武漢理工大學材料學院SchoolofMaterialsScienceandEngineering,WUTChapter2工程結構鋼熱軋鋼板2025/5/101本章要點工程結構鋼基本要求(以船為例)低合金高強度結構鋼的合金化鐵素體-珠光體鋼微珠光體低合金高強度鋼針狀鐵素體鋼低碳貝氏體和馬氏體鋼雙相鋼新一代鋼鐵材料低合金高強度鋼發展趨勢2025/5/102思路：1、在低碳范圍內提高碳含量，以提高強度。2、添加合金元素提高強度。3、熱處理改變組織提高強度。4、形變熱處理細化組織提高強度。5、在提高強度時一定要注意焊接性能和韌脆轉變溫度。2025/5/103工程結構鋼工程結構鋼是指專門用來制造工程結構件的一大類鋼種。在鋼總產量中，工程結構鋼占90％左右。工程結構鋼包括碳素鋼和低合金高強度鋼。低合金高強度鋼是指在碳含量低于0.25%的普通碳素鋼的基礎上，通過添加一種或多種少量合金元素（低于3%），使鋼的強度明顯高于碳素鋼的一類工程結構用鋼，統稱低合金高強度鋼。按用途可分為結構鋼、耐腐蝕鋼、低溫用鋼、耐磨鋼、鋼筋鋼、鋼軌鋼、橋梁鋼、船體鋼、容器鋼及其他專業用鋼等2025/5/104低合金高強度鋼這是一類可焊接的低碳工程結構用鋼。其含碳量通常小于0.25%，比普通碳素結構鋼有較高的屈服強度，較好的冷熱加工成型性，良好的焊接性，較低的冷脆傾向、缺口和時效敏感性，以及有較好的抗大氣、海水等腐蝕能力。其合金元素含量較低，一般在2.5%以下，在熱軋狀態或經簡單的熱處理（非調質狀態）后使用。

高強度是針對低碳結構鋼而言，實際上其含碳量低，合金元素含量低所以其強度不能和后面要介紹的鋼相比較。

2025/5/105碳素結構鋼現代化蔬菜棚耐候Z型鋼用于體育館2025/5/106熱軋態或正火態使用的低C鋼;組織組織為F+P;B或M。空冷為何會有B或M？C曲線的變化。問題：低合金高強度鋼熱軋態或正火態使用的低C鋼組織為F+P;B或M。1、空冷為何會有B或M？2、若組織為F+P，當含碳量增加時會有什么變化，性能如何？2025/5/1072.1工程結構鋼基本要求

工程結構件長期受靜載；互相無相對運動受大氣（海水）的侵蝕；有些構件受疲勞沖擊；一般在-50~100℃范圍內使用；如：橋梁、船舶等受到風力或海浪沖擊.服役條件生產工藝

焊接是構成金屬結構的常用方法；一般都要經過如剪切、沖孔、熱彎、深沖等成型工藝技術要求

1、足夠的強度與韌度（特別是低溫韌度）；

2、良好的焊接性和成型工藝性；

3、良好的耐腐蝕性；4、低的成本。2025/5/1082.2低合金高強度結構鋼

的合金化Me對HSLA力學性能影響C↑固溶強化效果和珠光體含量，低成本?！麮，↓塑、韌性，↓焊接性、冷成型。如0.1%C，TK為-50℃，0.3%C，TK為50℃一般均應限制在0.2%以下Si最常用且較經濟的元素。強化F較顯著，1%Si，σs↑85MPa，↑TK，量多時可大為降低塑韌性，所以Si控制在<1.1%2025/5/1092.2低合金高強度結構鋼

的合金化Me對HSLA力學性能影響Mn

固溶強化作用大，1%Mn，σs↑33MPa。約有3/4量溶入F中，弱的細晶作用，↓TK。同樣量多時可大為降低塑韌性.

所以Mn控制在<1.8%。Nb/VTi/Al形成穩定細小的K等，粒子2~10nm，既細晶又沉淀強化，↑σs，↑δ、AK，綜合效果↓TK。改善焊接性。作用順序:Ti＞Nb＞Al＞V。2025/5/10102.2低合金高強度結構鋼

的合金化Me對HSLA力學性能影響Re脫氧去硫吸氫作用，改善塑韌性，↓TK所以，低合金高強度鋼的基本成分應考慮低碳，稍高的錳含量，并適當用硅強化。2025/5/1011

鋼的韌－脆轉折溫度與碳含量的關系

觀看沖擊試驗視頻2025/5/1012工程結構鋼的強化固溶強化——C,Mn,Si細晶強化——Ti,Nb,V;沉淀強化——V,Ti,Nb珠光體含量——C

如何選擇還要看工藝性能。不是一味強調強化。文章：為“鳥巢”量身定做的Q460

2025/5/1013鳥巢2025/5/1014為“鳥巢”量身定做的Q4602008年奧運會主體育場“鳥巢”結構設計奇特新穎，而這次搭建它鋼結構的Q460也有很多獨到之處：這是國內在建筑結構上首次使用Q460規格的鋼材；而這次使用的鋼板厚度達到110毫米，是以前絕無僅有的。2025/5/1015在種類繁多的鋼材中，“鳥巢”為什么單單選中它作鋼結構的材料？它的科研過程又是怎樣的？帶著諸多問題，記者來到為“鳥巢”研發生產Q460的河南舞陽鋼鐵公司一探究竟。Q460是一種低合金高強度鋼。Q300為界。鋼材在要求強度大的同時，用低合金冶煉也很重要，這主要是考慮鋼材的可焊性。高合金的鋼材雖然強度大，但可焊性差。2025/5/1016為了給“鳥巢”提供“合身”的Q460，從2004年9月開始，舞鋼的科研人員開始了長達半年多的攻關之路，前后3次試制方獲成功。2004年9月，第一次試制開始進行。首次試制的結果是除了強度不盡如人意外，其他各項指標全都合格。在保證低碳當量的基礎上，適當的增加了微合金元素的含量。2025/5/1017改進工藝后，2005年的3、4月間，科研人員進行了第二次試制。這次試制，強度和其他指標達到了要求，但沖擊韌性實驗的結果卻不能令人滿意。2005年的5月份，第三次試制實驗開始，主攻方向是解決低溫沖擊韌性的問題。研究人員采取的辦法是改進工藝、細化晶粒。

晶粒是鋼材的組織或者成分，晶粒越細，鋼材的韌性越好。細化的手段一個是降低軋制溫度，另一個是增加壓下量。

通過改進工藝，終于使Q460達到了“鳥巢”的使用要求。2005年7月，為“鳥巢”準備的Q460開始批量生產，為奧運工程服務。2025/5/10182.2低合金高強度結構鋼

的合金化Me對焊接性和耐大氣腐蝕性的影響C

C↑→焊縫處硬化與脆化傾向↑，焊接裂紋↑。提高淬透性的Me種類及其數量也應適當控制，如Cr、Mn、Mo、Ni等。CuP

↑耐大氣腐蝕性最有效的元素。一般含量:0.025~0.25%Cu

，0.05~0.15％P

?！黀，冷脆和時效傾向增加?！肁l脫氧→細晶粒鋼。復合加入適量元素，則↑鋼耐蝕性效果更佳。如090CuPCrNi-A、09CuP、09CuPCrNi-B2025/5/1019時效現象低碳工程構件經加工或高溫冷卻后，在室溫或較低溫度下放置一段時間，鋼的性能會發生明顯變化的現象。（淬火時效和機械時效）產生原因

C、N等間隙原子偏聚或內吸附于位錯等晶體缺陷處。提高硬度、降低塑性和韌度。如：某鋼板剛變形時，AK120J，十天后降為35J；焊接鋼板在三個月后由92J降為33J。2025/5/1020思考題：

退火后的低C鋼板一般在深沖前，先進行一次少量變形的平整加工，然后再進行深沖，為什么?答：克服時效現象，不出現上下屈服點，深沖時板面平整度提高。2025/5/10212.3鐵素體-珠光體鋼碳素結構鋼Q+最低屈服強度值(MPa)；+質量等級符號(A、B、C、D)

+脫氧方法符號如Q235AF、Q235BZ（質量等級為對S、P的控制）一般以熱軋空冷狀態供應還有冷軋成品供貨，如冷軋薄板、冷拉鋼絲、冷拔鋼管沸騰鋼—F；鎮靜鋼—Z；半鎮靜鋼—b；特殊鎮靜鋼—TZ2025/5/1022質量等級分A、B、C、D、E，依次以A級質量較差，E級質量最高。質量等級為對S、P的控制。工程中分別為：Q235A級，是不作沖擊韌性試驗要求；Q235B級，是作常溫（20℃）沖擊韌性試驗；Q235C級，是作0℃沖擊韌性試驗；Q235D級，是作-20℃沖擊韌性試驗；Q235E級，是作-40℃沖擊韌性試驗。沖擊韌性試驗采用夏比V形缺口試件。沖擊韌性指標為Akv。對上述B、C、D級鋼在其各自不同溫度要求下，都要求達到Akv≥27J。2025/5/1023鋼板2025/5/1024圖示：F+P組織2025/5/10252.3鐵素體-珠光體鋼碳素結構鋼（GB/T700－1988）

2025/5/1026普通碳素結構鋼的牌號、成分與用途(GB700-88)2025/5/1027普通碳素結構鋼生活中應用生活中：釘子、拉桿箱的拉桿、螺栓、螺母、螺釘、小軸。2025/5/1028螺栓是否都要熱處理鋼結構連接用螺栓性能等級分3.6、4.6、4.8、5.6、6.8、8.8、9.8、10.9、12.9等10余個等級，其中8.8級及以上螺栓材質為低碳合金鋼或中碳鋼并經熱處理（淬火、回火），通稱為高強度螺栓，其余通稱為普通螺栓。4.8級別Q235（A3），Q195等低碳鋼5.8級別Q235以上所有材質都可以，不需要熱處理8.8級別螺紋直徑16mm以下，35#調質熱處理16mm以上，45#和低碳合金鋼調質處理只要達到抗拉強度等機械性能用什么材料都可以。按工況要求選材和選擇熱處理。2025/5/1029不合金化的鐵素體-珠光體鋼的屈服強度高低主要和含碳量有關，或者說和珠光體含量有關。結合相圖分析。2025/5/10302.3鐵素體-珠光體鋼低合金高強度結構鋼（屈服強度提高25%～100%）都是鎮靜鋼或特殊鎮靜鋼，其牌號中沒有表示脫氧方法的符號。如Q345C屈服點從300～650MPa分為六級，也可采用兩位阿拉伯數字（表示平均含碳量的萬分之幾）和化學元素符號，按順序表示，如16Mn。*說明：通常情況下，屈服強度值小300MPa時為碳素結構鋼，大于300MPa時為低合金高強度鋼。2025/5/1031問題：低合金高強度結構鋼比碳素結構鋼屈服強度提高25%～100%的原因是什么？答：成分不同。錳料多。這是以合金化為目的添加元素。當然還有硅以及Ti，Nb，V，Al的作用。2025/5/10322.3鐵素體-珠光體鋼最新研究成果：如F晶粒尺寸細化到μ級，則F-P類低合金高強度鋼的強度也可達到800MPa

F-P類型是工程結構鋼中最主要的一類鋼。有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五個牌號。根據質量要求分為A、B、C、D四個等級。A、B級為普通質量級；C級為優質級；D級和E級為特殊質量級，有低溫沖擊韌性要求。

組織：10~25％片層狀P+75~90％多邊形F。2025/5/1033鋼種及用途

16Mn

產量最多，用量最廣。屈服強度345MPa15MnTi,16MnNb,15MnV，15MnVN

屈服強度：>390MPa，利用低合金與微合金相結合。在建筑，石油，化工，鐵道，橋梁，造船，機車，鍋爐等應用廣泛。問題：16MnNb和16Mn屈服強度有差別的原因。答：微合金元素的碳化物和氮化物的析出強化。2025/5/1034低碳鐵素體/珠光體鋼超細晶強韌化與控制技術

——2004年度國家科學技術進步一等獎主要特點超細晶粒、高潔凈度、高均勻性。生產節約能源和資源，不用或少用Me，改善環境，↓成本，具有更高的經濟效益。如何形成微米級的超細晶是該項目的核心技術和難點。具體指標采用形變誘導F相變，可把F晶粒細化到2-5μm（碳鋼）和1～2μm（微合金鋼）。碳鋼的σs由200MPa提高到350～400MPa；低合金鋼由350～400MPa提高到600～700MPa。2025/5/10352025/5/1036項目組在現代連續軋制條件下，在高速軋制發展過程中注意到了形變和相變的耦合，形成了形變誘導鐵素體相變（DIFT）理論與控制技術和薄板坯連鑄連軋流程生產超細晶鋼的控制技術。2025/5/1037形變誘導鐵素體相變發生在奧氏體未再結晶區的較低溫度范圍（Ar3<DIFT<AD3）,與傳統控軋控冷比較有以下發展：1.是動態相變。相變主要發生在變形過程中；2.是形核為主的相變;3.相變和隨后的α—動態再結晶相配合，產生了等軸、低位錯密度的超細晶鐵素體。因而比位錯強化，析出強化或固溶強化具有高的韌性；4.研究了合金元素C、Mn、Nb、V、Ti在DIFT合金化的原理，為微合金化理論開辟了新的領域。5.在形變誘導鐵素體相變理論研究成果的基礎上開發了生產應用的基礎技術。把低碳鐵素體/珠光體鋼的強度提高了一倍并具有良好的韌性。2025/5/1038該成果為鋼鐵工業的可持續發展和鋼鐵材料的可循環利用提供了廣闊前景，還為今后新鋼種、新工藝的研究開發提供了重要的理論和實踐依據。文章：低碳鋼先共析鐵素體和形變誘導鐵素體的相變機制、組織和性能王倩(1北京科技大學材料科學與工程學院，北京100083；2鋼鐵研究總院結構材料研究所，北京100081)PDF文章2025/5/1039微合金鋼1.概念利用微合金化元素Ti,Nb,V；主要依靠細晶強化和沉淀強化來提高強度；利用控制軋制和控制冷卻工藝-----高強度低合金鋼。

2.微合金元素的作用

抑制奧氏體形變再結晶；（提高其溫度）阻止奧氏體晶粒長大；（沒有固溶或固溶后析出）沉淀強化；（固溶后再析出）改變與細化鋼的組織。2025/5/1040

軋制方法鈮主要用來在高溫形變時產生應變誘導析出相Nb（C，N），細化奧氏體晶粒；釩主要用來產生沉淀強化相V（C,N）；目前微合金元素組合方法：1）V-Ti法或V-Ti-N法2）Nb-V或V-Nb-Ti復合法2025/5/1041

低碳鐵素體/珠光體鋼超細晶鋼材生產工藝控制和不同的制品2025/5/10422.4微珠光體低合金高強度鋼強化機理對F-P鋼,P量每↑10%，將使TK↑22℃。

油氣管線用鋼:↓C,<0.1%；為保證σ，就必須采用其它不損害或少損害焊接性和韌度的強化措施?！龀鰪娀途Я＜毣撔阅??！鶱b、V、Ti微合金化和控軋處理工藝。問題：珠光體含量降低是由于含碳量降低，所以強度降低。如要提高強度可以從哪些方面考慮？2025/5/1043控制軋制和控制冷卻技術高溫形變熱處理→F大幅度晶粒細化→↑強度和韌度?？刂栖堉坪涂刂评鋮s的組織變化模式圖

圖中軋制溫度向右邊降低，上層表示奧氏體組織變化，下層表示奧氏體開始相變后組織及F核的形成

2025/5/1044圖

各種軋制程序模式圖

CR：控制軋制；AcC:控制冷卻

2025/5/1045控制軋制與控制冷卻控制軋制

主要由三個階段組成：1）高溫下的再結晶區變形；2）在緊靠Ar3以上的低溫無再結晶區變形；3）在奧氏體和鐵素體兩相區變形鋼坯的加熱溫度、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，都極為重要。通過控制軋制過程中的各種參數，形成軋制工藝。

控制冷卻

主要在相變后的卷取過程。

2025/5/1046控制軋制在奧氏體再結晶區控制軋制在奧氏體再結晶溫度以上的溫度范圍（≥950℃）內進行軋制,使再結晶和變形交替進行，以細化奧氏體晶粒。細化的奧氏體變成的鐵素體，其晶粒也是細化的，從而也就提高了鋼的韌性。

在奧氏體未再結晶區控制軋制

在奧氏體再結晶開始溫度到Ar3以上進行軋制，其目的是使奧氏體晶粒拉長，同時在晶內形成大量變形帶，增加奧氏體向鐵素體轉變時的晶核生成能，獲得極其細小的鐵素體晶粒，以提高鋼的韌性，并在鋼中形成鈮的碳化物和氮化物，以抑制再結晶。在奧氏體和鐵素體兩相區控制軋制在奧氏體和鐵素體兩相區溫度范圍內(Ar3以下)進行軋制時,伴隨著加工硬化和珠光體析出的硬化而提高了鋼的強度，降低韌性－脆性轉變溫度。但是由于產生了織構(見擇優取向)，板厚方向的強度和沖擊韌性都降低了。2025/5/1047CSP工藝與傳統連鑄連軋工藝熱歷史的比較約950～1000℃直接進均熱爐中間無相變連鑄快速凝固成薄板坯鋼水熱連軋精軋層流冷卻卷取均熱（25~30分）冷卻至室溫或約700℃熱裝熱送γα相變鋼水連鑄凝固成厚板坯加熱、均熱（約100~150分）粗軋熱連軋精軋層流冷卻卷取a．薄板坯連鑄連軋工藝流程b．傳統連鑄連軋工藝流程2025/5/1048

薄板坯連鑄連軋與傳統連鑄連軋工藝熱歷史比較

℃150013001100900700500300100A3A1γ+αγ(2)γ(2)γ(1)薄板坯連鑄連軋傳統連鑄連軋

時間F+PCSP

(

Compact

Strip

Production)即為緊湊式板帶生產工藝，是由德國施羅曼·西馬克(SMS)公司研究開發的薄板坯連鑄連軋技術。2025/5/10492.4微珠光體低合金高強度鋼微合金元素的作用阻止加熱時奧氏體晶粒長大抑制奧氏體形變再結晶

在熱加工過程中，奧氏體會發生形變再結晶使晶?；貜痛执?。但應變動態析出Nb、V、Ti的碳氮化物，沉淀在晶界、亞晶界和位錯上起釘軋作用，有效地阻止奧氏體再結晶時晶界和位錯的運動，從而抑制奧氏體形變再結晶。2025/5/1050

微合金元素對鋼的屈服強度的影響（σG：晶粒細化σPh：析出強化）

2025/5/10512.5針狀鐵素體鋼基本特點針狀鐵素體（acicularferrite，簡寫AF）鋼實際上屬于超低碳貝氏體鋼。≤0.06％C+適量Mn、Mo、Nb等→具有高密度位錯（1010cm－2）亞結構的“針狀F”組織（超低碳B）。σs達700~800MPa，低溫沖擊韌性、焊接性更好.

用于現場焊接條件及其寒冷地帶管線。被稱為21世紀的控軋鋼。2025/5/1052低碳或超低碳的針狀F，實質上也是屬于低碳B鋼C<0.1%,其α片呈板條狀，具有高位錯密度，在450℃以下形成。針狀鐵素體2025/5/10532.6低碳貝氏體和馬氏體鋼低碳貝氏體鋼是指含碳量為0.10~0.15%，使用狀態組織為B的鋼。貝氏體鋼通常是在軋制空冷或控制冷卻，直接獲得B組織。由于B的相變強化，低碳貝氏體鋼與相同含碳量的鐵素體-珠光體型鋼相比，具有更高的強度和良好的韌度，屈服強度可達450~980MPa。2025/5/1054低碳貝氏體鋼1）概念

在軋制或正火后得到B組織，屈服強度可達到490-780MPa。2）合金化原理合金元素主要是能顯著推遲先共析F和P轉變，但對B轉變推遲較少的元素如Mo，B，可得到貝氏體組織。C曲線變化加入Mn,Ni,Cr等合金元素，進一步推遲先共析F和P轉變，并使Bs點下降，可得到下B組織；加入微合金化元素充分發揮其細化作用和沉淀作用；低碳,使韌性和可焊性提高。2025/5/1055主要特點合金元素是保證在較寬的冷速范圍內獲得以貝氏體為主的組織成分特點:

0.5%左右Mo+微量B（0.005%）

+Mn、Cr、Ni等+Nb、Ti、V主要用于制造容器的板材。

14MnMoV和14MnMoVBRE鋼是我國發展的低碳貝氏體鋼，屈服強度為490MPa級2025/5/10562.6低碳貝氏體和馬氏體鋼低碳馬氏體≤0.16%C，加入Mo、Nb、V、B及控制Mn或Cr與之配合→淬火回火處理組織為低碳回火馬氏體。

BHS-1鋼的成分為0.10C-1.80Mn-0.45Mo-0.05Nb。鍛軋后空冷或直接淬火并自回火。達到合金調質鋼調質后的性能水平。制造汽車的輪臂托架、操縱桿、車軸、轉向聯動節和拉桿等，也可用于冷墩、冷撥及制作高強度緊固件。2025/5/10572.7雙相鋼成分成分：~0.2%C，1.2~1.5%Si，0.8~1.5%Mn，~0.45%Cr，~0.4%Mo，少量V、Nb、Ti。組織

F+M組織，F基體上分布不連續島狀混合型M（<20%）→雙相鋼。F中非常干凈，C、N等間隙原子很少；C和Me大部分在M中.性能低σs，且是連續屈服，無屈服平臺和上、下屈服；均勻塑變能力強，總延伸率較大，冷加工性能好；加工硬化率n值大，成型后σs可達500~700MPa。2025/5/1058強度MPa雙相鋼

600400

普通鋼

20010203040應變/%

雙相鋼和普通鋼應力應變曲線的比較2025/5/1059應用

沖壓型雙相鋼主要是板材，廣泛用于各種容器和汽車沖壓件。非沖壓雙相鋼有棒材、線材、鋼筋薄壁無縫鋼管等產品。鋼材經熱軋后控制冷卻，得到F加M雙相鋼組織，然后經冷撥、冷墩等工藝制成成品?？捎糜谄嚨拇罅汉蜐L型車輪，汽車的前后保險杠、發動機懸置梁等，使用雙相鋼可使汽車重量降低10~30%2025/5/1060近70-80%細晶多邊形F+20-30%MF+M雙相鋼2025/5/10612025/5/1062鐵素體一馬氏體雙相組織獲得雙相組織的方法鐵素體一馬氏體雙相組織，可以通過在兩相區加熱后冷卻的雙相化熱處理，或者通過直接熱軋而得到。雙相化熱處理工藝或軋制工藝及其所得雙相組織的類型(示意圖)

AC一空冷；Q一淬火

2025/5/1063雙相鋼所希望的顯微組織應當是具有一定體積分數的強韌的第二相馬氏體和塑性良好的基體鐵素體。c類組織，由（F+珠光體P)的原始組織加熱到兩相區，保溫后淬火而得到。D類組織，以淬火態的低碳板條馬氏體(M)為原始組織，加熱到兩相區給定的溫度，保溫后再次淬火而得到。2025/5/1064雙相鋼引人注目的拉伸力學性能特點(1)連續屈服。應力-應變曲線呈光滑的拱形，無屈服點延伸。這就避免成型零件表面起皺，從而不需要附加的精整工序。(2)高的加工硬化速率。尤其是初始的加工硬化速率。這樣，只需5％以下的應變，就可使雙相鋼的流變應力達到500～550MPa，與通常低合金高強度鋼的屈服強度相當。2025/5/1065(3)低的屈服強度。這使沖壓件易于成型，回彈小，同時沖壓模具的磨損也小。(4)高的抗拉強度。由于屈服強度低、抗拉強度高，屈強比就小。這樣，構件成型時強度低，成型后強度高。成型后的構件具有高的壓潰抗力、撞擊吸能和高的疲勞強度。(5)均勻伸長率和總伸長率大。與同樣強度的低合金高強度鋼相比，雙相鋼的均勻伸長率和總伸長率要高1／3或1倍。2025/5/10662.8新一代鋼鐵材料國家973項目“新一代鋼鐵材料”重大基礎研究首席科學家翁宇慶教授。講演稿項目的設想是把占全國鋼材總產量90%的三類鋼，即碳素、低合金、合金結構鋼的強度或使用壽命提高一倍。研究人員提出了碳素結構鋼的σs由目前的200MPa提高到400MPa，低合金結構鋼的σs由目前的400MPa提高到800MPa，合金結構鋼σs由800MPa提高到1500MPa。新一代鋼鐵材料性能的提高，還有望降低目前約占全國總能耗1/10的鋼鐵工業對能源、資源的消耗