金屬材料學(xué)工程結(jié)構(gòu)鋼

單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,*,2024/9/19,工程材料導(dǎo)論講義,曹志強(qiáng)教授,：84706169,：,大連理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,2024/9/19,第,2,章工程結(jié)構(gòu)用鋼,engineering constructional steel,按用途工程結(jié)構(gòu)鋼分為橋梁、汽車、鍋爐、船舶、壓力容器等，耐腐蝕鋼海水和空氣，低溫用鋼，鋼筋鋼，鋼軌鋼和其他專業(yè)用鋼。,尼米茲核動(dòng)力航母,001,鋼制橋梁,壓力容器,2024/9/19,國家體育場鳥巢總用鋼量到達(dá)11萬噸，,其中外部鋼結(jié)構(gòu)的鋼材用量為4.2萬噸 。(Q460E),2024/9/19,客車及農(nóng)業(yè)機(jī)械,鍍鋅,C,型鋼用于上海大劇院屋架桁架,浦東國際機(jī)場侯機(jī)樓及道路護(hù)欄,現(xiàn)代化蔬菜棚,耐候,Z,型鋼用于體育館,高強(qiáng)度耐侯厚壁冷彎高頻焊管用于東方明珠塔,2024/9/19,工程結(jié)構(gòu)鋼是指專門用來制造工程結(jié)構(gòu)件的一大類鋼,種。在鋼總產(chǎn)量中，工程結(jié)構(gòu)鋼占90左右。工程結(jié)構(gòu),鋼包括碳素鋼和低合金高強(qiáng)度鋼。,低合金高強(qiáng)度鋼是指在C 0.25%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的普,通碳素鋼的根底上，通過添加一種或多種少量合金元素,低于3%，使鋼的強(qiáng)度明顯高于碳素鋼的一類工程結(jié),構(gòu)用鋼，統(tǒng)稱低合金高強(qiáng)度鋼。,2024/9/19,工程結(jié)構(gòu)用鋼的分類,工程構(gòu)件用鋼用量大，隨著科技開展，各種高性能鋼種也開展迅猛。,分類 ：,碳素構(gòu)件用鋼普碳鋼,低合金構(gòu)件用鋼普低鋼,新型及微合金化低碳高強(qiáng)度鋼,輸油管線,2024/9/19,本章內(nèi)容,2.1 工程結(jié)構(gòu)鋼的根本要求,2.2 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的合金化,Me對(duì)力學(xué)性能焊接性和耐大氣腐蝕性的影響,2.3常用工程結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào),2.4 微珠光體低合金高強(qiáng)度鋼輸送石油天 燃?xì)庥?2.5針狀鐵素體鋼,2.6 低碳貝氏體和馬氏體鋼,2.7雙相鋼(F+M),2.8 低合金高強(qiáng)度鋼開展趨勢,2024/9/19,2.1 工程結(jié)構(gòu)鋼的根本要求,工程結(jié)構(gòu)件長期受靜載；互相無相對(duì)運(yùn)動(dòng),受大氣海水的侵蝕；有些構(gòu)件受疲勞沖擊；,一般在-50100范圍內(nèi)使用；,如：橋梁、船舶等受到像風(fēng)力或海浪沖擊.,服役,條件,生產(chǎn),工藝,焊接是構(gòu)成金屬結(jié)構(gòu)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(shù),要求,1、足夠的強(qiáng)度與韌度特別是低溫韌度；,2、良好的焊接性和成型工藝性；,3、良好的耐腐蝕性；,4、低的本錢。,2024/9/19,2.2,低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的合金化,1,、,Me,對(duì)低合金高強(qiáng)度鋼力學(xué)性能的影響,C,固溶強(qiáng)化效果和珠光體含量，低本錢。,C，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(yīng)限制在0.2%以下,Si,最常用且較經(jīng)濟(jì)的元素。強(qiáng)化,F,較顯著，,1%Si,，,s,85MPa,，,T,K,，量多時(shí)可大為,降低塑韌性，所以,Si,控制在,<1.1%,2024/9/19,Mn,固溶強(qiáng)化作用大，,1%Mn,，,R,eL,33MPa,。,約有,3/4,量溶入,F,中，弱的細(xì)晶作用，,T,K,。,同樣量多時(shí)可大為降低塑韌性,.,所以,Mn,控制在,<1.8%,。,NbV,TiAl,形成穩(wěn)定細(xì)小的,K,等，粒子,210nm,，,既,細(xì)晶又沉淀強(qiáng)化,，,R,eL,，,、,A,K,，,綜合效果,T,K,。改善焊接性。,細(xì)化作用順序,:Ti,>,Nb,>,Al,>,V,。,RE,脫氧去硫吸氫作用，改善,塑韌性，,T,K,所以，低合金高強(qiáng)度鋼的根本成分應(yīng)考慮低碳，,稍高的錳含量，并適當(dāng)用硅強(qiáng)化。,2024/9/19,圖,2-2,鋼的韌,-,脆轉(zhuǎn)折溫度與碳含量的關(guān)系,圖,2-1,合金元素對(duì)低合金高強(qiáng)度鋼的固溶強(qiáng)化效果的影響,2024/9/19,C使屈服強(qiáng)度每增加15MPa時(shí)，韌脆轉(zhuǎn)變溫度升高10；,Si固溶強(qiáng)化但不能細(xì)化鐵素體，因此提高8；,Mn、Ni的參加降低A3，細(xì)化鐵素體和珠光體，提高強(qiáng)度和韌度，降低5；,鋁形成AlN質(zhì)點(diǎn)，細(xì)化晶粒，也提高強(qiáng)度和韌性，降低27。,圖,2-3,鐵素體,-,珠光體鋼的各種強(qiáng)化機(jī)制和成分對(duì)屈服強(qiáng)度和韌,-,脆轉(zhuǎn)折溫度的影響,理論上元素的作用是通過強(qiáng)化基體引起的，其中細(xì)晶強(qiáng)化每增加,15MPa,，,T,k,降低,10,，位錯(cuò)強(qiáng)化升高,6,，析出強(qiáng)化升高,4,，固溶強(qiáng)化升高,10,。,2024/9/19,Nb、V、Ti合金化生成碳化物、氮化物和碳氮化物。不溶解于奧氏體時(shí)對(duì)高溫形變、再結(jié)晶長大和晶粒長大有抑制作用，其中,Ti的碳化物和氮化物不溶解，釘扎晶界，細(xì)化晶粒；,Nb的碳化物和氮化物局部溶解，作用類似Ti。,V的碳化物全部溶解在奧氏體中，細(xì)化作用較弱。,VC 、 NbC、TiC細(xì)晶強(qiáng)化依次升高0.2%C。,圖,2-4,微合金元素對(duì)鋼加熱時(shí)奧氏體晶粒長大傾向的影響,2024/9/19,2,、,Me,對(duì)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(jié)合牢,固，強(qiáng)度不低于母材；焊縫的熱影響區(qū)保持足夠的強(qiáng)度與韌,性，沒有裂紋及各種缺陷。,控制,C,C,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(yīng)適,當(dāng)控制，如,Cr,、,Mn,、,Mo,、,Ni,等。,Cu,P,耐大氣腐蝕性最有效的元素。一般含量:,0.0250.25% Cu ，0.050.15 P 。 Cu具有,正電位，附加陰極，在陽極電流下到達(dá)鈍化狀態(tài)。,CuP復(fù)合參加適量元素，那么鋼耐蝕性效果更佳。,如09CuPCrNi-A、 09CuP、09CuPCrNi-B,2024/9/19,時(shí)效,現(xiàn)象,低碳工程構(gòu)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(shí)間，鋼的性能會(huì)發(fā)生明顯變化的現(xiàn)象。淬火時(shí)效和機(jī)械時(shí)效,產(chǎn)生,原因,C,、,N,等間隙,原子偏聚,或內(nèi)吸附于,位錯(cuò)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(shí)，,A,K,120J,，十天后降為,35J,；焊接鋼板,在三個(gè)月后由,92J,降為,33J,。,當(dāng)然橋梁、船舶等突然斷裂的原因很多。共振、應(yīng)力波等,2024/9/19,本章內(nèi)容,2.1 工程結(jié)構(gòu)鋼的根本要求,2.2 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的合金化,2.3常用工程結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào),2.4 微珠光體低合金高強(qiáng)度鋼,2.5針狀鐵素體鋼,2.6 低碳貝氏體和馬氏體鋼,2.7雙相鋼,2.8 低合金高強(qiáng)度鋼開展趨勢,2024/9/19,碳素構(gòu)件用鋼又稱碳素結(jié)構(gòu)鋼或普碳鋼，其產(chǎn)量占鋼總產(chǎn)量的7080，其中大局部用作結(jié)構(gòu)件，少量做機(jī)械零件。,特點(diǎn)：易于冶煉，價(jià)格低廉，熱軋狀態(tài)供貨，一般不經(jīng)熱處理強(qiáng)化。,分類GB/T7002006 Q195,Q215,Q235,Q275,2.3,常用,工程,結(jié)構(gòu)鋼,牌號(hào),普通碳素結(jié)構(gòu)鋼,2024/9/19,Q235A.F，Q屈服強(qiáng)度，235屈服強(qiáng)度值，A質(zhì)量等級(jí)A、B、C、D由低到高，F(xiàn)沸騰鋼。A、B級(jí)為普通質(zhì)量級(jí)；,C級(jí)為優(yōu)質(zhì)級(jí)；D級(jí)和E級(jí)為特殊質(zhì)量級(jí)，有低溫沖擊韌性要求。,F 沸騰；b半鎮(zhèn)靜鋼；Z鎮(zhèn)靜鋼；TZ特殊鎮(zhèn)靜鋼,2024/9/19,一,普碳鋼的化學(xué)成分,表,2-1,普碳鋼的化學(xué)成分,牌號(hào),等級(jí),化學(xué)成分,B,/%,C,Mn,Si,S,P,脫氧方法,Q195,0.06-0.12,0.25-0.50,0.30,0.050,0.045,F,、,b,、,Z,Q215,A,0.09-0.15,0.25-0.55,0.30,0.050,0.045,F,、,b,、,Z,B,0.045,Q235,A,0.14-0.22,0.30-0.65,0.30,0.050,0.045,F,、,b,、,Z,B,0.12-0.20,0.30-0.70,0.045,C,0.18,0.35-0.89,0.040,0.040,Z,D,0.17,0.035,0.035,Tz,Q255,A,0.18-0.28,0.40-0.70,0.30,0.050,0.045,Z,B,0.045,Q275,0.28-0.38,0.50-0.80,0.35,0.050,0.045,Z,注,;1.,摘自,GB700-88,。,2.F,沸騰鋼；,b,半鎮(zhèn)靜鋼；,Tz,特殊鎮(zhèn)靜鋼。,Q235A,、,B,級(jí)含錳量上限為,0.6%,。,2024/9/19,二、普碳鋼的力學(xué)性能,表2-2普碳鋼的力學(xué)性能GB15911988,鋼,號(hào),等,級(jí),拉伸試驗(yàn),沖擊試驗(yàn),屈服點(diǎn),s/MPa,抗拉強(qiáng)度,b/MPa,伸長率,/%,溫度,/,V,型沖擊吸收功（縱向）,/J,鋼材厚度（直徑）,/mm,鋼材厚度（直徑）,/mm,16,>16,40,>40,60,>60,100,>100,150,>150,16,>16,40,>40,60,>60,100,>100,150,>150,Q195,(195),(185),315-390,33,32,Q215,A,215,205,195,185,175,165,335-410,31,30,29,28,27,26,20,27,B,Q235,A,235,225,215,205,195,185,375-460,26,25,24,23,22,21,B,20,27,C,0,D,-20,Q255,A,255,245,235,225,215,205,410-510,24,23,22,21,20,19,20,27,B,Q275,275,265,255,245,235,225,490-610,20,19,18,17,16,15,2024/9/19,三、碳素結(jié)構(gòu)鋼供貨品種,供貨品種,：,鋼板，鋼帶，鋼管，槽鋼，角鋼，鋼軌，鋼筋，鋼絲等,碳素結(jié)構(gòu)鋼薄鋼板,鋼管,2024/9/19,普通低合金結(jié)構(gòu)鋼,低合金構(gòu)件用鋼又稱低合金結(jié)構(gòu)鋼,或稱普低鋼普通低合金高強(qiáng)度鋼。,開展普低鋼的目的：減輕大型工程構(gòu)件的重量，提高使用的可靠性，節(jié)約鋼材。,成分特點(diǎn)：低碳，低合金。,性能特點(diǎn)：普低鋼的屈服強(qiáng)度大大高于普碳鋼。,例如：常用的Q235與16Mn(Q345)相比，含碳量相同，但Mn提高到1.2-1.6% ，屈服強(qiáng)度大大提高。,Q235 s235MPa b 375460MPa,16Mn s345MPa b 510660MPa,2024/9/19,最新研究成果：如F晶粒尺寸細(xì)化到級(jí)，那么,F-P類低合金高強(qiáng)度鋼的強(qiáng)度也可到達(dá)800MPa,普低鋼是工程結(jié)構(gòu)鋼中最主要的一類鋼。有,Q345,、,Q390,、,Q420,、,Q460,、,Q500,、,Q550,、,Q620,、,Q690,八個(gè)牌號(hào)。前三個(gè)根據(jù)質(zhì)量要求,分為,A,、,B,、,C,、,D,、,E,五個(gè)等級(jí)。后五個(gè)分為,C,、,D,、,E,級(jí)三個(gè)等級(jí)；,A,、,B,為普通質(zhì)量級(jí)；,C,級(jí)為優(yōu)質(zhì)級(jí)；,D,級(jí)和,E,級(jí)為特殊質(zhì)量級(jí)，,有低溫沖擊韌性要求。較,94,標(biāo)準(zhǔn)后四個(gè)新增。,專用低合金鋼在鋼號(hào)后加后綴。,16Mnq,改為,Q345q,，,16MnR,改為,Q345R,組織：,1025,片層狀,P+ 7590,多邊形,F,。,2024/9/19,本章內(nèi)容,2.1 工程結(jié)構(gòu)鋼的根本要求,2.2 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的合金化,2.3工程結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào),2.4 微珠光體低合金高強(qiáng)度鋼,2.5針狀鐵素體鋼,2.6 低碳貝氏體和馬氏體鋼,2.7雙相鋼,2.8 低合金高強(qiáng)度鋼開展趨勢,2024/9/19,2.4,微珠光體低合金高強(qiáng)度鋼,8,2.4.1,微珠光體低合金高強(qiáng)度鋼強(qiáng)化機(jī)理,油氣管線用鋼要求有很好的焊接性、低溫韌度和強(qiáng)度等綜合性能。,輸送油氣距離越長，壓力越大，質(zhì)量要求也越高。,強(qiáng)化,機(jī)理,對(duì),F-P,鋼, P,量每,10%,，將使,T,K,22,。,油氣管線用鋼,:C, <0.1%,；為保證,強(qiáng)度,，,就必須采用其它不損害或少損害焊接性和,韌度的強(qiáng)化措施。, 析出強(qiáng)化和晶粒細(xì)化鋼性能。,Nb,、,V,、,Ti,微合金化和控軋?zhí)幚砉に嚒?2024/9/19,低碳鐵素體,/,珠光體鋼超細(xì)晶強(qiáng)韌化與控制技術(shù),2004,年度國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎(jiǎng),主要,特點(diǎn),超細(xì)晶粒、高潔凈度、高均勻性。,生產(chǎn)節(jié)約能源和資源，不用或少用Me，改善環(huán)境，本錢，具有更高的經(jīng)濟(jì)效益。,如何形成微米級(jí)的超細(xì)晶是該工程的核心技術(shù)和難點(diǎn)。,具體,指標(biāo),采用形變誘導(dǎo)F相變，可把F晶粒細(xì)化到25m碳鋼和12m微合金鋼。碳鋼的ReL由200MPa提高到350400MPa；低合金鋼由350400MPa提高到600700MPa。,2024/9/19,控制軋制和控制冷卻技術(shù),控冷控軋工藝：高溫形變熱處理的一種，人為地使奧氏體中形成大量鐵素體相變核心，控軋和控冷溫度比通常低，獲得大量細(xì)小的鐵素體組織，提高鋼的強(qiáng)韌性。,控制軋制實(shí)質(zhì)就是形變強(qiáng)化和相變強(qiáng)化的結(jié)合；,控制冷卻是最大限度地細(xì)化鐵素體晶粒，獲得最正確的析出強(qiáng)化效應(yīng)。,2024/9/19,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,控制軋制和控制冷卻技術(shù),高溫形變熱處理,F,大幅度晶粒細(xì)化強(qiáng)度和韌度。,圖,2-5,控制軋制和控制冷卻的組織變化模式圖,2024/9/19,圖,2.6,各種軋制程序模式圖,CR,：控制軋制,；,A,c,C:,控制冷卻,2024/9/19,微合金元素的作用,圖2.7微合金元素對(duì)鋼的屈服強(qiáng)度的影響, G晶粒細(xì)化的奉獻(xiàn)，ph析出強(qiáng)化的奉獻(xiàn)。NbTiV,2024/9/19,2.5,針狀鐵素體鋼,對(duì)于一些強(qiáng)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(qiáng)度鋼。,根本,特點(diǎn),針狀鐵素體acicular ferrite，簡寫AF,鋼: 0.06C + 適量Mn、Mo、Nb等 具有,高密度位錯(cuò)1010cm2亞結(jié)構(gòu)的“針狀F,組織超低碳B。ReL 達(dá)700800MPa，低,溫沖擊韌性、焊接性更好。,用于現(xiàn)場焊接條件極其寒冷地帶管線。被,稱為21世紀(jì)的控軋鋼。,2024/9/19,2.6,低碳貝氏體和馬氏體鋼,1.,低碳貝氏體鋼,是指含碳量為,0.100.15%,，使用狀態(tài)組織為貝氏體的鋼。貝氏體鋼通常是在軋制空冷或控制冷卻，直接獲得貝氏體組織。,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(qiáng)度和良好的韌度，屈服強(qiáng)度可達(dá),450980MPa,。,圖,2-8,低碳貝氏體鋼上貝氏體與下貝氏體的抗拉強(qiáng)度與韌脆轉(zhuǎn)變溫度的關(guān)系,2024/9/19,主要,特點(diǎn),合金元素作用是保證在較寬冷速,范圍內(nèi)獲得以,B,為主的組織,成分特點(diǎn): ?,0.5%左右Mo + 微量B0.005%,+Mn、Cr、Ni等+Nb、Ti、V,主要用于制造容器的板材和其他,鋼結(jié)構(gòu)。,Q50014MnMoV和14MnMoVBRE鋼是我國,開展的低碳貝氏體鋼，屈服強(qiáng)度為490MPa級(jí),2024/9/19,2.,低碳馬氏體鋼,工程機(jī)械上相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件和低溫下使用部件。,要求有更高的強(qiáng)度和良好的韌性。,0.16%C，參加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。,如:BHS-1鋼的成分為。,鍛軋后空冷或直接淬火并自回火。到達(dá)合金調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì),后的性能水平。,制造汽車的輪臂托架、操縱桿、車軸、轉(zhuǎn)向聯(lián)動(dòng)節(jié)和,拉桿等，也可用于冷墩、冷撥及制作高強(qiáng)度緊固件。,2024/9/19,2.7,雙相鋼,成分,主要成分為： 0.2%C，1.21.5%Si，,0.81.5%Mn，0.45%Cr，0.4%Mo，,少量V 、Nb、Ti。質(zhì)量分?jǐn)?shù),組織,F+M組織，F(xiàn)基體上分布不連續(xù)島,狀混合型M<20% 雙相鋼。,F中非常干凈，C、N等間隙原子很,少；C和Me大局部在M中。,2024/9/19,強(qiáng)度 MPa 雙相鋼,600,400,普通鋼,200,10 20 30 40 應(yīng)變 / %,圖2-9雙相鋼和普通鋼應(yīng)力應(yīng)變曲線的比較,性能,低,R,eL,，且是連續(xù)屈服，無屈服平臺(tái)和上、,下屈服；均勻塑變能力強(qiáng)，總延伸率較大，,冷加工性能好；加工硬化率,n,值大，成型后,R,eL,可達(dá),500700MPa,。,2024/9/19,應(yīng),用,沖壓型雙相鋼主要是板材，廣泛用,于各種容器和汽車沖壓件。,非沖壓雙相鋼有棒材、線材、鋼筋、,薄壁無縫鋼管等產(chǎn)品。鋼材經(jīng)熱軋后,控制冷卻，得到,F,加,M,雙相鋼組織，然,后經(jīng)冷撥、冷墩等工藝制成成品?？捎?于汽車的大梁和滾型車輪，汽車的前后,保險(xiǎn)杠、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置梁等，使用雙相鋼,可使汽車重量降低,1030%,。,2024/9/19,雙相低合金高強(qiáng)度鋼生產(chǎn)工藝,生產(chǎn)工藝分兩種：,1熱處理雙相鋼又稱作亞臨界溫度退火,將熱軋或冷軋鋼板在兩相區(qū)+加熱退火，組織為鐵素體基體加一定數(shù)量的奧氏體，然后空冷或快冷得到F+M組織。,2熱軋雙相鋼,將鋼材在熱軋后，通過控制冷卻得到F+M雙相組織。采用這種工藝的鋼含有較高的Si、Mo、Cr等合金元素。,圖,2-10,雙相鋼的兩種制備工藝,2024/9/19,低合金高強(qiáng)度鋼開展趨勢,低碳超低碳,<0.06%,甚至,<0.02%,高純潔化,微合金化技術(shù),控軋和控冷工藝,超細(xì)晶?；?自動(dòng)化在線控制,在線生產(chǎn)系統(tǒng),復(fù)合微合金化,凈化鋼中的有害雜質(zhì),組織微細(xì)化,計(jì)算機(jī)控制和性能預(yù)報(bào),2024/9/19,小 結(jié),在微合金化成分設(shè)計(jì)的根底上，正確的控軋和,控冷工藝是關(guān)鍵因素。組織變化是在T-t-P三元處,理過程中動(dòng)態(tài)地進(jìn)行的，從而獲得了優(yōu)異的復(fù)合,強(qiáng)化。這是對(duì)傳統(tǒng)T-t二元處理的一個(gè)突破，從而,對(duì)鋼的各種強(qiáng)化機(jī)制也有了新的認(rèn)識(shí)與開展,Ti、Nb、V等元素在控軋和控冷工藝過程的各,個(gè)環(huán)節(jié)中起了重要作用。適宜的量及其它們的復(fù),合參加使各強(qiáng)化機(jī)制得到了最正確的發(fā)揮,