材料成型与控制技术专业毕业设计Word文档下载推荐.docx

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（一）锅炉用钢的使用条件、加工特点及对钢性能的要求9

1.基本的性能9

2.工艺性能9

3.高压锅炉钢的选用9

4.高温强度和高温塑性9

5.抗腐蚀性能10

（二）压力容用钢的使用条件、加工特点及对钢性能的要求10

1.基本性能要求10

2.塑性的作用10

3.韧性10

4.工艺性10

5.可焊性11

6.高温容器的材料选用11

三、微合金钢、低碳马氏体钢11

（一）微合金钢12

1.微合金钢12

2.强化机制12

3.微合金钢的应用实例.........................................................13

（二）低碳马氏体钢15

1.低碳马氏体钢结构钢15

2.低碳马氏体的力学性能15

3.低碳马氏体钢的强化原理15

4.低碳马氏体钢的工艺特点15

5.低碳马氏体钢的应用实例....................................................16

参考文献.....................................................................20

致谢.........................................................................21

工程结构用钢概述及应用综述

1、船舶、桥梁结构钢

（一）船舶桥梁结构钢的使用条件、加工特点及对钢性能的要求

1.良好的综合机械性能：

船舶、桥梁结构在使用中经受着较大而复杂的外力的作用，其使用环境也是较为严酷的。

例如船舶在航行时承受着较大的装运客货重量所致的静载荷，以及由于海浪冲击和波浪、潮流及风力反复作用所致的交变疲劳载荷，特别遇大风大浪时受力状态更复杂；

有的还要在北方低温海域行驶，经受低温作用及冰流的冲击，在历史上曾发生过多次因钢的低温脆性所引起的船身突然断裂而沉没的事故。

铁路桥梁结构承受较大的静载荷及频繁的由于车辆通过所产生的震动和动载荷，并长期暴露在露天、经受风雨及气候的变化的作用；

有的处于北方寒带，长期受风雪低温的作用。

这些结构用的钢材都是经过热轧的，下料后再加焊接。

船舶内部构架由于船体形状极为复杂而具有各种形式，因此钢材须经受剪切、冷弯、冷压再焊接、装配等加工工序。

这种经过冷加工及焊接的构件在长期使用过程中还易由于时效作用而产生的时效脆性以致断裂。

为了能够忍受这些复杂的应力状态和使用条件，所以钢材必须具有良好的综合机械能，即在具有较高的屈服点和抗拉强度的同时，还应有良好的塑性及冷弯、冷压性能和冲击韧性以及抵抗交变应力的疲劳强度，低的时效脆性与0~-40℃间的低温脆性。

2.良好的焊接性：

由于近代焊接技术的发展，钢结构目前趋向于采用焊接结构以代替以前用的铆接结构，以加快施工速度和节约钢材。

船舶及桥梁构件一般在焊接后不易整体热处理，因此更要求钢材具有良好的焊接性，即焊接的联接部分应强而韧，其强度与韧性应不低于或略低于焊件本身，热影响区的组织变化要小，在焊后冷却时焊缝及热影响区中应不生成马氏体或其他亚稳组织，以保证其不硬化脆裂，内应力也不致于过大。

3.良好的抗蚀性：

桥梁长期暴露在空气中，所用的钢材须具有良好的抗大气腐蚀性。

船舶用钢受到海水的化学腐蚀、电化学腐蚀及海生物、微生物的腐蚀，因此须具有良好的抗海水腐蚀性。

海水因含有约3.5~4%的钠、钙、镁的氯化物等盐类而具有良好的导电性、并溶有大量的氧，这是使钢发生电化学腐蚀与化学腐蚀的主要外因。

氯化盐极易破坏钢表面的氧化保护膜，使膜程多孔性；

氯离子体积小，易于穿过膜孔而引起钢的点腐蚀。

船舶外壳的水线部位、主甲板边板、船尾部分由于受海水干湿交替作用于含氧多的海水薄膜接触，最易被腐蚀。

船舶外壳因所用钢材的不均匀或因有海生物粘附以致各局部地区的浓度差别而电极电位不同，就会形成氧的农差电池而产生局部腐蚀。

（二）船舶、桥梁用钢化学成分的特点及常用牌号

1.桥梁、船体用结构钢

（1）桥梁结构钢的牌号和化学成分（见表4—42）

表4—42桥梁结构钢的牌号和化学成分

牌号

质量等级

化学成分，%

C

Si

Mn

P

S

Als

≤

≥

Q235q

0.20

0.30

0.40~0.70

0.035

-

D

0.18

0.50~0.80

0.025

0.015

Q345q

0.60

1.00~1.60

1.10~1.60

E

0.17

0.50

1.20~1.60

0.020

Q370q

Q420q

1.30~1.70

注：

①表中的酸溶铝（Als）可以用测定总含铝量代替，此时铝含量应不小于0.020%。

②为改善钢材性能，可以加入钒、铌、钛、氮等微量元素，其含量应符合下表的规定，并应在质量证明书中注明。

V

Nb

Ti

N

≤0.08%

≤0.045%

≤0.02%

≤0.018%

③残余元素铬、镍、铜含量应各不大于0.020%

（2）船体结构钢的化学成分

一般强度船体结构钢的化学成成分（见表4—44）

表4-44一般强度船体用结构钢的化学成分

钢的等级

Mn

A

≤0.21

≤0.50

≥2.5C

≤0.035

B

≤0.35

0.80～1.20

0.60～1.20

≥0.015

≤0.18

0.70～1.20

②高强度船体用结构钢的化学成分（见表4—45）

表4—45高强度船体用结构钢的化学成分

Cu

Cr

Ni

Mo

0.90～1.60

0.02～0.05

0.05～0.10

≤0.02

≤0.20

≤0.40

≤0.08

_

F

≤0.16

0.90

～1.60

≤0.025

≤0.8

≤0.09（如含Al时，≤0.012）

2.化学成分对钢性能的影响

（1）碳及合金元素对钢力学性能的影响

碳是钢中的有效强化元素。

碳量增加时，钢组织中的珠光体或碳化物量也增加，从而提高了钢的强度。

当加入强碳化物形成元素钛、钒、铌、钼、铬等时，碳的强化作用更大。

但碳量增加时，钢的塑性及韧性降低，冲压加工性及焊接性变坏，并增加了冷脆及时效脆化的敏感性。

因此含碳量不能过高，一般不小于0.2%，最高不超过0.25%。

在铁素体—珠光体钢中合金元素主要是通过对铁素体的固溶强化、增加珠光体的量、细化晶粒及形成第二相沉淀强化的作用而强化钢的。

磷、氮、硅、铜、锰、铝、镍、钴是固溶强化作用的主要元素，其中硅、锰有较好的强化效果。

起细化晶粒作用的主要元素是铝，因为它能与钢中的氧和氮结合成Al

O

以及AlN微粒，阻止晶粒的长大。

在低合金钢中加入约0.08%的铝能细化晶粒，如加入0.1%以上则将引起粗化晶粒的倾向，而在0.5%以上时将使晶粒显著变粗。

其他少量的铌、钒、钛、钼、钨等元素也能形成稳定的碳化物、氧化物微粒而引起细化晶粒的作用；

锰、磷则作用相反，使晶粒粗化。

在含碳量受限制的情况下，为了提高钢的强度，就依赖于合金化。

从淬透性、强度及焊接性上来考虑，采用少量的多种合金元素比用多量单一合金元素来的好，因为这样可以充分发挥各元素的有利作用而抑制其不良影响。

合理选用多种元素合金化，可达到使钢综合力学性能良好的目的。

起产生第二相沉淀强化作用的元素是铌、钒、钛、钼、钨、铜等。

铜在室温α-相中的固溶度为0.2%，在升温时最大固溶度约为1.4%。

当铜量>

0.5%时，在钢热轧后空冷时，即使钢截面较大也可得到为铜所饱和的α-相，经过450~500℃回火而析出富铜相，引起沉淀强化。

氮能增加钢的时效敏感性，并降低冲击值，长期以来曾当做钢中的有害杂质，但在加入钒、铝、钛、铌的钢中可形成弥散的VN、AIN、TiN、NbN微粒，产生细化晶粒与沉淀强化的作用，因此现已将氮作为一种合金元素，一般含量<

0.015%。

提高钢的淬透性的合金元素使钢在热轧或正火冷却时减少先共析铁素体的数量，增加了珠光体的数量，并降低奥氏体分解为珠光体的温度而获得细片状珠光体，从而强化了钢。

降低铁碳合金中的共析碳量的元素锰、铬、钼、钨、硅等，增加了低碳钢中珠光体的数量，因而间接强化了钢。

稀土元素能去除钢液中的氧、氢，并与硫成高熔点的稀土硫化物而去硫，因减少氧、氢、硫在钢的有害响。

它又能使钢液中的夹杂物上浮而除去，减少钢中的偏析，并显著改善钢的塑性与韧性，特别是低温韧性。

对强度则无显著影响，一般加入量为0.05%~2.0%。

（2）碳及合金元素对钢焊接性的影响

要使钢具用良好的焊接性，应保证钢在焊接后的冷却过程中，焊缝及热影响区不致由于产生马氏体而硬开裂。

钢的含碳量增加时，其临界冷却速度降低，因此易使焊接区产生马氏体及其他亚稳定组织，且因马氏体比容比较大、产生的内应力较大，从而易使焊接区开裂。

为此在一般普低钢中，含碳量均限制在0.2%以下。

合金元素通过对钢的临界冷却速度及Ms点位置的影响而对焊接性起作用。

降低临界冷却速度作用大的元素如钼、铬、锰和硼对焊接性不利。

能产生稳定的碳化物、氮化物而细化晶粒的元素如钒、铌及钛则增加临界冷却速度，从而改善了焊接性。

磷易产生偏析并降低焊缝的韧性，也对焊接性不利。

钢的Ms点越低，则硬化区的内应力越大，使焊接性变坏。

碳降低Ms点作用最大，镍、锰作用次之，因此从这一点说，碳、镍、锰含量都不应高。

通常认为C<

0.35时，焊接性良好；

C>

0.40~0.50，就使焊接困难，焊接前应该用氧-乙炔焰加热以100~200℃的预热。

C≥0.6%钢应预热并保持在200~400℃焊接，焊接后应立即进行正火以改善组织。

3.典型钢号的分析

14MnNb

1.具良好的综合力学性能、焊接性能、压力加工性能

2.一般在热轧或正火状态下使用

16Mn

1.具有良好的综和力学性能、低温冲击韧度、冷冲压、切削加工性、焊接性能等

2.综合性能明显优于Q235A，但缺口敏感性较大，带有缺口时，16Mn的疲劳强度低于Q235A

3.该钢在热轧或正火状态下使用，正火状态具有较好的塑性，冲击韧性、冷压成形性能

16MnRE

性能与16Mn相近，但由于稀土元素对钢液的净化作用，该钢具有更好的韧性和冷弯性能

15MnV

1.强度高于16Mn，在520℃时有一定的热稳定性，但缺口敏感性和时效敏感性较16Mn大，冷加工变形性较差。

使用温度为-20~520℃

2.一般在热轧或正火状态下使用，正火状态有较好冲击韧度

15MnTi

性能和用途与15MnV钢相近。

正火处理后冷冲压性能和焊接性能优于15MnV和16Mn，可以代替15MnV制造承受动载荷的构件

16MnNb

焊接性能、冷、热加工和低温冲击韧度均优于16Mn，一般在热轧和正火状态下使用

14MnVTiRE

具有很高的低温冲击韧度，良好的综合力学性能和焊接性能，一般在热轧或正火状态下使用

15MnVN

综合力学性能优于15MnV，具有良好的焊接性能和冷、热压力加工性能，但冷加工时缺口敏感性较大

2、锅炉、压力容器用钢

（一）锅炉用钢的使用条件、加工特点及对钢性能的要求

1.基本的性能在工作温度下，应有足够的强度、合理的强韧性配合及组织性质稳定性。

可使构件的壁厚不致太大以易于加工并不致显著地影响传热效果，从钢材性能上保证长期安全运行。

2.工艺性能良好的冷、热加工性能，其中特别是良好的焊接性能。

3．高压锅炉钢的选用应是优质钢或特殊质量钢，为电炉或纯权顶吹转炉冶炼，镇静钢，在冶炼时除用优质原料外一般要求加以炉外精炼和真空脱气等工艺以使有害杂质，如硫、确、锡、锑、砷等及气体含量降到最低程度，使钢纯净化，以避免脆性断裂事故发生。

4.高温强度和高温塑性高压锅炉在高温高压下要工作10年甚至20年，因此锅炉钢除要求常温和瞬时高温抗拉强度外，还要求锅炉钢具有较高耐高温持久强度和蠕变强度，以及一定的高温塑性。

抗氧化性能由于锅炉管等在高温下长期工作，故要求其在相应工作温度下具有较小的氧化速度，应小于0.01mm/年。

钢中添加Cr、Si、Al等合金元素有利于提高钢的抗氧化性能。

5.抗腐蚀性能锅炉在运行中要承受炉水、燃气和蒸汽，以及氢、碱、垢、硫和应力腐蚀等，因此要求锅炉钢具有良好的抗腐蚀的性能。

组织稳定性能锅炉钢在高温长时间运行后。

钢中的合金元素会重新组合分配，产生组织不稳定现象，例如石墨化、球化、固溶合金元素的贫化碳化相析出类型的转变、碳化物的聚集和长大等，导致钢的持久强度蠕变极限和韧性明显下降，因此要求锅炉钢具有稳定性。

（二）压力容用钢的使用条件、加工特点及对钢性能的要求

1.基本性能要求需要在满足韧性的前提下，提高强度、提高塑性储备量。

2．塑性的作用要具有良好的塑性，为防止压力容器的断裂失效和塑性失效，确定许用应力时需要综合考虑抗拉强度和屈服强度，许用应力取抗拉强度、屈服强度除以各自的材料设计系数后所得的较小者。

钢制压力容器对材料的力学性能要求重视钢材的韧性和钢材的塑性储备量。

所以，对于压力容器用钢，一般情况下应避免采用调制热处理等方法不恰当地提高材料的强度，以留有一定的塑性储备量。

3.韧性是材料在断裂前吸收变性能量的能力，是衡量材料对缺口敏感性的力学性能指标，尤其能反映材料在低温或有冲击功作用是对缺口的敏感性。

韧性是材料强度和塑性的综合反映。

在载荷的作用下，压力容器中的裂纹常会发生扩展，裂纹扩展到一定临界尺寸时将会发生断裂事故。

材料临界裂纹尺寸的大小主要取决于钢的韧性和拉伸应力。

钢的韧性好，压力容器所允许的临界尺寸就越大，安全性也越高。

因此，为防止发生脆性断裂和裂纹的快速发展，压力容器应选用韧性好的钢材。

4.工艺性在制造过程中进行冷卷、冷冲压加工的零部件要求钢材有良好的冷加工成型性能和塑性，其断后伸长率δ5应在15～20%以上。

为检验钢板承受弯曲变形能力，可根据钢板的厚度，选用合适的弯心直径，在常温下做弯曲角度为180º

的弯曲实验。

试样外表面无裂纹的钢材方可用于压力容器制造。

5.可焊性是指在一定焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。

钢材的可焊性主要取决于它的化学成份。

压力容器各零件主要采用焊接连接，良好的可焊性是压力容器用钢的一项极其重要的指标。

钢材的可焊性主要取决于其化学成分，主要是含碳量。

含碳量愈低，愈不易产生裂纹,可焊性愈好。

其次，合金元素对钢材的可焊性也有不同程度的影响，这种影响通常是用碳当量Ceq来表示。

国际焊接学会所推荐的碳当量公为:

；

（式中的元素符号表示该元素在钢中的百分含量）

中国《锅炉压力容器制造许可条件》中为:

（按上式计算的碳当量不得大于0.45%）

一般认为，Ceq小于0.4%时，可焊性优良；

Ceq大于0.6%时，可焊性差。

中国目前对压力容器用钢尚未规定碳当量要求，但上述计算碳当量的公式对分析焊接裂缝的敏感性具有一定的参考价值。

6.高温容器的材料选用要用熔点高的材料，熔点高的材料再结晶软化温度较高；

要进行换热的容器要用热导率高的材料，如此可节省材料和能源；

带衬里的容器要求衬里材料与基体材料的线膨胀系数比较接近，否则有温度变化时，由于两种材料的膨胀量不一致，会导致衬里开裂。

压力容器用钢要考虑的物理性能参数通常是弹性模量E、重度γ、熔点T

、比热容c、热导率λ、线膨胀系数α等。

几种常用金属材料的物理性能：

三、微合金钢、低碳马氏体钢

（一）微合金钢

1.微合金钢是在普通的C-Mn钢或低合金钢中添加微量（质量分数通常小于0.1%）的强碳氮化物形成元素（如铌、钒、钛等）进行合金化，通过高纯洁度的冶炼工艺（脱气、脱硫及夹杂物形态控制）炼钢，在加工过程中施以控制轧制/控制冷却等新工艺，通过控制细化钢的晶粒和碳氮化物沉淀强化的物理冶金过程，在热轧状态下获得高强度、高韧性、高可焊接性、良好的成形性能等最佳力学性能配合的工程结构材料。

微合金钢由于屈服强度高、韧性好、焊接性和耐大气腐蚀性好，可用于大型桥梁建筑，制造各类车辆的冲压构件、安全构件、抗疲劳零件及焊接件，它也是锅炉、高压容器、输油和输气管线，以及工业和民用建筑的理想材料。

2.强化机制主要有：

细晶强化、固溶强化、沉淀强化等。

晶粒细化之所以既能提高钢的强度，又能提高钢的韧性，其原因是：

材料的晶粒越细，晶界面积就越大，而晶界两边的晶粒的取向完全不同且完全无规则，并且晶界是原子排列相当紊乱的地区。

因此，当塑性形变和微裂纹由一个晶粒穿过晶界进入另一个晶粒时，由于晶界阻力大，穿过晶界就比较困难；

另外，穿过晶界后滑移方向和裂纹扩展又需改变。

与晶内的形变及裂纹扩展相比，这种既要穿过晶界而又要改变方向的形变及裂纹扩展将要消耗很大的能量，故晶界的存在将使材料的强度和韧性都得到提高，并且材料的晶粒越细，材料的强度和韧性就越高。

微合金钢中加入碳氮化物形成元素（V、Nb、Ti等）、促进微合金化元素碳氮化物的析出、增加奥氏体内部形核质点、快速冷却和弥散粒子钉扎阻碍晶界迁移等多种微合金化与控轧控冷相结合，从而使晶粒细小。

固溶强化其一是溶质原子溶入铁的基体中，造成基体晶格畸变，从而使基体的强度提高。

置换固溶体中的异质原子，能在不改变晶格内部的原子分布状态的条件下，阻止不断进行的位错运动。

因此，其应力应变曲线向着较高的应力值方向推移，而曲线的形状基本上保持不变。

与其它强化机制相比，由均匀的置换固溶体所引起的强化作用是较小的。

其二是溶质原子进入位错张应力区，与位错产生弹性交互作用，阻止位错的运动，从而使材料的强度提高与铁原子形成间隙固溶体的异质原子有氢、硼、碳、氮和氧等。

其中以碳和氮对于强度提高起着较大的作用。

在过饱和的间隙固溶体中，由于碳氮原子有着较大的扩散能力，可以直接在位错附近和位错中心聚集，形成Cottrel气团，对移动着的位错起钉扎作用，只有当位错摆脱了气团的钉扎之后，塑性变形才能继续进行。

为此，就必须提高外加应力，从而使材料得到了强化。

微合金中钢中添加的合金元素，在钢中的主要存在形式为固溶于铁基体中和形成具有钉扎作用微合金碳氮化物。

钢中细小弥散的沉淀相通过与位错发生交互作用，造成对位错运动的障碍度得以提高，也称为沉淀强化。

　微合金钢中析出强化通过沉淀析出，可以获得沉淀相质点。

微合金钢中析出强化通过沉淀析出，可以获得沉淀相质点。

微合金钢含碳量低，且其添加的微量合金元素在高温下形成未溶解的微合金碳氮化物，具有钉扎作用，阻止奥氏体晶粒的长大，使晶粒细小。

因此，微合金钢具有良好的焊接性性能。

3.微合金钢的应用实例

（1）微合金锻钢铁素体－珠光体钢

20世纪70年代早期，欧洲开发了铁素体－珠光体型中碳微合金锻钢,主要目的是为了节省热处理成本，因为微合金钢使锻件在锻造状态就有高的强度与韧性，而不必像41XX系列传统低合金钢那样必须经过再加热、淬火和回火处理才具备如此性能。

微合金钢与传统淬火回火钢的工艺路径对比示意如下图所示。

近期微合金锻钢的钢种设计与工艺在最近国际会议讨论。

微合金钢比传统钢锻压更经济，且免除了矫直工序，并改善加工性能

（2）低碳贝氏体，马氏体钢

近来微合金锻钢研发注重开发复相钢，此类钢典型碳含量约0.10%，但碳含量可在0.05-0.25%之间变化。

为了控制热变形过程中奥氏体状态和冷却过程中相变特性（0.05%），同时为控制相变加入Mn（1.6-2.0%）和Mo（0.40-0.50%）。

很明显，这类Mn-Mo-Nb钢的微观组织及力学性能依赖于钢的成分、工艺制度和冷却速率。

热加工态（普通或控制）和空冷态的物相是典型的有岛状马氏体的铁素体、上贝氏体和下贝氏体。

普通热轧（精轧温度高于1000℃）的条钢产品用于热锻，而控轧（精轧温度通常低于850℃）的条钢和棒材用于温锻或冷锻。

在空冷条件下，依据成分、变形过程、截面尺寸和冷速，Mn-Mo-Nb钢的屈服强度在425－550MPa间。

夏比V型缺口冲击功大约100J。

见表Ⅴ。

然而，如果锻件锻后直接淬火，

屈服强度可升至730－850MPa的水平，并保持原先良好的韧性。

利用复相钢做了许多商业试制部件，最新的包括惰轮臂支架（冷成形）和下控制臂（热锻）。

后者锻后直接淬火并无需任何后续热处理。

用传统钢材和Mn-Mo-Nb钢制作的两种部件的力学性能见表Ⅵ。

（3）冷拔－冷镦微合金钢

具有铁素体－贝氏体－马氏体复相组织的Mn-Mo-Nb钢的应力－应变特性是用于冷拔和冷镦操作的理想材料。

连续加工硬化行为和快速加工硬化指数保证了小变形条件