工程构件用合金结构钢

Chapter2工程构件用合金结构钢Chapter2工程构件用合金结构钢主要内容第一节低合金高强度结构钢第二节微合金化钢第三节低碳贝氏体型钢针状铁素体型钢铁素体-马氏体双相钢第四节新一代钢铁材料重点与难点：工程结构件用钢的力学性能特点、耐大气腐蚀性及微量合金元素的作用。Chapter2工程构件用合金结构钢教学要求基本要求：了解工程结构件用钢的力学性能特点、耐大气腐蚀性及加工工艺性能；熟悉常用碳素构件用钢和低合金构件用钢。一、应用背景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）的钢材。2.0引言Chapter2工程构件用合金结构钢二、工程构件的服役特点不作相对运动，长期承受静载荷作用；有一定的使用温度和环境要求：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；桥梁或船舶则长期经受大气或海水的浸蚀；电站锅炉构件的使用温度则可达到250℃以上。2.0引言Chapter2工程构件用合金结构钢三、力学性能要求一是弹性模量大，以保证构件有更好的刚度；二是有足够的抗塑性变形及抗破断的能力，即σs和σb较高，而δ和ψ较好；三是缺口敏感性及冷脆倾向性较小等；四是要求具有一定的耐大气腐蚀及海水腐蚀性能。2.0引言Chapter2工程构件用合金结构钢四、工艺性能要求良好的冷变形性能；良好的焊接性能。2.0引言Chapter2工程构件用合金结构钢力学性能为辅工艺性能为主五、成分设计要求低碳（wC%≤0.25%）；加入适量的合金元素提高强度:(1)当合金元素含量较低时，如低合金高强度结构钢和微合金化钢，其基体组织是大量的铁素体和少量的珠光体；(2)当合金元素中含量较多时，基体组织可变为贝氏体、针状铁素体或马氏体组织。2.0引言Chapter2工程构件用合金结构钢六、供货状态大部分构件通常是在热轧空冷（正火）状态下使用；有时也在回火状态下使用。2.0引言Chapter2工程构件用合金结构钢鞍钢1700精轧机组现场图2.1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），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等）、减轻结构重量、提高使用的可靠性及节约钢材的需要而发展起来的。2.0引言Chapter2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成分特点（1）低碳，这类钢中碳的质量分数一般小于0.2%，主要是为了获得较好的塑性、韧性、焊接性能。（2）主加合金元素主要是Mn，很少加Cr和Ni，是经济性能较好的钢种。2.1低合金高强度结构钢Chapter2工程构件用合金结构钢Mn能细化珠光体和铁素体晶粒；Mn的含量在1%~1.5%范围内可促进铁素体在形变时发生交滑移，使[112]〈111〉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，减少了晶界的裂纹源，这也将改善钢的冲击韧性；Mn的加入还可使Fe-Fe3C相图中的S点左移，使基体中珠光体数量增多，致使强度不断提高。2.1低合金高强度结构钢Chapter2工程构件用合金结构钢（3）辅加合金元素Al、V、Ti、Nb等，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。（4）加入一定量的Cu和P，改善这类钢的耐大气腐蚀性能。Cu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。P在钢中可以起固溶强化的作用，也可以提高耐蚀性能；Ni和Cr都能促进钢的钝化，减少电化学腐蚀；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Chapter2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，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。2.1低合金高强度结构钢Chapter2工程构件用合金结构钢总之，普通低合金高强度结构钢合金化的思路是：低碳，以Mn为基础，适当加入Al、V、Ti、Nb、Cu、P及稀土等合金元素。我国低合金高强度结构钢的牌号是按屈服强度的高低来分类的，共5个级别，21个钢种。我国低合金高强度结构钢的化学成分、力学性能和特性及用途分别如表2-1、表2-3所示。2.1低合金高强度结构钢Chapter2工程构件用合金结构钢一、微合金化钢是70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。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；其工艺特点是运用控制轧制和控制冷却生产工艺。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，即细化晶粒强化和沉淀强化的最佳组合。2.2微合金化钢Chapter2工程构件用合金结构钢二、微量合金元素钛、铌、钒等的作用1.抑制奥氏体形变再结晶在热加工过程中，通过固溶、偏聚在奥氏体晶界、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，从而抑制再结晶过程的进行。2.2微合金化钢Chapter2工程构件用合金结构钢图2-1Nb、V和Ti对再结晶临界温度的影响强弱延缓奥氏体再结晶能力Chapter2工程构件用合金结构钢2.2微合金化钢2.阻止奥氏体晶粒的长大通过加入钛和铌形成TiN或Nb(C,N)，它们在高温下非常稳定，其弥散分布对控制高温下的晶粒长大有强烈的抑制作用。微量铌（w≤0.06%）形成的Nb(C,N)阻止奥氏体晶粒长大作用可达1150℃；微量钛（w≤0.02%）以TiN从高温固态钢中析出，呈弥散分布，对阻止奥氏体晶粒长大很有效。2.2微合金化钢Chapter2工程构件用合金结构钢2.2微合金化钢Chapter2工程构件用合金结构钢图2-2Nb、V和Ti对正火态低合金钢晶粒度的影响细化晶粒的作用强弱3.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度和高的稳定性。钒只有在氮化物中才这样。一般微合金化钢中的沉淀强化相主要是低温下析出的Nb(C,N)和VC。当w(Nb)≤0.04%时，其细化晶粒对屈服强度的贡献大于沉淀强化的作用；当w(Nb)＞0.04%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。2.2微合金化钢Chapter2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作用最大，而钛的作用处于铌和钒之间。图2-3微合金元素对钢屈服强度的影响σG—细化晶粒强化的贡献；σph—沉淀强化的贡献Chapter2工程构件用合金结构钢2.2微合金化钢4.改善钢的显微组织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Nb(C,N)和V(C,N)的粒子更细小。2.2微合金化钢Chapter2工程构件用合金结构钢2.2微合金化钢Chapter2工程构件用合金结构钢2.2微合金化钢Chapter2工程构件用合金结构钢三、控制轧制与控制冷却钢材的热轧工艺（如钢坯的加热温度、保温时间、开轧温度、轧制道次和道次变形量、终轧温度以及轧后冷却等参数）对钢材的力学性能有重要影响。由于在普低钢中加入微量的Nb、V等合金元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。所以要生产强韧性钢还必须采取相应的韧化措施，即采用控制轧制和控制冷却工艺来细化铁素体晶粒。2.2微合金化钢Chapter2工程构件用合金结构钢1.控制轧制是将加入微合金化元素的普低钢加热到高温（1250℃~1350℃）进行轧制，但必须将终轧温度控制在Ar3附近。控制轧制本质上是形变热处理的一种派生形式，其主要目的是细化晶粒组织，从而提高热轧钢的强韧性。2.2微合金化钢Chapter2工程构件用合金结构钢在高于1200℃时，●一方面，钢中的铌、钛的碳氮化物部分溶解于奥氏体，以便在随后的轧制过程中析出，起抑制再结晶和控制奥氏体晶粒长大的作用；在轧制完毕的冷却过程中，又有部分弥散的碳化物析出起沉淀强化作用。●另一方面，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作用。2.2微合金化钢Chapter2工程构件用合金结构钢控制轧制通常由三个阶段组成：●第一阶段是高温下的再结晶区变形；●第二阶段是在紧靠Ar3以上的低温无再结晶区变形；●第三阶段是在奥氏体-铁素体两相区变形。2.2微合金化钢Chapter2工程构件用合金结构钢图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Chapter2工程构件用合金结构钢2.2微合金化钢常规热轧和控制轧制之间的差别在于●常规热轧的铁素体形核只在A晶界上形成；●控制轧制的奥氏体晶粒被形变带划分为几个部分，使得铁素体形核不仅发生在奥氏体晶界上，而且还在奥氏体的晶内。2.2微合金化钢Chapter2工程构件用合金结构钢若将一般热轧与控制轧制比较，可以发现它们与正火与淬火之间的关系:●相似:在控制轧制和淬火钢中，奥氏体晶粒被分割为几部分，从而形成非常细小的晶粒组织。●区别:控制轧制和淬火分割奥氏体晶粒的区别在于，控制轧制是依靠变形带，淬火是依靠马氏体相变。2.2微合金化钢Chapter2工程构件用合金结构钢控制轧制通常有两种工艺：●传统的控制轧制，即当控制轧制是在低于再结晶终止温度时变形，此时已变形的奥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。●随后通过控制冷却使得铁素体在奥氏体晶界和晶内滑移带上多处形核得到极细小的铁素体晶粒。2.2微合金化钢Chapter2工程构件用合金结构钢●微合金化元素的作用是为了在热加工时应变诱导析出，阻碍奥氏体再结晶，升高奥氏体的再结晶温度。只有Nb(C,N)是最理想的应变诱导析出相；TiN由于沉淀温度太高，不能成为应变诱导析出相；而VN和VC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。2.2微合金化钢Chapter2工程构件用合金结构钢●传统的控制轧制工艺的缺点是终轧温度较低，一般要低于900℃，此时钢的强度因温度降低而升高，轧制时变形抗力增大，必须有高功率的强力轧机才能实现这种工艺。2.2微合金化钢Chapter2工程构件用合金结构钢●再结晶控制轧制，即当控制轧制是在高于再结晶终止温度时变形，此时奥氏体要发生再结晶，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。●微合金化元素的作用加入钛使钢在液凝后的冷却过程中析出稳定弥散的TiN质点，可抑制经反复形变再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。2.2微合金化钢Chapter2工程构件用合金结构钢由于终轧温度高（高于950℃），形变不能诱导V(C,N)相产生，所以不能阻碍奥氏体再结晶，加入微合金化元素钒只作为低温析出的沉淀强化相。由此发展了高于再结晶温度控轧的V-Ti-N钢。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。再结晶控制轧制工艺的优点是特别适合在不能进行低温轧制的低功率轧机上实施，或者在锻造时使用。2.2微合金化钢Chapter2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淀强化相极为重要。对于截面较厚的钢材，冷却速度过慢时，对于截面较厚的钢材，析出的先共析铁素体将长大，珠光体团和片层也粗化，这就降低了钢的强度和韧性；对于微合金化钢，冷却速度过慢时，发生相间沉淀的温度较高，沉淀相过于粗大，减弱了沉淀强化效应。2.2微合金化钢Chapter2工程构件用合金结构钢根据钢材截面的厚度不同，控制冷却可以采用强制风冷、喷雾、喷水等措施来控制冷却速度。2.2微合金化钢Chapter2工程构件用合金结构钢冷却速度过快时，钢的塑性和韧性又较差。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，卷取温度一般控制在600℃~650℃，使钢板在600℃以下冷却速度减慢，以便改善钢材的塑性和韧性。2.2微合金化钢Chapter2工程