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时间:2021-03-09
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1、第2章工程构件用钢工程构件用钢:用于制作各种大型金属结构(如桥梁、船舶、车辆、锅炉和压力容器)所用的钢料,称为工程构件用钢,简称构件钢。工作条件特点是:1.不做相对运动;2.往往承受长期的静载荷;3.有一定的使用温度要求;4.通常在野外(如桥梁)或海水中(如船舶)使用,长期与大气或海水接触,而又不能象机器那样防锈维护得很好。使用性能要求:1)力学性能要求:a.足够的弹性模量,以保证构件有较好的刚度;b.有足够的抗塑性变形及抗破断的能力,即σs较高而δk、Ψk较大;c.缺口敏感性及冷脆倾向性较小。2)要有一定的耐大气腐蚀性及耐海水腐蚀性;要求有良好的冷变形性与可焊性。要求不高据以
2、上性能要求,多采用低碳钢(ωc<0.2%),通常是热轧空冷供货(相当于正火),或正火回火,故其组织为:F+少量P√对构件钢的要求以工艺性能为主,以力学性能为辅。第一节工程构件用钢的力学性能其成分和组织结构决定了其如下性能特点:一、屈服现象低碳钢的力学行为特点之一。屈服中所需的力下降或不变,变形不均匀,屈服结束后,材料硬化,变形均匀。如:钢板冲压时易出现皱折,采用先冷变形硬化再冲压的措施可解决。变形处σs↑,其它部分开始变形为什么?形成原因:其屈服现象与钢中的碳、氮原子与位错的相互作用有关。碳、氮原子在α-Fe中富集在位错线周围形成柯氏气团。柯氏气团对位错有钉轧作用,但这种钉轧是
3、短程的,位错在外力作用下挣脱气团后继续运动所需要的力反而减小了,造成了低碳构件用钢的屈服现象。合金元素在钢中的作用:↓碳、氮,或加入强碳化物形成元素(如钛、铌等,使碳、氮原子)与之结合成稳定的碳化物或氮化物,抑制柯氏气团形成,可避免冲压时皱折的产生。二、冷脆现象冷脆:在一般气候条件下,随温度降低,低碳构件用钢的断裂由宏观塑性的微孔集聚型断裂(断口为塑性)过渡为宏观脆性的解理断裂(断口为小平面联合)的现象。这一过渡温度称塑脆转变温度Tk。构件用钢的冷脆对其实际应用影响很大:若在Tk以下温度使用,如船舶、桥梁、压力容器等,发生脆断,会造成严重后果。影响Tk的因素:1)构件上存在缺口
4、、裂纹或淬火时效和应变时效等,皆使Tk提高。2)冶炼方法和轧制工艺:●平炉钢优于侧吹转炉钢,镇静钢优于沸腾钢。主要与钢中硫、磷、氮、氧杂质含量有关,杂质含量高,Tk高。用铝脱氧的钢其冷脆倾向性小。●控制轧制工艺影响钢的冷脆倾向,如降低终轧温度,提高轧后的冷却速度等,均可得细小的晶粒组织,降低钢的冷脆倾向性。3)钢的组织状态:希望得到细小的F晶粒和适量的细片P。如钢中出现针状F或魏氏组织,或形成少量上贝氏体组织,其Tk可上升到室温。4)加入适当的合金元素可使Tk下降:如合金元素锰、铝等使Tk下降,而碳、硅等元素使Tk上升。非共析钢当A粗大冷却速度又快时,F、Fe3C沿A晶界呈针状
5、析出三、应变时效、淬火时效和蓝脆时效:非平衡金属材料在常温或一定温度条件下,组织趋于向平衡状态过渡,力学行为会逐渐变化的过程。一般与淬火联合,分为自然时效和人工时效。构件钢的时效脆性:构件钢加热后快冷,或塑性变形后,放置过程中出现硬度↑,塑韧性↓的现象。(一)应变时效塑性变形后的时效。对构件钢,应变时效一般是不利的。弯角、卷边、冲孔、剪裁等产生局部塑性变形,应变时效会使这些局部区域的断裂抗力降低,成为断裂的起源。即使工艺中未产生塑性变形,但当构件受载时,其上存在的裂缝尖端附近也必然要产生一定量的塑性变形,应变时效使这一局部区域σS增加而塑性降低,使裂缝扩展阻力降低或使塑脆转变温
6、度提高,增加构件损坏的危险性。应变时效还给冷变形工艺造成困难(裁下来的毛坯)。形成原因:时效过程中碳,氮原子(主要是氮)在位错周围积聚,形成柯氏气团。措施:控制C、N含量:加V、Ti、Nb、Zr、Al,结合成碳、氮化物。(二)淬火时效淬火时效:在一些焊接构件上焊接热影响区产生淬火时效,可能成为构件开裂源。原因:被碳、氮过饱和的α-Fe固溶体脱溶沉淀。在室温或较高温度放置时,C、N先向位错、晶界等缺陷富聚→析出亚稳定、与母相共格的ε碳化物(Fe2.4C)和α"氮化物(Fe16N2)。措施:与应变时效相似。(三)蓝脆蓝脆:变形时,低碳钢在300—400℃温度范围内出现光亮蓝色,却出
7、现反常的σb↑,δ、ψ↓的现象。应变速率↑,蓝脆温度向高温推移(可至500℃)原因:由于塑变时位错运动速度与该温度下C、N原子的移动速度几乎相等,所以应变时效与塑性变形同时发生。第二节工程构件用钢的耐大气腐蚀性构件用钢多在野外使用,不易防护,且用量大,故腐蚀性问题较重要。一、大气腐蚀过程属电化学反应,构件钢内部发生原电池反应。Fe2++2OH-→Fe(OH)2↓4Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3↓2Fe(OH)3→Fe3O4+3H2O二、提高构件钢耐大气腐蚀的途径●减少微电池
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