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金属材料第二章


第二章 构件用钢

?构件用钢的力学性能特点
?构件用钢的工艺性能 ?构件用钢耐大气腐蚀性能 ?碳素构件用钢 ?普通低合金构件用钢 ?进一步提高普低钢力学性能的途径

第二章 构件用钢
构件用钢:是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。 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。 作为构件用钢应有如下性能要求:

?力学性能要求。要求构件用钢弹性模量大,以保证构件有较好的刚度; 有足够的抗塑性变形及抗破断的能力。
?耐腐蚀性能要求。为使构件在大气或在海水中能长期稳定工作,要求 构件用钢具有一定的耐大气腐蚀及海水腐蚀性能。 ?冷变形和焊接成型要求。要求构件用钢有良好的冷变形性能和焊接性 能。

第一节 构件用钢的力学性能特点
从成分上看,构件用钢应是低碳的(Wc≤0.2%),大部分构件是在热轧空冷状态下使用,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。

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,其主要表现在以下两方面:

?拉伸曲线上出现屈服齿与屈服平台
?在屈服过程中,试件的塑性变形分布是宏观不均匀的。

屈服齿与屈服平台

由于屈服变形集中在少数滑移带上,所以必然会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 (汽车蒙皮)的表面质量。 一般认为,屈服现象与钢中C、N原子与位错相互作用产生的“柯氏气团” 有关。因此减少钢中C、N原子的含量或加入强碳化物形成元素(如Ti、 Nb等),使C、N原子与之结合成稳定的碳化物,抑制柯氏气团的形成, 可避免冲压时产生表面皱折。

二、构件用钢的冷脆现象
实践表明,低温对构件用钢的力学性能有很大影响。 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。 评定材料冷脆倾向大小的指标是冷脆转变温度,又称脆性转折温度 (TK)。

TK是组织敏感的参数。如金属的晶体结构、强度、合金元素及晶粒大 小等均对TK有影响。变形速度、试件尺寸、应力状态及缺口形式等对TK 也有一定影响。
构件用钢的冷脆现象在生产上有很大的实际意义。通常构件用钢在常温 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,即使在受到超载作用时,也只能产生过量的塑性 变形而失效,不会因构件断裂造成严重后果。但在生产实际中,一系列 低碳构件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。为了防 止发生冷脆,对构件用钢还必须要求低的脆性转折温度,并且保证工作 温度高于Tk。另外加入合金元素也可使Tk下降。如Mn、Al。

三、构件用钢的应变时效、淬火时效及蓝脆
构件用钢加热到Ac1以上进行淬火或经塑性变形后,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。 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;

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。
不仅低碳钢有时效现象,其他种类的钢材也有时效现象,但含碳量较高时影响相 对较小,不予以注意。

在一些焊接构件上,由于热影响区的温度可以达到Ac1以上而产 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,强度和硬度指标升高,塑性指标 降低。如图所示。

低碳钢经860℃淬火后天然时效 时力学性能的变化

低碳钢应变时效(实线,预变 形10%)及淬火时效(虚线, 920℃淬火)时硬度的变化

低碳钢应变时效敏感性的试验方法。通常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

(? K )原 ? ? K )时效 ( c? ?100 % (? K )原
钢材应变时效敏感性主要与固溶于?-Fe中少量C、N原子有关。因此,应控制?Fe中C、N原子数量。为此,应向钢中加入强碳化物、强氮化物形成元素。如Al、 V、Ti、Nb等,使低碳钢中的C、N原子以化合物形式固定下来而较少地溶入?-

Fe。

对应变时效敏感的钢种往往还存在一种蓝脆现象。一般说来,塑 变抗力随温度的升高而减小,所以在室温下不能加工成型时,就 可以在较高的温度下进行加工。但低碳钢在300~400℃的温度范 围内却出现反常的sb升高、dk降低的现象,如图所示,即蓝脆现 象。

低碳钢的力学性能随试验温度变化的情况

应变时效增加时,蓝脆的温度向高温推移,?k值通常在 500℃出现谷值。 目前认为,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。 一般而言,蓝脆也是一种不利现象,但在截断钢材时,可利 用蓝脆现象。

第二节 构件用钢的工艺性能
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: ?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;

?钢材在承受一定量的塑性变形时产生开裂或其他缺陷的可能性;
?钢材在冷变形后性能的变化,即危害或可利用性。

影响冷变形性能的因素
?钢材的含碳量对其冷变形性能影响最大。C↑,珠光体↑,塑变抗力↑,塑性
?钢材表面质量也影响冷变形性能。裂缝、结疤、折叠、划痕等缺陷,开 裂根源。

?钢材冷变形后,强度增高,塑性降低,应变时效进一步提高强度和降低 塑性。

二、构件用钢的焊接性能
焊接性能也是重要的工艺性能,随着断裂力学的发展,更加重视焊接性能。
焊接材料总是不均质的。 1.焊缝区、半熔化区及热影响区发生小范围复杂冶金过程、熔化过程及热处理过程。 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。
影响构件承载和使用寿命。 焊接脆性:由于钢材化学成分和组织的变化而导致焊接构件脆断增加的现象。 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。

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, 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。

Mn Si ?C ? ? C ? ? 4 4
6 5

适用于其他元素可忽略的情况

?C ? ? C ? Mn ? Cr ? Mo ? V

英美常用

Mn Si Ni Mo V Cu B ?C ? ? C ? ? ? ? ? ? ? 20 30 60 4 10 20 0.2
已由日本焊接工程师学会推荐为国际标准 通常认为:[C]<0.35%,焊接性能良好; [C]>0.4%,焊接有困难。

第三节 构件用钢耐大气腐蚀性能
耐大气腐蚀性能也是构件用钢的重要使用性能。多在野外使用,不可能 保护得很好,用量极大,需要重视。

一、大气腐蚀过程
大气腐蚀过程过程是一种电化学腐蚀过程,电化学腐蚀过程实质上是一种 原电池腐蚀现象。一般原电池有两块金属极板,而实际构件在大气中的腐 蚀是在同一块钢板上进行的,故构件用钢在大气中的腐蚀称为微电池现象。 所谓微电池,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。 基体?-Fe和第二相质点构成原电池的两极。

微电池现象示意图

二、提高构件用钢耐大气腐蚀的途径
1.减少微电池数量
微电池数量越多,则腐蚀速度越快。C与S含量增多时,会使第二相质点数量增多, 从而导致腐蚀速度加快。

2.提高基体的电极电位
基体与第二相的电极电位越大,则腐蚀速度越快。可向钢中加入能与?-Fe形成固 溶体并提高其电极电位的合金元素(如Cr、Ni、Ti)。 3.利用钝化效应 所谓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。常用措施是在金属表面形成一层致密的氧化模。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。

第四节 碳素构件用钢
碳素构件用钢又称普碳钢,约占钢总产量的70%~80%。易于冶炼、价 格低廉、性能也基本满足一般构件的要求。 以热轧状态交货,一般不经热处理强化。Wc=0.2%。 按照国标GB700-88,将普碳钢分为Q195、Q215、Q235、Q255、Q275等 五类。 按照钢的脱氧程度和浇注方法可将普碳钢分为沸腾钢、镇静钢和半镇静 钢三类。 沸腾钢的优点:钢锭缩孔小、切除量小、成材率高。缺点:沸腾钢的偏 析较严重,钢锭中心区域富集S、P、C等元素,冲击韧性、冷脆倾向性、 时效敏感性及焊接性能较差。 镇静钢的优点是,偏析程度小,含气体量少,质量较高。只是成材率低, 成本高。

半镇静钢的质量介于沸腾钢和镇静钢之间。

低碳沸腾钢加热到Ac3以上并在水中急冷,可在提高强度的同时,大大 降低其冷脆、应变时效及淬火时效的倾向,如下表所示。沸腾钢经快 冷正火后,甚至可以具有比相同含碳量的镇静钢更好的性能。

第五节 普通低合金构件用钢
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HSLA钢。属低碳、低合金元素的钢种。

普低钢是为了适应大型工程结构、减轻结构质量、提高使 用可靠性及节约钢材的需要而发展起来的。
冶金部标准的普低钢,按照屈服强度高低分为300MPa级、 350MPa级、 400MPa级、 450MPa级、 500MPa级、 650MPa级等六个级别。 具有代表性的钢种如下表所示。

普低钢化学成分的特点是: (1)低碳低合金元素,基本上不加Cr和Ni,是经济性能较好的钢种。 (2)主加合金元素是Mn,Mn属于复杂立方点阵,其点阵类型和原子 尺寸与?-Fe相差较大,因而Mn的固溶强化效果较大。 (3)辅加合金元素Al、V、Ti、Nb等。在普低钢中加入Al形成AlN的 细小质点,以细化晶粒,这样既可提高强度,又可降低脆性转折温度 Tk。 (4)为改善钢的耐大气腐蚀性能,应加入Cu和P。 (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,从而改善钢的机械性能和工艺性能。 综上所述,普低钢合金化总的概念是:低碳,合金化时以Mn为基础, 适当加入Al、V、Ti、Nb、Cu、P及稀土等元素。其发展方向是多组 元微量合金化。

2.6 进一步提高普低钢力学性能的途径
具有铁素体-珠光体组织的普低钢,保持良好综合机械性能的条件下,屈服极 限最高约470MPa,若希望获得强度更高的普低钢,需要考虑发展其他类型组织 的普低钢。

一、发展低碳贝氏体型普低钢 低碳贝氏体型普低钢的主要特点是使大截面的构件在热轧空 冷(正火)条件下,能获得单一的贝氏体组织。发展贝氏体 普低钢的主要冶金措施是向钢中加入能显著推迟珠光体转变 而对贝氏体转变影响很小的合金元素,从而保证热轧空冷条 件下获得下贝氏体组织。

目前,贝氏体型普低钢多采用wMo0.5%+wB0.003%为基本成分,以保证 得到贝氏体组织,加入Mn、Cr、V等元素是为了进一步提高钢的强度 及综合性能。这些元素的作用是: (1)产生固溶强化作用; (2)降低贝氏体转变温度,使贝氏体及其析出的碳化物更加细小;

(3)强烈推迟C-曲线中的珠光体转变,进一步提高贝氏体的淬透性;
(4)提高回火稳定性(Mo和V最有效)。

低碳贝氏体型普低钢的焊接性能很好。

主要用于锅炉和石油工业中的中温压力容器。

二、采用低碳索氏体型普低钢
提高普低钢强度的另一途径是采用低碳低合金钢淬火得到低碳马氏体, 然后进行高温回火,获得低碳回火索氏体组织,以保证钢具有良好的综 合性能和焊接性能。

与热轧状态或正火状态使用的铁素体-珠光体型普低钢不 同,低碳索氏体型普低钢的强度主要取决于含碳量及钢的 回火稳定性,所选的合金元素及其含量应保证钢具有足够 的淬透性、较高的回火稳定性和良好的焊接性能。 在美国对这类钢研究较多的是T-1型钢。

这种钢易于焊接,焊前不预热,具有良好的焊接性能。 已在重型载重车辆、桥梁、水轮机及舰艇等方面得到应 用。我国也已成果应用于导弹、火箭等国防工业中。

三、发展针状铁素体型普低钢
为了满足在北方严寒条件下工作的大直径石油和天然气输出管道用钢的 需要,目前各国正在发展针状铁素体型钢,并通过轧制获得良好的强韧 化效果。 典型成分为:wc=0.06%, wMn=1.6%~2.2%, wSi=0.01%~0.4%, wMo=0.25%~0.4%, wNb=0.04%~0.1%, wAl≈0.05%, wN≤0.01%, wS≤0.02%, wP≤0.02%。 这种钢控制轧制后可使ss达到490MPa以上,而Tk在-100℃以下。而且焊接 性能良好,可以用普通电弧焊焊接。

针状铁素体型普低钢合金化的主要特点如下:
(1)采用低wC(wC=0.04%~0.08%);

(2)主要用Mn、Mo、Nb进行合金化;
(3)对wV、wSi、wN、wS加以限制。

四、控制轧制的应用
在普低钢中加入微量的Nb、V等元素,可以产生显著的沉淀强化效应, 但同时也使钢的冷脆倾向性增大。为了充分发挥Nb、V等元素的沉淀强 化效应,必须相应采取韧化措施,即采用控制轧制工艺。

控制轧制是将普低钢加热到高温(1250~1350℃)进行轧 制,但必须将终轧温度控制在Ar3附近。
控制轧制是高温形变热处理的一种派生形式,其主要目的是细化晶

粒,提高热轧钢的强韧性。
常规轧制与控制轧制的区别:

前者铁素体晶粒在奥氏体晶界上成核, 而后者由于控制轧制,奥氏体晶粒被形变带划分为几部分, 铁素体晶粒可在晶内和晶界上同时成核,从而形成晶粒非常 细小的组织。

控制轧制的主要工艺参数是: (1)选择合适的加热温度,以获得细小而均匀的奥氏体 晶粒; (2)选择适当的轧制道次和每道的压轧量,通过回复再 结晶获得细小的晶粒; (3)选择合适的在再结晶区和无再结晶区停留的时间和 温度,以使再结晶晶粒内产生形变回复的多边形化亚结构。 (4)在两相区(?+g)选择适宜的总压下量和轧制温度;

(5)控制冷却速度。


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