第二章工程结构钢

第二章工程结构钢 第一节钢的分类和编号第二节工程结构钢的合金化第三节　铁素体－珠光体钢第四节低碳贝氏体和马氏体钢

结构钢包括工程结构钢和机械制造结构钢两大类.结构钢包括工程结构钢和机械制造结构钢两大类. 工程结构钢是专门用来制造各种工程结构,如桥梁、船体、钢轨、建筑用钢结构等，占总钢用量的80～90％。工程结构钢主要是承受各种载荷，要求有较高的屈服强度、良好的塑性和低温韧性，并耐大气腐蚀。工程结构钢包括碳素工程结构钢和高强度低合金钢。

钢第一节钢的种类和编号 • 钢的分类 • 按用途分类：

按质量分类： 钢 • 按化学成分分类：

钢 • 按金相组织分类：按退火组织分类：按正火组织分类： • 按冶炼方法分类：

按炼钢时脱氧程度的不同分类： 沸腾钢: 脱氧不完全镇静钢:完全脱氧半镇静钢:脱氧较完全注：优质钢和合金一般都是镇静钢

钢的编号 我国钢材的编号是按碳含量、合金元素的种类和数量以及质量级别来编号的。 1. 碳素结构钢和低合金高强度结构钢碳素结构钢和低合金高强度结构牌号表示方法通常分为通用钢和专用钢两大类。 ① 通用结构钢采用代表屈服点的拼音字母“Q”。屈服点数值(单位为MPa) 。例如：碳素结构钢牌号表示为：Q235；低合金高强度结构钢牌号表示为：Q345。

碳素结构钢的牌号组成中，镇静钢符号“Z”和特殊镇静钢符号“TZ”可以省略，例如：质 量等级分别为C级和D级的Q235钢，其牌号表示应为Q235CZ和Q235DTZ，但可以省略为Q235C和 Q235D。 ② 专用结构钢一般采用代表钢屈服点的符号“Q”、屈服点数值和代表产品用途的符号等表示，例如：压力容器用钢牌号表示为“Q345R”；耐候钢其牌号表示为：Q340NH。

热连轧钢板 注：根据需要，通用低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字(以万分之几计平均含碳量)和标准的元素符号组成。如16Mn。通常情况下，屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢。

2.优质碳素结构钢和优质碳素弹簧钢 优质碳素结构钢采用两位阿拉伯数字(以万分之几计表示平均含碳量) 。　　①沸腾钢和半镇静钢，在牌号尾部分别加符号“F”和“b”。例如：平均含碳量为0.08%的沸腾钢，其牌号表示为“08F”；平均含碳量为0.10%的半镇静钢，其牌号表示为“10b”。　　②镇静钢(S、P分别≤0.035%)一般不标符号。例如：平均含碳量为0.45%的镇静钢，其牌号表示为“45”。

方钢齿轮加工　　 ③高级优质碳素结构钢(S、P分别≤0.030%)，在牌号后加符号“A”。例如：平均含碳量为0.45%的高级优质碳素结构钢，其牌号表示为“45A”。　　④ 特级优质碳素结构钢(S≤0.020%、P≤0.025%)，在牌号后加符号“E”。例如：平均含碳量为0.45%的特级优质碳素结构钢，其牌号表示为“45E”。　　优质碳素弹簧钢牌号的表示方法与优质碳素结构钢牌号表示方法相同。

3.合金结构钢和合金弹簧钢牌号 ① 合金结构钢牌号采用阿拉伯数字和标准的化学元素符号表示。　　用两位阿拉伯数字表示平均含碳量(以万分之几计)，放在牌号头部。　　合金元素含量表示方法为：平均含量小于1.50%时，牌号中仅标明元素，一般不标明含量；平均合金含量为1.50%～2.49%、2.50%～3.49%、3.50%～4.49%、4.50%～5.49%、……时，在合金元素后相应写成2、3、4、5……。

不锈钢制管板式换热器 　　例如：碳、铬、锰、硅的平均含量分别为030%、0.95%、0.85%、1.05%的合金结构钢，当S、P含量分别≤0.035%时，其牌号表示为“30CrMnSi”。　　②合金弹簧钢牌号的表示方法与合金结构钢相同。例如：碳、硅、锰的平均含量分别为0.60%、1.75%、0.75%的弹簧钢，其牌号表示为“60Si2Mn”。

4.易切削钢 采用标准化学元素符号（Y）和阿拉伯数字表示。阿拉伯数字表示平均含碳量(以万分之几计) 。　　例如：平均含碳量为0.15%的易切削钢，其牌号表示为“Y15”。 5.工具钢工具钢牌号表示方法工具钢分为碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢三类。　　① 碳素工具钢采用标准化学元素符号和阿拉伯数字表示。阿拉伯数字表示平均含碳量(以千分之几计)。　　例如： “T8” ， “ T8Mn” ， “T8MnA”。

丝锥 ②合金工具钢和高速工具钢合金工具钢、高速工具钢牌号表示方法与合金结构钢牌号表示方法相同。采用标准规定的合金元素符号和阿拉伯数字表示，但一般不标明平均含碳量数字。如：含碳量为1.60% ，含铬、钼，钒为11.75%、0.50%、0.22%的合金工具钢，表示为“Cr12MoV”；平均含碳量为0.85%，含钨、钼、铬、钒为6.00%、5.00%、 4.00%、2.00%的高速工具钢，其牌号表示为“W6Mo5Cr4V2”。

锉刀铣刀若平均含碳量小于1.00%时，可采用一位阿拉伯数字表示含碳量(以千分之几计)。例如：平均含碳量为0.80%，含锰量为0.95%，含硅量为0.45%的合金工具钢，其牌号表示为“8MnSi”。低铬(平均含铬量＜1.00%)合金工具钢，在含铬量(以千分之几计) 前加数字“0”。如：平均含铬为0.60% 的合金工具钢，表示为“Cr06”。

6.轴承钢 采用“ G+Cr+铬含量”(不标含碳量)， “G”表示“滚动轴承钢”。 ① 铬含量以千分之几计，例如：平均含铬1.50%的轴承钢，表示为“GCr15”。 ② 渗碳轴承钢，采用合金结构钢的牌号表示方法，另在牌号头部加符号“G”。例如： “G20CrNiMo”。

不锈钢型材 不锈钢法兰 • 7.不锈钢和耐热钢 • 采用“含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+……” • 碳含量表示方法如下： • 当平均含碳量≥1.00%时，用两位数字表示，如11Cr17(平均含碳量为1.10%)； • 当1.0%>平均含碳量≥0.1%时，用一位数字表示,如2Cr13（平均含碳量为0.20%）

当0.1%>含碳量上限> 0.03%时，以“0”表示，如0Cr18Ni9（含碳量上限为0.08%）； • 当0.03%≥含碳量上限>0.01%时（超低碳），以“03”表示，如03Cr19Ni10(含碳量上限为0.03%）； • 当含碳量上限≤0. 01%时(极低碳)，以“01”表示，如01Cr19Ni11（含碳量上限为0.01%）。注：旧标准含碳量表示方法为：当含碳量≤0.08%时，以“0”表示，如0Cr18. 当含碳量≤0.03%时，以“00”表示，如00Cr18Ni10.

2.5吨大齿轮铸件 9. 铸钢 • 采用“ZG + 两位数字”， • ZG表示“铸钢”； • 两位数字表示平均含碳 • 量的万分之几, 如ZG25。 8.焊接用钢　　焊接用钢包括焊接用碳素钢、焊接用合金钢和焊接用不锈钢等，其牌号表示方法是在各类焊接用钢牌号头部加符号“H”。例如：“H08”、“H08Mn2Si”、“H1Cr18Ni9”。　　

常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（GB/T 221—2000）

低碳，低合金元素含量； • 供应态：热轧或正火； 3. 合金化的目的：提高强韧性。工程结构钢的特点大型邮轮南京长江大桥第二节工程结构钢的合金化为了能承受更大的载荷并减轻结构的重量，通常向非合金钢中加入合金元素提高强韧性。

工程结构钢的发展历程 • 由于连接工艺是铆接，所以设计依据是抗拉强度——钢中碳含量较高，约0.3％，热轧态，不控制轧制温度。 • 焊接构件要求降低钢中的碳含量，为保持强度，钢中含锰量增高。（但没有注意到锰对钢的韧性的有利作用） • 焊接构件的脆性断裂，要求钢的韧脆转变温度低些，同时认识到高屈服强度更重要。因此，钢中的碳含量进一步降低，但锰含量仍保持较高水平。

用晶粒细化剂，如AlN，屈服强度从225MPa提高到300MPa。韧脆转变温度降到0℃以下。但这种细化晶粒的方法只在正火状态使用。用晶粒细化剂，如AlN，屈服强度从225MPa提高到300MPa。韧脆转变温度降到0℃以下。但这种细化晶粒的方法只在正火状态使用。 • 利用加入Nb、V或Ti后的析出强化（或沉淀强化），使热轧状态的钢材有较高的强度。但早期轧钢的停轧温度高，晶粒粗化。 • 降低停轧温度，钢的屈服强度达到450～525MPa，韧脆转变温度降到-80℃ 。

工程结构钢的强化 钢的屈服强度主要取决于显微组织。高强度低合金钢所能达到的强度与组织有如下关系： 1）铁素体-珠光体组织，σs为300～350MPa； 2）低碳贝氏体组织， σs为450～650MPa； 3）低碳索氏体组织(经调质处理),σs为650～800MPa； • 往钢中加入Zr、Re和Ca等，控制夹杂物形态，可改善钢的总成型性，特别是改进钢板全厚度上的塑性和韧性。 • 低合金高强度钢具有明显的价格优势，病可使构件重量减轻20～30％。

固溶强化 由于低碳钢的塑性储备大，可以牺牲部分塑（韧）性来提高强度。实践证明：Mn、Si、Cu和P等元素溶入铁素体中，固溶强化效果显著。各元素添加量：P＜0.1％；Mn＜2％； Si＜0.8％；Cu约为0.25～0.5 ％。目前，工业上广泛使用的高强度低合金钢中很大一部分具有铁素体-珠光体组织。合金元素通过以下方式提高该钢种的强度：①铁素体固溶强化；②细晶强化；③沉淀强化；④增加珠光体含量。

细晶强化 细化晶粒对强度的贡献符合Hall－Petch公式。

细化晶粒的主要措施有： 1）用Al脱氧时形成AlN质点； 2）用Ti、Nb、V等元素合金化时形成碳化物、氮化物以及碳氮化物（如图所示） 3）用Cr、Ni、Mn等元素降低A3温度，使奥氏体在更低温度转移而细化铁素体晶粒和珠光体区域。

微合金钢中 的主要沉淀强化相有VC、NbC、 TiC以及Nb(C,N) 等。 • 沉淀强化利用V、Nb、Ti的微合金化，使过冷奥氏体发生相间沉淀和铁素体中析出弥散的碳化物和碳氮化物，产生沉淀强化。

对FATT50(℃)产生影响的因素有： • 含碳量越低，珠光体量增加（即片层状渗碳体减少），铁索体量升高，从而降低FATT50(℃)值； • 细化晶粒，可提高强度和冲击韧性，降低FATT50(℃)值。 • 添加固溶元素（Mn，Ni，Cr等），固溶于α相中，促进滑 • 移，阻碍Fe3C析出，可降低FATT50(℃)值。 • 铁素体－珠光体组织的冷脆性具有铁素体-珠光体组织的工程结构钢在-50～+100℃ 范围使用，因而要求有较低的脆韧转变温度FATT50(℃)。

焊接裂纹产生的主要原因： 1）焊缝冷却速度大，一般超过母材钢种的临界冷却速度而发生局部淬火，产生相变，在焊缝和热影响区产生很大的内应力。 • 工程结构钢的焊接性 • 金属焊接的基本要求：焊缝与母材结合牢固，强度不低于母材，焊接的热影响区有较高的韧性，没有焊接裂纹。

合金元素加入对焊接性的影响: 1）增加钢的淬透性，焊后冷却发生马氏体相变，升高内应力； 2）降低Ms点，使马氏体转变温度降低，此时钢的塑性差； 3）钢中含碳量增高马氏体的比容和硬度，升高内应力； 4）氢脆引起塑性下降。 2）热影响区由于温度高而引起晶粒粗化。

螺纹钢 圆钢 • 焊接工艺的控制（减少焊接内应力） 1）严格控制碳当量。经验表明，一般把碳当量控制在焊缝热影响区的硬度不超过250HV为宜。 2）预热焊接母材 3）焊后退火

工程结构钢的耐大气腐蚀性能 工程结构钢一般在潮湿空气中服役，会产生电化学腐蚀。可通过加入Cu、P、Ni、Cr等元素来防腐。 Cu能沉积在钢的表面，它具有正电位，成为钢表面的附加阴极，促使钢在很小的阳极电流下达到钝化状态； Ni、Cr都能促进钢的钝化；业也发现，Cu、P等元素配合添加对大气防腐最为有效。我国研制开发了09CuPTi，10MnPNbRe等耐候钢。

Q195 (无分级） Q215（A、B两级）编号 Q235（A、B、C、D四级，区别P、S含量） Q255（A、B两级） Q275 (无分级）第三节铁素体－珠光体钢 • 碳素工程结构钢 • 按国标，碳素工程结构钢可依据σs分类（共五级）：其中Q表示“屈”，数字表示屈服强度值。

钢号+F： W（Si）< 0.07％ 编号钢号+B： W（Si）＝0.05~0.17％钢号： W（Si）＝0.12~0.30％ • 按冶炼脱氧程度分类：碳素工程结构钢中的C、Si、Mn、S、P五种常存元素，是冶炼中为脱氧和稳定S而加入的。

特点： 1）基本不加入Cr和Ni，降低成本； 2）以Mn为主，附加元素为V、Ti、Mo、Nb、B等； 3）利用少量P来提高抗大气腐蚀性； 4）加入微量稀土元素，可脱S去气，净化组织。 • 高强度低合金钢我国把该钢种分为六个级别：Q300；Q350；Q400；Q450；Q500；Q650。

抑制奥氏体形变再结晶 在热加工过程中，诱变析出V、Nb、Ti等的氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上；或以固溶原子的形式偏聚在晶界处，阻碍晶界、位错的运动。 • 微合金钢微合金钢主要是添加V、Nb、Ti等微量元素，合理选择加工工艺，以达到细化晶粒和沉淀强化效果的钢种。微合金元素的作用主要体现在以下四个方面:

沉淀强化 一般微合金中的沉淀强化相主要是低温下析出的VC 和Nb(C，N)。 • 阻碍奥氏体晶粒长大在锻造或轧制过程中，每一道次后，再结晶结束就要发生晶粒长大。通过Ti、Nb等元素TiN或Nb(C，N)弥散分布可阻止奥氏体晶粒长大。

改变钢的显微组织 1）传统控轧工艺：T轧< T再/终了，阻止奥氏体再结晶。 Nb-V复合微合金钢：Nb用来在高温形变时产生应变诱导析出相Nb(C,N)，细化奥氏体晶粒；V用来产生沉淀强化相V(C,V)。 2）再结晶控轧工艺：T轧 > T再/终了，允许奥氏体发生再结晶，并抑制再结晶奥氏体的相变和避免应变诱导析出。 V-Ti－N钢：微量Ti析出TiN质点抑制奥氏体晶粒长大，V用来低温析出V(C,N)沉淀相。

第四节低碳贝氏体和马氏体钢 具有铁素体-珠光体组织的低合金钢和微合金钢的屈服强度的极限约440MPa。为进一步提高强度，可加入少量合金元素，通过轧制和正火工艺状态下获得低碳贝氏体或马氏体组织。

右图：低碳钼钢 和钼硼钢的过冷奥氏体恒温转变开始曲线。 • 低碳贝氏体钢 • Mo和B的添加显著推迟先共析铁素体和珠光体转变，而对贝氏体转变推迟较少。

右图低碳贝氏 体钢中贝氏体的抗拉强度和韧脆转化温度的关系 • 再加入Mn、Cr、Ni等元素进一步推迟先共析铁素体和珠光体转变，并使Bs点下降，以获得具有更高强度和低得多的韧-脆转变温度的下贝氏体组织。

合金元素添加 添加Nb：可获得Nb(C,N)，细化晶粒，并沉淀强化。添加Mo或Mn：推迟先共析铁素体和珠光体转变，降低Bs点。 • 针状铁素体钢 • 显微组织这类钢的显微组织是低碳或超低碳的针状铁素体，属于贝氏体组织，其中α呈板条状，具有高位错密度。

低碳马氏体钢 通常添加Mo、Nb、V、B、Mn、Cr等，使钢得到好的淬透性，防止发生先共析铁素体和珠光体转变。另外，Nb还可细化晶粒。典型钢种：BHS-1钢成分：W(C）=0.1%；W(C）＝1.8％；W(Mo）＝0.45％； W(Nb）＝0.05％；热处理工艺：锻轧后空冷或直接淬火并回火处理，得到 “贝氏体 + 马氏体 + 铁素体”混合组织。

用途适于薄板冲压冷拉成形，零件表面光洁，无吕德斯带。 • 双相钢 • 显微组织通过在γ+α两相区加热淬火，或热轧后空冷得到20～30％马氏体 + 70～80％铁素体。其中马氏体呈小岛状或显微状分布在铁素体基体上。

第二章 工程结构钢