普通低合金结构钢

普通低合金结构钢普通低合金结构钢随着工业交通和科学技术的发展，普通碳素钢已不能满足重要工程结构和新型机器设备的需要。

近40多年来普通低合金钢得到迅速的发展。

这类钢合金元素较低，其屈服极限比碳素钢高25％至100％以上，时效倾向小，并具有良好的焊接性和耐蚀性。

这类钢一般是在热轧和正火下使用，生产过程简单，成本低廉，适宜于大生产，因此广泛用于制造桥梁、船舶、车辆、工业和民用建筑、管道、起重运输机械等。

使用普通低合金钢代替普通碳素钢可以节省钢材20％～30％以上，减轻运输机械的自重，增加有效载重，可以使一些机械的结构得到改善，并能增加使用寿命。

一、对普通低合金结构钢的性能要求对一般用途的普通低合金结构钢，主要有一下要求：（一）良好的综合力学性能采用普通低合金结构钢的主要目的是减轻金属结构的重量，提高其可靠性，因此首先要求钢材具有较高的屈服强度，但由于其工作条件的复杂性，钢材还应具有良好的综合性能。

例如船舶在航行时承受较大的静载荷，海浪冲击及风力反复作用而产生的交变疲劳载荷，有的还在北方寒冷低温海域行驶。

在制造过程中钢材还经受剪切、冷弯、焊接等加工工序以及由此可能产生的时效脆性。

普通低合金钢的缺口冲击韧性在室温下往往出现大幅度的下将和上下波动，此时钢已经从韧性状态转化为脆性状态，也就是钢的“脆性转化温度”已经升高到室温附近所致。

造成脆性转化温度上升的主要原因是钢的冶金质量和金相组织，后者包括晶粒大小、相的形态和第二相的沉淀等。

因此对于普通低合金钢不仅要求具有一定的冲击韧性，而且更为重要的是要求具有尽可能低的脆性转化温度，以防止钢的脆性断裂。

譬如在我国常以－40℃为脆性转化温度的检验标准。

对于特殊低温设备或结构，则提出更低的温度指标。

除去上述的常温、低温冲击韧性以及脆性转化温度以外，还有另一项涉及冲击韧性检验的问题，即钢的“时效敏感性“。

普通低合金钢材经常承受冷加工，经冷加工以后在较长的使用时期或存放时期内，钢材会逐渐变脆，冲击韧性大幅度下降，这就是应变时效现象，也称为时效脆化。

应变时效脆化程度的大小是用”时效敏感性“来表示的。

时效敏感性的测量方法及定义是：将预先拉伸10％的板状试样，在250℃温度下经过1小时人工时效，然后制成冲击试样，测出室温冲击韧性，再与原材料的冲击韧性比较，其差值与原材料冲击韧性值的百分比就是该材料时效敏感性。

一般要求比值不得大于50％，同时应变时效后的冲击值应不小于30～35J。

普通低合金结构钢按屈服强度分为Q295AB、Q345CDE、Q390ABCDE、Q420ABCDE、Q460ABCDE。

A级不要求冲击，B级室温冲击，C级0℃冲击，D级－20℃冲击，E级－40℃冲击。

桥梁用钢分为Q235qCD、Q345qCDE、Q370qCDE、Q420qCDE。

C级0℃冲击，D级－20℃冲击，E级－40℃冲击。

钢的屈服强度主要取决于显微组织，目前普通低合金结构钢所达到的强度与组织的关系如下：1．铁素体－珠光体组织，目前普通低合金结构钢极大部分属于这一类，屈服强度为300～450MPa。

2．低碳贝氏体组织，屈服强度为550～650MPa。

3．低碳索氏体组织，这类钢经调质处理，屈服强度为650～800MPa。

屈强比也是一个有意义的指标，此值越大，越能发挥材料的潜力，但为了使用安全，亦不宜过大，适合的比值在0.65～0.75之间。

在交变载荷下，疲劳强度一般不小于250～270Mpa。

因此这类钢也称为低合金高强度钢。

在塑性方面，要求厚度为3～20mm的钢材延伸率（δ5）不小于21％。

室温冲击韧性在纵向和横向方面不小于80和60J/cm2，在－40℃或经过时效处理后冲击韧性的下降应不超过50％，即不低于30～40J/cm2。

换句话说，钢的冷脆转变温度应为30℃左右。

（二）良好的工艺性工程用钢的一个重要性能就是能用普通方法进行加工成型。

这种加工成型包括剧烈的机械加工变形，如剪切、冲孔、热弯和焊接，同时材料还要适合火焰切割。

由于焊接方法的效率高，加工质量好，节约钢材，已代替过去常用的铆接。

钢结构在焊后不易进行热处理，故要求有良好的焊接性能，即焊接后联系部分的性能不低于或很少低于焊件本身，焊缝附近热影响区的性能变化要小，焊接时在焊缝及其附近区不致产生裂缝。

影响焊接性能的因素很多，要根据具体使用条件选择不同的方法进行试验。

用于冷冲的钢板需要有良好的冲压性能。

（三）良好的耐蚀性这里主要指在各种大气条件下的抗腐蚀能力。

使用普通低合金结构钢以后，由于减少了结构中钢材的厚度，所以必须相应地提高由于大气腐蚀而引起的消损率。

影响大气腐蚀的因素很多，大气湿度越大，腐蚀的速度越快，大气成分对腐蚀速度有很大的影响，大气中含有SO2、NaCl、灰尘等均加速腐蚀，碳素钢在某些工业区的腐蚀速度比在干净空气中可以快几倍或几十倍。

因此，低合金钢的耐腐蚀试验除了在实验室进行外，还要在大气腐蚀站和使用地点进行实验。

另外，根据使用情况还可以提出其它要求。

这类钢用量大，必须考虑到生产成本不能比碳钢高出太多，加入的合金元素必须充分考虑到资源条件。

二、合金元素在普通低合金结构钢中的作用（一）合金元素对钢的力学性能的影响目前工业上广泛使用的普通低合金结构钢很大一部分具有铁素体－珠光体组织，在热轧或正火后得到最后的性能。

其组织接近钢的平衡组织。

提供碳含量可以增加珠光体数量，提高钢的屈服强度和抗拉强度，但提高含碳量有一定限度，因为会影响焊接性能。

冷脆性和其它性能，除个别钢种外，碳含量一般限制在0.2％以下。

在碳含量受到限制的情况下，这类钢强度的提高主要依赖于少量而多种合金元素的加入来达到，总加入量不超过5％，一般在3％以下，多为1～2％。

对于具有铁素体－珠光体组织的普通低合金钢，合金元素对其强度的影响方式有以下几种：（！）铁素体的固溶强化；（2）增加珠光体的相对量；（3）控制晶粒大小；（4）影响珠光体的分散度；（5）沉淀硬化。

细化珠光体组织这一方式，一般是不考虑的，因为钢中含碳量低，珠光体的数量较少。

溶于铁素体中的合金元素大都能提高铁素体的强度。

一般认为，合金元素与铁原子半径之差越大，强化越显著，而且点阵常数收缩时比点阵常数增大时的效果更大。

与α－Fe 点阵不同的，在室温下溶解度小的元素作用较大。

另外还应考虑到电子的交互作用，合金元素按其在平衡条件下引起强化的递增顺序排列如下：铬、钴、钨、钒、钼、镍、铜、铝、锰、钛、硅、磷。

合金元素对抗拉强度的提高和对硬度的提高一样。

合金元素对屈服强度的提高特别显著。

合金元素对铁素体的塑性影响较小，只是略微降低塑性指标δ和ψ，硅和锰在含量超过2％以后降低铁素体的塑性较显著。

钼、钨、硅（从1%开始）和锰（1～1.5％开始）降低冲击韧性。

这些元素的原子结构或原子半径与铁相差较大（除锰外），溶入铁素体后使点阵产生强烈的畸变，故使韧性下降。

镍的含量为5％时和铬的含量为1～1.5％时，能提高铁素体的冲击韧性。

镍与α－Fe 点阵虽不同，但原子结构与原子半径与铁相近。

合金元素对铁素体脆性转变温度的影响不易确定。

一些研究工作指出，合金铁素体的正断抗力主要取决于晶粒大小，合金元素含量多少的影响不大。

细化晶粒可以显著提高正断抗力，但对屈服强度的影响要弱一些。

脆性转变温度取决于正断抗力和屈服强度的相互关系。

合金元素对脆性转变温度的影响，一般是当其使晶粒粗大或者对晶粒大小影响不大时，将提高脆性转变温度，元素提高铁素体屈服强度的程度越大，则脆性转变温度的提高越甚。

能使晶粒细化的元素在开始时使脆性转变温度下降，但继续增加时，由于晶粒的细化已达到极限，而屈服强度不断提高，此时元素的作用将提高脆性转变温度。

此外，非金属夹杂物的数量分布及钢的冶炼性质对冷脆倾向亦有极重要的影响。

能固溶于铁素体的元素，如锰、硅、铬、镍、铜、钴、磷，主要起固溶强化的作用，这些元素大多降低珠光体中的碳浓度，因而在含碳量相同时，能增加珠光体的相对数量。

可以看出，强度的增加是由于珠光体相对量的增加，固溶强化及稍稍细化晶粒所引起的。

锰、硅两种元素都有显著的固溶强化作用。

因此，考虑到节约成本和资源条件，我国在普通低合金钢中常用的合金元素主要是锰和硅。

锰的加入量不超过 1.8％，在低碳的条件下，仍可以保持高的塑性和韧性。

硅加入量一般在1.1％一下，超过后将降低韧性。

铬、镍也是固溶强化元素，镍对改善低温韧性有良好的作用，不符合我国资源条件。

有些国家则利用铁矿资源中含有铬、镍生产含有这些元素的普通低合金结构钢。

磷强化铁素体很显著，但因增加冷脆性，故使用时要限制碳含量，磷含量最高不超过0.15％，而磷、碳的总和要限制在0.25％以下。

合金元素对脆性转变温度的影响是加入合金元素进行强化时要考虑的一个重要方面。

加入锰时，屈服强度每提高15.4MPa，可使脆性转变温度下降5℃，这是由于锰有稍微细化晶粒的作用。

碳有轻微的细化晶粒作用，但被珠光体量相对增加的有害影响所超过，结果当增加碳含量时屈服强度每提高15.4MPa，却使脆性转变温度提高10℃。

硅有固溶强化作用，但由于没有细化晶粒这一因素补偿，所以有正的向量，屈服强度每提高15.4MPa，使脆性转变温度提高8℃。

由此可见，普通低合金钢基本成分的考虑应该是低碳，少高的锰含量，并适当用硅强化。

控制晶粒大小是一个重要的强化因素，从粗晶粒改变到细晶粒，钢的强度可从154MPa提高到386MPa,而脆性转变温度从0℃以上下降到－150℃，即采用细化晶粒的方法，使屈服强度每提高15.4MPa，使脆性转变温度提高10℃。

可见细化晶粒能在提高强度的同时降低脆性转变温度，提高韧性，使两个看来矛盾的性能—强度和韧性同时得到改善。

氮化铝AlN是一种控制钢的晶粒度很有效的化合物。

一般用铝脱氧的钢的晶粒度为5～8级。

在适当控制AlN含量时可以得到更细的晶粒，AlN为0.03％时可以得到11～12级晶粒度。

这种细化晶粒方法提高了屈服强度，也提高了钢的低温韧性，其作用为每提高15.4MPa，使脆性转变温度提高－27℃。

AlN的这种良好作用还由于铝能消除氮对脆性转变温度的有害作用。

当氮量已被消除后，进一步增加铝，将没有好的效应。

为了控制晶粒大小，还可以加入钒、钛、铌等元素。

在普通低合金钢中主要利用铌、钒、钛的沉淀强化效应。

运用钒、钛、铌微合金化的钢，由于弥散强化使韧性有显著的降低，但是无论是弥散强化或者是固溶强化给冲击韧性带来的损失都可以由晶粒细化的效果而得到补偿，晶粒细化是一个既能提高钢的屈服强度而又能明显降低脆性转化温度的因素。

铌在钢中生成Nb（CN），在950℃仅少量溶解于奥氏体，加入温度达到1250℃时大部分Nb（CN）都能溶解到奥氏体中去，冷却时，大约在700℃附近将在铁素体中析出高度分散的沉淀物，这种沉淀物与母相共格，产生沉淀强化，然而由于晶粒度较大，会在强化的同时使脆性转变温度升高，使冲击韧性下降，因此采用控制轧制的方法，把铌钢加热到1250℃～1350℃进行轧制，同时将终轧温度控制在Ar3附近，以便得到很细小均匀分布的晶粒度，这样在轧制结束后冷却时，Nb（CN）将在晶粒很细小的铁素体上以细小均匀分布的形式沉淀出来。