合金結構鋼的分類和效能

2023-02-09 13:39:05 字數 4559 閱讀 8629

低合金結構鋼中合金元素總的質量分數一般不超過5%以提高鋼的強度並保證其具有一定的塑性和韌性。合金元素總的質量分數為5%~10%的稱為中合金鋼,大於10%的稱為高合金鋼。對於焊接生產中常用的一些合金結構鋼,綜合考慮了它們的效能和用途後,大致可以分為強度用鋼和低中合金特殊用鋼兩大類。

1.強度用鋼

這類鋼材即通常所說的高強鋼〔屈服強度≥95mpa的強度用鋼均可稱為高強鋼),主要應用於要求常規條件下能承受靜載和動載的機械零件和工程結構,要求具有良好的力學效能。合金元素的加人是為了在保證足夠的塑性和韌性的條件下獲得不同的強度等級,同時也可改善焊接效能。

合金結構鋼可以分為非調質鋼和經過淬火—回火的調質鋼。非調質鋼又可分為熱軋鋼、正火鋼和控軋鋼等。非調質鋼的常溫抗拉強度一般在600mpa以下.

調質鋼的抗拉強度在600mpa以上。根據調質、非調質鋼強度級別的差別,這兩類鋼材的焊接性、焊接工藝和接頭效能有很大的不同。

按鋼的屈服強度級別及熱處理狀態.合金結構鋼分為:熱軋及正火鋼、低碳調質鋼、中碳調質鋼。

把鋼錠加熱到1300℃左右,經熱軋成板材,然後空冷後即成為熱軋鋼;鋼板軋制和冷卻後,再加熱到900℃附近,然後在大氣中冷卻稱為正火鋼。此外,900℃附近加熱後放人淬火裝置中水淬,然後在600℃左右回火處理,稱為調質鋼(qt)。採用控制鋼板溫度和軋制工藝得到高強度高韌性鋼的方法已達到實用化階段,這種方法稱為控軋。

近年來這類鋼又開發出具有很大發展前途的新分支,如微合金化控軋鋼、焊接無裂紋鋼(簡稱cf鋼)、抗層狀撕裂鋼(z向鋼)等。這些鋼種的出現對進一步提高焊接質量和擴大焊接結構的應用具有重要的意義。

(1)熱軋及正火鋼屈服強度為295~490mpa,在熱軋或正火狀態下使用,屬於非熱處理強化鋼。包括微合金化控軋鋼、抗層狀撕裂的z向鋼等。這類鋼廣泛應用於常溫下工作的一些受力結構,如壓力容器、動力裝置、工程機械、橋梁、建築結構和管線等。

(2)低碳調質鋼屈服強度為490~980mpa,在淬火一回火的調質狀態下供貨使用,屬於熱處理強化鋼。這類鋼的特點是含碳量較低(一般碳的質量分數為0.22%以下),既有高的強度,又兼有良好的塑性和韌性,可以直接在調質狀態下進行焊接,焊後不需進行調質處理。

這類鋼在焊接結構中得到了越來越廣泛的應用,可用於大型工程機械、壓力容器及艦船製造等。

(3)中碳調質鋼屈服強度一般在880~1176mpa以上,鋼中含碳量較高(碳的質量分數為0.25~0.5%),也屬於熱處理強化鋼。

它的淬硬性比低碳調質鋼高得多,具有很高的硬度和強度,但韌性相對較低,給焊接帶來了很大的困難。這類鋼常用於強度要求很高的產品或部件,如火箭發動機殼體、一飛機起落架等。

2.低中合金特殊用鋼

低中合金特殊用鋼主要用於一些特定條件「工作的機械零件和工程結構。因此.除了要滿足通常的力學效能外,還必須能適應特殊環境下工作的要求。

根據對不同使用效能的要求,低中合金特殊用鋼分為:珠光體耐熱鋼、低溫鋼和低合金耐蝕鉚等。

(1)珠光體耐熱鋼以cr、mo為基礎的低中合金鋼,隨著工作溫度的提高,還可加人v、w、nb、b等合金元素,具有較好的高溫強度和高溫抗氧化性,主要用於工作溫度在500~600℃的高溫裝置,如熱動力裝置和化工裝置等。

(2)低溫鋼大部分是一些含ni或無ni的低合金鋼,一般在正火或調質狀態使用,主要用於各種低溫裝置(-40~-196℃)和在嚴寒地區的一些工程結構,如液化石油氣、天然氣的儲存容器等。與普通低合金鋼相比,低溫鋼必須保證在相應的低溫下具有足夠高的低溫韌性,對強度無特殊要求。

(3)低合金耐蝕鋼除具有一般的力學效能外,必須具有耐腐蝕性能這一特殊要求。主要用於在大氣、海水、石油化工等腐蝕介質中工作的各種機械裝置和焊接結構。由於所處的介質不同,耐蝕鋼的型別和成分也不同。

耐蝕鋼中應用最廣泛的是耐大氣和耐海水腐蝕用鋼。

合金結構鋼的基本效能

1.化學成分

低合金結構鋼是在低碳鋼基礎上新增一定量的合金元素構成的。碳是最能提高鋼材強度的元素,但易於引起焊接淬硬及焊接裂紋,所以在保證強度的條件下,碳的加人量越少越好。低合金鋼加人的元素有mn、si、 cr、 ni、mo、v、 nb、 b、 cu等,雜質元素p, s的含量要限制在較低的程度。

用於焊接結構的低中合金鋼合金元素總的質量分數一般不超過10%。si 、cr、 co和ti等元素能提高下臨界點al的溫度,而mn、 ni和v則降低al點溫度。合金元素對組織轉變的影響:

ni組元素(ni、mn、co),cr組元素(cr,、si 、p、al、ti、v、mo、w)。在α-fe中具有較大溶解度的元素促使γ區縮小,而在γ-fe中具有較大溶解度的元素則擴大下區。各種合金元素對鋼材質量的影響程度不僅取決於它的含量,還取決於同時存在的其他合金元素的性質和含量。

加人合金元素能細化晶粒,而且各種合金元素在不同程度上改變了鋼的奧氏體轉變動力學,直接影響俐的淬硬傾向。如c, mn, cr, mn, v,和si等元素能提高鋼的淬硬傾向,而ti 、nb、ta等碳化物形成元素則降低鋼的淬硬傾向。

合金結構鋼中,氮作為一種合金元素被廣泛採用。氮在鋼中的作用與碳相似,當它溶解在鐵中時,將擴大了γ區。氮能與鋼中的其他合金元素形成穩定的氮化物,這些氮化物往往以瀰散的微粒分布,從而細化晶粒,提高鋼的屈服點和抗脆斷能力。

氮的影響既決定於其含量,也決定於在鋼中存在的其他合金元素的種類和數量。al 、ti和v等合金元素對氮具有較高的親和力,並能形成較穩定的氮化物。因此,為了充分發揮氮作為合金元素的作用,鋼中必須同時加人al、v和ti等氮化物形成元素。

這些合金元素或者與fe形成固溶體,或者形成碳化物(除ti、nb和ta外),都產生了延遲奧氏體分解的作用並由此提高了鋼的淬硬傾向。各種元素對鋼的力學效能和工藝效能的影響,取決於它的含量和同時存在的其他合金元素。

熱軋及正火條件下,合金元素對塑性和韌性的影響與其強化作用相反,即強化效果越大,塑性和韌性的降低越多,當鋼中合金元素的含量超出一定範圍後會出現韌性的大幅度下降。因此,抗拉強度大於600mpa的高強鋼一般都需進行調質處理。我國低碳調質鋼的抗拉強度一般為600~1300mpa,為了保證良好的綜合性能和焊接性,要求鋼中碳的質量分數不大於0.

22%(實際上碳的質量分數都在0.18%以下)。

此外,新增一些合金元素,如mn、cr、ni、mo等,主要是為了提高鋼的淬透性和馬氏體的回火穩定性。這些元素可以推遲珠光體和貝氏體的轉變,使產生馬氏體轉變的臨界冷卻速率降低。低合金調質高強鋼由於含碳最低,所以淬火後得到低碳馬氏體,而且發生「自回火」現象,脆性小,具有良好的焊接性。

低碳調質鋼的綜合性能除了取決於化學成分外,主要是通過熱處理保證具有良好的組織和力學效能。

2.力學效能

合金結構鋼的強度越高,屈服強度與抗拉強度之差也越小。屈服強度與抗拉強度之比稱為屈強比。鋼材的強度越高,屈強比增大。

低碳鋼的屈強比約為0.7左右,控軋鋼板的屈強比約為0 . 70~0.

85mpa級高強鋼的屈強比約為0.95。

低合金高強鋼的低溫拉伸效能如圖3-2a所示。溫度下降時,鋼材的抗拉強度公升高,但韌性下降。一般-100℃以上時鋼材強度變化較小,溫度再低時,抗拉強度和屈服強度急劇公升高,韌性急劇下降,當在液氮溫度(-196℃)附近時,延伸率很小。

低合金高強鋼的使用溫度多在-50℃以上,在此溫度範圍內高強鋼的強度效能變化不大。

缺口韌性是用於表示材料抵抗脆性破壞的一項指標。脆性破壞是在低應力條件下(屈服強度以下)發生的,多為瞬時破壞,是低合金鋼焊接結構安全方面最值得注意的破壞現象。世界各國多採用卻貝衝擊吸收功作為缺口韌性的評價方法,採用10mmx l0mmx 50mm的長方形試樣,在試樣**開深度2mm的v形缺口,尖端半徑為0.

25mm。逐漸改變試驗溫度做衝擊試驗,用試樣破斷時所需的能量(稱為吸收能)及斷口形貌(塑性斷口和脆性斷口)來評價鋼材的缺口韌性。

吸收能可以反映出某一溫度範圍韌性急劇變化的轉變現象。當吸收能變小時,由塑性斷口轉變為脆性斷口。脆性斷口率為零時的吸收能稱為「上平台能」,上平台能一半時的溫度稱為韌脆轉變溫度(用vtrs表示)。

鋼材的韌脆轉變溫度越低,韌性越好。根據大量的脆性破壞事故案例調查的結果。許多國家建議採用衝擊吸收功21j或48j時的溫度作為v形缺口卻貝韌性試驗的特性值。

合金結構鋼具有較高的強度和良好的塑性和韌性,採用不同的合金成分和熱處理工藝,可以獲得具有不同綜合性能的低中合金結構鋼。mn的固溶強化作用很顯著含量f ≤1.7%時可提高韌性、降低脆性轉變溫度,屈服強度提高約50%,而脆性轉變溫度下降約20℃;si雖然固溶強化顯著,但會降低塑性、韌性,一般≤0.

6%;ni是惟一既固溶強化又同時提高韌性且大幅度降低脆性轉變溫度的元素,常用於低溫鋼。

v、ti、nb強烈形成碳化物,al、v、ti、vb還形成氮化物,析出的微小vc、 tic、nbc及aln、vn、tin 、nb(c、n)產生明顯的沉澱強化作用,在固溶強化的基礎上屈服強度提高50~100mpa,並保持了韌性。上述元素均是微量加人,故稱為微合金化。微合金化元素還有b,主要作用是在晶界上阻止先共析鐵素體生成及長大,從而改善韌性。

合金結構鋼的強度級別不同,加人的合金元素及其含量也不同,成分設計既要滿足使用效能要求又要考慮其經濟性。抗拉強度為600mpa級的鋼主要為mn-si系和在mn-si基礎上加少量的cr、ni、mo、v;700mpa級的鋼主要為mn-si-cr-ni-mo系,合金元素加人量較600mpa級的鋼多些,另外還加入少量的v; 800mpa級的鋼主要為mn-si-cr-ni-mo-cu-v系,並加入一定量的b;1000mpa級的鋼合金系列與800mpa級的鋼基本相同,但合金元素加人量較高,尤其是為了保證韌性加人較多的ni。

3.顯徽組織

當冷卻速度達到一定值以後,會引起奧氏體向馬氏體的轉變,這樣的處理稱為直接淬火。直接淬火技術適用於抗拉強度600mpa以上的高強鋼,基體組織為馬氏體。

合金結構鋼

1 牌號和化學成分見表3 15。表3 15合金結構鋼的牌號和化學成分 注 1 本標準中規定帶 a 字標誌的牌號僅能作為高階優質鋼訂貨,其他牌號按優質鋼訂貨。2 根據需方要求,可對錶中各牌號按高階優質鋼 指不帶 a 或特級優質鋼 全部牌號 訂貨,只需在所訂牌號後加 a 或 b 字標誌 對有 a 字牌號...

合金結構鋼

材料名稱 合金結構鋼 牌號 15cr 標準 gb t 3077 1988 特性及適用範圍 是常用的低碳合金滲碳鋼,冷變形塑性高,焊接性良好,在退火狀態下可切削性好。用作工作速度較高而斷面不大的 心部韌性高的滲碳零件,如襯套 曲柄銷 活塞銷 活塞環 聯軸節,以及工作速度較高的齒輪 凸輪 軸和軸承圈等,...

6 3低合金結構鋼

使用說明 1 依據學習目標,全體同學積極主動的根據教材內容認真預習並完成導學案,小組長做好監督與檢查,確保每位同學都能認真及時的預習相關知識。2 結合導學案中的問題提示,認真研讀教材,回答相關問題。3 要求每位同學認真預習 研讀課本,找出不明白的問題,用紅筆做好標記。學習目標 1 知識與技能 掌握低...