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1、單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,*,2024/9/19,工程材料導論講義,曹志強教授,：84706169,：,大連理工大學材料科學與工程學院,2024/9/19,第,2,章工程結構用鋼,engineering constructional steel,按用途工程結構鋼分為橋梁、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11萬噸，,其中外部鋼結構的鋼材用量為4.2萬噸 。(Q460E),2024/9/
2、19,客車及農(nóng)業(yè)機械,鍍鋅,C,型鋼用于上海大劇院屋架桁架,浦東國際機場侯機樓及道路護欄,現(xiàn)代化蔬菜棚,耐候,Z,型鋼用于體育館,高強度耐侯厚壁冷彎高頻焊管用于東方明珠塔,2024/9/19,工程結構鋼是指專門用來制造工程結構件的一大類鋼,種。在鋼總產(chǎn)量中，工程結構鋼占90左右。工程結構,鋼包括碳素鋼和低合金高強度鋼。,低合金高強度鋼是指在C 0.25%質量分數(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%，使鋼的強度明顯高于碳素鋼的一類工程結,構用鋼，統(tǒng)稱低合金高強度鋼。,2024/9/19,工程結構用鋼的分類,工程構件用鋼用量大，隨著科技開展，各種高性能鋼種也開展迅猛。,
3、分類 ：,碳素構件用鋼普碳鋼,低合金構件用鋼普低鋼,新型及微合金化低碳高強度鋼,輸油管線,2024/9/19,本章內容,2.1 工程結構鋼的根本要求,2.2 低合金高強度結構鋼的合金化,Me對力學性能焊接性和耐大氣腐蝕性的影響,2.3常用工程結構鋼牌號,2.4 微珠光體低合金高強度鋼輸送石油天 燃氣用,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 低合金高強度鋼開展趨勢,2024/9/19,2.1 工程結構鋼的根本要求,工程結構件長期受靜載；互相無相對運動,受大氣海水的侵蝕；有些構件受疲勞沖擊；,一般在-50100范圍內使用；,如：橋梁、船舶等受到像風力或海
4、浪沖擊.,服役,條件,生產(chǎn),工藝,焊接是構成金屬結構的常用方法；一般都要,經(jīng)過如剪切、沖孔、熱彎、深沖等成型工藝,技術,要求,1、足夠的強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,低合金高強度結構鋼的合金化,1,、,Me,對低合金高強度鋼力學性能的影響,C,固溶強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50,一般均應限制在0.2%以下,Si,最常用且較經(jīng)濟的元素。強化,F,較顯著，,1%Si,，,s,85MPa,，,T,K,，量多時可大為,降低塑
5、韌性，所以,Si,控制在,1.1%,2024/9/19,Mn,固溶強化作用大，,1%Mn,，,R,eL,33MPa,。,約有,3/4,量溶入,F,中，弱的細晶作用，,T,K,。,同樣量多時可大為降低塑韌性,.,所以,Mn,控制在,Nb,Al,V,。,RE,脫氧去硫吸氫作用，改善,塑韌性，,T,K,所以，低合金高強度鋼的根本成分應考慮低碳，,稍高的錳含量，并適當用硅強化。,2024/9/19,圖,2-2,鋼的韌,-,脆轉折溫度與碳含量的關系,圖,2-1,合金元素對低合金高強度鋼的固溶強化效果的影響,2024/9/19,C使屈服強度每增加15MPa時，韌脆轉變溫度升高10；,Si固溶強化但不能細化
6、鐵素體，因此提高8；,Mn、Ni的參加降低A3，細化鐵素體和珠光體，提高強度和韌度，降低5；,鋁形成AlN質點，細化晶粒，也提高強度和韌性，降低27。,圖,2-3,鐵素體,-,珠光體鋼的各種強化機制和成分對屈服強度和韌,-,脆轉折溫度的影響,理論上元素的作用是通過強化基體引起的，其中細晶強化每增加,15MPa,，,T,k,降低,10,，位錯強化升高,6,，析出強化升高,4,，固溶強化升高,10,。,2024/9/19,Nb、V、Ti合金化生成碳化物、氮化物和碳氮化物。不溶解于奧氏體時對高溫形變、再結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，細化晶粒；,Nb的碳化物
7、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，細化作用較弱。,VC 、 NbC、TiC細晶強化依次升高0.2%C。,圖,2-4,微合金元素對鋼加熱時奧氏體晶粒長大傾向的影響,2024/9/19,2,、,Me,對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；焊縫與母材結合牢,固，強度不低于母材；焊縫的熱影響區(qū)保持足夠的強度與韌,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)量也應適,當控制，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% C
8、u ，0.050.15 P 。 Cu具有,正電位，附加陰極，在陽極電流下到達鈍化狀態(tài)。,CuP復合參加適量元素，那么鋼耐蝕性效果更佳。,如09CuPCrNi-A、 09CuP、09CuPCrNi-B,2024/9/19,時效,現(xiàn)象,低碳工程構件經(jīng)加工或高溫冷卻后，在室溫或較低溫度下放置一段時間，鋼的性能會發(fā)生明顯變化的現(xiàn)象。淬火時效和機械時效,產(chǎn)生,原因,C,、,N,等間隙,原子偏聚,或內吸附于,位錯等晶體缺陷處。提高硬度、降低,塑性和韌度。如：某鋼板剛變形時，,A,K,120J,，十天后降為,35J,；焊接鋼板,在三個月后由,92J,降為,33J,。,當然橋梁、船舶等突然斷裂的原因很多。共振
9、、應力波等,2024/9/19,本章內容,2.1 工程結構鋼的根本要求,2.2 低合金高強度結構鋼的合金化,2.3常用工程結構鋼牌號,2.4 微珠光體低合金高強度鋼,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 低合金高強度鋼開展趨勢,2024/9/19,碳素構件用鋼又稱碳素結構鋼或普碳鋼，其產(chǎn)量占鋼總產(chǎn)量的7080，其中大局部用作結構件，少量做機械零件。,特點：易于冶煉，價格低廉，熱軋狀態(tài)供貨，一般不經(jīng)熱處理強化。,分類GB/T7002006 Q195,Q215,Q235,Q275,2.3,常用,工程,結構鋼,牌號,普通碳素結構鋼,2024/9/19,Q235A.F
10、，Q屈服強度，235屈服強度值，A質量等級A、B、C、D由低到高，F(xiàn)沸騰鋼。A、B級為普通質量級；,C級為優(yōu)質級；D級和E級為特殊質量級，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,普碳鋼的化學成分,表,2-1,普碳鋼的化學成分,牌號,等級,化學成分,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
11、.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,級含錳量上限為,0.6%,。,2024/9/1
12、9,二、普碳鋼的力學性能,表2-2普碳鋼的力學性能GB15911988,鋼,號,等,級,拉伸試驗,沖擊試驗,屈服點,s/MPa,抗拉強度,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,
13、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、碳素結構鋼供貨品種,供貨品種,：,鋼板，鋼帶，鋼管，槽鋼，角鋼，鋼軌，鋼筋，鋼絲等,碳素結構鋼薄鋼板,鋼管,2024/9/19,普通低合金結構鋼,低合金構件用鋼又稱低合金結構鋼,或稱普低鋼普通低合金高
14、強度鋼。,開展普低鋼的目的：減輕大型工程構件的重量，提高使用的可靠性，節(jié)約鋼材。,成分特點：低碳，低合金。,性能特點：普低鋼的屈服強度大大高于普碳鋼。,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晶粒尺寸細化到級，那么,F-P類低合金高強度鋼的強度也可到達800MPa,普低鋼是工程結構鋼中最主要的一類鋼。有,Q345,、,Q390,、,Q420,、,Q460,、,Q500,、,Q550,、,
15、Q620,、,Q690,八個牌號。前三個根據(jù)質量要求,分為,A,、,B,、,C,、,D,、,E,五個等級。后五個分為,C,、,D,、,E,級三個等級；,A,、,B,為普通質量級；,C,級為優(yōu)質級；,D,級和,E,級為特殊質量級，,有低溫沖擊韌性要求。較,94,標準后四個新增。,專用低合金鋼在鋼號后加后綴。,16Mnq,改為,Q345q,，,16MnR,改為,Q345R,組織：,1025,片層狀,P+ 7590,多邊形,F,。,2024/9/19,本章內容,2.1 工程結構鋼的根本要求,2.2 低合金高強度結構鋼的合金化,2.3工程結構鋼牌號,2.4 微珠光體低合金高強度鋼,2.5針狀鐵素體鋼,
16、2.6 低碳貝氏體和馬氏體鋼,2.7雙相鋼,2.8 低合金高強度鋼開展趨勢,2024/9/19,2.4,微珠光體低合金高強度鋼,8,2.4.1,微珠光體低合金高強度鋼強化機理,油氣管線用鋼要求有很好的焊接性、低溫韌度和強度等綜合性能。,輸送油氣距離越長，壓力越大，質量要求也越高。,強化,機理,對,F-P,鋼, P,量每,10%,，將使,T,K,22,。,油氣管線用鋼,:C, 0.1%,；為保證,強度,，,就必須采用其它不損害或少損害焊接性和,韌度的強化措施。, 析出強化和晶粒細化鋼性能。,Nb,、,V,、,Ti,微合金化和控軋?zhí)幚砉に嚒?2024/9/19,低碳鐵素體,/,珠光體鋼超細晶強韌化
17、與控制技術,2004,年度國家科學技術進步一等獎,主要,特點,超細晶粒、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)濟效益。,如何形成微米級的超細晶是該工程的核心技術和難點。,具體,指標,采用形變誘導F相變，可把F晶粒細化到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,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，獲得大量細小的鐵素體組織，提高鋼的強韌性。,控制軋制實
18、質就是形變強化和相變強化的結合；,控制冷卻是最大限度地細化鐵素體晶粒，獲得最正確的析出強化效應。,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,高溫形變熱處理,F,大幅度晶粒細化強度和韌度。,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微合金元素對鋼的屈服強度的影響, G晶粒細化的奉獻，ph析出強化的奉獻。NbTiV,2024/9/19,2.5,針狀鐵素體鋼
19、,對于一些強度、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度鋼。,根本,特點,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1010cm2亞結構的“針狀F,組織超低碳B。ReL 達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
20、量的鐵素體,-,珠光體型鋼相比，具有更高的強度和良好的韌度，屈服強度可達,450980MPa,。,圖,2-8,低碳貝氏體鋼上貝氏體與下貝氏體的抗拉強度與韌脆轉變溫度的關系,2024/9/19,主要,特點,合金元素作用是保證在較寬冷速,范圍內獲得以,B,為主的組織,成分特點: ?,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,鋼結構。,Q50014MnMoV和14MnMoVBRE鋼是我國,開展的低碳貝氏體鋼，屈服強度為490MPa級,2024/9/19,2.,低碳馬氏體鋼,工程機械上相對運動部件和低溫下使用部件。,要求有更高的強度和
21、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。到達合金調質鋼調質,后的性能水平。,制造汽車的輪臂托架、操縱桿、車軸、轉向聯(lián)動節(jié)和,拉桿等，也可用于冷墩、冷撥及制作高強度緊固件。,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。質量分數(shù),組織,F+M組織，F(xiàn)基體上分布不連續(xù)島,狀混合型M20% 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
22、M中。,2024/9/19,強度 MPa 雙相鋼,600,400,普通鋼,200,10 20 30 40 應變 / %,圖2-9雙相鋼和普通鋼應力應變曲線的比較,性能,低,R,eL,，且是連續(xù)屈服，無屈服平臺和上、,下屈服；均勻塑變能力強，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,500700MPa,。,2024/9/19,應,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
23、車的前后,保險杠、發(fā)動機懸置梁等，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,控軋和控冷工藝,超細晶?；?自動化在線控制,在線生產(chǎn)系統(tǒng),復合微合金化,凈化鋼中的有害雜質,組織微細化,計算機控制和性能預報,2024/9/19,小 結,在微合金化成分設計的根底上，正確的控軋和,控冷工藝是關鍵因素。組織變化是在T-t-P三元處,理過程中動態(tài)地進行的，從而獲得了優(yōu)異的復合,強化。這是對傳統(tǒng)T-t二元處理的一個突破，從而,對鋼的各種強化機制也有了新的認識與開展,Ti、Nb、V等元素在控軋和控冷工藝過程的各,個環(huán)節(jié)中起了重要作用。適宜的量及其它們的復,合參加使各強化機制得到了最正確的發(fā)揮,
金屬材料學工程結構鋼
