1、Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢主要内容主要内容第一节第一节 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢第二节第二节 微合金化钢微合金化钢第三节第三节 低碳贝氏体型钢低碳贝氏体型钢 针状铁素体型钢针状铁素体型钢 铁素体铁素体- -马氏体双相钢马氏体双相钢第四节第四节 新一代钢铁材料新一代钢铁材料重点与难点：重点与难点：工程结构件用钢工程结构件用钢的力学性能特点、耐大气腐蚀性的力学性能特点、耐大气腐蚀性及微量合金元素的作用。及微量合金元素的作用。 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢教学要求
2、教学要求基本要求：基本要求：了解工程结构件用钢了解工程结构件用钢的力学性能特点、耐大气腐蚀性的力学性能特点、耐大气腐蚀性及加工工艺性能；及加工工艺性能；熟悉常用碳素熟悉常用碳素构件用钢和低合金构件用钢。构件用钢和低合金构件用钢。一、应用背景一、应用背景工程构件用合金结构钢是在普通碳素工程构件用合金结构钢是在普通碳素结构钢的基础上发展起来的，主要用结构钢的基础上发展起来的，主要用于制造各种大型金属结构（如桥梁、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）的船舶、屋架、锅炉及压力容器等）的钢材。钢材。 2.0 引引 言言Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢
3、二、工程构件的服役特点二、工程构件的服役特点不作相对运动，长期承受不作相对运动，长期承受静载荷静载荷作用；作用；有一定的使用有一定的使用温度温度和和环境环境要求：要求：l如寒冷的北方，构件在承载的同时，还要如寒冷的北方，构件在承载的同时，还要长期经受低温的作用；长期经受低温的作用；l桥梁或船舶则长期经受大气或海水的浸蚀；桥梁或船舶则长期经受大气或海水的浸蚀；l电站锅炉构件的使用温度则可达到电站锅炉构件的使用温度则可达到250以上。以上。2.0 引言引言Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢三、力学性能要求三、力学性能要求一是一是弹性模量大，以保证构件有更好的弹性模量大，以
4、保证构件有更好的刚度；刚度；二是二是有足够的抗塑性变形及抗破断的能有足够的抗塑性变形及抗破断的能力，即力，即s和和b较高，而较高，而和和较好；较好；三是三是缺口敏感性及冷脆倾向性较小等；缺口敏感性及冷脆倾向性较小等；四是四是要求具有一定的耐大气腐蚀及海水要求具有一定的耐大气腐蚀及海水腐蚀性能。腐蚀性能。2.0 引言引言Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢四、工艺性能要求四、工艺性能要求良好的良好的冷变形性能；冷变形性能；良好的良好的焊接性能。焊接性能。 2.0 引言引言Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢力学性能为辅力学性能为辅工艺性能为主工艺性
5、能为主五、成分设计要求五、成分设计要求低碳（低碳（wC%0.25%）；）；加入适量的合金元素提高强度加入适量的合金元素提高强度:l(1)当合金元素含量较低时当合金元素含量较低时，如低合金高强，如低合金高强度结构钢和微合金化钢，其基体组织是度结构钢和微合金化钢，其基体组织是大大量的铁素体和少量的珠光体量的铁素体和少量的珠光体；l(2)当合金元素中含量较多时当合金元素中含量较多时，基体组织可，基体组织可变为变为贝氏体、针状铁素体或马氏体组织贝氏体、针状铁素体或马氏体组织。2.0 引言引言Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢六、供货状态六、供货状态大部分构件通常是在大部分构件
6、通常是在热轧空冷（正火）状热轧空冷（正火）状态下态下使用；使用；有时也在有时也在回火状态下回火状态下使用。使用。2.0 引言引言Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢鞍钢鞍钢1700精轧机组现场图精轧机组现场图 2.1 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢 一、低合金高强度结构钢一、低合金高强度结构钢也称为普通低合金钢（简称普低钢），也称为普通低合金钢（简称普低钢），这类钢是为了适应大型工程结构（如这类钢是为了适应大型工程结构（如大型桥梁、大型压力容器及大型船舶大型桥梁、大型压力容器及大型船舶等）、减轻结构重量、提高使用的可等）、减轻结构重量、提高使用的可靠性及节约钢材的
7、需要而发展起来的。靠性及节约钢材的需要而发展起来的。 2.0 引言引言Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢二、普通低合金高强度结构钢的化学二、普通低合金高强度结构钢的化学成分特点成分特点（1）低碳低碳，这类钢中碳的质量分数一，这类钢中碳的质量分数一般小于般小于0.2%，主要是为了获得较好的，主要是为了获得较好的塑性、韧性、焊接性能。塑性、韧性、焊接性能。（2）主加合金元素主要是主加合金元素主要是Mn，很少加很少加Cr和和Ni，是经济性能较好的钢种。，是经济性能较好的钢种。2.1 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金
8、结构钢Mn能细化珠光体和铁素体晶粒；能细化珠光体和铁素体晶粒；Mn的含量在的含量在1%1.5%范围内可促进铁素范围内可促进铁素体在形变时发生交滑移，使体在形变时发生交滑移，使112111滑移系在低温下仍其作用，同时，锰还滑移系在低温下仍其作用，同时，锰还使三次渗碳体难于在铁素体晶界析出，使三次渗碳体难于在铁素体晶界析出，减少了晶界的裂纹源，这也将改善钢的减少了晶界的裂纹源，这也将改善钢的冲击韧性；冲击韧性；Mn的加入还可使的加入还可使Fe-Fe3C相图中的相图中的S点左点左移，使基体中珠光体数量增多，致使强移，使基体中珠光体数量增多，致使强度不断提高。度不断提高。 2.1 低合金高强度结构钢低
9、合金高强度结构钢 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢（3）辅加合金元素辅加合金元素Al、V、Ti、Nb等等，既可产生沉淀强化作用，还可细化晶粒，既可产生沉淀强化作用，还可细化晶粒，从而使强韧性得以改善。从而使强韧性得以改善。（4）加入一定量的加入一定量的Cu和和P，改善这类钢，改善这类钢的耐大气腐蚀性能。的耐大气腐蚀性能。l Cu元素沉积在钢的表面，具有正电位，成为附加元素沉积在钢的表面，具有正电位，成为附加阴极，使钢在很小的阳极电流下达到钝化状态。阴极，使钢在很小的阳极电流下达到钝化状态。l P在钢中可以起固溶强化的作用，也可以提高耐蚀在钢中可以起固溶强化的作用，也
10、可以提高耐蚀性能；性能；l Ni和和Cr都能促进钢的钝化，减少电化学腐蚀；都能促进钢的钝化，减少电化学腐蚀；l 加入微量的稀土金属也有良好的效果。加入微量的稀土金属也有良好的效果。2.1 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢（5）加入微量稀土元素可以脱硫去气，加入微量稀土元素可以脱硫去气，净化钢材，并改善夹杂物的形态与分布，净化钢材，并改善夹杂物的形态与分布，从而改善钢的力学性能和工艺性能。从而改善钢的力学性能和工艺性能。 2.1 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢总之
11、，普通低合金高强度结构钢合金化总之，普通低合金高强度结构钢合金化的思路是：低碳，以的思路是：低碳，以Mn为基础，适当为基础，适当加入加入Al、V、Ti、Nb、Cu、P及稀土等及稀土等合金元素。合金元素。n我国低合金高强度结构钢的我国低合金高强度结构钢的牌号牌号是按屈服是按屈服强度的高低来分类的，共强度的高低来分类的，共5个级别，个级别，21个钢个钢种。种。n我国低合金高强度结构钢的我国低合金高强度结构钢的化学成分、力化学成分、力学性能和特性及用途学性能和特性及用途分别如分别如表表2-1、表表2-3所所示。示。 2.1 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢 Chapter 2 工程构件用合金结构
12、钢工程构件用合金结构钢一、微合金化钢一、微合金化钢是是70年代在低合金高强度结年代在低合金高强度结构钢基础上发展起来的一大类高强度低合金钢。构钢基础上发展起来的一大类高强度低合金钢。其化学成分特点是加入适量的微合金化合金元素，其化学成分特点是加入适量的微合金化合金元素，如钛、铌、钒等；如钛、铌、钒等；其工艺特点是运用其工艺特点是运用控制轧制控制轧制和和控制冷却控制冷却生产工艺。生产工艺。n通过化学成分和制备工艺的最佳配合通过化学成分和制备工艺的最佳配合达到了铁素体型钢的最佳强化效果，达到了铁素体型钢的最佳强化效果，即细化晶粒强化和沉淀强化的最佳组即细化晶粒强化和沉淀强化的最佳组合。合。 2.2
13、 微合金化钢微合金化钢Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢二、微量合金元素钛、铌、钒等的作用二、微量合金元素钛、铌、钒等的作用1.抑制奥氏体形变再结晶抑制奥氏体形变再结晶在热加工过程中，通过在热加工过程中，通过固溶、偏聚在奥固溶、偏聚在奥氏体晶界、应变诱导析出氮化物，阻止氏体晶界、应变诱导析出氮化物，阻止了奥氏体再结晶的晶界和位错运动了奥氏体再结晶的晶界和位错运动，从，从而抑制再结晶过程的进行。而抑制再结晶过程的进行。2.2 微合金化钢微合金化钢 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢图图2-1 Nb、V和和Ti对再结晶临界温度的影响对再结晶临界温
14、度的影响强强弱弱延缓奥氏体延缓奥氏体再结晶能力再结晶能力Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢2.2 微合金化钢微合金化钢 2.阻止奥氏体晶粒的长大阻止奥氏体晶粒的长大n通过加入钛和铌形成通过加入钛和铌形成TiN或或Nb(C,N)，它们，它们在高温下非常稳定，其弥散分布对控制高在高温下非常稳定，其弥散分布对控制高温下的晶粒长大有强烈的抑制作用温下的晶粒长大有强烈的抑制作用。n微量铌（微量铌（w0.06%）形成的）形成的Nb(C,N) 阻止阻止奥氏体晶粒长大作用可达奥氏体晶粒长大作用可达1150；n微量钛（微量钛（w0.02%）以）以TiN从高温固态钢中从高温固态钢中析出，
15、呈弥散分布，对阻止奥氏体晶粒长析出，呈弥散分布，对阻止奥氏体晶粒长大很有效。大很有效。2.2 微合金化钢微合金化钢 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢2.2 微合金化钢微合金化钢 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢图图2-2 Nb、V和和Ti对正火态低合金钢晶粒度的影响对正火态低合金钢晶粒度的影响细化晶粒的作用细化晶粒的作用强强弱弱3.形成沉淀相促进沉淀强化作用形成沉淀相促进沉淀强化作用钛和铌的碳化物和氮化物有足够低的固溶钛和铌的碳化物和氮化物有足够低的固溶度和高的稳定性。度和高的稳定性。钒只有在氮化物中才这钒只有在氮化物中才这样。一般微合金
16、化钢中的沉淀强化相主要样。一般微合金化钢中的沉淀强化相主要是低温下析出的是低温下析出的Nb(C,N)和和VC。当当w(Nb)0.04%时，其细化晶粒对屈服强度时，其细化晶粒对屈服强度的贡献大于沉淀强化的作用的贡献大于沉淀强化的作用；当当w(Nb)0.04%时，其沉淀强化作用对屈服强度的时，其沉淀强化作用对屈服强度的贡献大于细化晶粒的作用。贡献大于细化晶粒的作用。2.2 微合金化钢微合金化钢 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢微合金化元素钒的沉淀强化对屈服强度的微合金化元素钒的沉淀强化对屈服强度的作用最大，而钛的作用处于铌和钒之间作用最大，而钛的作用处于铌和钒之间。图图
17、2-3 微合金元素对钢屈服强度的影响微合金元素对钢屈服强度的影响G G细化晶粒强化的贡献；细化晶粒强化的贡献； phph沉淀强化的贡献沉淀强化的贡献 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢2.2 微合金化钢微合金化钢 4.改善钢的显微组织改善钢的显微组织钛、钒、铌等合金碳化物和氮化物随奥氏钛、钒、铌等合金碳化物和氮化物随奥氏体化温度的升高有一定的溶解量，溶于奥体化温度的升高有一定的溶解量，溶于奥氏体的微合金化元素提高了过冷奥氏体的氏体的微合金化元素提高了过冷奥氏体的稳定性，降低了发生先共析铁素体和珠光稳定性，降低了发生先共析铁素体和珠光体的温度范围，低温下形成的先共析铁素
18、体的温度范围，低温下形成的先共析铁素体和珠光体组织更细小，并使相间沉淀体和珠光体组织更细小，并使相间沉淀Nb(C,N)和和V(C,N)的粒子更细小。的粒子更细小。2.2 微合金化钢微合金化钢 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢2.2 微合金化钢微合金化钢 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢2.2 微合金化钢微合金化钢 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢三、控制轧制与控制冷却三、控制轧制与控制冷却钢材的热轧工艺（如钢坯的加热温度、保温钢材的热轧工艺（如钢坯的加热温度、保温时间、开轧温度、轧制道次和道次变形量、时间、开轧
19、温度、轧制道次和道次变形量、终轧温度以及轧后冷却等参数）对钢材的力终轧温度以及轧后冷却等参数）对钢材的力学性能有重要影响。学性能有重要影响。由于在普低钢中加入微量的由于在普低钢中加入微量的Nb、V等合金元等合金元素可以产生显著的沉淀强化效应，但同时也素可以产生显著的沉淀强化效应，但同时也使钢的冷脆性倾向增大。所以要生产强韧性使钢的冷脆性倾向增大。所以要生产强韧性钢还必须采取相应的钢还必须采取相应的韧化措施韧化措施，即采用，即采用控控制轧制制轧制和和控制冷却控制冷却工艺来细化铁素体晶粒。工艺来细化铁素体晶粒。 2.2 微合金化钢微合金化钢 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结
20、构钢1.控制轧制控制轧制是将加入微合金化元素的普是将加入微合金化元素的普低钢加热到高温（低钢加热到高温（12501350）进行轧制，但必须将终轧温度控制进行轧制，但必须将终轧温度控制在在Ar3附近。控制轧制本质上是形变热附近。控制轧制本质上是形变热处理的一种派生形式，其主要目的是处理的一种派生形式，其主要目的是细化晶粒组织，从而提高热轧钢的强细化晶粒组织，从而提高热轧钢的强韧性。韧性。2.2 微合金化钢微合金化钢 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢在高于在高于1200时，时，一方面，一方面，钢中的铌、钛的碳氮化物部钢中的铌、钛的碳氮化物部分溶解于奥氏体，以便在随后的轧
21、制分溶解于奥氏体，以便在随后的轧制过程中析出，起抑制再结晶和控制奥过程中析出，起抑制再结晶和控制奥氏体晶粒长大的作用；在轧制完毕的氏体晶粒长大的作用；在轧制完毕的冷却过程中，又有部分弥散的碳化物冷却过程中，又有部分弥散的碳化物析出起沉淀强化作用析出起沉淀强化作用。另一方面，另一方面，未溶的铌、钛的碳氮化物未溶的铌、钛的碳氮化物起阻止钢坯的奥氏体晶粒过渡长大的起阻止钢坯的奥氏体晶粒过渡长大的作用。作用。2.2 微合金化钢微合金化钢 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢控制轧制通常由三个阶段组成：控制轧制通常由三个阶段组成：第一阶段第一阶段是高温下的再结晶区变形；是高温下的
22、再结晶区变形；第二阶段第二阶段是在紧靠是在紧靠Ar3以上的低温无以上的低温无再结晶区变形；再结晶区变形；第三阶段第三阶段是在奥氏体是在奥氏体-铁素体两相区变铁素体两相区变形。形。2.2 微合金化钢微合金化钢 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢图图2-6 控制轧制三个阶段及每个阶段变形时显微组织的变化示意图控制轧制三个阶段及每个阶段变形时显微组织的变化示意图Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢2.2 微合金化钢微合金化钢 常规热轧和控制轧制之间的差别在于常规热轧和控制轧制之间的差别在于常规热轧的常规热轧的铁素体形核只在铁素体形核只在A晶界上晶界上
23、形成形成；控制轧制的奥氏体晶粒被形变带划分控制轧制的奥氏体晶粒被形变带划分为几个部分，使得为几个部分，使得铁素体形核不仅发铁素体形核不仅发生在奥氏体晶界上，而且还在奥氏体生在奥氏体晶界上，而且还在奥氏体的晶内的晶内。2.2 微合金化钢微合金化钢 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢若将一般热轧与控制轧制比较，可以若将一般热轧与控制轧制比较，可以发现它们与正火与淬火之间的关系发现它们与正火与淬火之间的关系:相似相似:在控制轧制和淬火钢中，在控制轧制和淬火钢中，奥氏奥氏体晶粒被分割为几部分，从而形成非体晶粒被分割为几部分，从而形成非常细小的晶粒组织常细小的晶粒组织。区别区别
24、:控制轧制和淬火分割奥氏体晶控制轧制和淬火分割奥氏体晶粒的区别在于，粒的区别在于，控制轧制是依靠变形控制轧制是依靠变形带，淬火是依靠马氏体相变带，淬火是依靠马氏体相变。2.2 微合金化钢微合金化钢 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢控制轧制通常有两种工艺：控制轧制通常有两种工艺： 传统的控制轧制传统的控制轧制，即当控制轧制是，即当控制轧制是在在低于低于再结晶终止温度时变形再结晶终止温度时变形，此时已变形的奥，此时已变形的奥氏体或发生再结晶但晶粒来不及长大，或氏体或发生再结晶但晶粒来不及长大，或者仅达到回复状态未发生再结晶，奥氏体者仅达到回复状态未发生再结晶，奥氏体在形
25、变道次时间终了时，实际上仍保持加在形变道次时间终了时，实际上仍保持加工状态的薄饼形晶粒。工状态的薄饼形晶粒。 随后通过控制冷却使得随后通过控制冷却使得铁素体在奥氏体晶铁素体在奥氏体晶界和晶内滑移带上多处形核界和晶内滑移带上多处形核得到极细小的得到极细小的铁素体晶粒。铁素体晶粒。2.2 微合金化钢微合金化钢 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢 微合金化元素的作用微合金化元素的作用是为了在热加工时应是为了在热加工时应变诱导析出，阻碍奥氏体再结晶，升高奥变诱导析出，阻碍奥氏体再结晶，升高奥氏体的再结晶温度。氏体的再结晶温度。只有只有Nb(C,N)是最理想的应变诱导析出相；是
26、最理想的应变诱导析出相；TiN由于沉淀温度太高，不能成为应变诱导由于沉淀温度太高，不能成为应变诱导析出相；析出相；而而VN和和VC沉淀的温度太低，不能用来抑沉淀的温度太低，不能用来抑制奥氏体再结晶，只能用作沉淀强化相。制奥氏体再结晶，只能用作沉淀强化相。2.2 微合金化钢微合金化钢 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢传统的控制轧制工艺的缺点传统的控制轧制工艺的缺点是终轧温度是终轧温度较低，一般要低于较低，一般要低于900，此时钢的强度因，此时钢的强度因温度降低而升高，轧制时变形抗力增大，必温度降低而升高，轧制时变形抗力增大，必须有须有高功率的强力轧机高功率的强力轧机才
27、能实现这种工艺。才能实现这种工艺。 2.2 微合金化钢微合金化钢 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢 再结晶控制轧制再结晶控制轧制，即当控制轧制是，即当控制轧制是在在高于高于再结晶终止温度时变形再结晶终止温度时变形，此时奥氏体要发，此时奥氏体要发生再结晶，因此必须抑制热变形后再结晶生再结晶，因此必须抑制热变形后再结晶奥氏体的粗化和避免应变诱导析出。奥氏体的粗化和避免应变诱导析出。 微合金化元素的作用微合金化元素的作用加入加入钛钛使钢在液凝后的冷却过程中析出稳使钢在液凝后的冷却过程中析出稳定弥散的定弥散的TiN质点，可抑制经反复形变再质点，可抑制经反复形变再结晶细化的奥
28、氏体晶粒长大，当反复多道结晶细化的奥氏体晶粒长大，当反复多道次形变和再结晶后，奥氏体晶粒得到细化。次形变和再结晶后，奥氏体晶粒得到细化。 2.2 微合金化钢微合金化钢 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢由于终轧温度高（高于由于终轧温度高（高于950），形变不能），形变不能诱导诱导V(C,N)相产生，所以不能阻碍奥氏体相产生，所以不能阻碍奥氏体再结晶，加入微合金化元素再结晶，加入微合金化元素钒钒只作为低温只作为低温析出的沉淀强化相。析出的沉淀强化相。l由此发展了高于再结晶温度控轧的由此发展了高于再结晶温度控轧的V-Ti-NV-Ti-N钢。钢。这种钢可以通过控制轧制得到极
29、细小这种钢可以通过控制轧制得到极细小的铁素体晶粒和珠光体团的铁素体晶粒和珠光体团。n再结晶控制轧制工艺的优点再结晶控制轧制工艺的优点是特别适合是特别适合在不能进行低温轧制的在不能进行低温轧制的低功率轧机低功率轧机上实施，上实施，或者在锻造时使用。或者在锻造时使用。 2.2 微合金化钢微合金化钢 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢2.控制冷却工艺对获得细小的铁素体晶粒和沉控制冷却工艺对获得细小的铁素体晶粒和沉淀强化相极为重要。淀强化相极为重要。对于截面较厚的钢材，对于截面较厚的钢材，冷却速度过慢时冷却速度过慢时，对，对于截面较厚的钢材，析出的先共析铁素体将于截面较厚的钢
30、材，析出的先共析铁素体将长大，珠光体团和片层也粗化，这就长大，珠光体团和片层也粗化，这就降低了降低了钢的强度和韧性钢的强度和韧性；对于微合金化钢，对于微合金化钢，冷却速度过慢时冷却速度过慢时，发生相，发生相间沉淀的温度较高，沉淀相过于粗大，间沉淀的温度较高，沉淀相过于粗大，减弱减弱了沉淀强化效应了沉淀强化效应。2.2 微合金化钢微合金化钢 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢l根据钢材截面的厚度不同，根据钢材截面的厚度不同，控制冷却控制冷却可以采用强制风冷、喷雾、喷水等措施可以采用强制风冷、喷雾、喷水等措施来控制冷却速度。来控制冷却速度。2.2 微合金化钢微合金化钢 C
31、hapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢冷却速度过快时冷却速度过快时，钢的塑性和韧性又钢的塑性和韧性又较差较差。所以，在连轧钢板生产过程中，所以，在连轧钢板生产过程中，控制钢板的卷取温度也很重要控制钢板的卷取温度也很重要，卷取，卷取温度一般控制在温度一般控制在600650，使钢板，使钢板在在600以下冷却速度减慢，以便改善以下冷却速度减慢，以便改善钢材的塑性和韧性。钢材的塑性和韧性。2.2 微合金化钢微合金化钢 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢控制轧制和控制冷却的主要工艺参数控制轧制和控制冷却的主要工艺参数l选择合适的选择合适的加热温度加热温度，以
32、获得细小而，以获得细小而均匀的奥氏体晶粒；均匀的奥氏体晶粒；l选择适当的选择适当的轧制道次和每道的压轧量轧制道次和每道的压轧量，通过回复再结晶获得细小的晶粒；通过回复再结晶获得细小的晶粒；l选择合适的选择合适的在再结晶区和无再结晶区在再结晶区和无再结晶区停留时间和温度停留时间和温度，以使再结晶的晶粒内，以使再结晶的晶粒内产生形变回复的多边化亚结构；产生形变回复的多边化亚结构；2.2 微合金化钢微合金化钢 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢l在铁素体在铁素体-奥氏体两相区选择适宜的奥氏体两相区选择适宜的总压下量和轧制温度总压下量和轧制温度；l控制控制冷却速度冷却速度。
33、2.2 微合金化钢微合金化钢 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢经控制冷却后的优质中板经控制冷却后的优质中板2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体及铁素体-马氏体双相钢马氏体双相钢背景背景l具有铁素体具有铁素体-珠光体组织的低合金钢和微合金珠光体组织的低合金钢和微合金化钢的屈服强度的极限约为化钢的屈服强度的极限约为460MPa。l若要求更高强度和韧性的配合，就需要考若要求更高强度和韧性的配合，就需要考虑选择其它类型组织的低合金钢虑选择其它类型组织的低合金钢，如采用，如采用相变强化的方法，因而发展了低碳贝氏体型、相变强化的方法，因而
34、发展了低碳贝氏体型、低碳索氏体型及低碳马氏体型钢。低碳索氏体型及低碳马氏体型钢。Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢马氏体双相钢l主要是适当主要是适当降低钢的含碳量以改善韧性降低钢的含碳量以改善韧性，由，由此造成的此造成的强度损失可由加入合金元素通过控强度损失可由加入合金元素通过控制轧制和控制冷却后形成低碳贝氏体或马氏制轧制和控制冷却后形成低碳贝氏体或马氏体的相变强化的方法得到补偿体的相变强化的方法得到补偿。l配合配合加入微合金化元素加入微合金化元素，如铌以细化晶粒并，如铌
35、以细化晶粒并进一步提高韧性。进一步提高韧性。 Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢马氏体双相钢一、低碳贝氏体型钢一、低碳贝氏体型钢贝氏体钢的发展过程贝氏体钢的发展过程l20 世纪世纪 20 年代，年代， Robertson 首先发现钢的首先发现钢的中温转变产物，随后中温转变产物，随后 Devenport 和和 Bain 等等人对这种组织进行了大量细致的研究，直人对这种组织进行了大量细致的研究，直到到 1934 年年 “ 贝氏体贝氏体 ” 术语的提出，贝氏术语的提出，贝氏体结
36、构及其相变机制一直是人们研究的重体结构及其相变机制一直是人们研究的重点。点。2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢马氏体双相钢Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢l由于贝氏体转变的温度范围界于珠光体与由于贝氏体转变的温度范围界于珠光体与马氏体之间，相应地贝氏体组织兼备了高马氏体之间，相应地贝氏体组织兼备了高温转变产物的塑韧性和低温转变的强度，温转变产物的塑韧性和低温转变的强度，具有良好的强韧性配合，从而引起人们的具有良好的强韧性配合，从而引起人们的极大关注。极大关注。l但早期的贝氏体钢一般是通过等温淬火工但早期
37、的贝氏体钢一般是通过等温淬火工艺获得，由于工艺复杂使其大规模生产应艺获得，由于工艺复杂使其大规模生产应用受到限制。用受到限制。 2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢马氏体双相钢Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢l20 世纪世纪 50 年代末期，英国的年代末期，英国的 Irvine 和和 Pickering 等人率先发明了具有高的贝氏体淬等人率先发明了具有高的贝氏体淬透性透性 Mo-B 系贝氏体钢，通过系贝氏体钢，通过 Mo 、 W 、 B 等元素的加入使一定尺寸的工件在空冷条件下等元素的加入使一定尺寸的工件
38、在空冷条件下即可得到以贝氏体为主的组织，从而实现了贝即可得到以贝氏体为主的组织，从而实现了贝氏体钢生产的工艺变革：尽管氏体钢生产的工艺变革：尽管 Mo 的价格较高，的价格较高，而且为了降低贝氏体转变起始温度（而且为了降低贝氏体转变起始温度（ BS ），），改善强韧性，还须添加其他合金元素复合金化，改善强韧性，还须添加其他合金元素复合金化，致使钢的成本进一步增加，但是致使钢的成本进一步增加，但是 Mo-B 系贝氏系贝氏体钢还是得到了一定的发展。体钢还是得到了一定的发展。 2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢马氏体双相钢Chapter
39、2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢l20 世纪世纪 70 年代，方鸿生教授等人的研究年代，方鸿生教授等人的研究发现：发现： Mn 在一定含量时，使钢的在一定含量时，使钢的 C 曲线曲线形状发生变化。形状发生变化。u Mn 在过冷奥氏体转变中具有特殊的再分在过冷奥氏体转变中具有特殊的再分配规律。对配规律。对 Mn-B 钢中钢中 Mn 富集因子的实验富集因子的实验结果表明在结果表明在600 左右的温度区间内，左右的温度区间内， Mn 在在 和和 两相中的浓度无明显区别，而在两相中的浓度无明显区别，而在/ 界界面富集程度很大。界界面富集程度很大。Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程
40、构件用合金结构钢2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢马氏体双相钢uMn在相界面的浓度峰势必对界面迁移产在相界面的浓度峰势必对界面迁移产生钉扎作用即生钉扎作用即溶质拖曳作用溶质拖曳作用，使铁素体生长，使铁素体生长显著推迟。显著推迟。u此外，此外，Mn 在相界面的富集也降低了相界在相界面的富集也降低了相界附近奥氏体基体内碳的活度及活度梯度附近奥氏体基体内碳的活度及活度梯度 ，导，导致碳在奥氏体中扩散速度降低，此即所谓致碳在奥氏体中扩散速度降低，此即所谓溶溶质类拖曳作用质类拖曳作用，进一步抑制了铁素体生长。，进一步抑制了铁素体生长。 Ch
41、apter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢马氏体双相钢l由于溶质拖曳和类由于溶质拖曳和类拖曳作用，导致该拖曳作用，导致该合金的合金的转变曲转变曲线在线在 600 左右出左右出现现“河湾河湾”形状。形状。 此拖曳作用还显著此拖曳作用还显著降低贝氏体相变驱降低贝氏体相变驱动力及贝氏体相变动力及贝氏体相变温度，细化贝氏体温度，细化贝氏体尺寸。尺寸。Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体
42、-马氏体双相钢马氏体双相钢低碳贝氏体型钢的组织和成分低碳贝氏体型钢的组织和成分l低碳贝氏体钢在轧制或正火后控制冷却，低碳贝氏体钢在轧制或正火后控制冷却，直接得到直接得到低碳贝氏体组织。低碳贝氏体组织。l与相同碳含量的铁素体与相同碳含量的铁素体-珠光体组织钢相珠光体组织钢相比具有更高的强度和良好的韧性。利用贝比具有更高的强度和良好的韧性。利用贝氏体相变强化，钢的屈服强度可达到氏体相变强化，钢的屈服强度可达到490MPa 780MPa。2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢马氏体双相钢Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金
43、结构钢l低碳贝氏体钢的化学成分低碳贝氏体钢的化学成分:lw(C)=0.10%0.20%，lw(Mo)=0.30%0.60%，lw(Mn)=0.60%1.60%，lw(B)=0.001%0.005%，lw(V)=0.04%0.10%，lw(Nb)或或w(Ti)=0.010% 0.06%，l并经常加并经常加w(Cr)=0.4%0.7%。2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢马氏体双相钢Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢低碳贝氏体型钢低碳贝氏体型钢中的合金化中的合金化:l主加合金元素主加合金元素钼钼和和硼硼是能显著
44、推是能显著推迟先共析铁素体迟先共析铁素体和珠光体转变，和珠光体转变，而对贝氏体转变而对贝氏体转变推迟较少。推迟较少。2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢马氏体双相钢Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢图图2-7 低碳钼钢和钼硼钢的过低碳钼钢和钼硼钢的过冷奥氏体恒温转变开始曲线冷奥氏体恒温转变开始曲线 l再加入再加入锰、铬、镍锰、铬、镍等元素，进一步推迟先等元素，进一步推迟先共析铁素体和珠光体转变，共析铁素体和珠光体转变，并使并使BS点下降，点下降，以获得下贝氏体组织以获得下贝氏体组织。l通过微合金化，充分发挥
45、通过微合金化，充分发挥铌、钛、钒铌、钛、钒的细的细化晶粒和沉淀强化的作用。化晶粒和沉淀强化的作用。2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢马氏体双相钢Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢典型的低碳贝氏体型钢典型的低碳贝氏体型钢:l14MnMoV和和14MnMoVBRE钢是我国发展钢是我国发展的典型的低碳贝氏体型钢，其屈服强度为的典型的低碳贝氏体型钢，其屈服强度为490 MPa级。主要用于制造容器的板材和级。主要用于制造容器的板材和其它钢结构。板厚小于其它钢结构。板厚小于14mm时，在热轧态时，在热轧态即可得到贝氏
46、体；板厚大于即可得到贝氏体；板厚大于14mm时，需要时，需要正火处理。正火处理。2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢马氏体双相钢Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢l为了提高钢的室温和低温韧性，改善焊接为了提高钢的室温和低温韧性，改善焊接性，发展了性，发展了超低碳贝氏体钢超低碳贝氏体钢，钢的含碳量，钢的含碳量降低到降低到w(C)=0.02%，并加入，并加入w(Ti)=0.01%使之成为使之成为Mn-Mo-Nb-Ti-B超低碳贝氏体型超低碳贝氏体型钢。通过控制轧制和控制冷却可以得到高钢。通过控制轧制和控制冷却可
47、以得到高位错密度的细小贝氏体组织。这种钢可在位错密度的细小贝氏体组织。这种钢可在0以下温度条件下服役。以下温度条件下服役。 2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢马氏体双相钢Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢l方鸿生教授等人研究的方鸿生教授等人研究的Mn系及系及Mn-B系贝系贝氏体钢：氏体钢：n突破了为获空冷贝氏体必须加昂贵突破了为获空冷贝氏体必须加昂贵 Mo 、 W 的传统成分设计思路。的传统成分设计思路。 Mn 原料的价格原料的价格约为约为 Mo 的的 1/50 。n高的贝氏体空冷淬透性和较低的贝氏体转高
48、的贝氏体空冷淬透性和较低的贝氏体转变起始温度（变起始温度（ Bs ），有利于大件实现空冷），有利于大件实现空冷自硬，且具备足够的韧性；自硬，且具备足够的韧性； Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢马氏体双相钢n无需添加多量合金元素进行复合金化，成无需添加多量合金元素进行复合金化，成分简单，成本低；分简单，成本低；n摒弃了摒弃了 Mo-B 系贝氏体钢限于低碳为主的系贝氏体钢限于低碳为主的传统，设计出不同性能、用途的中高碳、传统，设计出不同性能、用途的中高碳、中碳中碳 Mn 系
49、贝氏体体钢系列钢种，该钢免系贝氏体体钢系列钢种，该钢免除了淬火或淬回火工序，降低了淬火过程除了淬火或淬回火工序，降低了淬火过程中产生的变形，开裂，氧化和脱碳倾向；中产生的变形，开裂，氧化和脱碳倾向；n有效地缩短了工艺流程并节省能源，因此有效地缩短了工艺流程并节省能源，因此近年来已在我国多个产品中得到应用。近年来已在我国多个产品中得到应用。Chapter 2 工程构件用合金结构钢工程构件用合金结构钢2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢及铁素体-马氏体双相钢马氏体双相钢二、针状铁素体型钢二、针状铁素体型钢针状铁素体钢是钢材在控制轧制后空冷过针状铁素体钢是钢材
50、在控制轧制后空冷过程中程中通过切变和扩散相变通过切变和扩散相变形成由位错列阵形成由位错列阵和位错胞组成的非等轴铁素体钢。相变开和位错胞组成的非等轴铁素体钢。相变开始发生在较上贝氏体为高的温度范围里，始发生在较上贝氏体为高的温度范围里，反映在连续冷却转变图上，贝氏体区被铁反映在连续冷却转变图上，贝氏体区被铁素体区所掩盖。这类钢的素体区所掩盖。这类钢的显微组织是显微组织是低碳低碳或超低碳的针状铁素体，与低碳贝氏体很或超低碳的针状铁素体，与低碳贝氏体很相似，但由于含相似，但由于含C量极低，故铁素体板条的量极低，故铁素体板条的相界上不存在碳化物。相界上不存在碳化物。 2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体
