热轧组织
1）工程结构钢的强化 在铁素体-珠光体钢中，合金元素对强化的贡献 有：溶入铁素体起固溶强化；细化晶粒起细晶强化； 析出弥散的碳化物、碳氮化物，起沉淀强化；增加 珠光体含量； 主要利用锰、硅、铜、磷等元素溶入铁素体来提 高强度 各元素的固溶强化效果不一样。这主要与尺寸 效应有关。磷的强化效果最大，碳的也较大，锰和 硅为常用的固溶强化元素。但强化元素都有一个度 的问题，它必须考虑对塑性、韧性、冷弯性和焊接 性的不利影响。
中国斜拉桥
1 2
1200
主跨 米
斜拉桥建设
诺曼底大桥 856 多多罗大桥 890
苏0
1 2
800
2
杨浦大桥 602 6 山东东营胜利黄河大桥 288
1
南京长江二桥 武汉白沙洲大桥3 青州闽江大桥 628 618 3 5 605 4
600
400
200
细化晶粒
由Hall-Petch关系可见，对C-Mn钢和C-Mn-Nb钢晶 粒愈细小，钢的屈服强度呈线性上升。细化的途径有 多种，其中重要的是用铝脱氧和合金化（如钛、铌等 生成细小质点；降低AC3点；推迟再结晶等），当然还 有形变等，这不属于合金化范畴。 沉淀强化 应用钒、铌、钛的微合金化，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。 总的强化：σy=σ0+∑kiri+∑kjrj+kyd-0.5
TMCP, Thermal Mechanically Controlled Processing
12
grain diameter, um
10 8 6 4 2 0 700
Conventional TMCP
DIFT rolling
750
800 850 finish rolling temperature, C
200
250
300
350
400
450
500
yield strength, MPa
细晶粒碳素结构钢
微合金管线钢材中析出的微小颗粒，起沉淀强化作用
思考题: 1 、钢中合金元素是如何影响其过冷奥氏体 转变的？ 2 、如何理解不同合金元素对过冷奥氏体稳 定性的影响？如何使钢在常温下获得奥氏体 相？
2）铁素体-珠光体组织的冷脆性 韧脆的表征：用冲击韧性以及断口形貌等； 表征的是强度与塑性的综合； 具有铁素体-珠光体组织的工程结构钢在-50℃-100℃ 间使用，因而要求有较低的韧-脆转化温度FATT50(℃)； 影响钢的冲击韧性和韧-脆转化温度的因素：有含碳量、 晶粒尺寸、固溶元素、弥散析出相和非金属夹杂物等。 ① 随着钢的含碳量增加，钢中珠光体含量相应增加，使 韧-脆转化温度升高。故工程结构钢一般为不超过 0.25%的低碳钢；
应 力
上屈服点 下屈服点 2 1 3
延伸率 1—屈服现象；2—去载后立即加载；3---去载后放臵再加载
5) 工程结构钢的耐大气腐蚀性能 工程结构钢多是在大气或海洋大气中服役，在潮 湿空气作用下，会产生电化学腐蚀; 因而, 要求它具有抗大气腐蚀的能力; 钢中加入少量铜（0.25—0.50%）、磷(0.06— 0.15%)、镍(≤0.65%)、铬(0.30—1.25%)等元素， 都会提高钢抗大气腐蚀; 耐蚀机理: 虽然耐候钢与普碳钢锈层都是同样由 γ-FeOOH、α-FeOOH、Fe3O4所组成，但耐候钢 生成的锈层与金属基体之间有50--100μ厚的非晶 态的尖晶石型氧化物层，它与基体金属粘附性好、 致密、富集Cr、Cu、P。
淬火时效的原因：它是过饱和的α固溶体脱溶沉淀 的结果，在室温或较高温度放臵时，C、N原子将向位 错和晶界偏聚，然后析出弥散的与母相共格的亚温相 ε碳化物(Fe2.4C)和α’’氮化物(Fe16N2)，产生强化， 降低塑性。 应变时效和淬火时效都增加钢的冷脆倾向，提高钢 的脆性转折温度。在制造各种构件时，经常采用弯曲， 卷边，冲孔、剪裁等局部塑性变形的工艺操作，将引 起应变时效；焊接广泛用于各种钢结构的生产，将会 引起淬火时效。（例如一种锅炉钢板在变形后十天， αk由120J/cm2变为35J/cm2) 经研究证明：应该对钢中的氮进行严格控制。
对于抗拉强度在490—590 MPa级的钢，其碳当量公式为：
C当量
w(Mn) w(Si) w( Ni) w(Cr) w(Mo) w(Cu) w( P) w(V ) w(C ) 6 24 15 5 4 13 2 10
上式中，元素符号为各元素之质量百分数， w(Cu)≥0.5%; w(P) ≥0.05%时才计算。 热影响区的最高硬度为HV=（666C当量+40）±40。 当钢的碳当量在0.47以上时，热影响区的硬度可超 过350HV，这是一个界限； 此时为了安全，防止裂纹产生，在焊接工艺上要采 取措施，如预热焊件母材，焊后退火等方法，以减少 焊接内应力； 设计工程结构钢（用焊接法联接）时，充分考虑碳 当量不能超过此值。
Weld metal
热影响区 熔化区 （HAZ)
未受热影响区
焊接前的组织
焊接热影响区组织
组织粗大； 组织类型变化； 产生应力等
① 熔化区：为了防止熔融金属在凝固过程中发生热 裂或在冷却到200℃以下时发生冷裂，要求对钢和 焊条的硫、磷含量加以限制，如0.05%。对于高磷 钢，应采取缓冷措施; ② 热影响区：
4) 应变时效和淬火时效 应变时效：工程构件用钢经冷塑性变形后, 在室温 放臵较长时间后或稍经加热后, 强度、硬度升高，塑 性、韧性下降； 应变时效的原因：低碳钢在开始塑性变形时位错 挣脱柯氏气团的钉扎而运动；当多数位错都挣脱柯 氏气团后，流变应力开始增高，产生加工硬化现象； 如果此时卸载放臵或稍加热时，存在于α-Fe间隙中 的C、N原子重新形成柯氏气团钉扎位错，使强度升 高，塑性降低。 淬火时效：低碳钢加热到接近于Ac1 温度淬火，于 室温放臵或稍经加热后，其强度提高而塑性韧性下 降的现象。
第四章 几种重要的钢种
前言
结构钢的定义 结构钢人们主要是利用它的力学性能（强度、塑性、 韧性、硬度等）； 结构钢用来制造工程结构和机械结构，它包括工程 结构钢和机械结构钢两大类； 由于这两类结构钢的工作条件对性能的要求不同， 因而对合金化要求、生产工艺和显微组织都有很大的 区别。我们分二节来讲解。
碳素工程结构钢中五种常存元素：碳、硅、锰、硫、 磷，其中W(Mn) ≤1.0%, W(Si) ≤0.5%, 它们是冶炼工艺 中为了脱氧和稳定硫的需要而加进来的；它们大部分 以热轧成品供货。
②高强度低合金钢(High Strength Low Alloy Steels, 简为 HSLA)
为提高碳素工程结构钢强度，而加入少量合金元素； 利用合金元素产生固溶强化、细晶强化和沉淀强化 （不同钢种情况不一样）。
③热影响区开裂倾向的评价
主要决定于钢的淬硬性和淬透性；
这两者主要取决于钢的含碳量以及合金元素的本性 及含量。含碳量愈高和提高淬透性的合金元素愈多， 钢的焊裂倾向也愈大，而前者的影响尤为严重。
为了估计钢的可焊性的好坏，通常采用碳当量的概念；
碳当量概念：把单个合金元素对热影响区硬化倾向的 作用折算成碳的作用，再与钢的含碳量加在一起，用这 个碳当量来判断钢的可焊性的好坏； 举例
900
高强度化 – 超细晶粒微合金钢
DIFT: Deformation Induced Ferrite Transformation
高强度化 – 超细晶粒微合金钢
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 150
total elongation, %
Q195 Q215 Q235 Q255 Q275 NG400 Rebar S NG355 Strip W NG355 Strip P
0
1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 建设中
1
2
3
4
5
6
中国金属学会
中国钢铁工业协会
高强度合金结构钢在桥梁、高 架桥、高层建筑等的应用，实
思考题
1、如何来认识工程结构用钢的强化？
2、影响工程结构用钢低温韧性的因素有哪些？
3、什么是钢的焊接性？
3）工程结构钢的焊接问题（工艺性能） 焊接是构成金属结构件的常用方法； 钢的可焊性是指在比较简单可行的焊接工艺条件 下，钢材焊接后不产生裂纹，并获得良好的焊缝 区的性能； 焊缝区可分为：熔化区（焊缝）、热影响区和未 受热影响区。 ｛ 焊 缝 区 ｝
第一节 工程结构钢
1、工程结构钢的定义
1）工程结构钢是指专门用来制造各种工程结构钢的一 大类钢种； 2）应用：如制造桥梁、船体、油井或矿井架、钢轨、 高压容器、管道和建筑结构等；
3）包括碳素工程结构钢和高强度低合金钢，前者属于 非合金钢，后者属于低合金钢。
4）产量：它在我国钢产量中的份额很大：1995年我国 钢产量中，高强度低合金钢占20%左右，碳素工程结构 钢占70%，故工程结构钢占总钢产量的95%。
现设计的轻量化。
高强度低合金结构钢(HSLA)的应用
减轻船体重量，增加承载量
大直径油、气输送管
槽船材料：含镍钢
液化天然气槽船－耐低温钢
2、工作条件 它们主要是承受各种载荷，包括动、静载荷。 3、性能要求 使用性能（不同的工作条件，具体要求有所区别， 如轨钢要求有耐磨性，即硬度要高）有较高的屈服 强度、良好的塑性和韧性；（对于有的钢种）由于 工作环境是暴露在大气中，温度可低到零下50℃， 故要求低温韧性，并要求耐大气腐蚀。 工艺性能：经受剧烈的冷变形（冷弯、冲压、剪 切）和良好的焊接性。
在焊接时由于受熔化区的加热作用，使其温度远 远超过钢的临界点，不仅使钢的组织转变为奥氏 体，并且发生晶粒的明显长大。 在焊接结束后，此热影响区又受到周围未被加热 的基体部分的激冷，因而产生很大的热应力和