1、2022-8-171第二章第二章 工程构件用钢工程构件用钢 2022-8-172主要内容主要内容2.1 构件用钢的力学性能特点构件用钢的力学性能特点2.2 构件用钢的工艺性能构件用钢的工艺性能2.3 构件用钢耐大气腐蚀性能构件用钢耐大气腐蚀性能2.4 碳素构件用钢碳素构件用钢2.5 低合金高强度钢低合金高强度钢2.6 微合金化低合金高强度钢微合金化低合金高强度钢2022-8-173概概 述述 构件用钢构件用钢指用于制造各种大型金属结构指用于制造各种大型金属结构(如桥梁、船舶、屋架、锅炉及压力容器如桥梁、船舶、屋架、锅炉及压力容器等等)的钢材，又称为工程用钢。的钢材，又称为工程用钢。建筑构件钢桥
2、梁大桥大桥船舶船舶屋架屋架压力容器压力容器尼米兹核动力航母001 钢制桥梁压力容器 工程结构钢包括工程结构钢包括碳素钢碳素钢和和低合金高强度钢低合金高强度钢。低合金高强度钢是指在碳含量低于低合金高强度钢是指在碳含量低于0.25%0.25%（质（质量分数，下同）的普通碳素钢的基础上，通过添量分数，下同）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（加一种或多种少量合金元素（低于低于3%3%），使钢的），使钢的强度明显高于碳素钢的一类工程结构用钢，统称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。低合金高强度钢。一一工程构件用钢工作条件特点工程构件用钢工作条件特点1 长时间承受
3、静载荷；长时间承受静载荷；2 有一定温度要求，如锅炉构件，寒冷地区构件等；有一定温度要求，如锅炉构件，寒冷地区构件等；3 长时间在大气环境中服役，有的还与海水或淡水接触；长时间在大气环境中服役，有的还与海水或淡水接触；4 构件加工往往需要冷变形和焊接。构件加工往往需要冷变形和焊接。二、二、工程构件用钢性能要求工程构件用钢性能要求1 一定的综合力学性能；一定的综合力学性能；2 耐大气腐蚀和海水腐蚀性能好，有的还需好的耐高温耐大气腐蚀和海水腐蚀性能好，有的还需好的耐高温 腐蚀性能；腐蚀性能；3良好的工艺性能，即冷变形及焊接性能好良好的工艺性能，即冷变形及焊接性能好。2022-8-179l构件用钢以
4、工艺性能为主，力学性能为辅。构件用钢以工艺性能为主，力学性能为辅。l成分成分:低碳低碳(0.2%)0.2%)l基体组织：大量的铁素体和少量的珠光体。基体组织：大量的铁素体和少量的珠光体。l性能特点：性能特点：屈服、冷脆及时效屈服、冷脆及时效等现象。等现象。l使用状态使用状态：热轧空冷热轧空冷(正火正火)，有时，有时也在回也在回火状态下使用火状态下使用。2022-8-17102.1 构件用钢的力学性能特点构件用钢的力学性能特点 力学性能三大特点：力学性能三大特点：屈服现象屈服现象 冷脆现象冷脆现象 时效现象时效现象 2022-8-1711一、构件用钢的屈服现象一、构件用钢的屈服现象 屈服现象是低
5、碳钢所具有的力学行为特点屈服现象是低碳钢所具有的力学行为特点之一，主要表现在两方面：之一，主要表现在两方面：(1)(1)拉伸曲线上出现拉伸曲线上出现屈服齿与屈服平台屈服齿与屈服平台。(2)(2)在屈服过程中试件的在屈服过程中试件的塑性变形分布是宏塑性变形分布是宏 观不均匀观不均匀的。的。弹性阶段弹性阶段弹性极限弹性极限 p屈服阶段屈服阶段屈服点屈服点 s强化阶段强化阶段强度极限强度极限 b颈缩阶段颈缩阶段2022-8-1713屈服现象的危害及消除屈服现象的危害及消除 表现形式：屈服变形集中在局部地区少数表现形式：屈服变形集中在局部地区少数滑移带上，引起滑移台阶高度增大，使试样滑移带上，引起滑移
6、台阶高度增大，使试样表面有明显表面有明显滑移线滑移线，表面出现皱折表面出现皱折。屈服现。屈服现象有时会影响构件象有时会影响构件(如汽车蒙皮如汽车蒙皮)的表面质量。的表面质量。一些冷轧钢板在冲压前表面质量很好，但一些冷轧钢板在冲压前表面质量很好，但冲压后却在某些部分形成皱折，这是一种水冲压后却在某些部分形成皱折，这是一种水波纹状的表面缺陷，称为波纹状的表面缺陷，称为滑移线滑移线。2022-8-1714滑移线的出现破坏了构件的外观，甚至在滑移线的出现破坏了构件的外观，甚至在涂漆以后仍然可以看出，故必须消除。涂漆以后仍然可以看出，故必须消除。消除的办法消除的办法是对于一些冲压用的钢板是对于一些冲压用
7、的钢板退退火火后，进行变形量约为后，进行变形量约为0.80.81 1.5.5的的冷冷轧轧，即，即平整加工平整加工。其目的是使钢板的屈服。其目的是使钢板的屈服在冷轧过程中完成，使钢板处于正常的加在冷轧过程中完成，使钢板处于正常的加工硬化状态，从而在以后的冲压过程中变工硬化状态，从而在以后的冲压过程中变形均匀，以免出现皱折。形均匀，以免出现皱折。2022-8-1715屈服现象的产生原因屈服现象的产生原因：一般认为，钢中一般认为，钢中C、N原子与位错原子与位错相互作用产生的相互作用产生的“柯氏气团柯氏气团”有关。有关。2022-8-1716二、构件用钢的冷脆现象二、构件用钢的冷脆现象 冷脆现象：冷脆
8、现象：随着试验温度的降低，构件用钢的屈服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。渡到宏观脆性破坏，这种现象称为冷脆。构件生产及使用过程中，往往存在着尖锐的缺口，构件生产及使用过程中，往往存在着尖锐的缺口，甚至裂缝。带有尖锐缺口或裂缝的构件，上述断裂甚至裂缝。带有尖锐缺口或裂缝的构件，上述断裂形式的过渡可能在一般的气温条件下即能产生，而形式的过渡可能在一般的气温条件下即能产生，而且其断裂应力往往低于室温下的屈服极限且其断裂应力往往低于室温下的屈服极限。2022-8-1717 评定
9、指标：评定指标：冷脆转变温度，又称脆性转折温度。冷脆转变温度，又称脆性转折温度。是组织敏感的参数。是组织敏感的参数。晶体结构、强度、合金元素晶体结构、强度、合金元素及晶粒大小等均有影响及晶粒大小等均有影响。变形速度、试件尺寸、。变形速度、试件尺寸、应力状态及缺口形式等也有一定的影响。应力状态及缺口形式等也有一定的影响。实际意义：实际意义：构件用钢在构件用钢在常温常温拉伸时能表现出很好的极限塑性，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因此曾经认为按照钢材的屈服点屈服点设计的各种构件设计的各种构件是安全的。是安全的。但在生产实际中，一系列低碳构件但在生产实际中，一系列低碳构件(船舶、
10、桥梁、船舶、桥梁、容器等容器等)在在较低使用温度较低使用温度下发生的引起严重后果下发生的引起严重后果的冷脆事故，使人们认识到只根据的冷脆事故，使人们认识到只根据常规拉伸性能常规拉伸性能数据数据还不能全面评价构件用钢的性能。还不能全面评价构件用钢的性能。2022-8-1718 冷脆的防止冷脆的防止：1 1.合金元素可使脆性转折温度下降。如合金元素可使脆性转折温度下降。如NiNi、MnMn、AlAl等使之下降，而等使之下降，而C C、SiSi使之使之上升上升 2 2.细化晶粒细化晶粒 3 3.更换基体材料更换基体材料 2022-8-1719三、构件用钢的应变时效、淬火三、构件用钢的应变时效、淬火
11、时效及蓝脆时效及蓝脆 时效：时效：构件用钢加热到构件用钢加热到Ac1Ac1以上进行淬火以上进行淬火(快冷快冷)或经塑性变形后，在放置过程中，钢的力学性或经塑性变形后，在放置过程中，钢的力学性能和物理性能将随时间而变化。通常能和物理性能将随时间而变化。通常强度、硬强度、硬度增高，塑性、韧性下降度增高，塑性、韧性下降，并提高钢的脆性转并提高钢的脆性转折温度，折温度，这种现象称为时效。这种现象称为时效。塑性变形后的时效称为应变时效；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；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；在一般气候条件下的时效称为自然时效；在较高温度下进行
12、的时效称为人工时效在较高温度下进行的时效称为人工时效。2022-8-1720 时效的危害：时效的危害：对塑性变形：对塑性变形：应变时效一般应视为一种不利的现象。在生产中的弯角、卷应变时效一般应视为一种不利的现象。在生产中的弯角、卷边、冲孔、剪裁等过程中产生边、冲孔、剪裁等过程中产生局部塑性变形局部塑性变形的工艺操作，由的工艺操作，由于于应变时效应变时效会使局部地区的断裂抗力降低，增加构件脆断的会使局部地区的断裂抗力降低，增加构件脆断的危险性危险性。应变时效还给。应变时效还给冷变形工艺冷变形工艺造成困难，裁剪下的毛坯造成困难，裁剪下的毛坯如过一段时间再进行下道冷变形工序，往往因为裁剪边出现如过一
13、段时间再进行下道冷变形工序，往往因为裁剪边出现裂缝而报废裂缝而报废。对焊接成型：对焊接成型：焊接构件焊接构件热影响区热影响区的温度可以达到淬火以上温度而产生的温度可以达到淬火以上温度而产生淬火淬火时效时效。此时，钢的显微组织没有明显变化，但其。此时，钢的显微组织没有明显变化，但其力学性能也力学性能也发生类似于应变时效的变化发生类似于应变时效的变化。2022-8-1721蓝脆现象蓝脆现象n 低碳钢在低碳钢在300300400400的温度范围内却出现反常的的温度范围内却出现反常的抗拉强抗拉强度、硬度升高，而延伸率、断面收缩率下降度、硬度升高，而延伸率、断面收缩率下降的现象。的现象。n 钢表面有蓝色
14、氧化膜，故称为蓝脆。钢表面有蓝色氧化膜，故称为蓝脆。n 蓝脆现象是由于蓝脆现象是由于塑变时位错运动速度与该温度下固溶的塑变时位错运动速度与该温度下固溶的C C、N N原子的移动速度几乎相等造成的原子的移动速度几乎相等造成的，所以应变时效与塑性，所以应变时效与塑性变形同时发生。变形同时发生。2022-8-17222.2 2.2 构件用钢的工艺性能构件用钢的工艺性能 一、冷变形性能一、冷变形性能二、焊接性能二、焊接性能2022-8-1723一、构件用钢的冷变形性能一、构件用钢的冷变形性能 钢材的冷变形性能包括三个方面：钢材的冷变形性能包括三个方面：钢材的钢材的变形抗力变形抗力，它决定钢材制成必要形
15、状，它决定钢材制成必要形状的部件的难易程度；的部件的难易程度；钢材在承受一定量的塑性变形时钢材在承受一定量的塑性变形时产生开裂或产生开裂或其它缺陷的可能性其它缺陷的可能性；钢材在冷变形后钢材在冷变形后性能的变化性能的变化，即危害性或可，即危害性或可利用性。利用性。2022-8-1724影响因素：影响因素：含碳量影响最大含碳量影响最大，含碳量增高，钢中的，含碳量增高，钢中的珠光体量增多，珠光体量增多，塑变抗力增高塑变抗力增高，而塑性，而塑性降低，变形时降低，变形时开裂的倾向性增大开裂的倾向性增大。含含硫硫量增高，钢中的量增高，钢中的MnSMnS夹杂物增多，也夹杂物增多，也使钢材变形开裂的倾向增大
16、，并使轧制使钢材变形开裂的倾向增大，并使轧制钢板纵向及横向的塑性不同。钢材易于钢板纵向及横向的塑性不同。钢材易于沿着呈条状分布的硫化物夹杂发生开裂沿着呈条状分布的硫化物夹杂发生开裂或分层或分层。2022-8-1725 磷有强烈的偏析倾向磷有强烈的偏析倾向，含磷较高的钢板，含磷较高的钢板带状组织带状组织比较严重，其性能也有明显的比较严重，其性能也有明显的方向性。方向性。钢材钢材表面质量表面质量也影响冷变形性能，表面也影响冷变形性能，表面上的裂缝、结疤、折叠、划痕等缺陷，上的裂缝、结疤、折叠、划痕等缺陷，往往是冷变形开裂的根源。往往是冷变形开裂的根源。2022-8-1726二、构件用钢的焊接性能二
17、、构件用钢的焊接性能 焊接性能也是很重要的工艺性焊接性能也是很重要的工艺性能，特别是近年来，随着断裂力能，特别是近年来，随着断裂力学的发展，人们对焊接性能的重学的发展，人们对焊接性能的重要性更为重视。要性更为重视。2022-8-1727 焊接材料总是不均质的焊接材料总是不均质的：金属在焊接过程中，其焊缝区、半熔化区及金属在焊接过程中，其焊缝区、半熔化区及热影响区发生小范围的复杂热影响区发生小范围的复杂冶金过程、熔化过冶金过程、熔化过程及热处理过程，使各处形成程及热处理过程，使各处形成不同的组织不同的组织；由于热循环及组织变化，产生一定的焊接由于热循环及组织变化，产生一定的焊接残残余应力余应力；
18、焊接过程可能产生未焊透、气泡、夹渣、裂焊接过程可能产生未焊透、气泡、夹渣、裂纹等纹等缺陷缺陷。这些复杂的变化必然会影响整个构。这些复杂的变化必然会影响整个构件的承载能力和使用寿命。件的承载能力和使用寿命。2022-8-1728 影响焊接质量的因素：影响焊接质量的因素：构件的结构及焊接工艺构件的结构及焊接工艺材料的焊接性能材料的焊接性能钢材的化学成分钢材的化学成分焊接时形成的组织焊接时形成的组织2022-8-1729 （1 1）马氏体转变脆性）马氏体转变脆性 （2 2）过热及过烧脆性）过热及过烧脆性 （3 3）凝固脆性）凝固脆性 （4 4）热影响区的时效脆性）热影响区的时效脆性由于钢材化学成分和
19、组织的变化而导致由于钢材化学成分和组织的变化而导致焊接构件脆断趋势增加的现象称为焊接构件脆断趋势增加的现象称为焊接焊接脆性。脆性。2022-8-1730（1 1）马氏体转变脆性）马氏体转变脆性 是焊接时造成冷裂纹的主要原因之一。是焊接时造成冷裂纹的主要原因之一。马氏体的形成取决于钢材的淬透性马氏体的形成取决于钢材的淬透性。碳碳是显著增加钢材是显著增加钢材淬透性淬透性的元素，且还增的元素，且还增大马氏体的延迟断裂倾向，因此在一般碳素构大马氏体的延迟断裂倾向，因此在一般碳素构件用钢中应将含碳量控制在件用钢中应将含碳量控制在0.250.25以下，在普以下，在普通低合金构件用钢中一般不超过通低合金构件
20、用钢中一般不超过0.20.2。很多很多合金元素合金元素都会增加钢的都会增加钢的淬透性淬透性，对焊，对焊接性能不利，故对其含量也应加以控制。接性能不利，故对其含量也应加以控制。2022-8-1731 碳及合金元素还会降低钢的碳及合金元素还会降低钢的MsMs点点，这也，这也是不利的。是不利的。MsMs点最好不低于点最好不低于300300。这。这是因为在热影响区虽有马氏体转变，但是因为在热影响区虽有马氏体转变，但 MsMs点高于点高于300300时可产生时可产生“自回火自回火”现象，现象，从而减少了开裂的倾向。从而减少了开裂的倾向。2022-8-1732(2)(2)过烧脆性过烧脆性产生在紧靠熔合线的
21、热影响区。产生在紧靠熔合线的热影响区。防止方法防止方法:限制钢的含限制钢的含碳碳量，或者向钢中加少量，或者向钢中加少量稀土元素量稀土元素(如铈如铈)以固定硫。以固定硫。稀土稀土硫化物可以硫化物可以降低钢对过烧脆性的敏感性。降低钢对过烧脆性的敏感性。过热脆性过热脆性易产生在离熔合线较远的热影响区，易产生在离熔合线较远的热影响区，可降低钢的塑性，增加冷脆倾向性可降低钢的塑性，增加冷脆倾向性。向钢中加。向钢中加入少量入少量MoMo、V V、TiTi、NbNb等强碳化物形成元素时，等强碳化物形成元素时，可阻止晶粒长大，并减小过热敏感性。可阻止晶粒长大，并减小过热敏感性。2022-8-1733（3 3）
22、凝固脆性凝固脆性一般以一般以热裂纹热裂纹的形式表现出的形式表现出来。来。l 引起凝固脆性的主要元素是引起凝固脆性的主要元素是S S、P P、SiSi等，等，C C、NiNi、CuCu也有促进作用。也有促进作用。l 减小凝固脆性元素：减小凝固脆性元素：TiTi、ZrZr或或CeCe能形成能形成球状的硫化物并提高其熔点。球状的硫化物并提高其熔点。2022-8-1734 （4 4）热影响区的时效脆性热影响区的时效脆性也可能成为构件用钢也可能成为构件用钢在使用过程中的开裂源，必须充分注意。为此，在使用过程中的开裂源，必须充分注意。为此，向钢中加入向钢中加入AlAl、V V、TiTi、NbNb等元素，以
23、抑制时等元素，以抑制时效敏感性。效敏感性。综上所述，焊接会带来很多综上所述，焊接会带来很多缺陷或脆性缺陷或脆性而使构而使构件的承载能力降低，因此必须改善焊接性能。件的承载能力降低，因此必须改善焊接性能。钢中的碳及合金元素都易使焊接性能下降，这钢中的碳及合金元素都易使焊接性能下降，这便是要求便是要求构件一般应为低碳、低合金构件一般应为低碳、低合金的主要原的主要原因之一。因之一。2022-8-17352.3 构件用钢耐大气腐蚀性能构件用钢耐大气腐蚀性能 使用环境易被腐蚀使用环境易被腐蚀 保护措施较差保护措施较差 用量大用量大尼米兹核动力航母001 2022-8-1736一、大气腐蚀过程一、大气腐蚀
24、过程 电化学腐蚀过程形成原电池电化学腐蚀过程形成原电池构件用钢在大气中的腐蚀又与一般的原电构件用钢在大气中的腐蚀又与一般的原电池腐蚀有所不同。池腐蚀有所不同。2022-8-1737 微电池微电池现象是指在一块钢板里构成有许多个微小现象是指在一块钢板里构成有许多个微小的原电池，从而引起钢板腐蚀的现象。的原电池，从而引起钢板腐蚀的现象。2022-8-1738例如碳钢在水中的电化学过程便形成腐蚀，因为例如碳钢在水中的电化学过程便形成腐蚀，因为钢中铁素体的电极电位低于渗碳体的电极电位，钢中铁素体的电极电位低于渗碳体的电极电位，铁素体构成微电池的阳极，渗碳体为阴极。阳极铁素体构成微电池的阳极，渗碳体为阴
25、极。阳极是溶解极：是溶解极：2Fe2Fe2Fe2Fe2+2+4e+4e。电子向阴极。电子向阴极FeFe3 3C C移动移动，与介质中的，与介质中的O O2 2和和H H2 2O O作用形成氢氧离子，即作用形成氢氧离子，即4e+2H4e+2H2 2O+OO+O2 24OH4OH。FeFe2+2+在介质中与在介质中与OHOH相遇又形相遇又形成成 F e(O H)F e(O H)2 2，即 整 个 过 程 为，即 整 个 过 程 为2Fe+O2Fe+O2 2+2H+2H2 2O2Fe(OH)O2Fe(OH)2 2，这样钢铁在水中不断得这样钢铁在水中不断得到腐蚀。合金中各种元素或组织在电解质中会构到腐
26、蚀。合金中各种元素或组织在电解质中会构成多电极的微电池电化学腐蚀。成多电极的微电池电化学腐蚀。2022-8-1739二、提高构件用钢耐大气腐蚀的途径二、提高构件用钢耐大气腐蚀的途径 1.1.减少微电池数量（低碳）减少微电池数量（低碳）2.2.提高基体的电极电位（高成本）提高基体的电极电位（高成本）3.3.利用钝化效应（利用钝化效应（CuCu与与P P复合）复合）2022-8-1740 1.1.减少微电池数量减少微电池数量 微电池数量越多，则腐蚀速度越快，微电池数量越多，则腐蚀速度越快，故为了减慢腐蚀速度，应减少微电池数故为了减慢腐蚀速度，应减少微电池数目。目。C C与与S S含量增多时，会使第
27、二相质点含量增多时，会使第二相质点(碳化物与硫化物碳化物与硫化物)数量增多，从而导致数量增多，从而导致腐蚀速度加快。腐蚀速度加快。所以应对构件用钢的含碳量和含硫所以应对构件用钢的含碳量和含硫量加以限制。这也是要求构件用钢应是量加以限制。这也是要求构件用钢应是低碳钢低碳钢的重要原因之一。的重要原因之一。2022-8-17412.2.提高基体的电极电位提高基体的电极电位 基体与第二相的电极电位差越大，则腐蚀基体与第二相的电极电位差越大，则腐蚀速度越快。为了减慢腐蚀速度，应力求提高基速度越快。为了减慢腐蚀速度，应力求提高基体的电极电位，以抑制阳极反应。从这一角度体的电极电位，以抑制阳极反应。从这一角
28、度出发，可向钢中加入能出发，可向钢中加入能与与-Fe-Fe形成固溶体并形成固溶体并能提高其电极电位的合金元素能提高其电极电位的合金元素(例如例如CrCr、NiNi、TiTi等元素）。但这种办法的缺点是提高了钢的等元素）。但这种办法的缺点是提高了钢的成本。成本。2022-8-17423.3.利用钝化效应利用钝化效应 钝化效应是指通过改变钢表面状态而造成基钝化效应是指通过改变钢表面状态而造成基体金属表面部分电极电位升高的现象。最常采用体金属表面部分电极电位升高的现象。最常采用的钝化措施是在的钝化措施是在金属表面形成一层致密的氧化膜金属表面形成一层致密的氧化膜。这种氧化膜使钢的表面与电介质隔开，从而
29、使阳这种氧化膜使钢的表面与电介质隔开，从而使阳极反应受到阻碍。一般认为极反应受到阻碍。一般认为CrCr是最有效的钝化元是最有效的钝化元素素，但成本较高，发展量大面广的构件用钢不宜，但成本较高，发展量大面广的构件用钢不宜走这一条路。走这一条路。2022-8-1743 CuCu含量达到一定数量时，可以促进钝化效含量达到一定数量时，可以促进钝化效应。应。原因：原因：在室温下在室温下CuCu在在-Fe-Fe中的溶解度较小，中的溶解度较小，约为约为0.2%0.2%时，便有时，便有CuCu原子以游离状态在钢的表原子以游离状态在钢的表面析出，形成均匀、弥散分布的富面析出，形成均匀、弥散分布的富CuCu相相。
30、CuCu的的电极电位比较高电极电位比较高，这样就增加了微电池的阴极，这样就增加了微电池的阴极接点，弥散均匀分布的接点，弥散均匀分布的CuCu阴极接点有利于迅速阴极接点有利于迅速在构件用钢表面上形成一层比较致密的氧化膜在构件用钢表面上形成一层比较致密的氧化膜而产生钝化作用。而产生钝化作用。2022-8-1744 少量的少量的铜铜(0.20.2）溶入）溶入-Fe-Fe中提高中提高-Fe-Fe的的电极电位，也有利于提高抗蚀性电极电位，也有利于提高抗蚀性。0.1%0.1%0.15%0.15%的的CuCu便可使腐蚀速度显著下降。便可使腐蚀速度显著下降。达到达到0.25%0.25%左右，则抗蚀性可提高左右
31、，则抗蚀性可提高l l倍以上。倍以上。Cu Cu含量过高含量过高(如如CuCu0.5%)0.5%)易使钢产生热脆现易使钢产生热脆现象。象。通常在耐大气腐蚀用钢中通常在耐大气腐蚀用钢中CuCu含量在含量在0.2%0.2%0.5%0.5%，特 别 是特 别 是 C uC u 与与 P P 复 合 存 在 时 效 果 更 好，以复 合 存 在 时 效 果 更 好，以P0.1%+Cu0.3%P0.1%+Cu0.3%效果最佳效果最佳。值得注意的是。值得注意的是P P含量含量过高会增加钢的脆性，应加以控制。过高会增加钢的脆性，应加以控制。工程结构钢包括工程结构钢包括碳素钢碳素钢和和低合金高强度钢低合金高强
32、度钢。低合金高强度钢是指在碳含量低于低合金高强度钢是指在碳含量低于0.25%0.25%（质（质量分数，下同）的普通碳素钢的基础上，通过添量分数，下同）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（加一种或多种少量合金元素（低于低于3%3%），使钢的），使钢的强度明显高于碳素钢的一类工程结构用钢，统称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。低合金高强度钢。2022-8-17462.4 碳素构件用钢碳素构件用钢l 碳素构件用钢又称普碳钢，其产量约占钢总产碳素构件用钢又称普碳钢，其产量约占钢总产量的量的70%70%80%80%，其中大部分用作钢的结构件，其中大部分用作钢的结
33、构件，少量用作机器零件。少量用作机器零件。l 由于普碳钢易于冶炼，价格低廉，性能也基本由于普碳钢易于冶炼，价格低廉，性能也基本满足了一般构件的要求，所以工程上用量很大。满足了一般构件的要求，所以工程上用量很大。l 普碳钢常以热轧状态供货，一般不经热处理强普碳钢常以热轧状态供货，一般不经热处理强化。为了满足工艺性能和使用性能的要求，其化。为了满足工艺性能和使用性能的要求，其含碳量一般小于含碳量一般小于0.2%0.2%。471、碳素工程结构钢的分类、成分及性能特点、碳素工程结构钢的分类、成分及性能特点 1)1)编号编号 Q Q屈服点质量等级脱氧屈服点质量等级脱氧 Q Q：表示屈服强度：表示屈服强度
34、 屈服点：分为屈服点：分为5 5个等级：个等级：195195，215215，235235，255255，275275（MPaMPa）2022-8-1748 等级符号是指这类钢所独用的质量等级符号等级符号是指这类钢所独用的质量等级符号。也是按。也是按S、P杂质多少来分。以杂质多少来分。以A、B、C、D四个符号代表四个等级。四个符号代表四个等级。A级级 ws0.05，wp0.045 B级级 ws0.045，wp0.045 C级级 ws0.04，wp0.04 D级级 ws0.035，wp0.035492)2)特点：特点：(1)(1)碳含量较低。碳含量较低。0.06-0.38%C0.06-0.38%C
35、(2)(2)热轧态供货，不需热处理，组织为热轧态供货，不需热处理，组织为F FP P。(3)S(3)S，P P含量随质量等级提高而减少。含量随质量等级提高而减少。3)3)用途用途 主要用于工程结构钢。主要用于工程结构钢。产量大。产量大。2、常用碳素工程结构用钢、常用碳素工程结构用钢3）Q235 C量适中，是最通用的工程构件用钢之一，具有量适中，是最通用的工程构件用钢之一，具有 一定的强度、塑性及良好的焊接性；一定的强度、塑性及良好的焊接性；5）Q275 C、Si、Mn含量较高，具有较高的强度及硬度含量较高，具有较高的强度及硬度 较好的塑性及耐磨性，而塑性较低。较好的塑性及耐磨性，而塑性较低。4
36、）Q255 良好的强度、塑韧性、焊接性及冷热压力加工。良好的强度、塑韧性、焊接性及冷热压力加工。2）Q215 C、Mn含量低，强度不高，塑韧性好，同时具含量低，强度不高，塑韧性好，同时具有良好的焊接性能及工艺成型性。有良好的焊接性能及工艺成型性。1）Q195 C、Mn含量低，强度不高，塑韧性高；含量低，强度不高，塑韧性高；2022-8-1751 碳素结构钢的牌号和化学成分碳素结构钢的牌号和化学成分(GB/T700-1988)牌号等级化学成分脱氧方法w(C)%w(Mn)%w(Si)%w(S)%w(P)%不大于Q1950.06-0.120.25-0.500.300.0500.045F,b,ZQ21
37、5A/B0.09-0.150.25-0.550.300.050/0.0450.045F,b,Z Q235 A0.14-0.220.30-0.650.300.0500.045F,b,ZB0.12-0.200.30-0.700.300.0450.045F,b,ZC0.180.35-0.800.300.0400.040ZD0.170.35-0.800.300.0350.035TZQ255A/B0.18-0.280.40-0.700.300.050/0.0450.045ZQ2750.28-0.380.50-0.800.350.0500.045Z2022-8-1752GB/T700-1988 标准 GB
38、700-79 标准化学成分和力学性能均须保证 A 类钢 保证力学性能，B 类钢 保证化学成分，C 类钢 保证化学成分及力学性能。Q195 A1；B1Q215 A2；C2Q235 A3；C3Q255 A4；C4Q275 C5碳素结构钢 新、老标准钢号对照2022-8-1753碳素结构钢的机械性能(GB/T700-1988)牌号等级拉 伸 试 验冲击试验屈服点s，MPa抗拉强度b/MPa伸长率 s,%温度V型冲击功(纵向)J钢材厚度(直径)，mm钢材厚度(直径),mm164060100150150164060100150150不小于不小于不小于Q195195315-39033Q215A/B2151
39、95175165335-41031292726/20/27Q235A/BC/D235215195185375-46026242221/200/-20/27Q255A/B255235215205410-51024222019/20/27Q275275255235225490-61020181615四、碳素结构钢供货品种四、碳素结构钢供货品种 供货品种供货品种：钢板，钢带，钢管，槽钢，角钢钢板，钢带，钢管，槽钢，角钢，钢轨，钢筋，钢丝等，钢轨，钢筋，钢丝等碳素结构钢薄钢板 钢管钢带槽钢角钢钢丝钢筋2022-8-17572.5 2.5 低合金高强度钢低合金高强度钢 普通低合金构件用钢，简称普低钢，国
40、外普通低合金构件用钢，简称普低钢，国外称低合金高强度钢。英文缩写称低合金高强度钢。英文缩写HSLAHSLA钢。尽钢。尽管国内外叫法不同，但从成分上都是管国内外叫法不同，但从成分上都是低碳、低碳、低合金低合金元素的钢种。元素的钢种。2022-8-1758普低钢是为了适应大型工程结构普低钢是为了适应大型工程结构(如大型桥梁、如大型桥梁、大型压力容器及船舶等大型压力容器及船舶等)、减轻结构质量、提、减轻结构质量、提高使用的可靠性及节约钢材的需要而发展起来高使用的可靠性及节约钢材的需要而发展起来的。的。2022-8-1759一、普低钢一、普低钢合金化合金化基本原则：基本原则：低碳，合金化以低碳，合金化
41、以MnMn为主为主，适当，适当加入加入AlAl、V V、TiTi、NbNb、CuCu、P P及稀土等元素。及稀土等元素。其发展方向是多组元微量合金化。其发展方向是多组元微量合金化。2022-8-1760(1)(1)低碳低合金元素，基本上不加低碳低合金元素，基本上不加CrCr和和NiNi，是经是经济性能较好的钢种。济性能较好的钢种。(2)(2)主加合金元素是主加合金元素是MnMn，Mn Mn的固溶强化效果较大。的固溶强化效果较大。合金元素在合金元素在-Fe-Fe中的固溶强化次序是：中的固溶强化次序是：SiSi、MnMn较大，较大，Ni Ni次之，次之，W W、MoMo、V V、CrCr较小。较小
42、。2022-8-1761(3)(3)辅加合金元素辅加合金元素A1A1、V V、TiTi、NbNb等等n AlAl形成形成AlNAlN的细小质点，以细化晶粒，提高强度，的细小质点，以细化晶粒，提高强度，降低脆性转折温度。降低脆性转折温度。例如，在例如，在C0.15%+Mnl.8%的钢中，用的钢中，用Al脱氧正火脱氧正火后可使屈服强度达到后可使屈服强度达到425475MPa，而而Tk下降到下降到-70。n 微量微量V V、TiTi、NbNb等元素既可产生沉淀强化作用，还等元素既可产生沉淀强化作用，还可细化晶粒可细化晶粒，从而使强韧性得以改善。此类元素，从而使强韧性得以改善。此类元素所形成的碳化物在
43、高温轧制时可以溶解，此时细所形成的碳化物在高温轧制时可以溶解，此时细化晶粒效果消失，化晶粒效果消失，TkTk反而上升。所以在轧制时必反而上升。所以在轧制时必须控制轧制温度。须控制轧制温度。2022-8-1762(4)(4)为改善钢的为改善钢的耐腐蚀性能耐腐蚀性能，应加入，应加入 CuCu和和P P。(5)(5)加人微量加人微量稀土元素稀土元素可以可以脱硫去气脱硫去气，净，净化钢材，并化钢材，并改善夹杂物的形态与分布改善夹杂物的形态与分布，从而改善钢的机械性能和工艺性能。从而改善钢的机械性能和工艺性能。2022-8-1763二、我国的低合金高强度钢二、我国的低合金高强度钢 我国列入冶金部标准的普
44、低钢，按我国列入冶金部标准的普低钢，按屈服强屈服强度度的高低分为的高低分为300300MPaMPa级、级、350350MPaMPa级、级、400400MPaMPa级、级、450450MPaMPa级、级、500500MPaMPa级和级和650650MPaMPa级六个级别。级六个级别。2022-8-1764(1)300MPa级级l 12Mn钢钢 在在300MPa级中是一个较好的钢种。级中是一个较好的钢种。综合机械性能好，生产工艺简单。可用于综合机械性能好，生产工艺简单。可用于船舶、船舶、容器、油罐和其它金属结构容器、油罐和其它金属结构。加热至。加热至450时，时，其屈服强度还可维持在其屈服强度还可
45、维持在200210MPa。国内很国内很多锅炉厂采用此钢。多锅炉厂采用此钢。l 09MnNb钢钢 在在09Mn2钢基础上，以钢基础上，以Nb代替部代替部分分Mn而发展起来的。加入少量的而发展起来的。加入少量的Nb(0.050.5)可可细化晶粒细化晶粒，并有，并有NbC的的析出强化析出强化作用。作用。多用于多用于桥梁及车辆桥梁及车辆。2022-8-1765(2)350MPa级级 16Mn钢钢 是发展最早，使用最多，最有代表性的钢种。是发展最早，使用最多，最有代表性的钢种。由于由于含含C量提高，因而强度较高量提高，因而强度较高，同时具有良好的综，同时具有良好的综合机械性能和焊接性。多用于合机械性能和
46、焊接性。多用于船舶、桥梁、车辆、大船舶、桥梁、车辆、大型容器、大型钢结构等型容器、大型钢结构等。比使用碳钢可节约钢材。比使用碳钢可节约钢材2030。12MnPRE(铼铼)钢钢 其中加入少量的其中加入少量的P(0.070.12)，提提高了高了扰蚀扰蚀性，并有较大的性，并有较大的强化强化作用。另外加入稀土元作用。另外加入稀土元素可消除有害杂质，改善夹杂物的形状及分布，减弱素可消除有害杂质，改善夹杂物的形状及分布，减弱冷脆性。可用于化工容器及建筑结构。冷脆性。可用于化工容器及建筑结构。2022-8-1766(3)400MPa级级l 16MnNb钢钢 与与16Mn钢相比，钢相比，Mn含量降低了一含量降
47、低了一些。由于些。由于Nb的强化作用的强化作用，16MnNb钢的强度比钢的强度比16Mn钢高一级。综合机械性能与焊接性都比钢高一级。综合机械性能与焊接性都比较好。多用于大型结构及起重机械。较好。多用于大型结构及起重机械。l 10MnPNbRE钢钢 由于由于Nb及及P的强化作用的强化作用，使，使C量可以低一些。量可以低一些。P也使钢的抗蚀性提高也使钢的抗蚀性提高。RE起起净化钢材净化钢材的作用，从而改善钢材质量。这种钢的作用，从而改善钢材质量。这种钢多用于造船、港口建筑结构及石油井架多用于造船、港口建筑结构及石油井架 2022-8-1767(4)450MPa级级l 14MnVTiRE钢钢 由于由
48、于V、Ti的强化的强化作用，因而作用，因而屈服强度进一步提高。该钢经正火后具有良好屈服强度进一步提高。该钢经正火后具有良好的综合机械性能和焊接性。多用于大型船舶。的综合机械性能和焊接性。多用于大型船舶。l 15MnVN钢钢 由于由于V、N可以细化晶粒可以细化晶粒，又具有，又具有析出强化析出强化作用，机械性能及焊接性都好。可用作用，机械性能及焊接性都好。可用于大型桥梁，锅炉及车辆等。于大型桥梁，锅炉及车辆等。2022-8-1768(5)500MPa级级l 14MnMoVBRE钢钢 由于由于Mo及微量及微量B的作用，使的作用，使C曲线的上部曲线的上部右移，而对贝氏体转变区影响很小。右移，而对贝氏体
49、转变区影响很小。正火后可得到大量贝氏正火后可得到大量贝氏体组织，屈服强度显著提高体组织，屈服强度显著提高；Mn，V都有强化都有强化作用，作用，RE不不仅净化钢材，而且使钢材表面的氧化膜致密，因而使钢材具仅净化钢材，而且使钢材表面的氧化膜致密，因而使钢材具有一定的耐热性，可在有一定的耐热性，可在5000C以下使用。多用于石油、化工以下使用。多用于石油、化工的中温高压容器。的中温高压容器。l 18MnMoNb钢，钢，Nb和和Mo都能提高钢的热强性。这种钢经过都能提高钢的热强性。这种钢经过正火和回火或调质后使用。正火温度为正火和回火或调质后使用。正火温度为9509800C，回火温回火温度为度为600
50、650C。调质规范为调质规范为930淬火和淬火和600620C回火。回火。18MnMoNb钢的强度高，钢的强度高，综合机械性能和焊接性综合机械性能和焊接性好，适合用好，适合用作化工石油工业用的中温高压厚壁容器和锅炉等，可在作化工石油工业用的中温高压厚壁容器和锅炉等，可在500C以下工作。此钢还用于做大锻件，如水轮机大轴。以下工作。此钢还用于做大锻件，如水轮机大轴。2022-8-1769(6)650MPa级级 14CrMnMoVB钢它是在钢它是在14MnMoVBRE钢的基础上加入一定量的钢的基础上加入一定量的Cr（0.91.3），），因而强度进一步提高。它在正火因而强度进一步提高。它在正火后也得
