋼力學性能的影響C↑固溶強化效果和珠光體含量，低成本?！麮，↓塑、韌性，↓焊接性、冷成型。如0.1%C，TK為-50℃，0.3%C，TK為50℃一般均應限制在0.2%以下Si最常用且較經(jīng)濟的元素。強化F較顯著，1%Si，σs↑85MPa，↑TK，量多時可大為降低塑韌性，所以Si控制在<1.1%3Mn固溶強化作用大，1%Mn，σs↑33MPa。約有3/4量溶入F中，弱的細晶作用，↓TK。同樣量多時可大為降低塑韌性.所以Mn控制在<1.8%。Nb\VTi\Al形成穩(wěn)定細小的K等，粒子2~10nm，既細晶又沉淀強化，↑σs，↑δ、AK，綜合效果↓TK。改善焊接性。作用順序:Ti>Nb>Al>V。Re脫氧去硫吸氫作用，改善塑韌性，↓TK所以，低合金高強度鋼的基本成分應考慮低碳，稍高的錳含量，并適當用硅強化。45低合金高強度鋼的基本成分應考慮低碳，稍高的錳含量，并適當用硅強化。6

在低合金高強度鋼中常利用Nb、V、Ti合金化來細化晶粒。其作用順序為：Ti、Nb、V。

Nb、V、Ti合金元素還可以生成細小的化合物，產生沉淀強化。其作用順序為：Nb、Ti、V。72、Me對焊接性和耐大氣腐蝕性的影響

優(yōu)良的焊接性是指：焊接工藝簡單；焊縫與母材結合牢固，強度不低于母材；焊縫的熱影響區(qū)保持足夠的強度與韌性，沒有裂紋及各種缺陷。控制CC↑→焊縫處硬化與脆化傾向↑，焊接裂紋↑。提高淬透性的Me種類及其數(shù)量也應適當控制，如Cr、Mn、Mo、Ni等。CuP

↑耐大氣腐蝕性最有效的元素。一般含量:0.025~0.25%Cu

，0.05~0.15％P

?！黀，冷脆和時效傾向增加。→用Al脫氧→細晶粒鋼。復合加入適量元素，則↑鋼耐蝕性效果更佳。如09CuPCrNi-A、09CuP、09CuPCrNi-B8910時效現(xiàn)象低碳工程構件經(jīng)加工或高溫冷卻后，在室溫或較低溫度下放置一段時間，鋼的性能會發(fā)生明顯變化的現(xiàn)象。（淬火時效和機械時效）產生原因C、N等間隙原子偏聚或內吸附于位錯等晶體缺陷處。提高硬度、降低塑性和韌度。如：某鋼板剛變形時，AK120J，十天后降為35J；焊接鋼板在三個月后由92J降為33J。當然橋梁、船舶等突然斷裂的原因很多。共振、應力波等112.3鐵素體-珠光體鋼最新研究成果：如F晶粒尺寸細化到μ級，則F-P類低合金高強度鋼的強度也可達到800MPaF-P類型是工程結構鋼中最主要的一類鋼。有碳素結構鋼和低合金高強度鋼兩類。根據(jù)質量要求分為A、B、C、D四個等級。A、B級為普通質量級；C級為優(yōu)質級；D級和E級為特殊質量級，有低溫沖擊韌性要求。

組織：10~25％片層狀P+75~90％多邊形F。12表2-1碳素結構鋼的牌號、化學成分、力學性能和用途131415低碳鐵素體/珠光體鋼超細晶強韌化與控制技術——2004年度國家科學技術進步一等獎主要特點超細晶粒、高潔凈度、高均勻性。生產節(jié)約能源和資源，不用或少用Me，改善環(huán)境，↓成本，具有更高的經(jīng)濟效益。如何形成微米級的超細晶是該項目的核心技術和難點。具體指標采用形變誘導F相變，可把F晶粒細化到2-5μm（碳鋼）和1～2μm（微合金鋼）。碳鋼的σs由200MPa提高到350～400MPa；低合金鋼由350～400MPa提高到600～700MPa。16

低碳鐵素體/珠光體鋼超細晶鋼材生產工藝控制和不同的制品17高科技的建筑用材，和建筑技術是奧運場館建設的堅實保證，同時也為我國的建筑用材迎來了新的挑戰(zhàn)。Q460鋼材以前在國內從未生產過，“鳥巢”是這種鋼材在國內建筑上的首次使用，而這次使用的鋼板厚度達110mm，也是史無前例的，在國家標準中，“Q460”的最大厚度只是100mm。這種高韌性抗震鋼采用全新的優(yōu)化成分設計、氧化物冶金技術和先進的軋制及熱處理工藝，使之形成高密度位錯的強韌性組織結構，有著強度高、韌性好、焊接性能優(yōu)良的特點。高韌性抗震鋼保證了“鳥巢”最大可以承受530兆帕的外力。這意味著如果北京遭受上世紀70年代唐山大地震一樣的地震波，“鳥巢”依然能保持原狀。

18武漢長江大橋A3鋼（現(xiàn)Q235）19南京長江大橋20九江長江大橋15MnVN（Q420）由于添加V的方法提高強度，導致低溫韌性和焊接性較差。21蕪湖長江大橋蕪湖長江大橋為雙層，鐵路橋在下層，公路橋在上層。鐵路橋全長10511米，其中正橋長2193米，蕪湖岸引橋長2228米，無為岸引橋長6089米。公路橋全長5681米，橋寬21米，蕪湖岸引橋長2038米，無為岸引橋長1449米。

采用的14MnNbq鋼（Q370qE）。

22世界上跨度最大的拱橋--重慶朝天門大橋主跨達552米。朝天門大橋主橋分為上、下兩層,上層是“汽車道+人行道”、下層“汽車道+軌道線”。上層橋面寬31米,雙向6車道。朝天門全橋永久用鋼4.6萬噸，輔助用鋼近4萬噸。其拱梁部分1.2萬噸鋼材全部由舞鋼公司提供。橋梁鋼板從鞍鋼中厚板廠Q420qD。朝天門長江大橋23南京大勝關長江大橋全長9.27公里，全程共架設11個橋墩。橋上鐵軌按六線布置，分別為京滬高速鐵路雙線、滬漢蓉鐵路雙線和南京地鐵雙線。Q420q（WNQ570）鋼242.4微珠光體低合金高強度鋼

石油、天然氣開發(fā)，需要大量輸送管線。油氣管線用鋼要求有很好的焊接性、低溫韌度和強度等綜合性能。輸送油氣距離越長，壓力越大，質量要求也越高。油氣管線用鋼發(fā)展為微P低合金高強度鋼。強化機理對F-P鋼,P量每↑10%，將使TK↑22℃。油氣管線用鋼:↓C,<0.1%；為保證σ，就必須采用其它不損害或少損害焊接性和韌度的強化措施。→析出強化和晶粒細化↑鋼性能?！鶱b、V、Ti微合金化和控軋?zhí)幚砉に嚒?5控制軋制和控制冷卻技術高溫形變熱處理→F大幅度晶粒細化→↑強度和韌度?？刂栖堉坪涂刂评鋮s的組織變化模式圖

圖中軋制溫度向右邊降低，上層表示奧氏體組織變化，下層表示奧氏體開始相變后組織及F核的形成

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圖

各種軋制程序模式圖

CR：控制軋制；AcC:控制冷卻

27TMCP（ThermoMechanicalControlProcess：熱機械控制工藝）就是在熱軋過程中，在控制加熱溫度、軋制溫度和壓下量的控制軋制（ControlRolling）的基礎上，再實施空冷或控制冷卻及加速冷卻（AcceleratedCooling）的技術總稱。由于TMCP工藝在不添加過多合金元素，也不需要復雜的后續(xù)熱處理的條件下生產出高強度高韌性的鋼材，被認為是一項節(jié)約合金和能源、并有利于環(huán)保的工藝，故自20世紀80年代開發(fā)以來，已經(jīng)成為生產低合金高強度寬厚板不可或缺的技術。隨著市場對TMCP鋼的要求不斷提高，TMCP工藝本身也在應用中不斷發(fā)展。從近幾年的研究工作看，重點是放在控制冷卻，尤其是加速冷卻方面。TMCP技術28

通過加快軋制后的冷卻速度，不僅可以抑制晶粒的長大，而且可以獲得高強度高韌性所需的超細鐵素體組織或者貝氏體組織，甚至獲得馬氏體組織。目前正在研發(fā)的在線加速冷卻，是在軋制后直接將鋼板冷卻至常溫，可以避免再加熱工序。在線冷卻的輸送方式分為“一步冷卻”與“通過型冷卻”兩種。所謂“一步冷卻”就是將冷卻水一下子噴射到軋制后的整個鋼板上進行冷卻。為了使冷卻均勻，必須讓鋼板在冷卻裝置中振動。該方法需要超過鋼板長度的大冷卻裝置，而且也難以避免冷卻不均勻問題，故后來改為“通過型冷卻”，即鋼板一面通過一面接受冷卻，現(xiàn)已成為加速冷卻的主流方式。另外，冷卻方式又分“約束冷卻”與“無約束冷卻”兩種。所謂“約束冷卻”是指用上下輥約束鋼板的條件下進行冷卻，采用噴霧水口；而“無約束冷卻”則是用層流式水口對輸出輥道上的鋼板進行冷卻。

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在線加速冷卻裝置可放在矯直機前、矯直機后，或兩臺矯直機之間。放在矯直機前可以方便地選擇和調整冷卻開始溫度，但冷卻均勻性較差；放在矯直機后，則可進行約束型冷卻，但難以控制所需的冷卻開始溫度；放在兩臺矯直機之間，可以利用后一臺矯直機消除加速冷卻所造成的變形，但設備復雜，成本較高。

加速冷卻工藝的研發(fā)所要解決的最大課題就是要防止冷卻過程中產生的鋼板變形，其關鍵在于保證對于寬幅鋼板的冷卻均勻性。在這方面，還有大量的研究工作需要進行。

303、微合金元素的作用

Nb、V、Ti單元或復合是常用的，其作用主要有細化晶粒組織和析出強化。微合金元素細化鋼晶粒主要通過以下兩種方式：（1）阻止加熱時奧氏體晶粒長大（2）抑制奧氏體形變再結晶在熱加工過程中，奧氏體會發(fā)生形變再結晶使晶?；貜痛执?。但應變動態(tài)析出Nb、V、Ti的碳氮化物，沉淀在晶界、亞晶界和位錯上起釘軋作用，有效地阻止奧氏體再結晶時晶界和位錯的運動，從而抑制奧氏體形變再結晶。

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沉淀析出強化相主要是低溫下析出的Nb(C，N)和VC。Nb≤0.04%時，ΔσG＞Δσph；Nb≥0.04%時，Δσph增量大大增加，而ΔσG保持不變。V引起析出強化增量Δσph最顯著，而Ti的作用處于Nb和V之間。

微合金元素對鋼的屈服強度的影響（σG：晶粒細化的貢獻σPh：析出強化的貢獻）

322.5針狀鐵素體鋼

對于一些強度、焊接性、低溫沖擊韌性等要求更高的場合，還必須采用針狀鐵素體低合金高強度鋼?；咎攸c針狀鐵素體（acicularferrite，簡寫AF）鋼實際上屬于超低碳貝氏體鋼?！?.06％C+適量Mn、Mo、Nb等→具有高密度位錯（1010cm－2）亞結構的“針狀F”組織（超低碳B）。σs達700~800MPa，低溫沖擊韌性、焊接性更好.用于現(xiàn)場焊接條件及其寒冷地帶管線。被稱為21世紀的控軋鋼。33針狀鐵素體型鋼的典型鋼種為Mn-Mo-Nb鋼，其化學成分范圍為w(C)≤0.10%，w(Mn)=1.6%~2.0%，w(Mo)=0.2%~0.6%，w(Nb)=0.04%~0.06%，有時還加w(V)=0.06%，w(Ti)=0.01%。這類鋼通過控制軋制和控制冷卻，可以達到高強韌性。通常將其板坯加熱到1150℃~1260℃范圍，然后控制軋制成鋼板，終軋溫度等于或低于760℃，軋后空冷。顯微組織是細晶粒（ASTM12級或更細）的多邊化鐵素體、30%以上的針狀鐵素體片（高位錯密度的細小的亞結構）、高度彌散的滲碳體質點、少量島狀的馬氏體-奧氏體塊（通常小于整個組織體積的5%）和細而彌散的Nb(C,N)質點。

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AF鋼不僅具有良好的低溫韌性（Tk<-100℃），而且還具有良好的焊接性能，已成功地應用于制造寒帶輸送石油和天然氣的管線。35

西氣東輸工程，起自新疆塔里木輪南市，終至為上海白鶴鎮(zhèn)，總投資額超過1200億元人民幣，其輸送管道的全長達4200公里，估計使用鋼材總量約160-180萬噸，其中包括，將利用於鋪設非城市地段的螺紋鋼管，用熱卷100萬噸，及鋪設沿途城市地段使用之X70大口徑UO鋼管65萬噸。另外，還有UO鋼管加工用厚板15萬噸。工程用鋼需求之大，備受國內外鋼鐵業(yè)界關注。螺紋鋼管加工用熱卷，共計30萬噸，由上海寶鋼及韓國POSCO分別取得19及11萬噸供貨權。X70大口徑UO鋼管，共計65萬噸，由新日鐵、NKK和住友金屬叁廠獲得62萬噸供料數(shù)，歐盟鋼管(EURO.PIPE)僅取得3萬噸。

362.6低碳貝氏體和馬氏體鋼

低碳貝氏體鋼是指含碳量為0.10~0.15%，使用狀態(tài)組織為B的鋼。貝氏體鋼通常是在軋制空冷或控制冷卻，直接獲得B組織。由于B的相變強化，低碳貝氏體鋼與相同含碳量的鐵素體-珠光體型鋼相比，具有更高的強度和良好的韌度，屈服強度可達450~980MPa.37主要特點合金元素是保證在較寬的冷速范圍內獲得以貝氏體為主的組織成分特點:?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鋼結構。

14MnMoV和14MnMoVBRe鋼是我國發(fā)展的低碳貝氏體鋼，屈服強度為490MPa級38低碳馬氏體鋼

工程機械上相對運動部件和低溫下使用部件，要求有更高的強度和良好的韌性。≤0.16%C，加入Mo、Nb、V、B及控制Mn或Cr與之配合→淬火回火處理組織為低碳回火馬氏體。BHS-1鋼的成分為0.10C-1.80Mn-0.45Mo-0.05Nb。鍛軋后空冷或直接淬火并自回火。達到合金調質鋼調質后的性能水平。制造汽車的輪臂托架、操縱桿、車軸、轉向聯(lián)動節(jié)和拉桿等，也可用于冷墩、冷撥及制作高強度緊固件。392.7雙相鋼

由于傳統(tǒng)的低合金高強度鋼對汽車壓力加工件來說，沒有具備足夠的冷成形性，因而需要改善其強度-成形性的綜合性能以滿足汽車沖壓成型件的要求。把傳統(tǒng)的低合金高強度的顯微組織，即鐵素體加珠光體改成鐵素體加馬氏體（實際上還包含少量奧氏體）的雙相組織，其顯微組織特征是20%左右的馬氏體呈小島狀或纖維狀分布在80%左右的鐵素體基體上。

40強度MPa雙相鋼600400普通鋼

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