低合金钢品种.docx
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低合金钢品种
微合金化钢知识讲座二低合金钢主要品种
编辑条目
第二部分低合金钢主要品种
2.1焊接高强度钢
焊接高强度钢，又叫做可焊接低合金高强度结构钢，是低合金高强度钢钢类的主体。
它有三个基本属性：
第一，较低的碳含量，有良好的焊接性。
第二，屈服强度高于普通碳素钢，作为结构用材时，钢的屈服强度参与结构的强度设计。
第三。
以高强度为基础，根据用途的不同要求，具有不同的特性，如抗时效、抗冲击、抗韧性撕裂，抗缺口敏感、耐火性等等。
我国的焊接高强度钢的主要钢种牌号已纳入GB／T1591—94中，由此派生的低合金专用钢分类及标准：
锅炉用钢BG713—86，YBG741—87
压力容器用钢GB5681—85，GB6653—86，GB6654—86
GB6655—86，GB6479—86，GB3513
造船用钢GB712—88
汽车用钢GB3273—82
桥梁用钢YB（T）60—81
自行车用钢GB3647—83，GB3696—83
保证厚度方向性能钢GB5313
管材用钢GB479—86，GB8162—87
GB8163—87，YB231—70
核能用钢
舰船用钢
兵器用钢等。
焊接高强度钢的合金设计，放在第一位考虑的是钢的强度，强化机制包括固溶强化、析出强化、细晶强化、位错及亚结构强化、以及相变的组织强化。
此5种强化机制的组合，可以生产出屈服强度由295MPa～880Mpa不同级别的焊接高强度钢，以及不同强度和韧性匹配的强韧钢等级。
焊接性是焊接高强度钢的基本属性，要求在一定的焊接条件下，容易得到优良的焊缝及热影响区，具有与母材相当的力学性能和加工工艺性能。
钢的化学成分对焊接性的影响从表2可见。
提高焊接性能的有效措施是降低碳含量、降低P、S含量，选用适宜的合金元素。
评价焊接高强度钢的焊接性的基本方法，通常采用焊接碳当量Ceq，
和焊接裂纹敏感性指数Pcm，
计算。
焊接高强度钢的生产
①普通质量级（A、B级）和优质级（C级）采用传统工艺流程，由氧气转炉冶炼、连铸坯、常规轧制生产。
表2钢的化学成分对焊接性能影响
接头区域
影响种类
元素名称
C
Si
Mn
P
S
Cu
Ni
Cr
Mo
Nb
V
Al
Ti
B
O
N
RE
Ca
Sn
Sb
H
热
影
响
区
硬度↓
●
×
●
×
?
×
×
●
●
×
×
（1）
（2）
√
×
√
冷袭纹↓
●
●
×
●
×
●
×
×
×
（1）
（2）
×
√
√
√
●
层状撒裂↓
×
●
（3）
●
●
○
○
热裂纹↓
×
√
●
●
×
×
●
●
×
●
√
√
冲击韧性↑
×
×
√
√
√
×
（4）
（5）
（6）
（2）
（7）
√
○
√
√
●
√
×
再热裂纹↓
×
×
×
COD↑
×
×
×
√
√
（4）
（5）
（6）
（2）
（7）
√
√
√
√
√
×
回火脆性↓
×
×
×
●
●
●
CSC↓
●
×
●
×
×
×
●
●
×
×
（1）
×
焊
缝
热裂纹↓
×
●
●
×
气孔↓
●
×
×
韧性↑
×
○
●
母
材
强度↑
○
√
○
○
○
○
○
○
○
√
（1）
○
韧性↑
×
×
√
√
（4）
（5）
√
√
×
●
钢的稳定性
●
×
注：
（1）游离B，
（2）氧化物，（3）Al2O3，（4）AlN，（5）TiN，（6）BN，（7）氧化物
O：
很有利，√：
有利，●：
很有害，×：
有害。
②屈服强度在490Mpa以下的特殊质量级（D级和E级）采用优化流程生产，铁水预处理—氧气转炉冶炼—炉外精炼—连铸—控制轧制+控制冷却。
③屈服强度在490Mpa以上，特殊质量级（D级和E级）冶炼工艺保证高洁净度，轧后选用某种热处理制度。
部分国内外焊接高强度钢牌号对照见表3
表3焊接高强度钢国内外牌号对照
国家
标准号
屈服强度（Mpa）
295（290）
345（355）
390
420
460
中国
GB/T1591—94
Q295A
Q345D
Q390D
Q420D
Q460D
俄国
ΓOCT19281
295
345
390
美国
ASTM
A529MGr,42
572MGr,42
633MGr,A
A656M
A678M
GrB
A656M
日本
JISG3135
SPEC490
SPEC590
J15Cr3124
SEV295
SEV345
JISG3114
SMA570W、P
JISG3106
SM570
法国
NFA35—501
A50
EN10025
Fe510C
X/FA36—207
A550—1
NFA36—204
E420T—Ⅱ
NFA36—204
E460T—Ⅱ
英国
BS
EN10025
Fe510C
Bs4360
50F
德国
DIN17243
17155
15Mo3
PH295
EN10025
Fe510C
2.2合金冲压钢
在低合金高强度钢中有一类具有良好的冲压成形性能的钢，见表4，叫做低合金冲压钢，常以热轧状态用于家电轻工行业，以冷轧（及表面涂镀）状态用于汽车工业。
这类钢多数为薄钢板，除了有一定的强度和焊接性以外，突出的是具备一定的成形性能。
所谓成形性是指薄板经冲压不起皱、不破裂、不回弹的能力。
在实际生产中以冲成率或冲废率来衡量，而在理论上则以美国人G·Lumer教授提出的成形极限图来评价，主要的考核性能指数有：
①塑性应变比值：
将金属薄板试样拉伸到产生均匀塑性形变时，在试样标距之内宽度与厚度方向的真实应变之比：
式中b0、b1、t0、t1分别为变形前后试板的宽度和厚度。
钢板平面的各向异性用计算。
式中0、90、45分别表示不同方向的值。
大小反映冲压时“凸耳”的大小，希望越小越好。
②应变硬化指数n值：
反映材料形变强化能力，在实际成形过程中，表示板材变形后加工硬化的程度，n值越大，成形操作很难继续进行，变形从难变形区域转移到未变形或变形小的区域中去。
n值大小取决于钢质的洁净度和组织的粗细状况。
对冲压钢经常衡量的参数还有：
钢的屈强比（屈服强度／抗拉强度），应变速率的敏感系数m值，综合成形参数F值等。
热轧冲压钢板
典型的用途是汽车大梁和滚型车轮，还用于汽车的前后保险杠、发动机悬置梁和传动轴管。
有一般冲压型的铁素体一珠光体组织的钢板和优良加工性的铁素体—马氏体组织的双相强化型钢板。
在强化机制方面，前者最大程度利用铁素体中Nb的析出强化作用，后者可以采用普通的热轧工艺生产（Mn-Si-Cr-Mo钢），也可以采用控制轧制和低温卷取的方式生产（Si-Mn-Cr钢）。
国内常用的汽车大梁钢见表4。
表4国内常用的汽车大梁用钢
类别
国家
代表性钢种牌号
F+P钢
中国
16MnL、16MnREL、09MnREL、09SiXL
10Ti（鞍）、T52L（武）、B510L（宝）
日本
NSH52H、NSH52T、RHA50F
GA—NKHA—52
德国
QSTE380
双相钢
中国
SX65（鞍）、RS50（武）、DPI（本）
日本
HHLY—60、SAFH—550、SHXD—60
美国
ARDP
法国
Usilisht80
滚型车轮钢包括轮辋用钢和轮辐用钢，耐疲劳是这类钢的重要性能要求，此外，还有钢板的尺寸精度和表面质量，是目前国内外同类产品差距的主要方面。
国内的宝钢、鞍钢和武钢开发了一些车轮用钢如BLF—1，BLF—2，RCL—330，RCL—370和CL330等，国外开发的车轮用钢用铁素体一贝氏体，析出强化和三相钢3种类型。
冷轧冲压薄板
要求具有良好的深冲性能、抗凹陷性、高弹性模量和抗疲劳性能，要求钢的强度一延性的良好匹配，但正如大家知道的那样，随着钢的强度级别提高，钢板的回弹性增加，冲压性能会有所降低。
因此，合金设计，晶粒细化强化是主要可采取的方案。
相变强化也是值得采取的。
冷轧冲压用钢有3种基本类型：
①铝镇静钢
②含P高强度钢
③高强度无间隙原子（IF）钢，具有超深冲特性与添加P、Mn、Si等元素的固溶强化机制的结合。
这3个类型代表了第二代和第三代冲压用钢的2个塑性应变比的级别=1.4-1.8，1.8-2.8。
尤其是IF钢的生产，原理上利用了Nb—Ti复合微合金化，形成碳氮化物固定了钢中的残留的C和N，应用上具有极好的深冲性。
国内代表性的冷轧高强度冲压钢见表5。
表5国内代表性的冷轧高强度冲压钢
类型
企业
牌号
F+P钢
鞍钢
06Alp、08Alp、10Alp、
武钢
WP340、WP370、WP390
宝钢
BPD—35
宝钢
BFJ—18
2.3低合金耐腐蚀钢
钢铁材料在自然界或在工作条件下，无时无刻不同程度地受着周围环境中的某些物质的侵害，这种侵害可能是化学的，电化学的，也可能的物理作用引起的。
但主要是电化学腐蚀的形式。
什么是电化学腐蚀？
从宏观上看，由两种不同电位的材料，构成腐蚀的阳极和阴极对时，在周围电解质的作用下，电位高的阳极成为牺牲者，而电位相对较低的阴极得到了保护。
从微观上看，两种不同组织之间，基本相与钢中夹杂物、沉淀相之间，也构成了这样阳极～阴极的“微电池”，一方被溶解，另一方受保护，甚至材料表面上存在的划痕等各种缺陷所构成的不均匀，也会造成腐蚀。
这是最简单的材料腐蚀的道理。
工业上常用金属材料的耐腐蚀性分为6类共10级，低合金高强度钢属于耐腐蚀性评价标准的耐蚀性分类的V类的8—10级。
而我们称之为低合金耐腐蚀钢的低合金钢，耐腐蚀性优于普通碳素钢，划为耐蚀性分类的Ⅲ—Ⅳ类4—7级，包括耐大气腐蚀钢和耐海水腐蚀钢。
①低合金耐大气钢蚀钢
大气的主要成分为氮、氧、氩、水汽和二氧化碳，还含有二氧化硫、硫化氢、二氧化氮、氨及盐雾，对材料腐蚀影响最大的是氧和水汽，空气中的盐雾加速材料的腐蚀。
在干燥的大气中，属于常温化学腐蚀，氧化速度较低；在潮湿的大气里，属电化学腐蚀，大气中的湿度越大、材料表面吸附的水膜越厚，腐蚀速度加快。
耐大气腐蚀钢的开发在20世纪初，最初发现的是铜和磷对钢的耐蚀性的显著效果，以后就出现了著名的Corten钢和世界各国的耐大气腐蚀钢，也叫做耐候钢。
我国的耐大气腐蚀钢研制从60年代开始，自1965年至1979年有19种含Cu及P、RE、Ti的低合金钢在风沙干燥、工业大气，潮湿都市，农村等10个不同的环境下进行长达15年的大气曝露试验，取得了宝贵的第一手数据，于1984年制订了我国耐大气腐蚀钢标准（GB4171—84及GB4172—84），纳入了高耐候性的3个牌号：
090CuPCrNi—A、09CuPCrNi—B、09CuP和焊接结构用耐候钢的4个牌号：
16CuCr、1MnCuCr、15MnCuCr、及15MnCuCr—QT。
各类钢的耐大气腐蚀性能的比较见表6。
表6各类低合金钢的耐大气腐蚀性
钢类
化学成分，%
相对腐蚀损失，%
C
P
Cu
Cr
Si
6个月
12个月
18个月
24个月
C钢
0.13
0.008
0.09
100
103
103
102
C-P
0.12
0.17
0.10
83
80
70.5
74.5
C-Cu-P钢
0.14
0.17
0.35
0.10
81
73.5
67
71.5
C-Cr-P钢
0.13
0.19
0.43
0.02
87.5
82.5
69
71
Cr-Cr-Cu-P-Si钢
0.17
0.12
0.37
0.95
1.00
88.5
83
59
58
Cr-Cr-Cu-P-Si钢
0.14
0.21
0.37
0.95
1.00
81
74
55.5
53.5
②低合金耐海水腐蚀钢
人类社会的发展与海洋的开发是分不开的，海洋开发用材料的主体还是钢铁材料，采用数量最大的是低合金钢。
世界上最初出现的耐海水腐蚀低合金钢在40年代的美国，称为“Mariner”。
海洋结构物的腐蚀包括海洋大气、飞溅、全浸、潮差和海底土壤等5个不同腐蚀特点的部位，除海洋大气外，统称为海水腐蚀。
我国从1965年起对16个耐海水腐蚀钢在东海、南海和北海3个海域进行为期10年的试验评估，在海水中Cr—Mo—Al钢和Cr—Mo—Al—RE钢具有良好的全浸耐蚀性。
国内生产的低合金耐海水腐蚀钢基本上是引进了国外成熟的钢种牌号，有：
美国MarinerCu—P—Ni
日本MariloyCr—Cu—Mo
法国APSCr—Al
2.4低合金耐磨损钢
两种材料表面接触、又有相对滑动时，材料表面就有损伤和耗蚀，例如铁道的车轮与钢轨，电动轮翻斗车箱与装载物，挖掘机的铲斗与岩体，水电站的高压水管与含泥沙水流，农机的犁铧与土壤等等情况，钢材经长时，反复的磨蚀，最终导致破损或失效。
这种磨损每年使全世界的钢材丧失达2000万吨以上，所以各国都十分重视低合金耐磨损钢的开发。
钢材的磨损有4种基本类型：
粘着磨损
磨料磨损
疲劳磨损
侵蚀磨损
低合金钢耐磨损钢的开发，有几个共同的技术要求：
①采用固溶强化的合金元素，得到强化的基体组织。
②形成高硬度的碳化物。
③采取多元素复合微合金化。
④从增加碳化物的数量，硬度和颗粒尺寸3个方面综合提高材料的抗磨能力。
⑤要求组织稳定，表面光洁和内部无缺陷，避免钢材“自耗”。
经济建设中使用量大面广的低合金耐磨损钢，年产量约在100万吨左右。
常用的低合金耐磨损钢有：
履带板用钢
推土机刀刃用钢
挖掘机铲齿用钢
犁铧用型材
耐磨钢轨
矿用液压支架和矿柱用钢
槽邦钢，等等。
耐磨高硬度钢是特殊的一个品种，基本成分为Cr—Ni—Mo—V，在淬火和回火状态下使用，要求硬度在HB235—500，相应的抗拉强度为785—1570MPa。
热处理制度的优化是十分重要的，以确保满足技术条件的显微组织和微观精细结构。
低合金耐磨损钢与焊接高强度钢有很大不同的一面，钢的碳含量有低、中、高之分。
钢材的品种繁多，有板、管、型、丝等产品，以型材为主。
板材生产又依硬度等级及合金化程度不同须采取不同的工艺流程，分3种类型：
板、管、型材
铁水预处理—转炉冶炼—炉外精炼—连铸—轧制—热处理。
丝、绳
热轧线材—酸洗—拉丝—制绳
铸件
废钢感应炉冶炼—造型—精整—热处理
水电站高压水管用钢是真正意义上的低合金耐磨损钢，属于低碳、可焊接钢，常用的钢种牌号为：
中国14MnMoVN、14MnMoMnB
美国ASTMA517—F、A537—A
日本SM58Q
德国N—A—XTRA70
2.5低合金耐低温钢
在0℃或－10℃以下使用的钢，称为低温钢，从学科角度，将低温钢分铁素体低温钢和奥氏体低温钢，或分为一般低温用钢和超低温用钢。
低合金耐低温钢属于铁素体低温钢。
对于低温条件下使用的低合金耐低温钢，必须满足几个基本要求：
组织稳定，不发生组织变化
良好的焊接性和加工性
工作温度要高于钢的韧—脆性转变温度
对于某些特殊的工作条件，还要求恒弹性、恒膨胀和恒磁导率等。
一般碳素钢的安全使用温度在－45℃以上，纯净度较高的铝镇静钢的韧—脆性转变温度在－55℃—－60℃，所以这类钢仅用于环境温度不低于－40℃的钢结构，在石油化工领域用于制造液化乙烷（～－10℃）和液化丙烷（－45℃）的设备。
低合金钢的韧脆转变温度在－40℃～－80℃之间，不推荐作为低温结构用材，但有一类低合金钢，自60年代后由我国自行研制的钢种，常用来作中、低压容器和储罐，已取得很好的经验。
09Mn2V钢适用于－70℃
09MmTiCuRE钢适用于－70℃
06MnNb钢适用于－90℃
06AlNbCuN钢适用于－120℃
另一类含镍低合金钢，国内外成功用于低温容器的制造，如：
2.5%Ni钢，正火状态，用于液化丙烯（－47.7℃）设备。
3.5%Ni钢，正火状态，用于液化乙烷（－88.3℃）设备。
调质状态，用于液化乙烯（－104℃）设备。
5.0%Ni钢，调质状态，用于液化乙烯（－104℃）设备。
9.0%Ni钢，调质状态，液化天然气（－162℃）和液氮（－196℃）设备。
钢铁材料，尤其是铁素体低温钢，温度降至某个临界点或某个区域，就会出现韧性的明显或突然的降低，因此这类钢不宜在这个转变区间，更不能在此温度下使用，这个温度称之为钢的韧一脆性转变温度，由夏氏V型缺口冲击试验或缺口落锤试验来判定。
无限航区船舶用钢常以零塑性转变温度（NOT）为判据，而油气输送管线钢通常以剪切面积85%的FATT作为韧一脆性转变界线，压力容器用钢使用的是以50%FATT（Trs）为判据。
2.6低合金建筑钢筋
建筑用钢是一个用途十分广泛的钢材品种的总称，包括混凝土结构用钢线材，高层钢结构用板材和型材，轻型结构用各类型材和管材，公用设施，厂房用薄板和涂镀板，门窗、管道、暖气、五金器材以及建筑用辅助材料如钢支撑，模板、护拦、钢桩等等，其消耗的钢材占钢材年消费总最的50%，所以建筑业是一个庞大的产业，建筑用钢也并非是低技术含量的低附加值的钢材品种。
我国城镇和农村的住宅建设规模及其宏大，平均年兴建住宅达10亿m2，旧房改造最也在6亿m2，混凝土结构用钢筋，盘园、钢丝和钢绞线的年需量在2400万吨，加上公路、隧道、提坝、矿山、码头、机场和钢筋消费在3000万吨以上。
混凝土结构用建筑钢材有：
热轧钢筋，冷拉钢筋、冷拔低碳钢丝、冷变形钢筋，碳素钢丝和钢绞线，从我国的国情出发，基本建设的规模很大，还是以长条材为主体，近年来的主要变化：
①目前20MnSiⅡ级钢筋占钢筋总产量的90%以上，
②钢筋质量得到普遍提高，已制订了钢筋钢的新标准的建筑设计、施工的新规范，大力推广应用400MpaⅢ级钢筋
③重点发展高强度低松弛钢绞线
④逐步淘汰冷拉钢筋和低碳冷拔钢丝两个品种，作为过渡，推荐生产冷轧带肋钢筋和冷轧扭钢筋。
⑤热处理钢筋和精轧螺纹钢筋基本上已达到国外同类产品水平。
在建筑钢筋的生产工艺技术方面：
对于非焊接钢筋，钢的碳含量控制在0.35%以下，通常添加0.02—0.05%Nb进行微合金化，采用高温加热技术，使Nb充分溶解，“可溶Nb”保证了终轧时有更多的NbC析出，这类钢的主要强化机制是沉淀硬化。
对于可焊接钢筋，在较低的碳含量下，有两类成功的经验，Nb微合金化和V—N微合金化，都可取得较好的综合性能。
许多企业的生产实践表明，微合金化钢筋无应变时效倾向。
对于高级别或大规格钢筋，经常采用的先进工艺技术：
①韧芯回火工艺（Tempcoreprocesses），
②轮缘回火工艺（Temprimar）
前者为连续淬火回火的方式，后者为多次淬火回火的方式，二者都必须控制终轧温度，是取得细晶粒和平衡温度的先决条件，为保证表面均匀的热传导系数，冷却强度必须高于50000W／m2·K；冷却要对称的平稳，避免产生偏心分布。
新一代的混凝土结构钢筋，有抗震和耐火的要求。
抗震性：
地震时钢筋受到反复拉压的强力作用并产生应变。
地震作用下，建筑层间的位移角可达到1/650~800。
所以，要求具有对地震能量的吸收潜力，往往以钢筋所受的最大应力，最大应变和时间的乘积，max·max·t来反映这个潜力，通常对钢筋提出了高应变低周疲劳性能、应变时效敏感性、冷脆转变温度，可焊接性的要求以及强度一塑性配合。
耐火性：
突发火灾对建筑具有灾难性，要求钢材的耐火性比普通钢材胜一筹。
钢材在热循环下：
屈服强度降低，
颈缩后受拉杆件的断面削弱，
框架几何变形的影响，
杆件变形的影响。
说到底，是钢的高温屈服强度的问题，一般认为200℃以上钢的弹性模量明显下降，300℃以上钢的屈服强度开始下降。
为了防止火灾给钢结构造成破坏，提高钢材自身耐火性，远比采用防火涂料和防火屏蔽要省工省料、增加有效使用面
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