低合金高強(qiáng)度鋼

　　低合金高強(qiáng)度鋼是指在低碳鋼中添加少量合金化元素使軋制態(tài)或正火態(tài)的屈服強(qiáng)度超過275MPa的低合金工程結(jié)構(gòu)鋼。

　　簡介

　　低合金高強(qiáng)度鋼是在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入少量的Mn、Si和微量的Nb、V、Ti、Al等合金元素而發(fā)展起來的一類工程結(jié)構(gòu)用鋼。所謂低合金是指鋼中合金元素總量不超過3%。高強(qiáng)度是相對于碳素工程結(jié)構(gòu)用鋼而言。低合金高強(qiáng)度鋼的研制原則是利用盡可能少的合金元素獲得盡可能高的綜合力學(xué)性能，以達(dá)到滿足使用、成本低廉的目的。低合金高強(qiáng)度鋼能夠滿足工程上各種結(jié)構(gòu)(如大型橋梁、壓力容器及船舶等)要求承載大，同時(shí)又要求減輕結(jié)構(gòu)自重，提高可靠性及節(jié)約材料和資源的要求。

　　這類鋼主要用來制造各種要求強(qiáng)度較高的工程結(jié)構(gòu)，例如橋梁、船舶、車輛、高壓容器、輸油輸氣管道、大型鋼結(jié)構(gòu)等。由于這類鋼不用復(fù)雜的處理過程，甚至不進(jìn)行熱處理就可以獲得較高的強(qiáng)度，使工程結(jié)構(gòu)的質(zhì)量大大減輕，因此，用這類鋼來代替一般的碳素結(jié)構(gòu)鋼。

　　成分特點(diǎn)

　　低合金高強(qiáng)度鋼的成分特點(diǎn)為低碳叫 ≤0.20%、低合金，合金元素總量 <3%。低碳含量是為了滿足工程結(jié)構(gòu)件用鋼的塑性、韌性、焊接性和冷變形等工藝性能要求;加入以Mn為主的少量合金元素，達(dá)到了提高力學(xué)性能的目的。低合金高強(qiáng)度鋼以Mn為主加元素，符合我國的資源特點(diǎn)。Mn不僅對鐵素體有顯著的強(qiáng)化效果，還可降低鋼的冷脆溫度，并使鋼中珠光體數(shù)量增加，進(jìn)一步提高強(qiáng)度;為進(jìn)一步改善和提高鋼的性能。還加入微量V、Ti、Nb、AI等細(xì)化晶粒元素，不僅進(jìn)一步提高了強(qiáng)度，還使鋼的韌性得到改善。這類鋼有時(shí)還加入稀土元素Re以消除鋼中的有害雜質(zhì)，改善夾雜物的形態(tài)及分布，減弱其冷脆性。少量合金元素對改善和提高鋼的力學(xué)性能效果顯著，如在Q235中僅加入1%Mn，就成為Q345鋼，而其強(qiáng)度卻增加近40%，達(dá)345 MPa;在16Mn的基礎(chǔ)上再加0.04～0.12%的釩，就成為Q390鋼，強(qiáng)度由350 MPa增加至390 MPa。

　　性能特點(diǎn)

　　低合金高強(qiáng)度鋼的合金化原理主要是利用合金元素產(chǎn)生的固容強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化以及沉淀強(qiáng)化來提高鋼的強(qiáng)度，同時(shí)利用細(xì)晶強(qiáng)化使鋼的韌脆轉(zhuǎn)化溫度降低效應(yīng)，來抵消鋼中碳氮化物析出強(qiáng)化使鋼韌脆轉(zhuǎn)化溫度升高這種不利的影響，使鋼在獲得高強(qiáng)度的同時(shí)又能保持較好的低溫性能。低合金高強(qiáng)度鋼的性能特點(diǎn)主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

　　1.高的屈服極限與良好的塑性和韌性

　　低合金高強(qiáng)度鋼最顯著的特征就是高強(qiáng)度。在熱軋或正火狀態(tài)下，低合金高強(qiáng)度鋼一般比相應(yīng)的碳素工程結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度能高出30%～50%。因而能夠承受較大的載荷。工程結(jié)構(gòu)一般以大型或巨型為多，構(gòu)件自身的重量往往也成為載荷的重要組成部分，結(jié)構(gòu)材料強(qiáng)度提高的同時(shí)就可以明顯降低構(gòu)件自重而使其承受其他載荷的能力進(jìn)一步提高。不僅如此，這種良好的效應(yīng)還大大提高了工程構(gòu)件緊湊性從而使其可靠性進(jìn)一步提高，同時(shí)減少了原材料消耗，降低了成本，節(jié)約了資源。

　　低合金高強(qiáng)度鋼的延伸率為15%～23%，室溫下沖擊吸收功 >34 J，具有良好的塑性和抗沖擊性能，可避免在受沖擊時(shí)發(fā)生脆斷;同時(shí)使冷彎、焊接等工藝容易進(jìn)行。此外，低合金高強(qiáng)度鋼的脆性轉(zhuǎn)化溫度較低，其中E級質(zhì)量等級的鋼，在-40℃時(shí) 值不低于27 J。這對在嚴(yán)寒地區(qū)使用的工程構(gòu)件以及運(yùn)輸工具如車輛、艦船、海上采油平臺(tái)、容器、橋梁等具有重大意義。

　　2.良好的焊接性能和耐大氣腐蝕性能

　　焊接是建造工程結(jié)構(gòu)的最常用方法，因此工程結(jié)構(gòu)用鋼都要求具有良好的焊接性能。低合金高強(qiáng)度鋼碳含量低，合金元素含量少、塑性好，在焊縫區(qū)不易產(chǎn)生淬火組織及裂紋，且加入的Ti、Nb、V等還能抑制焊縫區(qū)晶粒長大，因此這類鋼大都焊接性能優(yōu)良，焊后一般不再進(jìn)行熱處理。

　　工程結(jié)構(gòu)大多是在大氣或海洋環(huán)境中服役，低合金高強(qiáng)度鋼中加入少量的Cu、Ni、Cr、P等元素，有效提高了工程結(jié)構(gòu)抗大氣、海水、土壤腐蝕的能力。如加入0.2%～0.5%的銅、0.05%～0.1%的磷以及鋁等，可使鋼的耐蝕性明顯提高，其中銅和磷同時(shí)加入效果最佳。

　　發(fā)展趨勢

　　以控制軋制技術(shù)和微合金化冶金學(xué)為基礎(chǔ)，開發(fā)了許多低合金高強(qiáng)度鋼。低合金高強(qiáng)度鋼的主要發(fā)展方向有以下幾個(gè)方面。

　　(1)低碳、超低碳和高純凈化。現(xiàn)代的工藝技術(shù)已非常先進(jìn)。例如，采用頂?shù)讖?fù)吹轉(zhuǎn)爐冶煉，鋼的碳含量可控制在0.02%～0.03%，精煉的應(yīng)用可生產(chǎn)出碳 =0.002%～0.003%、 <0.001%、 <0.003%、 <0.003%、 =2ppm~3ppm和 <1ppm的潔凈鋼。

　　(2)微合金化鋼技術(shù)。含Nb微合金化鋼、Nb-V和Nb-Ti復(fù)合微合金鋼幾乎占有近20年來新開發(fā)微合金化鋼全部牌號的75%和微合金化鋼總產(chǎn)量的60%。微量Ti(≤0.015%)的作用十分有益，Ti的微處理不僅改變鋼中硫化物的形態(tài)，而且TiO2或Ti2O3，還成為奧氏體晶內(nèi)鐵素體晶粒生核的質(zhì)點(diǎn)。

　　(3)采用控制軋制和控制冷卻工藝。在再結(jié)晶控軋的基礎(chǔ)上，應(yīng)變誘導(dǎo)相變和析出的非再結(jié)晶控軋以及兩相區(qū)形變，已成為控軋厚鋼板生產(chǎn)主要方向。薄板坯連鑄連軋流程和薄帶連鑄工藝的實(shí)用化，使低合金鋼生產(chǎn)進(jìn)入了又一個(gè)新境界。

　　(4)超細(xì)晶粒化和計(jì)算機(jī)控制以及性能預(yù)報(bào)。通過加大軋制變形、鐵素體的應(yīng)變誘導(dǎo)析出、低溫軋制和選擇合適的冷卻速度，可得到微米級的鐵素體晶粒尺寸，從而大大提高鋼的強(qiáng)度。低合金高強(qiáng)度鋼的組織細(xì)微化是今后發(fā)展的方向。