金属材料学—(第二章-)工程构件用钢

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1、《金属材料学》教案第二章工程构件用合金结构钢讲课内容补充说明第二章工程构件用合金结构钢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。一般说来，工程构件的服役特点是不作相对运动，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。因此工程构件用合金结构钢所要求的力学性能是弹性模量大，以保证构件有更好的刚度；有足够的抗塑性变形及抗破断的能力，即

2、σs和σb较高，而δ和ψ较好；缺口敏感性及冷脆倾向性较小等。并要求具有一定的耐大气腐蚀及海水腐蚀性能和良好的冷变形性能和焊接性能。总之，工程构件用合金结构钢和普通碳素结构钢的基本要求一样，仍然以工艺性能为主，力学性能为辅。所以在成分设计上仍应是低碳钢（wC%≤0.25%）。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。加入适量的合金元素提高强度，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；当合金元素中含量较多时，其基体组织可变为贝氏体、针状铁素体或马氏体组织。第一节低合金高强度结构钢

3、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。表2-1为我国发展的低合金高强度结构钢的化学成分和机械性能。表2-2国外几种低合金高强度结构钢的化学成分和力学性能。普通低合金高强度结构钢为了满足其性能要求，这类钢的化学成分有如下特点：（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。在工程构件用钢的发展初期，主要使用含C量约0.3%的热轧钢材，其屈服强度在300~350MPa左右。随着

4、含碳量增加，钢的强度增加，塑性降低，使得成型困难，同时使得在焊接过程中，引起严重的变形、开裂，因此低合金高强度结构钢的C含量必须逐步降低。此外随着碳含量的增加，钢中珠光体含量相应增加，珠光体由于有大量脆性的片状渗碳体，因而有较高的韧-脆转化温度，如0.3%C的钢材，韧-脆转化温度约在50℃《金属材料学》教案第二章工程构件用合金结构钢左右，而0.1%C的钢材，韧-脆转化温度则降低到-50℃左右。因此低合金高强度结构钢的C含量一般均限制在0.2%以下。（2）主加合金元素主要是Mn，基本上不加Cr和Ni，是经济性能较好的钢种。Mn属于复杂立方点阵，其点阵类型和原子

5、尺寸与α-Fe相差较大，因而Mn的固溶强化效果较大。合金元素在α-Fe中的固溶强化次序是：Si、Mn较大，Ni次之，W、Mo、V、Cr较小。Mn是促使奥氏体长大的元素，但在构件用钢中，由于基体组织为铁素体加少量的珠光体，Mn能降低钢的Ar1温度，降低奥氏体向珠光体转变的温度范围，并减缓其转变速度，因而表现出细化珠光体和铁素体的作用。晶粒细化既可以使钢的屈服强度升高，又可使脆性转变温度下降，有利于钢的韧性提高。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

6、，减少了晶界的裂纹源，这也将改善钢的冲击韧性。但应注意Mn的含量控制在2%以内。此外，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，因而可使钢在相同的碳含量下，随铁素体量减少，珠光体增多，致使强度不断提高。（3）辅加合金元素Al、V、Ti、Nb等，在普通低合金高强度结构钢中加入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。例如，在C0.15%+Mn1.8%的钢中，用Al脱氧正火可使σs达到425MPa~475MPa，而Tk下降到-70℃。另外，加入微量的V、Ti、Nb等元素既可产生沉淀强化作用，还

7、可细化晶粒，从而使强韧性得以改善。必须指出的是，这类合金元素所形成的碳化物在高温轧制时可以溶解，此时细化晶粒的效果消失，而Tk反而上升。所以在轧制时必须控制轧制温度，以发挥V、Ti、Nb的沉淀强化作用和细化晶粒作用。（4）为改善这类钢的耐大气腐蚀性能，应加入一定量的Cu和P。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。必须指出的是，钢中同时加入这几种元素，则提高耐蚀性的效果更佳。（5）加入微

8、量稀土元素可以脱硫去气，净化钢材，并改善夹杂物的形态