智能建造工程專業教學資源庫鋼結構設計1.5.2冶煉、澆鑄、軋制和熱處理的影響

主講人：王麗02軋制的影響03熱處理的影響01冶煉、澆鑄的影響鋼結構設計目錄Part01冶煉、澆鑄的影響鋼結構設計冶煉與澆鑄這一冶金過程形成鋼的化學成分與含量、鋼的金相組織結構，以及不可避免的冶金缺陷，從而確定不同的鋼種鋼號及其相應的力學性能。鋼材的冶煉方法主要有平爐煉鋼、氧氣頂吹轉爐煉鋼、堿性側吹轉爐煉鋼及電爐煉鋼。在建筑鋼結構中，主要使用氧氣頂吹轉爐生產的鋼材。建筑用的軋制鋼材，是將煉鋼爐煉出的鋼液注入盛鋼桶中，再由盛鋼桶送入澆鑄車間，澆鑄成鋼錠和鋼坯，一般鋼錠或鋼坯冷卻至常溫放置，需要時再將鋼錠或鋼坯加熱切割，送入軋鋼機中反復碾壓軋制成各種型號的鋼材。澆鑄成鋼錠或鋼坯的方法有兩種，一種是澆入鑄模做成鋼錠，另一種是澆入連續澆鑄機做成鋼坯，澆鑄和脫氧同時進行。由于脫氧方法、脫氧劑的種類和數量不同，最終脫氧效果也差別很大，形成有沸騰鋼、半鎮靜鋼和鎮靜鋼的區別。沸騰鋼是以脫氧能力較弱的錳作為脫氧劑，因而脫氧不夠充分，鋼水中氧化鐵和碳發生化學反應形成一氧化碳和氧、氮等氣體從鋼中逸出，鋼水劇烈沸騰故稱為沸騰鋼。沸騰鋼結晶構造粗細不勻、偏析嚴重，常有夾層，塑性、韌性及可焊性相對較差。鎮靜鋼一般用硅為脫氧劑。當在鋼水中投入錳和適量的硅作脫氧劑，鋼水中氧化鐵絕大部分被還原，很少能再和碳化合析出一氧化碳氣體，同時脫氧還原過程放出大量熱量，使鋼錠冷卻緩慢，鋼中有害氣體容易逸出，澆鑄時鋼水表面平靜，稱之為鎮靜鋼。鎮靜鋼組織致密，氣泡少，偏析程度小，含非金屬夾雜物亦較少，因而塑性、沖擊韌性及可焊性比沸騰鋼好，同時冷脆及時效敏感性也低。脫氧程度介于沸騰鋼和鎮靜鋼之間的鋼稱為半鎮靜鋼。它是用較少的硅進行脫氧半鎮靜鋼的性能大大地優于沸騰鋼，其強度和塑性完全符合標準要求，縱向軋制鋼材的均勻性不次于鎮靜鋼。特殊鎮靜鋼是在用錳和硅脫氧之后，再加鋁或鈦進行補充脫氧，鋁的脫氧能力非常強，是錳的90倍，因而其性能得到進一步的明顯改善，尤其是可焊性顯著提高。Part02軋制的影響鋼結構設計熱軋過程始于1200-1300℃高溫，終止于900-1000℃。軋制過程可改善鋼錠的鑄造組織、細化晶粒并消除顯微組織缺陷，因而改善了鋼材的力學性能。因此軋制鋼材的性能比鑄鋼優越，軋制次數多的鋼材比軋制次數少的性能改善程度要好些。軋制型材規格愈小，一般來說強度愈高，而且塑性及沖擊韌性也比較好。如軋制時壓縮比過小，成品厚度較大，停軋溫度過高，則在隨后的冷卻過程中會形成降低強度和塑性的金相組織；如停軋溫度過低，將增加鋼的冷脆傾向，并由于形成帶狀組織而破壞鋼的各向同性的性質。為了保證鋼材的質量，必要時，在軋制過程中應控制軋制溫度和冷卻速度，提供在“控軋”狀態下的供貨狀況。Part03熱處理的影響鋼結構設計一般鋼材以熱軋狀態交貨，某些高強度鋼材則在軋制后經過熱處理才出廠。熱處理的目的在于取得高強度的同時能夠保持良好的塑性和韌性。國家標準《低合金高強度結構鋼》（GB/T1591-94）規定：“鋼一般應以熱軋、控軋、正火及正火加回火狀態交貨。Q420、Q460C、D、E級鋼也可按淬火加回火狀態交貨”。具體交貨狀態由需方提出并訂入合同，否則由供方決定。正火處理屬于最簡單的熱處理，即把鋼材加熱至850-900℃并保持一段時間后在空氣中自然冷卻。如果鋼材在終止軋制時溫度正好控制在上述溫度范圍，可得到正火效果，稱為控軋。淬火處理是把鋼材加熱至900℃以上，保溫一段時間，然后故入水或油中快速冷卻，得到高硬度、高強度。回火處理是將淬火鋼重新加熱至相變臨界點以下的預定溫度，并保溫一段時間，然后在空氣中自然冷卻，其目的是減小淬火鋼的脆性。淬火鋼回火后的力學性能取決于回火的溫度和時間，可依據需要分別選擇低溫回火（150-200℃）、中溫回火（300-500℃）和高溫回火（50