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低合金高强度钢

[拼音]:dihejin gaoqiangdugang

[外文]:high-strength low alloy steels

这是一类可焊接的低碳工程结构用钢。其含碳量通常小于0.25%,比普通碳素结构钢有较高的屈服点σs或屈服强度 σ0.2(30~80kgf/mm2)和屈强比σs/σb(0.65~0.95),较好的冷热加工成型性,良好的焊接性,较低的冷脆倾向、缺口和时效敏感性,以及有较好的抗大气、海水等腐蚀能力。其合金元素含量较低,一般在2.5%以下,在热轧状态或经简单的热处理(非调质状态)后使用;因此这类钢能大量生产、广泛使用。各发达工业国家的低合金高强度钢产量约占钢产量的10%(见合金钢)。

19世纪末,在低合金高强度钢发展的初期,钢种的合金设计只考虑抗拉强度。钢中加入较高含量的Si、Mn、Ni、Cr等某一合金元素以改善某一方面的使用性能,但获得高强度的主要手段仍然依赖于较高的含碳量。随着钢结构由铆接向焊接发展,为了提高钢的抗脆断性能,逐步向降低钢中含碳量和复合合金化的方向变化。20世纪50年代,为节约合金元素,曾采用热处理的方法以获得强度和韧性的良好匹配。60年代,开始了称之为微合金化和控制轧制生产的新阶段,出现了一些新的钢种。至70年代,发展成熟的微珠光体钢和无珠光体钢、针状铁素体钢、超低碳贝氏体钢、热轧双相钢以及低碳马氏体钢在油气输送管线、深井油管、汽车钢板等领域中得到推广应用;预计在80年代,这些钢种在工程结构材料中将占有重要的地位。我国于1957年开始研制低合金高强度钢,结合我国的资源发展了Mn、Mn-V、Mn-Ti、Mn-Nb和Mn-Mo等一系列的钢种,屈服强度为30~70kgf/mm2。

合金元素的作用

目前,新型的低合金高强度钢以低碳(≤0.1%)和低硫(≤0.015%)为主要特征。常用的合金元素按其在钢的强化机制中的作用可分为:固溶强化元素(Mn、Si、Al、Cr、Ni、Mo、Cu等);细化晶粒元素(Al、Nb、V、Ti、N等);沉淀硬化元素(Nb、V、Ti等)以及相变强化元素(Mn、Si、Mo等)(见金属的强化)。

C

在钢中形成珠光体或弥散析出的合金碳化物,使钢得到强化。在微合金钢中为形成一定量的碳-氮化物,碳的含量只需要0.01~0.02%;所以降碳是这类钢发展的必然趋势,从而可大大改善钢的韧性和焊接性能。

Mn

高的Mn/C比对提高钢的屈服强度和冲击韧性有好处。锰能降低γ→α 转变温度;有利于针状铁素体的形核;在加热过程中可增大碳-氮化物形成元素在γ-Fe中的溶解度,从而增加了铁素体中碳化物的弥散析出量。此外,由于高锰导致钢的应力/应变特性的变化,可以抵销鲍欣格效应的强度损失。

Si

多数低合金高强度钢不用硅合金化,但在热轧铁素体-马氏体多相钢中,硅是不可缺少的添加元素。

Mo

含钼钢(~0.15%Mo)有较高的强度,比传统的铁素体-珠光体钢又有较高的韧性。钼对钢在冷却过程中珠光体转变有抑制作用。在针状铁素体钢和超低碳贝氏体钢中的含钼量一般在0.2~0.4%。

Nb、V、Ti

在低碳的锰钢或低碳的锰-钼钢中添加0.05~0.15% Nb(或V、Ti),有明显的晶粒细化和沉淀硬化作用。钛在钢中形成硫化物,改善冲击吸收功的各向异性和冷成型性。

稀土元素(RE)

微量(0.001%左右)稀土金属,不影响钢的强度。其主要作用是脱硫,它又是有效的硫化物形态控制元素,减小韧性的各向异性,防止钢的层状撕裂。

其他元素Ni、Cr、Cu等,在微合金钢中固溶硬化并不十分有效,在非调质钢中一般控制在较低的含量范围。

分类

低合金高强度钢按其主要性能和用途,可分为高强度用钢、低温用钢和耐蚀用钢三类:

高强度用钢

这类钢除高强度外还兼有优良的低温韧性,其主要特点和用途见表。这类钢的产量在我国占低合金高强度钢产量的80%以上,其中屈服强度35~40kgf/mm2级的钢种占大多数,应用最为广泛的是16Mn钢。

低温用钢

它们属于铁素体型低温用钢。通过提高钢的纯净度和降低钢中磷、硫含量得到较低的韧性-脆性转变温度。这类钢主要有09Mn2V(-70℃)、06MnNb(-90℃)、3.5%Ni(-100℃)和06AlNbCuN(-120℃),用于制作低温设备的零部件。

耐蚀用钢

这类钢对大气、海水、硫化氢等环境有一定程度的抗蚀能力,如10MnPNbRE钢耐海洋大气和海水腐蚀,用于船舶、板桩、井架;12MoAlV钢适于制造炼油厂高温硫化氢设备;10MoWVNb钢在用于400℃氢、氮、氨高压管方面效果较好。

生产工艺

低合金高强度钢可在平炉、转炉或电炉冶炼。我国在1979年以后已用氧气顶吹转炉-钢包吹氩-连铸板坯-热连轧,或电炉-钢包喷粉-厚板轧机的工艺流程生产 Nb、V、Ti低合金高强度钢。钢材一般在热轧后使用,为得到均匀的组织和稳定的性能,通常采用高温回火、正火、调质等传统的金属热处理方法。屈服强度大于60kgf/mm2的非调质厚板也可采用轧后控制冷却的方法来生产。

参考书目 J.M.Gray, Processing and Properties of Low Carbon Steels,AIME,New York,1973.F.B.Pickering, Low Carbon Structural Steels for the Eighties,The Institution of Metallurgists, London,1977.F.B.Pickering, Physical Metallurgy and theDesign of Steels,Applied Science Publishers Ltd.,London,1978.

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