第二章构件用钢
概述
?构件用钢指用于制造各种大型金属结构(如桥梁、
船舶、屋架、锅炉及压力容器等)的钢材，又称
为工程用钢。
?随着工业交通和科学技术的发展，一般普通碳
素工程用钢，难以满足重要机械构件的需要，
因而世界各国均在大力进行低合金高强度钢和
微合金化钢的开发与生产，它们的应用范围很
广，在国防、化工、石油、电站、车辆、造船、
桥梁等国民经济部门，都广泛使用这类钢种制
备重要构件（工程构件用钢）。
发展历程：
?(1)最初，设计依据是抗拉强度，较少考虑屈服
强度、韧性和焊接性。普遍的连接构件的工艺是
铆接，因此，钢的含碳量较高，约为0.3％，钢
材供货状态是热轧，几乎不控制轧制温度。
?(2)采用焊接作为连结构件的方法，因此要求降
低钢中含碳量，为了保持强度，钢中含锰量增高，
但是并未注意到锰对钢的韧性的有利作用。
?(3)焊接构件的脆性断裂，使人们认识到冲击韧
性和断裂韧性的重要性，要求钢的韧脆转折温度
低些，同时也认识到高屈服强度更重要。因此，
钢中含碳量进一步降低，但锰量仍保持高水平。
人们认识到高的Mn／C比对冲击韧性的好处以
及“晶粒度”的重要意义。
?(4)用晶粒细化剂，如AlN，细化晶粒。细化晶粒
的结果，屈服应力从225MPa提高到300MPa，韧
脆转折温度降到0℃以下。但是这种细化晶粒的方
法只能在正火状态下使用。
?(5)在保持低碳、高锰、细化晶粒的条件下，利用
析出强化进一步提高钢的屈服强度。细化晶粒的
方法是加Nb、V或Ti。当时，加入的主要元素是
Nb,因为它使热轧状态的钢材有较高的强度。但是
早期轧钢的停轧温度很高，因而钢材晶粒粗大，
冲击韧性较差。
?(6)降低停轧温度，以解决热轧钢材晶粒粗化问题。
这种工艺既细化晶粒又有一定的析出强化。钢的
屈服强度达到450～525MPa，韧脆转折温度降低
到－800C。这类钢称为微合金化、控轧、低碳、
低合金高强度钢，简称微合金化钢。
?(7)为了改善钢材的总的成型性，特别是
改进钢板的全厚度上的塑性与韧性，人
们认识到控制钢中夹杂物形态的重要性。
非金属夹杂物沿钢板的某些部位呈平面
列状排列不仅对韧性、塑性有害，而且
易于造成焊接缺陷和层状撕裂。为了解
决这项问题，往钢中加入Zr、稀土元素
和Ca等，以控制夹杂物形态。
?这个简单的回顾表明，在低合金高强度钢发展
的后期，Nb，V，Ti已进入了历史舞台，微合
金化的概念也开始形成。
?微合金化低合金高强度钢与普通碳素钢相比，
屈服强度约高50～100％。根据国外计算，普
通碳素钢每吨的价格为300美元，加微合金元
素以后成本增加5～10美元，而微合金化的低
合金高强度钢材售价可达312～315美元；因此
生产这类钢材可增加钢厂的利润。与此同时，
采用这类钢材制造机械构件的重量可减轻20～
30％，可为机械工业节约许多钢材。
构件的工作特点
?不作相对运动，长期承受静载荷作用，
有一定的使用温度要求。(锅炉,250℃以
上。有的构件，经受低温作用)，承受大
气和海水的浸蚀（桥梁、船舶，大气或
海水）。
对构件用钢性能要求
?(1)力学性能要求。弹性模量大，以保证
刚度；有足够的抗塑性变形及抗破断的
能力，即屈服强度和抗拉强度较高；而
塑性较好；缺口敏感性及冷脆倾向性较
小等。
?(2)耐腐蚀性能要求。耐大气腐蚀及耐海
水腐蚀性能
?(3)靠冷变形和焊接成型:要求良好的冷
变形性能和焊接性能。
?构件用钢以工艺性能为主，力学性
能为辅。
?成分:低碳(＜0.2%)
?使用状态：热轧空冷(正火)，有时也在回
火状态下使用。
?基体组织：大量的铁素体和少量的珠光体。
?性能特点：屈服、冷脆及时效等现象。
2.1构件用钢的力学性能特点
?构件用钢的力学性能有三大特点：
屈服现象、冷脆现象和时效现象。
一、构件用钢的屈服现象
?屈服现象是低碳钢所具有的力学行为特
点之一，主要表现在两方面：
?(1)拉伸曲线上出现屈服齿与屈服平台。
?(2)在屈服过程中试件的塑性变形分布是
宏观不均匀的
屈服现象的危害及消除
?屈服变形集中在局部地区少数滑移带上，引起滑
移台阶高度增大，使试样表面有明显滑移线，表
面出现皱折。屈服现象有时会影响构件(如汽车蒙
皮)的表面质量。实践中发现，有一些冷轧钢板在
冲压前表面质量很好，但冲压后却在某些部分形
成皱折，这是一种水波纹状的表面缺陷，称为滑
移线。这种滑移线的出现破坏了构件的外观，甚
至在涂漆以后仍然可以看出，故必须消除。消除
的办法是对于一些冲压用的钢板退火后，进行变
形量约为0.8％～1．5％的冷轧，即平整加工。其
目的是使钢板的屈服在冷轧过程中完成，使钢板
处于正常的加工硬化状态，从而在以后的冲压过
程中变形均匀，以免出现皱折。
屈服现象的产生原因：
二、构件用钢的冷脆现象
?冷脆现象：
?随着试验温度的降低，构件用钢的屈服点显著
升高，且出现断裂特征，由宏观塑性破坏过渡
到宏观脆性破坏，这种现象称为冷脆。
?构件生产及使用过程中，往往存在着尖锐的缺
口，甚至裂缝。带有尖锐缺口或裂缝的构件，
上述断裂形式的过渡可能在一般的气温条件下
即能产生，而且其断裂应力往往低于室温下的
屈服极限。
?评定指标：
?冷脆转变温度，又称脆性转折温度。
?是组织敏感的参数。晶体结构、强度、合金元素
及晶粒大小等均对有影响。变形速度、试件尺寸、
应力状态及缺口形式等对也有一定的影响。
?实际意义：
?构件用钢在常温拉伸时能表现出很好的极限塑性，
因此曾经认为按照钢材的屈服点设计的各种构件
是安全的。
?但在生产实际中，一系列低碳构件(船舶、桥梁、
容器等)在较低使用温度下发生的引起严重后果
的冷脆事故，使人们认识到只根据常规拉伸性能
数据还不能全面评价构件用钢的性能。
?冷脆的防止：
?1合金元素也可使脆性转折温度下降。
如Ni、Mn、Al等使之下降，而C、Si使之
上升
?2细化晶粒
?3更换基体材料
三、构件用钢的应变时效、淬
火时效及蓝脆
?时效：
?构件用钢加热到Ac1以上进行淬火(快冷)或经
塑性变形后，在放置过程中，钢的力学性能和
物理性能将随时间而变化。通常强度、硬度增
高，塑性、韧性下降，并提高钢的脆性转折温
度，这种现象称为时效。
?①塑性变形后的时效称为应变时效；
?②淬火后的时效称为淬火时效；
?③在一般气候条件下的时效称为自然时效；
在较高温度下进行的时效称为人工时效。
?对低碳构件用钢，时效的影响较显著，因此必须注意。其它
种类的钢材也有时效现象，但含碳量较高时影响相对较小，
故工业上通常不予以注意。
?时效的危害：
?①对塑性变形：
?应变时效一般应视为一种不利的现象。在生产中的弯角、卷
边、冲孔、剪裁等过程中产生局部塑性变形的工艺操作，由
于应变时效会使局部地区的断裂抗力降低，增加构件脆断的
危险性。应变时效还给冷变形工艺造成困难，裁剪下的毛坯
如过一段时间再进行下道冷变形工序，往往因为裁剪边出现
裂缝而报废。
?②对焊接成型：
?焊接构件热影响区的温度可以达到以上温度而产生淬火时效。
此时，钢的显微组织没有明显变化，但其力学性能也发生类
似于应变时效的变化。
?低碳钢应变时效敏感性的试验方法:
?冶标YB30一64规定把钢在应变时效前后
的冲击韧性差值与其在原状态下冲击韧
性值之百分比C作为钢的时效敏感性的衡
量标准（钢的时效敏感性也可用硬度值
的相对变化来衡量。）
????
??%100?
??
原
时效原
K
KKC
?
??
应变时效敏感性的影响因素及防止
?与固溶于a—Fe中的少量C、N原子(特别是N原
子的影响较大)有关。因此，应控制在a—Fe中
的C、N原子数量。
?向钢中加入强碳、氮化物形成元素。如Al、V、
Ti、Nb等，使低碳钢中的C、N元素以化合物形
式固定下来而较少地溶入a-Fe中。
?钢中气体的含量与冶炼方法和浇铸方法有关，
因而不同的冶炼方法所得钢材的时效敏感性不
同。一般说来，侧吹转炉钢的时效敏感性要大
于平炉钢，沸腾钢的时效敏感性要大于镇静钢。
蓝脆现象
?应变时效敏感的钢种往往还存在一种蓝脆现象。
?低碳钢在300—400℃的温度范围内却出现反常的
升高、降低的现象。应变速率增加时，蓝脆的温
度向高温推移，值通常在500℃左右出现谷值。
?蓝脆现象是由于塑变时位错运动速度与该温度下
固溶的C、N原子的移动速度几乎相等造成的，所
以应变时效与塑性变形同时发生。
?蓝脆也是一种不利现象，但在截断钢材时，可利
用蓝脆现象。
2.2构件用钢的工艺性能
?构件用钢要求具有良好的冷变形性能和
焊接性能。
一、构件用钢的冷变形性能
?钢材的冷变形性能包括三层意思：
?①钢材的变形抗力，它决定钢材制成必
要形状的部件的难易程度；
?②钢材在承受一定量的塑性变形时产生
开裂或其它缺陷的可能性；
?③钢材在冷变形后性能的变化，即危害
性或可利用性。
?影响因素：
?①钢材的含碳量对其冷变形性能影响最大。含
碳量增高，钢中的珠光体量增多，塑变抗力增
高，而塑性降低，变形时开裂的倾向性增大。
?②含硫量增高，钢中的MnS夹杂物增多，也使
钢材变形开裂的倾向增大，并使轧制钢板纵向
及横向的塑性不同。钢材易于沿着呈条状分布
的硫化物夹杂发生开裂或分层。
?③磷有强烈的偏析倾向，含磷较高的钢板带
状组织比较严重，其性能也有明显的方向性。
?④钢材表面质量也影响冷变形性能，表面上的
裂缝、结疤、折叠、划痕等缺陷，往往是冷变
形开裂的根源。
?钢材冷变形后，强度增高，而塑性降低，
应变时效进一步提高强度和降低塑性。
但多数构件进行变形是由于加工上的需
要，因此强度的增高往往不能利用，而
塑性的降低却可能成为构件断裂的起因，
必须予以注意。
?变形时开裂是构件用钢加工过程中经常
发生的现象。通常用下列指标和方法来
衡量构件开裂的可能性：极限塑性指标
（变形开裂倾向）、塑性失稳时变形
量/加工硬化指数/屈强比（弯曲、延
伸等冷变形时）
二、构件用钢的焊接性能
?焊接性能也是很重要的工艺性能，特别是近年
来，随着断裂力学的发展，人们对焊接性能的
重要性更为重视。
?焊接材料总是不均质的。例如：①金属在焊接
过程中，其焊缝区、半熔化区及热影响区发生
小范围的复杂冶金过程、熔化过程及热处理过
程，使各处形成不同的组织；②由于热循环及
组织变化，产生一定的焊接残余应力。③焊接
过程可能产生未焊透、气泡、夹渣、裂纹等缺
陷。这些复杂的变化必然会影响整个构件的承
载能力和使用寿命。
?焊接质量是否良好，一方面与构件的结
构及焊接工艺有很大关系，另一方面与
材料的焊接性能也有很大关系。焊接性
能与钢材的化学成分及其在焊接时形成
的组织有关。
?由于钢材化学成分和组织的变化而导致
焊接构件脆断趋势增加的现象称为焊接
脆性。
?焊接脆性包含马氏体转变脆性、过热及
过烧脆性、凝固脆性和热影响区的时效
脆性等。
?马氏体转变脆性是焊接时造成冷裂纹的主要原
因之一。因而焊接时是否易于形成马氏体是人
们关注的问题之一。
?是否易于形成马氏体取决于钢材的淬透性。碳
是显著增加钢材淬透性的元素，且还增大马氏
体的延迟断裂倾向，因此在一般碳素构件用钢
中应将含碳量控制在0.25％以下，在普通低合
金构件用钢中一般不超过0.2％。很多合金元
素都会增加钢的淬透性，对焊接性能不利，故
对其含量也应加以控制。
?另外碳及合金元素还会降低钢的Ms点，这也是
不利的。Ms点最好不低于300℃。这是因为在
热影响区虽有马氏体转变，但点高于300℃时
可产生“自回火”现象，从而减少了开裂的倾
向。
?碳当量：
?有人尝试用单一参数碳当量记[C]来综合地表示
碳及合金元素对于焊接性能的影响。钢的[C〕越
高，表示焊接性能越差。目前已报导了不少计算
[C]的公式，常采用的有
??44SiMnCC???
??56VMoCrMnCC?????
??2.020104603020BCuVMoNiSiMnCC????????
公式中各元素符号表示质量百分比。通常认为：
[C]＜0.35％，焊接性能良好；[C]＞0.4％，焊接有
困难，需采用焊接预热或焊后及时回火等措施补救。
?过烧脆性产生在紧靠熔合线的热影响区。
防止过烧脆性的方法是限制钢的含碳量，
或者向钢中加少量稀土元素(如铈)以固
定硫。稀土硫化物可以降低钢对过烧脆
性的敏感性。
?离熔合线较远的热影响区易产生过热脆
性，可降低钢的塑性，增加冷脆倾向性。
向钢中加入少量Mo、V、Ti、Nb等强碳化
物形成元素时，可阻止晶粒长大，并减
小过热敏感性。
?凝固脆性一般以热裂纹的形式表现出来。
引起凝固脆性的主要元素是S、P、Si等，
C、Ni、Cu也有促进作用，故对这些元素
在构件用钢中的含量也应加以限制。而
加入Ti、Zr或Ce能形成球状的硫化物并
提高其熔点，对减小凝固脆性有一定的
好处。
?热影响区的时效脆性也可能成为构件用
钢在使用过程中的开裂源，必须充分注
意。为此，向钢中加入Al、V、Ti、Nb等
元素，以抑制时效敏感性。
?综上所述，焊接会带来很多缺陷或脆性
而使构件的承载能力降低，因此必须改
善焊接性能。钢中的碳及合金元素都易
使焊接性能下降，这便是要求构件一般
应为低碳、低合金的主要原因之一。
2.3构件用钢耐大气腐蚀性能
?耐大气腐蚀性能也是构件用钢的重要使
用性能。
一、大气腐蚀过程
?大气腐蚀过程是一种电化学腐蚀过程，
电化学腐蚀过程实质上是一种原电池腐
蚀现象。
?但是，构件用钢在大气中的腐蚀又与一
般的原电池腐蚀有所不同。在一般原电
池中需要有两块金属极板，而实际构件
在大气中的腐蚀是在同一块钢板上进行
的，故通常将构件用钢在大气中的腐蚀
过程称为微电池现象。
?微电池现象是指在一块钢板里
构成有许多个微小的原电池，
从而引起钢板腐蚀的现象。钢
板的组织是不均匀的，例如构
件用钢的组织除了基体a—Fe外，
还有第二相质点(如碳化物)，
这就构成了原电池中的两极。
一般说来，固溶体基体的电极
电位比较低，在微电池中做阳
极；而第二相质点的电极电位
比较高，在微电池中做阴极。
加之钢板在大气中放置时表面
上会吸附水汽并形成水膜，于
是便构成一个完整的微电池。
可以便电化学腐蚀过程自动地
进行，结果使金属基体不断遭
受腐蚀。
二、提高构件用钢耐大气腐蚀
的途径
?由以上分析可以看出，提高构件用钢耐
大气腐蚀的途径有以下几种：
?1.减少微电池数量（低碳）
?2.提高基体的电极电位（高成本）
?3.利用钝化效应（Cu与P复合）
1.减少微电池数量
?一般说来，微电池数量越多，则腐蚀速
度越快，故为了减慢腐蚀速度，应减少
微电池数目。C与S含量增多时，会使第
二相质点(碳化物与硫化物)数量增多，
从而导致腐蚀速度加快。所以从提高耐
大气腐蚀的角度出发，应对构件用钢的
含碳量和含硫量加以限制。这也是要求
构件用钢应是低碳钢的重要原因之一。
2.提高基体的电极电位
?基体与第二相的电极电位差越大，则腐
蚀速度越快。为了减慢腐蚀速度，应力
求提高基体的电极电位，以抑制阳极反
应。从这一角度出发，可向钢中加入能
与a—Fe形成固溶体并能提高其电极电位
的合金元素(例如Cr、Ni、Ti等元素）。
但这种办法的缺点是提高了钢的成本。
3.利用钝化效应
?钝化效应是指通过改变钢表面状态而造成基
体金属表面部分电极电位升高的现象。最常
采用的钝化措施是在金属表面形成一层致密
的氧化膜。这种氧化膜使钢的表面与电介质
隔开，从而使阳极反应受到阻碍。一般认为
Cr是最有效的钝化元素，但成本较高，发展
量大面广的构件用钢不宜走这一条路。
?实践表明，当Cu含量达到一定数量时，Cu能在
构件用钢的表面上弥散析出，可以促进钝化效
应。其原因是：在室温下Cu在a-Fe中的溶解度
较小，约为0.2%时，便有Cu原子以游离状态在
钢的表面析出，形成均匀、弥散分布的富Cu相。
Cu的电极电位比较高，这样就增加了微电池的
阴极接点，弥散均匀分布的Cu阴极接点有利于
迅速在构件用钢表面上形成一层比较致密的氧
化膜而产生钝化作用。如果没有Cu阴极接点，
则构件用钢的阴极接点仅仅是分布不均匀的碳
化物，在腐蚀过程中无法在表面上形成一层均
匀的钝化膜而起到防腐蚀作用。
?Cu的良好作用还在于少量的铜(＜0．2％）溶
入a—Fe中提高a—Fe的电极电位，也有利于提
高抗蚀性。在构件用钢中加人0.1%～0.15%的
Cu便可使腐蚀速度显著下降。若Cu含量达到
0.25%左右，则抗蚀性可提高l倍以上。但Cu含
量过高(如Cu＞0.5%)易使钢产生热脆现象。
?通常在耐大气腐蚀用钢中Cu含量在0.2%～0.5%，
特别是Cu与P复合存在时效果更好，以
P0.1%+Cu0.3%效果最佳。值得注意的是P含量
过高会增加钢的脆性，应加以控制。
2.4碳素构件用钢
?碳素构件用钢又称普碳钢，其产量约占钢总产
量的70%～80%，其中大部分用作钢的结构件，
少量用作机器零件。由于普碳钢易于冶炼，价
格低廉，性能也基本满足了一般构件的要求，
所以工程上用量很大。普碳钢常以热轧状态供
货，一般不经热处理强化。为了满足工艺性能
和使用性能的要求，其含碳量一般小于0.2%。
?根据国家标准GB700—88，将普碳钢分为Q195、
Q215、Q235、Q255及Q275等五类。此类钢可制
成各种型材，用在建筑、车辆等行业，还可做
其它构件用钢。
?按钢的脱氧程度和浇注方法又可将普碳钢分为
沸腾钢、镇静钢和半镇静钢三类
?生产上为了适应特殊用途的需要，还常
在普碳钢的基础上进一步提出某些特殊
的要求，从而形成一系列专用的构件用
钢。如冷冲压用钢、桥梁用钢。常用的
钢种为钢3桥(A3q)和16桥(16q)；锅炉用
钢，如20g、22g等；船舶用钢，如C10、
C20等。每种专用的构件用钢在冶标中都
有相应的技术条件规定。
2.5低合金高强度钢
?普通低合金构件用钢，简称普低钢，国外称低
合金高强度钢。英文缩写HSLA钢。尽管国内外
叫法不同，但从成分上都是低碳、低合金元素
的钢种。
?普低钢是为了适应大型工程结构(如大型桥梁、
大型压力容器及船舶等)、减轻结构质量、提
高使用的可靠性及节约钢材的需要而发展起来
的。我国自1957年开始试制生产普低钢以来，
已初步形成了我国自己的普低钢体系。
一、普低钢合金化
?普低钢合金化总的概念是：低碳，合金
化时以Mn为基础，适当加入Al、V、Ti、
Nb、Cu、P及稀土等元素。其发展方向是
多组元微量合金化。
?(1)低碳低合金元素，基本上不加Cr和Ni，是经济性
能较好的钢种。
?(2)主加合金元素是Mn
?Mn的固溶强化效果较大。合金元素在a—Fe中的固溶
强化次序是：Si、Mn较大，Ni次之，W、Mo、V、Cr
较小。Mn是促使奥氏体长大的元素，但在构件用钢
中，由于基体组织为铁素体加少量的珠光体，Mn能
降低钢的温度，降低奥氏体向珠光体转变的温度范
围，并减缓其转变速度，因而表现出细化珠光体和
铁素体的作用。晶粒细化既可使钢的屈服强度升高，
又可使脆性转折温度下降，有利于钢的韧性提高。
但应注意Mn的含量控制在2％以内。此外，Mn的加入
可使Fe-C状态固中的“S”点左移，使基体中珠光体
数量增多，因而可使钢在相同含碳量下，随铁素体
量减少，珠光休量增多，致使强度不断提高。
?(3)辅加合金元素A1、V、Ti、Nb等
?加入Al形成AlN的细小质点，以细化晶粒，这样既可提
高强度，又可降低脆性转折温度。例如，在C
0.15%+Mnl.8%的钢中，用Al脱氧正火后可使达到425～
475MPa，而Tk下降到-70℃。
?加入微量的V、Ti、Nb等元素既可产生沉淀强化作用，
还可细化晶粒，从而使强韧性得以改善。要注意的是，
此类元素所形成的碳化物在高温轧制时可以溶解，此时
细化晶粒效果消失，而反而上升。所以在轧制时必须控
制轧制温度，发挥V、Ti、Nb的沉淀强化作用和细化晶
粒作用。
?(4)为改善钢的耐大气腐蚀性能，应加入Cu和P。
?(5)加人微量稀土元素可以脱硫去气，净化钢材，并改
善夹杂物的形态与分布，从而改善钢的机械性能和工艺
性能
二、我国的低合金高强度钢
?我国列入冶金部标准的普低钢，按屈服
强度的高低分为300MPa级、350MPa级、
400MPa级、450MPa级、500MPa级和
650MPa级六个级别。
（1）300MPa级
?12Mn钢在300MPa级中是一个较好的钢种。
综合机械性能好，生产工艺简单。可用于船舶、
容器、油罐和其它金属结构。加热至4500C时，
其屈服强度还可维持在200～210MPa。国内很
多锅炉厂采用此钢。
?09MnNb钢在09Mn2钢基础上，以Nb代替部
分Mn而发展起来的。加入少量的Nb(0.05—
0．5％)可细化晶粒，并有NbC的析出强化作
用。多用于桥梁及车辆。
(2)350MPa级
?16Mn钢是发展最早，使用最多，最有代表性
的钢种。由于含C量提高，因而强度较高，同
时具有良好的综合机械性能和焊接性。多用于
船舶、桥梁、车辆、大型容器、大型钢结构等。
比使用碳钢可节约钢材20～30％。
?12MnPRE钢其中加入少量的P(0.07—0.12％)，
提高了扰蚀性，并有较大的强化作用。另外加
入稀土元素可消除有害杂质，改善夹杂物的形
状及分布，减弱冷脆性。可用于化工容器及建
筑结构。
(3)400MPa级
?16MnNb钢与16Mn钢相比，Mn含量降低了
一些。由于Nb的强化作用，16MnNb钢的强度
比16Mn钢高一级。综合机械性能与焊接性都
比较好。多用于大型结构及起重机械。
?10MnPNbRE钢由于Nb及P的强化作用，使
C量可以低一些。P也使钢的抗蚀性提高。RE
起净化钢材的作用，从而改善钢材质量。这种
钢多用于造船、港口建筑结构及石油井架
(4)450MPa级
?14MnVTiRE钢由于V、Ti的强化作用，
因而屈服强度进一步提高。该钢经正火
后具有良好的综合机械性能和焊接性。
多用于大型船舶。
?15MnVN钢由于V、N可以细化晶粒，
又具有析出强化作用，机械性能及焊接
性都好。可用于大型桥梁，锅炉及车辆
等。
(5)500MPa级
?14MnMoVBRE钢由于Mo及微量B的作用，使C曲线的上部
右移，而对贝氏体转变区影响很小。正火后可得到大量贝氏
体组织，屈服强度显著提高。Mn，V都有强化作用，RE不
仅净化钢材，而且使钢材表面的氧化膜致密，因而使钢材具
有一定的耐热性，可在5000C以下使用。多用于石油、化工
的中温高压容器。
?18MnMoNb钢中含有少量的Nb，县著地细化了晶粒。Nb的
沉淀强化作用，使屈服强度提高。同时，Nb和Mo都能提高
钢的热强性。这种钢经过正火和回火或调质后使用。正火温
度为950～9800C，回火温度为600—650C。调质规范为930淬
火和600~620C回火。18MnMoNb钢的强度高，综合机械性
能和焊接性好，适合用作化工石油工业用的中温高压厚壁容
器和锅炉等，可在500C以下工作。此钢还用于做大锻件，如
水轮机大轴。
(6)650MPa级
?14CrMnMoVB钢它是在14MnMoVBRE
钢的基础上加入一定量的Cr（0.9—1.3
％），因而强度进一步提高。它在正火
后也得到低碳下贝氏体组织。，强度、
韧性及焊接性都比较满意。也多用于高
温中压(400—560C)容器。
三、国外低合金高强度钢的概况
?国外一般称低合金高强度钢为“HT”钢。它们
是合金元素的加入量少，强度极限大于
500MPa，屈服极限大于320MPa，焊接性、低
温韧性以及抗大气腐蚀性都比较好的钢材的总
称。根据其抗拉强度极限的水平，一般分为
500MPa级、600MPa级、700MPa级、800MPa
级及1000MPa级五种。500MPa级与600MPa级
的钢种一般均在正火状态下使用，700MPa级
以上者必须作调质处理。
?国外最典型的低合金高强度钢如表。
2.6微合金化低合金高强度钢
一、一般微合金化低合金高强度钢
?㈠成分控制
?良好的焊接性须降低含碳量（含碳量小于
0.1%）,含碳量降低使强度下降。为此，需
细化晶粒。促使微合金化、控制轧制的采
用。
?微合金化：在热轧温度下，保证细小分散
物的稳定且不占据较大的体积份额，不损
害室温下的塑性和韧性。合适的分散物是
Al，Nb，Ti，V所形成的碳化物、氮化物
和碳氮化合物。
?这些元素可以分别或综合使用，从而导致
大量可能的化学成分组合。在许多情况下，
有效的分散物可能是一个或较多金属的碳
氮化合物。有如下几种可能情况：
?A1N、Nb(CN)，V(CN)、(NbV)(CN)，
TiC，TiN，Ti(CN)。
?碳化物按VC——TiC——NbC的顺序降低
其溶解度。
?而氮化物在较低溶解度水平下，具有相似
规律，A1N的溶解度稍低于VN。
?使用这些相，通过控制，可获得极细的晶
粒度（小于10μm）。
㈡控制轧制与控制冷却
?普通轧制：1200～1000℃，单相区，晶
粒易长大
?控制轧制是高温形变热处理的一种派生
形式，其主要目的是细化晶粒，提高热
轧钢的强韧性。
?控制轧制主要有三个阶段组成：
?①高温下的再结晶区变形；
（使粗大的奥氏体多次变形和
再结晶而细化，但这时由奥氏
体转变的铁素体仍然较粗大）
?②在紧靠Ar3以上的低温无再结
晶区变形；（在伸长而未再结
晶的奥氏体内形成变形带，使
铁素体在变形带及奥氏体晶界
上形核，从而形成细小的铁素
体晶粒）
?③在奥氏体—铁素体两相区变
形。（继续阶段2的过程，此时
铁素体也发生变形，形成亚结
构。变形后，未再结晶的奥氏
体转变为等轴的铁素体晶粒，
变形的铁素体产生亚结构）
?常规热轧和控制轧制之间的基本差别在于：
前者铁素体晶粒在奥氏体晶界上成核，而
后者由于控制轧制，奥氏体晶粒被形变带
划分为几个部分，铁素体晶粒可在晶内和
晶界上同时成核，从而形成晶粒非常细小
的组织。
?控制轧制后空冷可使铁素体晶粒细化到5?m
左右，如再加快冷却速度还可使晶粒进一
步细化，国外已成功地对含Nb的普低钢进
行了控制轧制，使达到500MPa以上，而下
降到-100℃以下，从而获得了良好的强韧
化效果。
?控制轧制的主要工艺参数是：
?①选择合适的加热温度，以获得细小而
均匀的奥氏体晶粒；
?②选择适当的轧制道次和每道的压轧量，
通过回复再结晶获得细小的晶粒；
?③选择合适的在再结晶区和无再结晶区
停留的时间和温度，以使再结晶晶粒内
产生形变回复的多边形化亚结构；
?④在两相区选择适宜的总压下量和轧制
温度；
?⑤控制冷却速度。
?目前控制轧制在冶金厂广泛用以生产钢
板、钢带和钢棒。经常采用的规范是粗
轧-待温-终轧工艺，即在高温快速再结
晶区内轧几道，待温度降低一些再进行
终轧。待温主要是保证终轧在无再结区
和两相区进行。
（三）Nb，Ti，V在微合金化钢中的作用
?作用：
?①通过它们的碳化物、氮化物质点阻止
奥氏体晶粒在加热时长大；
?②轧制时延迟奥氏体的再结晶。（溶解
的溶质原子阻碍回复和再结晶，应变诱
生析出物钉轧回复的亚晶界并阻止再结
晶）
?Nb，Ti，V延缓轧制时奥氏体再结晶
能力的比较
?Nb在钢中的作用（Ti作用类似）
二、针状铁素体型微合金化钢
?为了满足在北方严寒条件下工作的大直径石油和
天然气输出管道用钢的需要，目前世界各国正在
发展针状铁素体型钢，并通过轧制以获得良好的
强韧化效果。典型成分是C0.06％、Mnl.6％～
2.2％、Si0.01％～0．4％，Mo0.25%～0.40％、
Nb0.04％～0.10％、约A10.05％、S0.005％。这
种钢控制轧制后可使屈服强度达到490MPa以上，
而TK在-100℃以下。而且其焊接性能相当良好，
可以用普通电弧焊焊接。
?创制针状铁素体型钢的着眼点在于：
?①通过轧制后冷却时形成非平衡的针状铁素体
(实际上是无碳贝氏体)，提供大量的位错亚结构，
为以后碳化物的弥散析出创造条件，并可保证钢
管在就位成形时有较大的加工硬化效应，以防止
因包申格效应引起的强度降低。
?②利用Nb(C、N)为强化相，使之在轧制后冷却过
程中，以及在575~650℃时效时从铁素体中弥散
析出造成弥散强化，可使强度提高70～140MPa，
但又相应使TK提高约8～19℃，为此需要采取相
应的补救措施。
?③采用控制轧制细化晶粒，将终轧温度降至
740～780℃(附近)，并使在900℃以下的形变量
达到65％以上，在每道轧制后用喷雾快冷，以防
止碳化物从奥氏体中析出而减弱时效强化效果。
?从上述考虑出发，合金化的主要特点如
下：
?①采用低含碳量(0.04%～0.08%)；
?②主要用Mn、Mo、Nb进行合金化；
?③A1脱氧,S含量很低。
?该钢的组织:
?细晶粒的多边形铁素体、30%以上的针状
铁素体、高度弥散的碳化铁质点、岛状
的马氏体-奥氏体块（通常小于5%）和细
而弥散的Nb(C、N)质点
?发展：
?超低碳贝氏体钢
三、双相钢
?传统的低合金高强度钢对汽车压力加工件来说，
没有具备足够的冷成形性，因而需要改善强度
-成形性的综合性能，以满足汽车冲压成形件
的要求。双相钢的开发，使这类问题在一定程
度上得到了解决。
?双相钢的开发目标是把显微组织从铁素体+珠
光体改变为铁素体+岛状马氏体+奥氏体，这样
使这类钢具有连续屈服的应力-应变曲线、低
的屈服强度、高的硬化速率和优良的抗拉强度
与塑性的配合。
?一般低合金高强度钢和双相钢的应力-应
变曲线
（一）双相组织的获得方法
?双相组织，即可通过亚临界温度范围内
的退火，又可通过热轧后的控制冷却来
获得。
?典型成分：0.06%C-1.3%Mn-0.9%Si-
0.4%Mo-0.6%Cr
（二）双相钢的组织特征和性能优异
的可能解释
?双相钢的组织：（80～90%）F+(10～
20%)M+A(少量)。
?低屈服强度和高应变硬化率的原因（存在三种
可能）：
?首先，在马氏体区域内存在残余应力，这些应
力来源于快速冷却时马氏体相变的体积和形状
变化。
?其次，由于这些体积和形状变化效应，使周围
铁素体经受塑性变形，导致铁素体中存在高密
度的可动位错。
?再次，伴随着马氏体的残余奥氏体，在成形操
作时，发生应变诱发马氏体相变。
?所有这些原因，均引起起始屈服发生在
较低应力水平下，同时这些过程进行时，
进一步塑性变形所需应力迅速增加。例
如，引起早期屈服的残余应力受塑性变
形而松弛，再进一步变形，它就不存在
了，因而继续塑性变形，所需应力增加。
同样，铁素体中的可动位错在较低应力
下引起起始屈服，但当屈服发生以后，
位错运动引起互相缠结，因而继续塑性
变形所需应力迅速增加。
?高强度与良好塑性产生原因：
?1、高的应变硬化速率，较大均匀变形；
?2、在亚临界温度范围内加热时，C、N等
间隙原子优先溶解于A。F中间隙原子少；
?3、双相钢常用于冷轧钢板或带材，通过
亚临界温度退火后快冷产生M，这样，将
冷轧板加热到亚临界温度范围，在铁素体
相中可产生很细的晶粒；
?4、Si在F中有强烈的固溶强化效应。许多
双相钢含Si量较一般低碳钢高,Si溶于F,
产生强化,且这种情况下的强化不降低延
性。
|
|
