金属材料第二章

客车及农业机械
第一节 构件用钢的力学性能特点
从成分上看，构件用钢应是低碳的（Wc≤0.2%)，大部分构件是在热轧空冷状态下使用，有时也
在回火状态下使用。基体组织：大量的铁素体和少量的珠光体。
三大特点：屈服现象、冷脆现象和时效现象 一、构件用钢的屈服现象
屈服现象是低碳钢所具有的力学行为特点之一，其主要表现在以下两方面： ➢拉伸曲线上出现屈服齿与屈服平台 ➢在屈服过程中，试件的塑性变形分布是宏观不均匀的。
构件用钢的冷脆现象在生产上有很大的实际意义。通常构件用钢在常温 拉伸时能表现出很好的极限塑性，因此曾经认为按照钢材的屈服点设计 的各种构件是安全的，即使在受到超载作用时，也只能产生过量的塑性 变形而失效，不会因构件断裂造成严重后果。但在生产实际中，一系列 低碳构件在较低使用温度下发生的引起严重后果的冷脆事故，使人们认 识到只根据常规拉伸性能数据还不能全面评价构件用钢的性能。为了防 止发生冷脆，对构件用钢还必须要求低的脆性转折温度，并且保证工作
低碳钢应变时效（实线，预变 形10％）及淬火时效（虚线， 920℃淬火）时硬度的变化
低碳钢应变时效敏感性的试验方法。通常把钢在应变时效前后的冲击韧性差值与 其在原状态下冲击韧性值之百分比C作为钢的时效敏感性的衡量标准
c
（
K
)原
（ K
)时效
100％
(K )原
钢材应变时效敏感性主要与固溶于-Fe中少量C、N原子有关。因此，应控制Fe中C、N原子数量。为此，应向钢中加入强碳化物、强氮化物形成元素。如Al、
➢钢材冷变形后，强度增高，塑性降低，应变时效进一步提高强度和降低 塑性。
二、构件用钢的焊接性能
焊接性能也是重要的工艺性能，随着断裂力学的发展，更加重视焊接性能。
焊接材料总是不均质的。 1.焊缝区、半熔化区及热影响区发生小范围复杂冶金过程、熔化过程及热处理过 程。 2.由于热循环及组织变化，产生一定的焊接残余应力。 3.焊接过程可能产生未焊透、气泡、夹渣、裂纹等缺陷。 影响构件承载和使用寿命。 焊接脆性：由于钢材化学成分和组织的变化而导致焊接构件脆断增加的现象。 焊接脆性包含马氏体转变脆性、过热及过烧脆性、凝固脆性和热影响区的时效脆 性等。
屈服齿与屈服平台
由于屈服变形集中在少数滑移带上，所以必然会引起滑移台阶高度增大， 使试样表面有明显滑移线，表面出现皱折。屈服现象有时会影响构件 （汽车蒙皮）的表面质量。
一般认为，屈服现象与钢中C、N原子与位错相互作用产生的“柯氏气团” 有关。因此减少钢中C、N原子的含量或加入强碳化物形成元素（如Ti、 Nb等），使C、N原子与之结合成稳定的碳化物，抑制柯氏气团的形成， 可避免冲压时产生表面皱折。
不仅低碳钢有时效现象，其他种类的钢材也有时效现象，但含碳量较高时影响相 对较小，不予以注意。
在一些焊接构件上，由于热影响区的温度可以达到Ac1以上而产 生淬火时效。此时，钢的显微组织没有明显变化，但其力学性能
也发生类似于应变时效的变化，强度和硬度指标升高，塑性指标
降低。如图所示。
低碳钢经860℃淬火后天然时效 时力学性能的变化
第二节 构件用钢的工艺性能
冷变形性能和焊接性能
一、构件用钢的冷Biblioteka Baidu形性能
钢材的冷变形性能包括三层意思： ❖钢材的变形抗力，它决定钢材制成必要形状的部件的难易程度； ❖钢材在承受一定量的塑性变形时产生开裂或其他缺陷的可能性； ❖钢材在冷变形后性能的变化，即危害或可利用性。
影响冷变形性能的因素
➢钢材的含碳量对其冷变形性能影响最大。C↑,珠光体↑，塑变抗力↑，塑性 ➢钢材表面质量也影响冷变形性能。裂缝、结疤、折叠、划痕等缺陷，开 裂根源。
作为构件用钢应有如下性能要求：
❖足够的强度与韧性。屈服强度高、韧性高、疲劳强度高。
❖良好的焊接性和成形工艺性。要求构件用钢有良好的冷变形性能和焊 接性能。
❖良好的耐腐蚀性能要求。为使构件在大气或在海水中能长期稳定工作， 要求构件用钢具有一定的耐大气腐蚀及海水腐蚀性能。
另外，用量大，考虑生产成本，不能比碳钢高太多。
温度高于Tk。另外加入合金元素也可使Tk下降。如Mn、Al。
三、构件用钢的应变时效、淬火时效及蓝脆
构件用钢加热到Ac1以上进行淬火或经塑性变形后，在放置过程中，钢 的力学性能和物理性能将随时间而变化。通常强度、硬度增高，塑性、 韧性下降，并提高钢的脆性转折温度，这种现象称为时效。 塑性变形后的时效称为应变时效； 淬火后的时效称为淬火时效； 在一般气候条件下的时效称为自然时效； 在较高温度下进行的时效称为人工时效。
低碳钢的力学性能随试验温度变化的情况
应变时效增加时，蓝脆的温度向高温推移，k值通常在 500℃出现谷值。
目前认为，蓝脆现象是由于塑变时位错运动速度与该温度下 固溶的C、N原子的移动速度几乎相等造成的，所以应变时 效与塑性变形同时发生。
一般而言，蓝脆也是一种不利现象，但在截断钢材时，可利 用蓝脆现象。
第二章 工程结构钢（构件用钢）
➢构件用钢的基本要求 ➢构件用钢的力学性能特点 ➢构件用钢耐大气腐蚀性能 ➢碳素构件用钢 ➢普通低合金构件用钢 ➢进一步提高普低钢力学性能的途径
第二章 构件用钢
构件用钢：是指用于制造各种大型金属结构（如桥梁、船舶、屋架、锅 炉及压力容器等）的钢材，又称为工程用钢。
工作特点：不作相对运动，长期承受静载荷作用，有一定的使用温度要 求。
V、Ti、Nb等，使低碳钢中的C、N原子以化合物形式固定下来而较少地溶入Fe。
对应变时效敏感的钢种往往还存在一种蓝脆现象。一般说来，塑 变抗力随温度的升高而减小，所以在室温下不能加工成型时，就 可以在较高的温度下进行加工。但低碳钢在300～400℃的温度范 围内却出现反常的sb升高、dk降低的现象，如图所示，即蓝脆现 象。
二、构件用钢的冷脆现象
实践表明，低温对构件用钢的力学性能有很大影响。
随着试验温度的降低，构件用钢的屈服点显著升高，且出现断裂特征， 由宏观塑性破坏过渡到宏观脆性破坏，这种现象称为冷脆。
评定材料冷脆倾向大小的指标是冷脆转变温度，又称脆性转折温度 （TK）。
TK是组织敏感的参数。如金属的晶体结构、强度、合金元素及晶粒大 小等均对TK有影响。变形速度、试件尺寸、应力状态及缺口形式等对TK 也有一定影响。