Chapter2工程構件用合金結構鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 主要內容 第一節低合金高強度結構鋼 第二節微合金化鋼 第三節低碳貝氏體型鋼針狀鐵素體型鋼鐵素體 馬氏體雙相鋼 第四節新一代鋼鐵材料 重點與難點 工程結構件用鋼的力學性能特點 耐大氣腐蝕性及微量合金元素的作用 Chapter2工程構件用合金結構鋼 教學要求 基本要求 了解工程結構件用鋼的力學性能特點 耐大氣腐蝕性及加工工藝性能 熟悉常用碳素構件用鋼和低合金構件用鋼 一 應用背景工程構件用合金結構鋼是在普通碳素結構鋼的基礎上發展起來的 主要用于制造各種大型金屬結構 如橋梁 船舶 屋架 鍋爐及壓力容器等 的鋼材 2 0引言 Chapter2工程構件用合金結構鋼 二 工程構件的服役特點不作相對運動 長期承受靜載荷作用 有一定的使用溫度和環境要求 如寒冷的北方 構件在承載的同時 還要長期經受低溫的作用 橋梁或船舶則長期經受大氣或海水的浸蝕 電站鍋爐構件的使用溫度則可達到250 以上 2 0引言 Chapter2工程構件用合金結構鋼 三 力學性能要求一是彈性模量大 以保證構件有更好的剛度 二是有足夠的抗塑性變形及抗破斷的能力 即 s和 b較高 而 和 較好 三是缺口敏感性及冷脆傾向性較小等 四是要求具有一定的耐大氣腐蝕及海水腐蝕性能 2 0引言 Chapter2工程構件用合金結構鋼 四 工藝性能要求良好的冷變形性能 良好的焊接性能 2 0引言 Chapter2工程構件用合金結構鋼 力學性能為輔 工藝性能為主 五 成分設計要求低碳 wC 0 25 加入適量的合金元素提高強度 1 當合金元素含量較低時 如低合金高強度結構鋼和微合金化鋼 其基體組織是大量的鐵素體和少量的珠光體 2 當合金元素中含量較多時 基體組織可變為貝氏體 針狀鐵素體或馬氏體組織 2 0引言 Chapter2工程構件用合金結構鋼 六 供貨狀態大部分構件通常是在熱軋空冷 正火 狀態下使用 有時也在回火狀態下使用 2 0引言 Chapter2工程構件用合金結構鋼 鞍鋼1700精軋機組現場圖 2 1低合金高強度結構鋼 一 低合金高強度結構鋼也稱為普通低合金鋼 簡稱普低鋼 這類鋼是為了適應大型工程結構 如大型橋梁 大型壓力容器及大型船舶等 減輕結構重量 提高使用的可靠性及節約鋼材的需要而發展起來的 2 0引言 Chapter2工程構件用合金結構鋼 二 普通低合金高強度結構鋼的化學成分特點 1 低碳 這類鋼中碳的質量分數一般小于0 2 主要是為了獲得較好的塑性 韌性 焊接性能 2 主加合金元素主要是Mn 很少加Cr和Ni 是經濟性能較好的鋼種 2 1低合金高強度結構鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 Mn能細化珠光體和鐵素體晶粒 Mn的含量在1 1 5 范圍內可促進鐵素體在形變時發生交滑移 使 112 111 滑移系在低溫下仍其作用 同時 錳還使三次滲碳體難于在鐵素體晶界析出 減少了晶界的裂紋源 這也將改善鋼的沖擊韌性 Mn的加入還可使Fe Fe3C相圖中的S點左移 使基體中珠光體數量增多 致使強度不斷提高 2 1低合金高強度結構鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 3 輔加合金元素Al V Ti Nb等 既可產生沉淀強化作用 還可細化晶粒 從而使強韌性得以改善 4 加入一定量的Cu和P 改善這類鋼的耐大氣腐蝕性能 Cu元素沉積在鋼的表面 具有正電位 成為附加陰極 使鋼在很小的陽極電流下達到鈍化狀態 P在鋼中可以起固溶強化的作用 也可以提高耐蝕性能 Ni和Cr都能促進鋼的鈍化 減少電化學腐蝕 加入微量的稀土金屬也有良好的效果 2 1低合金高強度結構鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 5 加入微量稀土元素可以脫硫去氣 凈化鋼材 并改善夾雜物的形態與分布 從而改善鋼的力學性能和工藝性能 2 1低合金高強度結構鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 總之 普通低合金高強度結構鋼合金化的思路是 低碳 以Mn為基礎 適當加入Al V Ti Nb Cu P及稀土等合金元素 我國低合金高強度結構鋼的牌號是按屈服強度的高低來分類的 共5個級別 21個鋼種 我國低合金高強度結構鋼的化學成分 力學性能和特性及用途分別如表2 1 表2 3所示 2 1低合金高強度結構鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 一 微合金化鋼是70年代在低合金高強度結構鋼基礎上發展起來的一大類高強度低合金鋼 其化學成分特點是加入適量的微合金化合金元素 如鈦 鈮 釩等 其工藝特點是運用控制軋制和控制冷卻生產工藝 通過化學成分和制備工藝的最佳配合達到了鐵素體型鋼的最佳強化效果 即細化晶粒強化和沉淀強化的最佳組合 2 2微合金化鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 二 微量合金元素鈦 鈮 釩等的作用1 抑制奧氏體形變再結晶在熱加工過程中 通過固溶 偏聚在奧氏體晶界 應變誘導析出氮化物 阻止了奧氏體再結晶的晶界和位錯運動 從而抑制再結晶過程的進行 2 2微合金化鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 圖2 1Nb V和Ti對再結晶臨界溫度的影響 強 弱 延緩奧氏體再結晶能力 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 2微合金化鋼 2 阻止奧氏體晶粒的長大通過加入鈦和鈮形成TiN或Nb C N 它們在高溫下非常穩定 其彌散分布對控制高溫下的晶粒長大有強烈的抑制作用 微量鈮 w 0 06 形成的Nb C N 阻止奧氏體晶粒長大作用可達1150 微量鈦 w 0 02 以TiN從高溫固態鋼中析出 呈彌散分布 對阻止奧氏體晶粒長大很有效 2 2微合金化鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 2微合金化鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 圖2 2Nb V和Ti對正火態低合金鋼晶粒度的影響 細化晶粒的作用 強 弱 3 形成沉淀相促進沉淀強化作用鈦和鈮的碳化物和氮化物有足夠低的固溶度和高的穩定性 釩只有在氮化物中才這樣 一般微合金化鋼中的沉淀強化相主要是低溫下析出的Nb C N 和VC 當w Nb 0 04 時 其細化晶粒對屈服強度的貢獻大于沉淀強化的作用 當w Nb 0 04 時 其沉淀強化作用對屈服強度的貢獻大于細化晶粒的作用 2 2微合金化鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 微合金化元素釩的沉淀強化對屈服強度的作用最大 而鈦的作用處于鈮和釩之間 圖2 3微合金元素對鋼屈服強度的影響 G 細化晶粒強化的貢獻 ph 沉淀強化的貢獻 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 2微合金化鋼 4 改善鋼的顯微組織鈦 釩 鈮等合金碳化物和氮化物隨奧氏體化溫度的升高有一定的溶解量 溶于奧氏體的微合金化元素提高了過冷奧氏體的穩定性 降低了發生先共析鐵素體和珠光體的溫度范圍 低溫下形成的先共析鐵素體和珠光體組織更細小 并使相間沉淀Nb C N 和V C N 的粒子更細小 2 2微合金化鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 2微合金化鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 2微合金化鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 三 控制軋制與控制冷卻鋼材的熱軋工藝 如鋼坯的加熱溫度 保溫時間 開軋溫度 軋制道次和道次變形量 終軋溫度以及軋后冷卻等參數 對鋼材的力學性能有重要影響 由于在普低鋼中加入微量的Nb V等合金元素可以產生顯著的沉淀強化效應 但同時也使鋼的冷脆性傾向增大 所以要生產強韌性鋼還必須采取相應的韌化措施 即采用控制軋制和控制冷卻工藝來細化鐵素體晶粒 2 2微合金化鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 1 控制軋制是將加入微合金化元素的普低鋼加熱到高溫 1250 1350 進行軋制 但必須將終軋溫度控制在Ar3附近 控制軋制本質上是形變熱處理的一種派生形式 其主要目的是細化晶粒組織 從而提高熱軋鋼的強韌性 2 2微合金化鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 在高于1200 時 一方面 鋼中的鈮 鈦的碳氮化物部分溶解于奧氏體 以便在隨后的軋制過程中析出 起抑制再結晶和控制奧氏體晶粒長大的作用 在軋制完畢的冷卻過程中 又有部分彌散的碳化物析出起沉淀強化作用 另一方面 未溶的鈮 鈦的碳氮化物起阻止鋼坯的奧氏體晶粒過渡長大的作用 2 2微合金化鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 控制軋制通常由三個階段組成 第一階段是高溫下的再結晶區變形 第二階段是在緊靠Ar3以上的低溫無再結晶區變形 第三階段是在奧氏體 鐵素體兩相區變形 2 2微合金化鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 圖2 6控制軋制三個階段及每個階段變形時顯微組織的變化示意圖 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 2微合金化鋼 常規熱軋和控制軋制之間的差別在于常規熱軋的鐵素體形核只在A晶界上形成 控制軋制的奧氏體晶粒被形變帶劃分為幾個部分 使得鐵素體形核不僅發生在奧氏體晶界上 而且還在奧氏體的晶內 2 2微合金化鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 若將一般熱軋與控制軋制比較 可以發現它們與正火與淬火之間的關系 相似 在控制軋制和淬火鋼中 奧氏體晶粒被分割為幾部分 從而形成非常細小的晶粒組織 區別 控制軋制和淬火分割奧氏體晶粒的區別在于 控制軋制是依靠變形帶 淬火是依靠馬氏體相變 2 2微合金化鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 控制軋制通常有兩種工藝 傳統的控制軋制 即當控制軋制是在低于再結晶終止溫度時變形 此時已變形的奧氏體或發生再結晶但晶粒來不及長大 或者僅達到回復狀態未發生再結晶 奧氏體在形變道次時間終了時 實際上仍保持加工狀態的薄餅形晶粒 隨后通過控制冷卻使得鐵素體在奧氏體晶界和晶內滑移帶上多處形核得到極細小的鐵素體晶粒 2 2微合金化鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 微合金化元素的作用是為了在熱加工時應變誘導析出 阻礙奧氏體再結晶 升高奧氏體的再結晶溫度 只有Nb C N 是最理想的應變誘導析出相 TiN由于沉淀溫度太高 不能成為應變誘導析出相 而VN和VC沉淀的溫度太低 不能用來抑制奧氏體再結晶 只能用作沉淀強化相 2 2微合金化鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 傳統的控制軋制工藝的缺點是終軋溫度較低 一般要低于900 此時鋼的強度因溫度降低而升高 軋制時變形抗力增大 必須有高功率的強力軋機才能實現這種工藝 2 2微合金化鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 再結晶控制軋制 即當控制軋制是在高于再結晶終止溫度時變形 此時奧氏體要發生再結晶 因此必須抑制熱變形后再結晶奧氏體的粗化和避免應變誘導析出 微合金化元素的作用加入鈦使鋼在液凝后的冷卻過程中析出穩定彌散的TiN質點 可抑制經反復形變再結晶細化的奧氏體晶粒長大 當反復多道次形變和再結晶后 奧氏體晶粒得到細化 2 2微合金化鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 由于終軋溫度高 高于950 形變不能誘導V C N 相產生 所以不能阻礙奧氏體再結晶 加入微合金化元素釩只作為低溫析出的沉淀強化相 由此發展了高于再結晶溫度控軋的V Ti N鋼 這種鋼可以通過控制軋制得到極細小的鐵素體晶粒和珠光體團 再結晶控制軋制工藝的優點是特別適合在不能進行低溫軋制的低功率軋機上實施 或者在鍛造時使用 2 2微合金化鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 控制冷卻工藝對獲得細小的鐵素體晶粒和沉淀強化相極為重要 對于截面較厚的鋼材 冷卻速度過慢時 對于截面較厚的鋼材 析出的先共析鐵素體將長大 珠光體團和片層也粗化 這就降低了鋼的強度和韌性 對于微合金化鋼 冷卻速度過慢時 發生相間沉淀的溫度較高 沉淀相過于粗大 減弱了沉淀強化效應 2 2微合金化鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 根據鋼材截面的厚度不同 控制冷卻可以采用強制風冷 噴霧 噴水等措施來控制冷卻速度 2 2微合金化鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 冷卻速度過快時 鋼的塑性和韌性又較差 所以 在連軋鋼板生產過程中 控制鋼板的卷取溫度也很重要 卷取溫度一般控制在600 650 使鋼板在600 以下冷卻速度減慢 以便改善鋼材的塑性和韌性 2 2微合金化鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 控制軋制和控制冷卻的主要工藝參數 選擇合適的加熱溫度 以獲得細小而均勻的奧氏體晶粒 選擇適當的軋制道次和每道的壓軋量 通過回復再結晶獲得細小的晶粒 選擇合適的在再結晶區和無再結晶區停留時間和溫度 以使再結晶的晶粒內產生形變回復的多邊化亞結構 2 2微合金化鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 在鐵素體 奧氏體兩相區選擇適宜的總壓下量和軋制溫度 控制冷卻速度 2 2微合金化鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 經控制冷卻后的優質中板 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 背景具有鐵素體 珠光體組織的低合金鋼和微合金化鋼的屈服強度的極限約為460MPa 若要求更高強度和韌性的配合 就需要考慮選擇其它類型組織的低合金鋼 如采用相變強化的方法 因而發展了低碳貝氏體型 低碳索氏體型及低碳馬氏體型鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 主要是適當降低鋼的含碳量以改善韌性 由此造成的強度損失可由加入合金元素通過控制軋制和控制冷卻后形成低碳貝氏體或馬氏體的相變強化的方法得到補償 配合加入微合金化元素 如鈮以細化晶粒并進一步提高韌性 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 一 低碳貝氏體型鋼貝氏體鋼的發展過程20世紀20年代 Robertson首先發現鋼的中溫轉變產物 隨后Devenport和Bain等人對這種組織進行了大量細致的研究 直到1934年 貝氏體 術語的提出 貝氏體結構及其相變機制一直是人們研究的重點 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 由于貝氏體轉變的溫度范圍界于珠光體與馬氏體之間 相應地貝氏體組織兼備了高溫轉變產物的塑韌性和低溫轉變的強度 具有良好的強韌性配合 從而引起人們的極大關注 但早期的貝氏體鋼一般是通過等溫淬火工藝獲得 由于工藝復雜使其大規模生產應用受到限制 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 20世紀50年代末期 英國的Irvine和Pickering等人率先發明了具有高的貝氏體淬透性Mo B系貝氏體鋼 通過Mo W B等元素的加入使一定尺寸的工件在空冷條件下即可得到以貝氏體為主的組織 從而實現了貝氏體鋼生產的工藝變革 盡管Mo的價格較高 而且為了降低貝氏體轉變起始溫度 BS 改善強韌性 還須添加其他合金元素復合金化 致使鋼的成本進一步增加 但是Mo B系貝氏體鋼還是得到了一定的發展 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 20世紀70年代 方鴻生教授等人的研究發現 Mn在一定含量時 使鋼的C曲線形狀發生變化 Mn在過冷奧氏體轉變中具有特殊的再分配規律 對Mn B鋼中Mn富集因子的實驗結果表明在600 左右的溫度區間內 Mn在 和 兩相中的濃度無明顯區別 而在 界界面富集程度很大 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Mn在相界面的濃度峰勢必對界面遷移產生釘扎作用即溶質拖曳作用 使鐵素體生長顯著推遲 此外 Mn在相界面的富集也降低了相界附近奧氏體基體內碳的活度及活度梯度 導致碳在奧氏體中擴散速度降低 此即所謂溶質類拖曳作用 進一步抑制了鐵素體生長 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 由于溶質拖曳和類拖曳作用 導致該合金的 轉變曲線在600 左右出現 河灣 形狀 此拖曳作用還顯著降低貝氏體相變驅動力及貝氏體相變溫度 細化貝氏體尺寸 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 低碳貝氏體型鋼的組織和成分低碳貝氏體鋼在軋制或正火后控制冷卻 直接得到低碳貝氏體組織 與相同碳含量的鐵素體 珠光體組織鋼相比具有更高的強度和良好的韌性 利用貝氏體相變強化 鋼的屈服強度可達到490MPa 780MPa 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 低碳貝氏體鋼的化學成分 w C 0 10 0 20 w Mo 0 30 0 60 w Mn 0 60 1 60 w B 0 001 0 005 w V 0 04 0 10 w Nb 或w Ti 0 010 0 06 并經常加w Cr 0 4 0 7 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 低碳貝氏體型鋼中的合金化 主加合金元素鉬和硼是能顯著推遲先共析鐵素體和珠光體轉變 而對貝氏體轉變推遲較少 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 圖2 7低碳鉬鋼和鉬硼鋼的過冷奧氏體恒溫轉變開始曲線 再加入錳 鉻 鎳等元素 進一步推遲先共析鐵素體和珠光體轉變 并使BS點下降 以獲得下貝氏體組織 通過微合金化 充分發揮鈮 鈦 釩的細化晶粒和沉淀強化的作用 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 典型的低碳貝氏體型鋼 14MnMoV和14MnMoVBRE鋼是我國發展的典型的低碳貝氏體型鋼 其屈服強度為490MPa級 主要用于制造容器的板材和其它鋼結構 板厚小于14mm時 在熱軋態即可得到貝氏體 板厚大于14mm時 需要正火處理 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 為了提高鋼的室溫和低溫韌性 改善焊接性 發展了超低碳貝氏體鋼 鋼的含碳量降低到w C 0 02 并加入w Ti 0 01 使之成為Mn Mo Nb Ti B超低碳貝氏體型鋼 通過控制軋制和控制冷卻可以得到高位錯密度的細小貝氏體組織 這種鋼可在0 以下溫度條件下服役 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 方鴻生教授等人研究的Mn系及Mn B系貝氏體鋼 突破了為獲空冷貝氏體必須加昂貴Mo W的傳統成分設計思路 Mn原料的價格約為Mo的1 50 高的貝氏體空冷淬透性和較低的貝氏體轉變起始溫度 Bs 有利于大件實現空冷自硬 且具備足夠的韌性 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 無需添加多量合金元素進行復合金化 成分簡單 成本低 摒棄了Mo B系貝氏體鋼限于低碳為主的傳統 設計出不同性能 用途的中高碳 中碳Mn系貝氏體體鋼系列鋼種 該鋼免除了淬火或淬回火工序 降低了淬火過程中產生的變形 開裂 氧化和脫碳傾向 有效地縮短了工藝流程并節省能源 因此近年來已在我國多個產品中得到應用 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 二 針狀鐵素體型鋼針狀鐵素體鋼是鋼材在控制軋制后空冷過程中通過切變和擴散相變形成由位錯列陣和位錯胞組成的非等軸鐵素體鋼 相變開始發生在較上貝氏體為高的溫度范圍里 反映在連續冷卻轉變圖上 貝氏體區被鐵素體區所掩蓋 這類鋼的顯微組織是低碳或超低碳的針狀鐵素體 與低碳貝氏體很相似 但由于含C量極低 故鐵素體板條的相界上不存在碳化物 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 針狀鐵素體型鋼的合金化低碳是為了Nb的碳化物沉淀 含C量一般不低于0 06 高于這一水平 C的偏析將引起韌性的下降 這是由于高碳區往往成為斷裂的微孔形核核心 Mn的含量根據鋼板厚度和要求的強度水平決定 一般在1 4 2 2 之間 Mn推遲鐵素體 珠光體相變 降低BS點 使細晶粒的針狀鐵素體在450 以下形成 Mn也是固溶強化的元素 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 Mo的含量也根據鋼板厚度確定在0 15 0 6 之間 Mo能有效地推遲鐵素體而不影響貝氏體相變 Mo與Mn聯合使用還有利于得到細晶粒的針狀鐵素體而不是粗大的多邊形鐵素體 當Mo被Cu Ni Cr代替時 通過控制軋制 也可以得到針狀鐵素體 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 Nb的含量一般在0 04 0 06 之間 通過沉淀相Nb C N 的析出能有效地產生沉淀強化 并且在奧氏體熱軋時 沉淀相Nb C N 也可以細化晶粒 顯微組織和性能特點細晶粒的多邊化鐵素體 30 以上的針狀鐵素體片 高度彌散的滲碳體質點 少量島狀的馬氏體 奧氏體塊和細而彌散的Nb C N 質點 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 這類鋼由于缺乏足夠的C去鎖住位錯 因而未鎖住的部分可以導致位錯運動而不能突然引發屈服點的自由位錯的產生 從而顯示出連續的應力 應變曲線 這種力學行為與鐵素體 珠光體鋼相比 在許多場合是十分有利的 比如在管線建設中 軋材可以精確地就位成形 這類鋼的屈服強度一般大于470MPa 伸長率大于20 室溫沖擊值大于80J 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 X70級管線鋼拉伸試驗曲線 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 典型針狀鐵素體型鋼鋼種針狀鐵素體型鋼的典型鋼種為Mn Mo Nb鋼 其化學成分范圍為w C 0 10 w Mn 1 6 2 0 w Mo 0 2 0 6 w Nb 0 04 0 06 有時還加w V 0 06 w Ti 0 01 這類鋼通常用堿性氧氣轉爐冶煉 用鋁脫氧 并且S含量很低 大約為0 05 左右 或者用稀土處理 控制硫化物的形態 提高橫向沖擊性能 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 這類鋼和低碳貝氏體型鋼一樣 不僅具有良好的低溫韌性 而且還具有良好的焊接性能 已成功地應用于制造寒帶輸送石油和天然氣的管線 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 西氣東輸工程 三 鐵素體 馬氏體雙相鋼背景由于傳統的低合金高強度鋼對汽車壓力加工件來說 沒有具備足夠的冷成形性 因而需要改善其強度 成形性的綜合性能以滿足汽車沖壓成型件的要求 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 顯微組織特點把傳統的低合金高強度的顯微組織 即鐵素體加珠光體改成鐵素體加馬氏體 實際上還包含少量奧氏體 的雙相組織 其顯微組織特征是20 左右的馬氏體呈小島狀或纖維狀分布在80 左右的鐵素體基體上 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 一方面使鋼中的碳在奧氏體發生轉變析出先共析鐵素體時集中在奧氏體中 當奧氏體轉變成馬氏體 含碳量偏高 時 將引起體積和形狀變化 并且鐵素體相中的間隙碳原子相對較為貧化 另一方面 在一定冷卻條件或應變誘發下的馬氏體相變將在馬氏體區域產生殘余應力 在鐵素體中激發出高密度的可動位錯 由于鐵素體中的碳 氮量極低 位錯不易被釘扎 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 性能特點具有較低的屈服強度 且是連續屈服 同時在屈服發生以后 鐵素體中的位錯運動互相纏結 因而繼續塑性變形所需應力迅速增加 表現為高的應變硬化速率 此外加之有強韌的馬氏體島或纖維和很細的鐵素體晶粒及結合牢固的馬氏體 鐵素體界面 使得塑性變形主要發生在鐵素體相中 所以表現為高的均勻伸長率和高的強度 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 連續的應力 應變曲線 低的屈服應力 高的應變硬化速率和優良的抗拉強度與塑性配合 生產工藝及類型由于雙相組織既可以通過亞臨界溫度范圍內的退火獲得 也可以通過熱軋后的控制冷卻來獲得 因此生產上通常又把雙相鋼分為退火雙相鋼和熱軋雙相鋼 并且它們在合金化上也有明顯的區別 退火雙相鋼熱軋雙相鋼 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 退火雙相鋼又稱熱處理雙相鋼 將鋼加熱到亞臨界溫度范圍 即在A F兩相區 內 形成20 左右的奧氏體 然后空冷或快冷即可得到鐵素體加馬氏體組織 當鋼長時間在A F兩相區內退火時 鋼中的合金元素將在奧氏體和鐵素體之間重新分配 其中奧氏體形成元素碳 錳等將富集于奧氏體中 這樣就提高了奧氏體的穩定性 從而抑制了珠光體的轉變 保證鋼中的奧氏體在空冷條件下得到馬氏體 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 熱軋雙相鋼在熱軋狀態下 通過控制轉運臺的冷卻 使鋼形成80 左右的鐵素體發生多邊化 C和其它合金元素在剩余的奧氏體島中富集 提高奧氏體的穩定性 而避免形成珠光體和貝氏體 最后得到鐵素體加馬氏體的雙相組織 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 其典型的化學成分范圍是 w C 0 04 0 10 w Mn 0 8 1 8 w Si 0 9 1 5 w Mo 0 3 0 4 w Cr 0 4 0 6 以及微合金元素V等 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 四 低碳調質鋼提高低合金高強度鋼的另一途徑 是采用低碳低合金鋼淬火獲得低碳馬氏體 然后進行高溫回火 獲得低碳索氏體組織 從而得到良好的綜合機械性能和焊接性 這類鋼一般在調質狀態下供貨 既有較高的強度 又有較好的韌性 塑性和焊接性 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 低碳調質鋼的合金化設計原則與鐵素體 珠光體型熱軋和正火鋼不一樣 其強度主要不直接取決于合金元素的含量 而取決于含碳量 美國最具有代表性的這類鋼是T 1鋼 該鋼淬火后獲得低碳的板條馬氏體組織 具有很好的強度與韌性 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 其合金化特點是 把C含量限制在0 12 以下 這樣可以保證優良的焊接性與低溫韌性 為了保證最低限度的淬透性 復合地加入少量Mn Ni Cr Mo B等元素 少量的V提高了鋼的回火穩定性 使焊接時的熱影響區變窄 加入少量的Cu是為了提高鋼的抗大氣腐蝕能力 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 T 1鋼是美國早期發展的一種含Cr Ni的低碳調質鋼 主要用于壓力容器 橋梁 工程機械和塔式結構等 日本的HT 80型的Welten80C類似T 1鋼 但不含Ni和V 故抗應力腐蝕能力高 在日本用來制造 30 的大型球形貯罐 我國GQ 702和GQ 705屬于這類鋼 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 Chapter2工程構件用合金結構鋼 HY 80鋼是美國 s 540 687MPa的調質高強鋼 低溫下有高的韌性與防爆性能 用于制造潛艇這類的耐壓外殼 日本的NS 63 英國的Q1鋼和我國的GQ 604鋼類似于此類鋼 HY 130鋼是 s 883MPa的韌性優良的低碳調質鋼 主要用于海洋和宇航等重要結構 我國發展的 s 600 700MPa級的無Ni Cr低碳調質鋼 如14MnMoVN和14MnMoNbB等 主要用于制造中溫高壓鍋爐及石油 化工作的中溫高壓容器等 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 209級潛艇是德國專為出口建造的 但正是該級潛艇為德國戰后潛艇樹立了赫赫豐碑 以其出色的性能創造了常規潛艇出口數量最多 使用國家最多的兩項世界紀錄 成為世界市場上的 名牌產品 209級潛艇根據不同國家的需要 有1100噸 1200噸 1300噸 1400噸和1500噸多種型號 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 典型的209級潛艇采用單殼體結構 艇體為優質HY 80鋼 安全潛深可達300米 水下最大航速23節 主要武器是8具533mm魚雷發射管 攜帶魚雷14枚 部分型號還有發射 捕鯨叉 反艦導彈的能力 209級潛艇提高了集中控制和自動化水平 可靠性高且維修工作量少 因而僅配備了30多名艇員 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 3低碳貝氏體型鋼 針狀鐵素體型鋼及鐵素體 馬氏體雙相鋼 所謂 新一代鋼鐵材料 就是使用現有的設備 或略加改造 用一種便宜的辦法 不是加入合金元素 增加成本的辦法 也不是大變形量 低溫扎制的辦法 在比較高的溫度下扎制鋼材 在扎制過程鋼材產生相變 形變誘導鐵素體相變 通過改變鋼材物理性能和顯微組織 得到超細顯微組織 提高鋼材的力學性能 也就是在性能價格比提高和經濟性優良的情況下 保持鋼材韌性和塑性的同時 把現在鋼材的強度提高一倍 使用壽命提高一倍 從而得到良好的經濟效益和社會效益 2 4新一代鋼鐵材料 Chapter2工程構件用合金結構鋼 背景鋼鐵是結構材料的主體 迄今為止仍然是可加工性能最好 性能價格比最合理 生產規模最大 供給能力最強及循環利用性最佳的基礎原材料之一 可以說 鋼鐵作為結構材料的主導地位仍然是不可替代的 20世紀堪稱是世界鋼鐵業大發展的世紀 全球鋼產量從20世紀初的2850萬噸猛增到2000年的8 43億噸 增長了近29倍 在此期間 鋼鐵業科學技術發展迅速 新工藝 新技術 新品種和新裝備大量涌現 2 4新一代鋼鐵材料 Chapter2工程構件用合金結構鋼 近年來 世界鋼鐵業的形勢發生了新變化 受西方經濟復蘇和我國經濟快速增長的影響 全球鋼材需求日趨強勁 2003年 世界鋼產量達到了9 63億噸 其中約80 的新增產量來自亞洲 其中大部分來自我國 我國鋼產量在由2001年的1 516億噸增至2003年的2 201億噸的同時 鋼材價格一路攀升 效益得到明顯改善 2003年 CRU國際鋼材價格指數達到106 8 創13年以來的新高 我國國內鋼材市場價格指數也達到了104 5 創近年之最 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 4新一代鋼鐵材料 需求鋼鐵業的快速發展也引發了 資源 能源和環境 方面的問題 鋼鐵業的競爭日益升級 用戶要求也不斷提高 所有這些問題給鋼鐵業的持續穩定發展帶來了嚴峻的挑戰 因此 依靠科技進步不斷提高鋼鐵產品質量 按照 節約 回收和再利用 的原則 開發質量更高 性能更好 壽命更長和性能價格比更高的先進鋼鐵結構材料 比任何時候都顯得緊迫和必要 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 4新一代鋼鐵材料 進入21世紀 輕量節能汽車 大跨度重載橋梁 深井采油管和大口徑輸油 氣 管 大型工程機械 大型高性能船舶 高層建筑等的升級換代 又對鋼鐵材料的性能和使用壽命提出了更高的要求 按照 節約 回收 再利用 原則 突破冶金資源和冶金環保這一新的制約矛盾 開發性能更好 壽命更長 性能價格比更高的先進鋼鐵結構材料勢在必行 2 4新一代鋼鐵材料 Chapter2工程構件用合金結構鋼 我國當前冶金行業發展的重點應從以工藝結構調整為主轉到以產品結構調整為主 在鋼鐵總量增加 高需求基本建設用長型材增加時 板帶比和板管比應相應地增長 社會經濟的發展對鋼材都有了更高的要求 這也是我國工業化走向逐步成熟的標志 重視制造執行系統 MES 的建設 迅速推進鋼鐵業的信息化建設和管理技術的發展 從而使我國能早日實現從 鋼鐵大國 向 鋼鐵強國 的跨越 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 4新一代鋼鐵材料 日本于1997年提出了STX 21 Ultra Steel 超級鋼 研究計劃 分兩個5年實施 第一個5年他們就投入了10億美金 目標是10年內開發出強度相當于現有鋼鐵材料兩倍的超級鋼 用于道路 橋梁 高層建筑等基礎設施建材的更新換代 主要研究開發800MPa級易焊接的鐵素體 珠光體型低合金鋼 耐延遲破壞和疲勞破壞的1500MPa級超高強度鋼 超臨界壓力發電設備用鐵素體耐熱鋼和海濱地區用合金結構鋼及高氮不銹鋼等 2 4新一代鋼鐵材料 Chapter2工程構件用合金結構鋼 1998年韓國啟動了一個歷時10年的 21世紀高性能結構鋼 計劃 具體分兩個5年來進行的 頭5年就投入了3000萬美金 研究600MPa級耐候鋼 800MPa低合金結構鋼和1300 1500MPa級合金結構鋼 螺栓鋼 2001年歐盟啟動了有意大利 英國 德國和比利時等國參與的 超細晶粒鋼開發 計劃 2002年美國在鋼鐵研究指南中公布了兩個超級鋼開發項目 2 4新一代鋼鐵材料 Chapter2工程構件用合金結構鋼 我國于1998年在國家重大基礎研究發展計劃中啟動了 新一代鋼鐵材料 重大基礎研究的 973項目 在具體的研究課題上 和日本 韓國略有差別 考慮到我國的基本國情 尚處于工業化 城市化的建設時期 基礎設施建設方興未艾 對建筑用鋼鐵材料的需求就相對多一些 應重視研究這類建筑用鋼材 400MPa級的建筑用鋼 2001年在國家高技術研究發展計劃 863計劃 中又安排了題為 500MPa碳素鋼先進工業化制造技術 的超級鋼開發項目 以積極的姿態參與到這場國際競爭之中 2 4新一代鋼鐵材料 Chapter2工程構件用合金結構鋼 國內最新研究開發的 新一代鋼鐵材料 分為三類 第一類是碳素結構鋼 現在強度級別是200MPa級 要把它提高到400MPa級 第二類是將400MPa級低合金鋼 微合金鋼 強度提高到800MPa級 第三類是45 40Cr 42CrMo等機械制造用鋼材 現在是700 800MPa級 要提高到1500MPa級 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 4新一代鋼鐵材料 以上三類鋼材在我國鋼鐵總產量中占60 以上 如果按年產量2億噸來算的話 這些鋼材的產量就超過了1億噸 而如果通過努力使其中較大數量的材料使用新一代鋼鐵材料 那就可節約上千萬噸鋼 其意義十分重大 如果將其強度或壽命提高一倍 取代目前工藝水平中的50 預計每年可節省2250多萬噸鋼材 直接經濟效益562億元 其它節省鋼廠 礦山基建投資及運輸費用 降低生產能耗和生態環境損害所帶來的間接效益就更加可觀 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 4新一代鋼鐵材料 參加 新一代鋼鐵材料 重大基礎研究的單位北京科技大學 清華大學 東北大學等 鋼鐵研究總院 中科院沈陽金屬所等 寶鋼 首鋼 鞍鋼 武鋼 攀鋼 唐鋼 淮鋼 珠江鋼廠 大連鋼廠等 一汽 二汽等 涉及的品種有 螺紋鋼 薄板 中厚板 薄板坯 特殊鋼等 2 4新一代鋼鐵材料 Chapter2工程構件用合金結構鋼 2 4新一代鋼鐵材料 Chapter2工程構件用合金結構鋼 技術思路細化鋼鐵材料的晶粒和組織 提高鋼材的潔凈度 改善其均勻性 在大幅提高強度的同時 獲得足夠的塑性 韌性 在理論研究基礎上 把碳素鋼 低合金鋼 合金結構鋼的屈服強度分別