1、金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学金属材料学1武汉理工大学 材料学院 School of Materials Science and Engineering,WUTChapter 2 工程结构钢工程结构钢上午3时2分 Weiping YE2本章要点本章要点o 工程结构钢基本要求工程结构钢基本要求o 低合
2、金高强度结构钢的合金化低合金高强度结构钢的合金化o 铁素体铁素体-珠光体钢珠光体钢o 微珠光体低合金高强度钢微珠光体低合金高强度钢o 针状铁素体钢针状铁素体钢o 低碳贝氏体和马氏体钢低碳贝氏体和马氏体钢o 双相钢双相钢o 新一代钢铁材料新一代钢铁材料o 低合金高强度钢发展趋势低合金高强度钢发展趋势上午3时2分 Weiping YE3工程结构钢工程结构钢o 工程结构钢是指专门用来制造工程结构件的一大类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，工程结构钢占钢种。在钢总产量中，工程结构钢占9090左右。工左右。工程结构钢包括碳素钢和低合金高强度钢。程结构钢包括碳素钢和低合金高强
3、度钢。o 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%的普通碳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素钢的基础上，通过添加一种或多种少量合金元素（低于（低于3%3%），使钢的强度明显高于碳素钢的一类工），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。程结构用钢，统称低合金高强度钢。o 按用途可分为结构钢、耐腐蚀钢、低温用钢、耐磨按用途可分为结构钢、耐腐蚀钢、低温用钢、耐磨钢、钢筋钢、钢轨钢及其他专业用钢等钢、钢筋钢、钢轨钢及其他专业用钢等上午3时2分 Weiping YE42.1 2.1 工程结构钢基本要求工程结构钢基本要求
4、工程结构件长期受静载；工程结构件长期受静载；互相无相对运动互相无相对运动受大气（海水）的侵蚀；受大气（海水）的侵蚀；有些构件受疲劳冲击；有些构件受疲劳冲击；一般在一般在-50100范围内使用；范围内使用；如：桥梁、船舶等受到像风力或海浪冲击如：桥梁、船舶等受到像风力或海浪冲击.服役服役条件条件生产生产工艺工艺 焊接是构成金属结构的常用方法；一般都要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、深冲等成型工艺经过如剪切、冲孔、热弯、深冲等成型工艺技术技术要求要求 1、足够的强度与韧度（特别是低温韧度）；、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；、良好的焊
5、接性和成型工艺性；3、良好的耐腐蚀性；、良好的耐腐蚀性；4、低的成本。、低的成本。上午3时2分 Weiping YE52.2 2.2 低合金高强度结构钢的合金化低合金高强度结构钢的合金化o Me对HSLA力学性能影响C 固溶强化效果和珠光体含量，低成本。固溶强化效果和珠光体含量，低成本。C，塑、韧性，塑、韧性，焊接性、冷成型。焊接性、冷成型。如如0.1%C，TK为为-50，0.3%C，TK为为50一般均应限制在一般均应限制在0.2%以下以下Si 最常用且较经济的元素。强化最常用且较经济的元素。强化F较显著，较显著，1%Si，s85MPa，TK，量多时可大为，量多时可大为降低塑韧性，所以降低塑韧
6、性，所以Si控制在控制在1.1%上午3时2分 Weiping YE62.2 2.2 低合金高强度结构钢的合金化低合金高强度结构钢的合金化o Me对HSLA力学性能影响Mn 固溶强化作用大，固溶强化作用大，1%Mn，s33MPa。约有约有3/4量溶入量溶入F中，弱的细晶作用，中，弱的细晶作用，TK。同样量多时可大为降低塑韧性同样量多时可大为降低塑韧性.所以所以Mn控制在控制在 NbAlV。上午3时2分 Weiping YE72.2 2.2 低合金高强度结构钢的合金化低合金高强度结构钢的合金化o Me对HSLA力学性能影响Re 脱氧去硫吸氢作用，改善脱氧去硫吸氢作用，改善塑韧性，塑韧性，TK 所以
7、，低合金高强度钢的所以，低合金高强度钢的基本成分应考虑低碳，基本成分应考虑低碳，稍高的锰含量，并适当用硅强化。稍高的锰含量，并适当用硅强化。上午3时2分 Weiping YE8 合金元素对低合金高强度合金元素对低合金高强度钢的固溶强化钢的固溶强化 钢的韧脆转折温度与碳钢的韧脆转折温度与碳含量的关系含量的关系 上午3时2分 Weiping YE9（a）强化机制的影响）强化机制的影响 （b）成分的影响）成分的影响图图 F F-P P钢的各种强化机制和成份对屈服强度和韧钢的各种强化机制和成份对屈服强度和韧-脆转折温度的影响脆转折温度的影响 上午3时2分 Weiping YE102.2 2.2 低合金
8、高强度结构钢的合金化低合金高强度结构钢的合金化o MeMe对焊接性和耐大气腐蚀性的影响对焊接性和耐大气腐蚀性的影响C C 焊缝处硬化与脆化倾向焊缝处硬化与脆化倾向，焊接裂，焊接裂纹纹。提高淬透性的。提高淬透性的Me种类及其数量也应适种类及其数量也应适当控制，如当控制，如Cr、Mn、Mo、Ni等。等。CuP 耐大气腐蚀性最有效耐大气腐蚀性最有效的元素。的元素。一般一般含量含量:0.0250.25%Cu，0.050.15 P。P，冷脆，冷脆和时效倾向增加。和时效倾向增加。用用Al脱氧脱氧 细晶粒钢。细晶粒钢。复合加入适量元素，则复合加入适量元素，则钢耐蚀性效果更佳。钢耐蚀性效果更佳。如如090Cu
9、PCrNi-A、09CuP、09CuPCrNi-B上午3时2分 Weiping YE11时效时效现象现象 低碳工程构件经加工或高温冷却后，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，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。钢的性能会发生明显变化的现象。（淬火时效和机械时效）（淬火时效和机械时效）产生产生原因原因 C、N等间隙等间隙原子偏聚原子偏聚或内吸附于或内吸附于位错等晶体缺陷处。提高硬度、降低位错等晶体缺陷处。提高硬度、降低塑性和韧度。如：某钢板刚变形时，塑性和韧度。如：某钢板刚变形时，AK120J，十天后降为，十天后降为35J；焊接钢板；焊接钢板
10、在三个月后由在三个月后由92J降为降为33J。上午3时2分 Weiping YE12思考题思考题：退火后的低退火后的低C C钢板一般在钢板一般在深冲前，先进行一次少量变深冲前，先进行一次少量变形的平整加工，然后再进行形的平整加工，然后再进行深冲，为什么深冲，为什么?上午3时2分 Weiping YE132.3 2.3 铁素体铁素体-珠光体钢珠光体钢o 碳素结构钢碳素结构钢n Q+最低屈服强度值最低屈服强度值(MPa)；+质量等级符号质量等级符号(A、B、C、D、E)+脱氧方法符号脱氧方法符号n 如如Q235AF、Q235BZn 一般以热轧空冷状态供应一般以热轧空冷状态供应沸腾钢沸腾钢F；镇静钢
11、；镇静钢Z；半镇静钢；半镇静钢b；特殊；特殊镇静钢镇静钢TZ上午3时2分 Weiping YE142.3 2.3 铁素体铁素体-珠光体钢珠光体钢o 碳素结构钢碳素结构钢（GB/T7001988）上午3时2分 Weiping YE152.3 2.3 铁素体铁素体-珠光体钢珠光体钢o 低合金高强度低合金高强度结构钢结构钢（屈服强度提高屈服强度提高25%100%）n 都是镇静钢或特殊镇静钢，都是镇静钢或特殊镇静钢，其牌号中没有表示脱其牌号中没有表示脱氧方法的符号。如氧方法的符号。如Q345Cn 屈服点从屈服点从300650MPa分为六级，分为六级，也可采用也可采用两位阿拉伯数字（表示平均含碳量的万分
12、之几）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，如和化学元素符号，按顺序表示，如16Mn。*说明：说明：通常情况下，屈服强度值小通常情况下，屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢，大于时为碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢。时为低合金高强度钢。上午3时2分 Weiping YE162.3 2.3 铁素体铁素体-珠光体钢珠光体钢 最新研究成果：如最新研究成果：如F晶粒尺寸细化到晶粒尺寸细化到级，则级，则F-P类低合金高强度钢的强度也可类低合金高强度钢的强度也可达到达到800MPa F-P类型是工程结构钢中最主要的一类钢。有类型是工程结构钢中最主要的一类钢。
13、有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五个牌号。根五个牌号。根据质量要求分为据质量要求分为A、B、C、D四个等级。四个等级。A、B级级为普通质量级；为普通质量级；C级为优质级；级为优质级；D级和级和E级为特殊级为特殊质量级，有低温冲击韧性要求。质量级，有低温冲击韧性要求。组织：组织：1025片层状片层状P+7590多边形多边形F。上午3时2分 Weiping YE17低碳铁素体低碳铁素体/珠光体钢超细晶强韧化与控制技术珠光体钢超细晶强韧化与控制技术 20042004年度国家科学技术进步一等奖年度国家科学技术进步一等奖主要主要特点特点 超细晶粒、高洁净度、高均匀性超细晶粒、高洁净度、
14、高均匀性。生产生产节约能源和资源节约能源和资源，不用或少用不用或少用Me，改善改善环境，环境，成本成本，具有更高的经济效益。具有更高的经济效益。如何形成如何形成微米级的超细晶微米级的超细晶是该项目的核心是该项目的核心技术和难点技术和难点。具体具体指标指标 采用形变诱导采用形变诱导F相变，可把相变，可把F晶粒细化到晶粒细化到2-5m（碳钢）和（碳钢）和12m（微合金钢）。（微合金钢）。碳钢的碳钢的s由由200MPa提高到提高到350400MPa；低合金钢由低合金钢由350400MPa提高到提高到600700MPa。上午3时2分 Weiping YE18 低碳铁素体低碳铁素体/珠光珠光体钢超细晶钢
15、材生体钢超细晶钢材生产工艺控制和不同产工艺控制和不同的制品的制品上午3时2分 Weiping YE192.4 2.4 微珠光体低合金高强度钢微珠光体低合金高强度钢强化强化机理机理 对对F-P钢钢,P量每量每10%，将使，将使TK22。油气管线用钢油气管线用钢:C,0.1%；为保证；为保证，就必须采用其它不损害或少损害焊接性和就必须采用其它不损害或少损害焊接性和韧度的强化措施。韧度的强化措施。析出强化和晶粒细化析出强化和晶粒细化钢性能。钢性能。Nb、V、Ti微合金化和控轧处理工艺。微合金化和控轧处理工艺。上午3时2分 Weiping YE20控制轧制和控制冷却技术控制轧制和控制冷却技术 高温形变
16、热处理高温形变热处理F F大幅度晶粒细化大幅度晶粒细化强度和韧度。强度和韧度。控制轧制和控制冷却的组织变化模式图控制轧制和控制冷却的组织变化模式图 图中轧制温图中轧制温度向右边降度向右边降低，上层表低，上层表示奥氏体组示奥氏体组织变化，下织变化，下层表示奥氏层表示奥氏体开始相变体开始相变后组织及后组织及F F核的形成核的形成 上午3时2分 Weiping YE21图图 各种轧制程序模式图各种轧制程序模式图 CR：控制轧制：控制轧制；AcC:控制冷却控制冷却 上午3时2分 Weiping YE222.4 2.4 微珠光体低合金高强度钢微珠光体低合金高强度钢o 微合金元素的作用n阻止加热时奥氏体晶
17、粒长大阻止加热时奥氏体晶粒长大n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，奥氏体会发生形变再结晶使在热加工过程中，奥氏体会发生形变再结晶使晶粒回复粗大。但应变动态析出晶粒回复粗大。但应变动态析出Nb、V、Ti的的碳氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上起钉碳氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上起钉轧作用，有效地阻止奥氏体再结晶时晶界和位轧作用，有效地阻止奥氏体再结晶时晶界和位错的运动，从而抑制奥氏体形变再结晶。错的运动，从而抑制奥氏体形变再结晶。上午3时2分 Weiping YE23 微合金元素对钢的屈服强度的影响（微合金元素对钢的屈服强度的影响（G：晶粒细化：晶粒细化Ph：析出强化
18、）：析出强化）上午3时2分 Weiping YE242.5 2.5 针状铁素体钢针状铁素体钢基本基本特点特点 针状铁素体（针状铁素体（acicular ferrite，简写，简写AF）钢实际上属于超低碳贝氏体钢。钢实际上属于超低碳贝氏体钢。0.06C+适量适量Mn、Mo、Nb等等 具有具有高密度位错（高密度位错（1010cm2）亚结构的）亚结构的“针状针状F”组织（超低碳组织（超低碳B）。）。s 达达700800MPa，低，低温冲击韧性、焊接性更好温冲击韧性、焊接性更好.用于现场焊接条件及其寒冷地带管线。被用于现场焊接条件及其寒冷地带管线。被称为称为21世纪的控轧钢。世纪的控轧钢。上午3时2分
19、 Weiping YE252.6 2.6 低碳贝氏体和马氏体钢低碳贝氏体和马氏体钢o 低碳贝氏体钢是指含碳量为低碳贝氏体钢是指含碳量为0.100.15%，使，使用状态组织为用状态组织为B的钢。贝氏体钢通常是在轧的钢。贝氏体钢通常是在轧制空冷或控制冷却，直接获得制空冷或控制冷却，直接获得B组织。组织。o 由于由于B的相变强化，低碳贝氏体钢与相同含的相变强化，低碳贝氏体钢与相同含碳量的铁素体碳量的铁素体-珠光体型钢相比，具有更高珠光体型钢相比，具有更高的强度和良好的韧度，屈服强度可达的强度和良好的韧度，屈服强度可达450980MPa.上午3时2分 Weiping YE26主要主要特点特点 合金元素
20、是保证在较宽的冷速范合金元素是保证在较宽的冷速范围内获得以贝氏体为主的组织围内获得以贝氏体为主的组织成分特点成分特点:?0.5%左右左右Mo+微量微量B（0.005%）+Mn、Cr、Ni等等+Nb、Ti、V 主要用于制造容器的板材。主要用于制造容器的板材。14MnMoV和和14MnMoVBRE钢是我国发展的钢是我国发展的低碳贝氏体钢，屈服强度为低碳贝氏体钢，屈服强度为490MPa级级上午3时2分 Weiping YE272.6 2.6 低碳贝氏体和马氏体钢低碳贝氏体和马氏体钢o 低碳马氏体 0.16%C，加入，加入Mo、Nb、V、B及控制及控制Mn或或Cr与之与之配合配合 淬火回火处理组织为低
21、碳回火马氏体。淬火回火处理组织为低碳回火马氏体。BHS-1钢的成分为钢的成分为0.10C-1.80Mn-0.45Mo-0.05Nb。锻轧后空冷或直接淬火并自回火。锻轧后空冷或直接淬火并自回火。达到合金调质钢调质达到合金调质钢调质后的性能水平。后的性能水平。制造汽车的轮臂托架、操纵杆、车轴、转向联动节和制造汽车的轮臂托架、操纵杆、车轴、转向联动节和拉杆等，也可用于冷墩、冷拨及制作高强度紧固件。拉杆等，也可用于冷墩、冷拨及制作高强度紧固件。上午3时2分 Weiping YE282.7 2.7 双相钢双相钢成分成分成分：成分：0.2%C，1.21.5%Si，0.81.5%Mn，0.45%Cr，0.4
22、%Mo，少量，少量V、Nb、Ti。组织组织 F+M组织，组织，F基体上分布不连续岛状混合型基体上分布不连续岛状混合型M（20%）双相钢。双相钢。F中非常干净，中非常干净，C、N等间隙原子很少；等间隙原子很少；C和和Me大部分在大部分在M中中.性能性能 低低s，且是连续屈服，无屈服平台和上、，且是连续屈服，无屈服平台和上、下屈服；均匀塑变能力强，总延伸率较大，下屈服；均匀塑变能力强，总延伸率较大，冷加工性能好；加工硬化率冷加工性能好；加工硬化率n值大，成型后值大，成型后s可达可达500700MPa。上午3时2分 Weiping YE29 强度 MPa 双相钢 600 400 普通钢 200 10
23、 20 30 40 应变/%双相钢和普通钢应力应变曲线的比较上午3时2分 Weiping YE30应应用用 冲压型双相钢主要是板材，广泛用于各种冲压型双相钢主要是板材，广泛用于各种容器和汽车冲压件。容器和汽车冲压件。非冲压双相钢有棒材、线材、钢筋薄壁无非冲压双相钢有棒材、线材、钢筋薄壁无缝钢管等产品。钢材经热轧后控制冷却，得缝钢管等产品。钢材经热轧后控制冷却，得到到F加加M双相钢组织，然后经冷拨、冷墩等工双相钢组织，然后经冷拨、冷墩等工艺制成成品。可用于汽车的大梁和滚型车轮，艺制成成品。可用于汽车的大梁和滚型车轮，汽车的前后保险杠、发动机悬置梁等，使用汽车的前后保险杠、发动机悬置梁等，使用双相
24、钢可使汽车重量降低双相钢可使汽车重量降低1030%上午3时2分 Weiping YE31上午3时2分 Weiping YE322.8 2.8 新一代钢铁材料新一代钢铁材料o 国家973项目“新一代钢铁材料”重大基础研究首席科学家翁宇庆教授。o 项目的设想是把占全国钢材总产量 70%的三类钢，即碳素、低合金、合金结构钢的强度或使用寿命提高一倍。研究人员提出了碳素结构钢的s由目前的200MPa提高到400MPa，低合金结构钢的s由目前的400MPa提高到800MPa，合金结构钢s由800MPa提高到1500MPa。新一代钢铁材料性能的提高，还有望降低目前约占全国总能耗1/10的钢铁工业对能源、资源
25、的消耗。上午3时2分 Weiping YE33先进钢铁材料技术的进展先进钢铁材料技术的进展o 钢铁研究总院先进钢铁材料技术国家工程研究中心董瀚董瀚o 摘要：钢铁材料是不断发展的先进材料，它依然是本世纪的主要结构材料。先进钢铁材料具有环境友好、性能优良、资源节约、成本低廉的特征。本文从钢铁材料理论进展出发，评述微合金化钢、超细晶粒钢、氮合金化不锈钢、高质量特殊钢、钢材组织性能预报和材料信息化技术等重要的先进钢铁材料技术进展。上午3时2分 Weiping YE34低合金高强度钢发展趋势低合金高强度钢发展趋势低碳超低碳低碳超低碳0.06%甚至甚至0.02%高纯净化高纯净化微合金化技术微合金化技术控轧
26、和控冷工艺控轧和控冷工艺超细晶粒化超细晶粒化自动化在线控制自动化在线控制在线生产系统在线生产系统复合微合金化复合微合金化净化钢中的有害杂质净化钢中的有害杂质组织微细化组织微细化计算机控制和性能预报计算机控制和性能预报 上午3时2分 Weiping YE35小小 结结 在微合金化成分设计的基础上，正确的控轧和在微合金化成分设计的基础上，正确的控轧和控冷工艺是关键因素。组织变化是在控冷工艺是关键因素。组织变化是在T-t-P三元处三元处理过程中动态地进行的，从而获得了优异的复合理过程中动态地进行的，从而获得了优异的复合强化。这是对传统强化。这是对传统T-t二元处理的一个突破，从而二元处理的一个突破，从而对钢的各种强化机制也有了新的认识与发展对钢的各种强化机制也有了新的认识与发展 Ti、Nb、V等元素在控轧和控冷工艺过程的各等元素在控轧和控冷工艺过程的各个环节中起了重要作用。合适的量及其它们的复个环节中起了重要作用。合适的量及其它们的复合加入使各强化机制得到了最佳的发挥合加入使各强化机制得到了最佳的发挥上午3时2分 Weiping YE36本章完！本章完！
