第2章工程结构钢

2020/11/25
第2章工程结构钢
2.2 低合金高强度结构钢 的合金化
• Me对HSLA力学性能影响
•Mn
•Nb/V •Ti/Al
• 固溶强化作用大，1%Mn，σs↑33MPa。 •约有3/4量溶入F中，弱的细晶作用，↓TK。 •同样量多时可大为降低塑韧性. • 所以Mn控制在<1.8%。
• 形成稳定细小的K等，粒子2~10nm， •既细晶又沉淀强化，↑σs，↑δ、AK， •综合效果↓TK。改善焊接性。 • 作用顺序:Ti＞Nb＞Al＞V。
•
高强度是针对低碳结构钢而言，实际上其含碳量低，
合金元素含量低所以其强度不能和后面要介绍的钢相比较。
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• 碳素结构钢
•现代化蔬菜棚
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•耐候Z型钢用于体育馆
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热轧态或正火态使用的低C钢;
❖组织
组织为F+P; B或M。空冷为何会有B或M？ C曲线的变化。
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思路：
• 1、在低碳范围内提高碳含量，以提高强度。 • 2、添加合金元素提高强度。 • 3、热处理改变组织提高强度。 • 4、形变热处理细化组织提高强度。 • 5、在提高强度时一定要注意焊接性能和韧
脆转变温度。
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工程结构钢
• 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。
• ↑固溶强化效果和珠光体含量，低成本。
•来自百度文库↑C，↓塑、韧性，↓焊接性、冷成型。
•C
•如0.1%C，TK为-50℃，0.3%C，TK为50℃
•一般均应限制在0.2%以下
• 最常用且较经济的元素。强化F较显著，
•Si
•1%Si，σs↑85MPa，↑TK，量多时可大为
•降低塑韧性，所以Si控制在<1.1%
• 如090CuPCrNi-A、 09CuP、09CuPCrNi-B
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•时效 •现象
•产生 •原因
• 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）
C、N等间隙原子偏聚或内吸附于 位错等晶体缺陷处。提高硬度、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。
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低合金高强度钢
•
这是一类可焊接的低碳工程结构用钢。其含碳量通常
小于0.25%，比普通碳素结构钢有较高的屈服强度 ，较好
的冷热加工成型性，良好的焊接性，较低的冷脆倾向、缺
口和时效敏感性，以及有较好的抗大气、海水等腐蚀能力。
其合金元素含量较低，一般在2.5%以下，在热轧状态或
经简单的热处理（非调质状态）后使用。
Akv。对上述B、C、D级钢在其各自不同温度要求下，都 要求达到Akv≥27J。
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钢 板
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•
•图示：F+P 组织
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2.3 铁素体-珠光体钢
• 碳素结构钢（GB/T700－1988）
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2.2 低合金高强度结构钢 的合金化
• Me对HSLA力学性能影响
•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。
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• 钢的韧－脆转折温度与碳含量的关系
• Me对焊接性和耐大气腐蚀性的影响
• C↑→ 焊缝处硬化与脆化倾向↑，焊接裂
•C
•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。
• ↑耐大气腐蚀性最有效的元素。一般含量: •0.025~0.25% Cu ，0.05~0.15％ P 。 ↑P，冷脆
•Cu •和时效倾向增加。→用Al脱氧→ 细晶粒钢。 •P •复合加入适量元素，则↑钢耐蚀性效果更佳。
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•思考题： • 退火后的低C钢板一般在 深冲前，先进行一次少量变 形的平整加工，然后再进行 深冲，为什么? •答：克服时效现象，不出现 上下屈服点，深冲时板面平 整度提高。
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2.3 铁素体-珠光体钢
• 碳素结构钢
– Q+最低屈服强度值(MPa)；+质量等级符号(A、 B、C、D) +脱氧方法符号
• 低合金高强度钢是指在碳含量低于0.25%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。
• 按用途可分为结构钢、耐腐蚀钢、低温用钢、耐 磨钢、钢筋钢、钢轨钢、桥梁钢、船体钢、容器 钢及其他专业用钢等
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普通碳素结构钢的牌号、成分与用途(GB700-88)
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普通碳素结构钢生活中应用
• 生活中：钉子、拉杆箱的拉杆、螺栓、螺 母、螺钉、小轴。
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螺栓是否都要热处理
• 钢结构连接用螺栓性能等级分3.6、4.6、4.8、5.6、 6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10余个等级，其中 8.8级及以上螺栓材质为低碳合金钢或中碳钢并经 热处理（淬火、回火），通称为高强度螺栓，其 余通称为普通螺栓。
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本章要点
• 工程结构钢基本要求(以船为例) • 低合金高强度结构钢的合金化 • 铁素体-珠光体钢 • 微珠光体低合金高强度钢 • 针状铁素体钢 • 低碳贝氏体和马氏体钢 • 双相钢 • 新一代钢铁材料 • 低合金高强度钢发展趋势
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– 如Q235AF、Q235BZ
– （质量等级为对S、P的控制） – 一般以热轧空冷状态供应
– 还有冷轧成品供货，如冷轧薄板、冷拉钢丝、 冷拔钢管
•沸腾钢—F；镇静钢—Z；
•半镇静钢—b；
•特殊镇静钢—TZ 2020/11/25
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• 质量等级分A、B、C、D、E，依次以A级质量较差，E级 质量最高。质量等级为对S、P的控制。
• 4.8级别 Q235（ A3 ），Q195等低碳钢 • 5.8级别 Q235以上所有材质都可以，不需要热处
理
• 8.8级别 螺纹直径16mm以下，35# 调质热处理 • 16mm以上，45# 和低碳合金钢调质处理 只要达到抗拉强度等机械性能用什么材料都可以。
•按工况要求选材和选择热处理。
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屈服强度提高25%～100%的原因是什么？
答：成分不同。锰料多。这是以合金化为目 的添加元素。当然还有硅以及Ti，Nb，V， Al的作用。
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2.3 铁素体-珠光体钢
• 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： 10~25％片层状P+ 75~90％多边形F。
•观看冲击试验视频
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工程结构钢的强化
固溶强化——C, Mn, Si 细晶强化—— Ti,Nb,V; 沉淀强化—— V, Ti, Nb 珠光体含量—— C 如何选择还要看工艺性能。不是一味 强调强化。 文章：为“鸟巢”量身定做的Q460
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鸟巢
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为“鸟巢”量身定做的Q460
2008年奥运会主体育场“鸟巢”结构 设计奇特新颖，而这次搭建它钢结构的 Q460也有很多独到之处：这是国内在建筑 结构上首次使用Q460规格的钢材；而这次 使用的钢板厚度达到110毫米，是以前绝无 仅有的。
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• 不合金化的铁素体-珠光体钢的屈服强度高 低主要和含碳量有关，或者说和珠光体含 量有关。
• 结合相图分析。
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2.3 铁素体-珠光体钢
• 低合金高强度结构钢（屈服强度提高25%～100%）
– 都是镇静钢或特殊镇静钢，其牌号中没有表示 脱氧方法的符号。如Q345C
问题：16MnNb和16Mn屈服强度有差别的原因。
答：微合金元素的碳化物和氮化物的析出强化。
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低碳铁素体/珠光体钢超细晶强韧化与控制技术 ——2004年度国家科学技术进步一等奖
• 焊接是构成金属结构的常用方法；一般都要 •经过如剪切、冲孔、热弯、深冲等成型工艺
• 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。
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2.2 低合金高强度结构钢 的合金化
• Me对HSLA力学性能影响
• 最新研究成果：如F晶粒尺寸细化到μ级，则 •F-P类低合金高强度钢的强度也可达到800MPa
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钢种及用途
16Mn 产 量 最 多 ， 用 量 最 广 。 屈 服 强 度 345MPa
15MnTi,16MnNb,15MnV，15MnVN
屈服强度：>390MPa，利用低合金与微合金相 结合。在建筑，石油，化工，铁道，桥梁，造船， 机车，锅炉等应用广泛。
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• 改进工艺后，2005年的3、4月间，科研人员进行了第二 次试制。这次试制，强度和其他指标达到了要求，但冲击 韧性实验的结果却不能令人满意。
• 2005年的5月份，第三次试制实验开始，主攻方向是解决 低温冲击韧性的问题。研究人员采取的办法是改进工艺、 细化晶粒。
• 晶粒是钢材的组织或者成分，晶粒越细，钢材的韧性越好。 细化的手段一个是降低轧制温度，另一个是增加压下量。
• 通过改进工艺，终于使Q460达到了“鸟巢”的使用要求。 2005年7月，为“鸟巢”准备的Q460开始批量生产，为奥 运工程服务。
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2.2 低合金高强度结构钢 的合金化
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• 为了给“鸟巢”提供“合身”的Q460，从 2004年9月开始，舞钢的科研人员开始了长 达半年多的攻关之路，前后3次试制方获成 功。
• 2004年9月，第一次试制开始进行。首次试 制的结果是除了强度不尽如人意外，其他 各项指标全都合格。
• 在保证低碳当量的基础上，适当的增加了 微合金元素的含量。
问题：低合金高强度钢热轧态或正火态使用的低C 钢组织为F+P; B或M。
1、空冷为何会有B或M？ 2、若组织为F+P，当含碳量增加时会有什么变化，
性能如何？
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2.1 工程结构钢基本要求
•服役 •条件
•生产 •工艺
•技术 •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-50~100℃范围内使用； •如：桥梁、船舶等受到风力或海浪冲击.
第2章工程结构钢
• 在种类繁多的钢材中，“鸟巢”为什么单单 选中它作钢结构的材料？它的科研过程又是 怎样的？带着诸多问题，记者来到为“鸟巢” 研发生产Q460的河南舞阳钢铁公司一探究 竟。
• Q460是一种低合金高强度钢。Q300为界。
• 钢材在要求强度大的同时，用低合金冶炼也 很重要，这主要是考虑钢材的可焊性。高合 金的钢材虽然强度大，但可焊性差 。
• 工程中分别为： • Q235A级，是不作冲击韧性试验要求； • Q235B级，是作常温（20℃）冲击韧性试验； • Q235C级，是作0℃冲击韧性试验； • Q235D级，是作-20℃冲击韧性试验； • Q235E级，是作-40℃冲击韧性试验。 • 冲击韧性试验采用夏比V形缺口试件。冲击韧性指标为
– 屈服点从300～650MPa分为六级，也可采用 两位阿拉伯数字（表示平均含碳量的万分之几） 和化学元素符号，按顺序表示，如16Mn。
*说明：通常情况下，屈服强度值小300MPa时为碳素 结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢。
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问题：低合金高强度结构钢比碳素结构钢