金属材料学-第2章-构件用钢

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第二章构件用钢概述•构件用钢指用于制造各种大型金属结构(如桥梁、船舶、屋架、锅炉及压力容器等)的钢材,又称为工程用钢。•随着工业交通和科学技术的发展,一般普通碳素工程用钢,难以满足重要机械构件的需要,因而世界各国均在大力进行低合金高强度钢和微合金化钢的开发与生产,它们的应用范围很广,在国防、化工、石油、电站、车辆、造船、桥梁等国民经济部门,都广泛使用这类钢种制备重要构件(工程构件用钢)。发展历程:•(1)最初,设计依据是抗拉强度,较少考虑屈服强度、韧性和焊接性。普遍的连接构件的工艺是铆接,因此,钢的含碳量较高,约为0.3%,钢材供货状态是热轧,几乎不控制轧制温度。•(2)采用焊接作为连结构件的方法,因此要求降低钢中含碳量,为了保持强度,钢中含锰量增高,但是并未注意到锰对钢的韧性的有利作用。•(3)焊接构件的脆性断裂,使人们认识到冲击韧性和断裂韧性的重要性,要求钢的韧脆转折温度低些,同时也认识到高屈服强度更重要。因此,钢中含碳量进一步降低,但锰量仍保持高水平。人们认识到高的Mn/C比对冲击韧性的好处以及“晶粒度”的重要意义。•(4)用晶粒细化剂,如AlN,细化晶粒。细化晶粒的结果,屈服应力从225MPa提高到300MPa,韧脆转折温度降到0℃以下。但是这种细化晶粒的方法只能在正火状态下使用。•(5)在保持低碳、高锰、细化晶粒的条件下,利用析出强化进一步提高钢的屈服强度。细化晶粒的方法是加Nb、V或Ti。当时,加入的主要元素是Nb,因为它使热轧状态的钢材有较高的强度。但是早期轧钢的停轧温度很高,因而钢材晶粒粗大,冲击韧性较差。•(6)降低停轧温度,以解决热轧钢材晶粒粗化问题。这种工艺既细化晶粒又有一定的析出强化。钢的屈服强度达到450~525MPa,韧脆转折温度降低到-800C。这类钢称为微合金化、控轧、低碳、低合金高强度钢,简称微合金化钢。•(7)为了改善钢材的总的成型性,特别是改进钢板的全厚度上的塑性与韧性,人们认识到控制钢中夹杂物形态的重要性。非金属夹杂物沿钢板的某些部位呈平面列状排列不仅对韧性、塑性有害,而且易于造成焊接缺陷和层状撕裂。为了解决这项问题,往钢中加入Zr、稀土元素和Ca等,以控制夹杂物形态。•这个简单的回顾表明,在低合金高强度钢发展的后期,Nb,V,Ti已进入了历史舞台,微合金化的概念也开始形成。•微合金化低合金高强度钢与普通碳素钢相比,屈服强度约高50~100%。根据国外计算,普通碳素钢每吨的价格为300美元,加微合金元素以后成本增加5~10美元,而微合金化的低合金高强度钢材售价可达312~315美元;因此生产这类钢材可增加钢厂的利润。与此同时,采用这类钢材制造机械构件的重量可减轻20~30%,可为机械工业节约许多钢材。构件的工作特点•不作相对运动,长期承受静载荷作用,有一定的使用温度要求。(锅炉,250℃以上。有的构件,经受低温作用),承受大气和海水的浸蚀(桥梁、船舶,大气或海水)。对构件用钢性能要求•(1)力学性能要求。弹性模量大,以保证刚度;有足够的抗塑性变形及抗破断的能力,即屈服强度和抗拉强度较高;而塑性较好;缺口敏感性及冷脆倾向性较小等。•(2)耐腐蚀性能要求。耐大气腐蚀及耐海水腐蚀性能•(3)靠冷变形和焊接成型:要求良好的冷变形性能和焊接性能。•构件用钢以工艺性能为主,力学性能为辅。•成分:低碳(<0.2%)•使用状态:热轧空冷(正火),有时也在回火状态下使用。•基体组织:大量的铁素体和少量的珠光体。•性能特点:屈服、冷脆及时效等现象。2.1构件用钢的力学性能特点•构件用钢的力学性能有三大特点:屈服现象、冷脆现象和时效现象。一、构件用钢的屈服现象•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:•(1)拉伸曲线上出现屈服齿与屈服平台。•(2)在屈服过程中试件的塑性变形分布是宏观不均匀的屈服现象的危害及消除•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,使试样表面有明显滑移线,表面出现皱折。屈服现象有时会影响构件(如汽车蒙皮)的表面质量。实践中发现,有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,这是一种水波纹状的表面缺陷,称为滑移线。这种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。消除的办法是对于一些冲压用的钢板退火后,进行变形量约为0.8%~1.5%的冷轧,即平整加工。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。屈服现象的产生原因:二、构件用钢的冷脆现象•冷脆现象:•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,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,而且其断裂应力往往低于室温下的屈服极限。•评定指标:•冷脆转变温度,又称脆性转折温度。•是组织敏感的参数。晶体结构、强度、合金元素及晶粒大小等均对有影响。变形速度、试件尺寸、应力状态及缺口形式等对也有一定的影响。•实际意义:•构件用钢在常温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屈服点设计的各种构件是安全的。•但在生产实际中,一系列低碳构件(船舶、桥梁、容器等)在较低使用温度下发生的引起严重后果的冷脆事故,使人们认识到只根据常规拉伸性能数据还不能全面评价构件用钢的性能。•冷脆的防止:•1合金元素也可使脆性转折温度下降。如Ni、Mn、Al等使之下降,而C、Si使之上升•2细化晶粒•3更换基体材料三、构件用钢的应变时效、淬火时效及蓝脆•时效:•构件用钢加热到Ac1以上进行淬火(快冷)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。通常强度、硬度增高,塑性、韧性下降,并提高钢的脆性转折温度,这种现象称为时效。•①塑性变形后的时效称为应变时效;•②淬火后的时效称为淬火时效;•③在一般气候条件下的时效称为自然时效;在较高温度下进行的时效称为人工时效。•对低碳构件用钢,时效的影响较显著,因此必须注意。其它种类的钢材也有时效现象,但含碳量较高时影响相对较小,故工业上通常不予以注意。•时效的危害:•①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、卷边、冲孔、剪裁等过程中产生局部塑性变形的工艺操作,由于应变时效会使局部地区的断裂抗力降低,增加构件脆断的危险性。应变时效还给冷变形工艺造成困难,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裂缝而报废。•②对焊接成型:•焊接构件热影响区的温度可以达到以上温度而产生淬火时效。此时,钢的显微组织没有明显变化,但其力学性能也发生类似于应变时效的变化。•低碳钢应变时效敏感性的试验方法:•冶标YB30一64规定把钢在应变时效前后的冲击韧性差值与其在原状态下冲击韧性值之百分比C作为钢的时效敏感性的衡量标准(钢的时效敏感性也可用硬度值的相对变化来衡量。)%100原时效原KKKC应变时效敏感性的影响因素及防止•与固溶于a—Fe中的少量C、N原子(特别是N原子的影响较大)有关。因此,应控制在a—Fe中的C、N原子数量。•向钢中加入强碳、氮化物形成元素。如Al、V、Ti、Nb等,使低碳钢中的C、N元素以化合物形式固定下来而较少地溶入a-Fe中。•钢中气体的含量与冶炼方法和浇铸方法有关,因而不同的冶炼方法所得钢材的时效敏感性不同。一般说来,侧吹转炉钢的时效敏感性要大于平炉钢,沸腾钢的时效敏感性要大于镇静钢。蓝脆现象•应变时效敏感的钢种往往还存在一种蓝脆现象。•低碳钢在300—400℃的温度范围内却出现反常的升高、降低的现象。应变速率增加时,蓝脆的温度向高温推移,值通常在500℃左右出现谷值。•蓝脆现象是由于塑变时位错运动速度与该温度下固溶的C、N原子的移动速度几乎相等造成的,所以应变时效与塑性变形同时发生。•蓝脆也是一种不利现象,但在截断钢材时,可利用蓝脆现象。2.2构件用钢的工艺性能•构件用钢要求具有良好的冷变形性能和焊接性能。一、构件用钢的冷变形性能•钢材的冷变形性能包括三层意思:•①钢材的变形抗力,它决定钢材制成必要形状的部件的难易程度;•②钢材在承受一定量的塑性变形时产生开裂或其它缺陷的可能性;•③钢材在冷变形后性能的变化,即危害性或可利用性。•影响因素:•①钢材的含碳量对其冷变形性能影响最大。含碳量增高,钢中的珠光体量增多,塑变抗力增高,而塑性降低,变形时开裂的倾向性增大。•②含硫量增高,钢中的MnS夹杂物增多,也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。钢材易于沿着呈条状分布的硫化物夹杂发生开裂或分层。•③磷有强烈的偏析倾向,含磷较高的钢板带状组织比较严重,其性能也有明显的方向性。•④钢材表面质量也影响冷变形性能,表面上的裂缝、结疤、折叠、划痕等缺陷,往往是冷变形开裂的根源。•钢材冷变形后,强度增高,而塑性降低,应变时效进一步提高强度和降低塑性。但多数构件进行变形是由于加工上的需要,因此强度的增高往往不能利用,而塑性的降低却可能成为构件断裂的起因,必须予以注意。•变形时开裂是构件用钢加工过程中经常发生的现象。通常用下列指标和方法来衡量构件开裂的可能性:极限塑性指标(变形开裂倾向)、塑性失稳时变形量/加工硬化指数/屈强比(弯曲、延伸等冷变形时)二、构件用钢的焊接性能•焊接性能也是很重要的工艺性能,特别是近年来,随着断裂力学的发展,人们对焊接性能的重要性更为重视。•焊接材料总是不均质的。例如:①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冶金过程、熔化过程及热处理过程,使各处形成不同的组织;②由于热循环及组织变化,产生一定的焊接残余应力。③焊接过程可能产生未焊透、气泡、夹渣、裂纹等缺陷。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。•焊接质量是否良好,一方面与构件的结构及焊接工艺有很大关系,另一方面与材料的焊接性能也有很大关系。焊接性能与钢材的化学成分及其在焊接时形成的组织有关。•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脆性。•焊接脆性包含马氏体转变脆性、过热及过烧脆性、凝固脆性和热影响区的时效脆性等。•马氏体转变脆性是焊接时造成冷裂纹的主要原因之一。因而焊接时是否易于形成马氏体是人们关注的问题之一。•是否易于形成马氏体取决于钢材的淬透性。碳是显著增加钢材淬透性的元素,且还增大马氏体的延迟断裂倾向,因此在一般碳素构件用钢中应将含碳量控制在0.25%以下,在普通低合金构件用钢中一般不超过0.2%。很多合金元素都会增加钢的淬透性,对焊接性能不利,故对其含量也应加以控制。•另外碳及合金元素还会降低钢的Ms点,这也是不利的。Ms点最好不低于300℃。这是因为在热影响区虽有马氏体转变,但点高于300℃时可产生“自回火”现象,从而减少了开裂的倾向。•碳当量:•有人尝试用单一参数碳当量记[C]来综合地表示碳及合金元素对于焊接性能的影响。钢的[C〕越高,表示焊接性能越差。目前已报导了不少计算[C]的公式,常采用的有44SiMnCC56VMoCrMnCC2.020104603020BCuVMoNiSiMnCC公式中各元素符号表示质量百分比。通常认为:[C]<0.35%,焊接性能良好;[C]>0.4%,焊接有困难,需采用焊接预热或焊后及时回火等措施补救。•过烧脆性产生在紧靠熔合线的热影响区。防止过烧脆性的方法是限制钢的含碳量,或者向钢中加少量稀土元素(如铈)以固定硫。稀土硫化物可以降低钢对过烧脆性的敏感性。•离熔合线较远的热影响区易产生过热脆性,可降低钢的塑性,增加冷脆倾向性。向钢中加入少量Mo、V、Ti、Nb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。•凝固脆性一般以热裂纹的形式表现出来。引起凝固脆性的主要元素是S、P、Si等,C、Ni、Cu也有促进作用,故对这些元素在构件用钢中的含量也应加以限制。而加入Ti、Zr或Ce能形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