合金元素对低合金高强度结构钢性能的影响

低合金高强度结构钢是在碳素结构钢的基础上加入少量合金元素(合金元素总量WMe<3%)而得到的钢。这类钢比碳素结构钢的强度要高10%~30%,低合金高强度结构钢牌号的表示方法是由代表屈服强度的汉语拼音字母(Q)、屈服强度数值、质量等级符号(A、B、C、D、E)三个部分按顺序排列组成的。质量等级符号反映了低合金高强度结构钢中有害元素(磷、硫)含量的多少,从A级到E级,钢中磷、硫含量依次减少。如Q390A,代表屈服强度为390MPa、质量等级为A级的低合金高强度结构钢。

合金元素在低合金高强度结构钢中起的作用有:固溶强化、细化铁素体晶粒、析出高度弥散的碳氮化物、改变铁索体和珠光体两种组织的相对量、改善焊接性、耐蚀性、耐低温性等。

(1)固溶强化

在低合金高强度结构钢中最常用的固溶强化元素是锰和硅。在低碳的碳锰钢中,锰大约有四分之三固溶于铁索体中,其余部分固溶入渗碳体中,锰强化铁素体的作用比硅稍次。在钢中硅不固溶于渗碳体,全部固溶于铁素体中。不过,在普通低合金钢中锰或者是硅的含量都不能无限制地增加,一般锰的质量分数最多不超过2.2%;硅不超过0.8%,特殊者不超过1.5%,除去锰和硅以外,铬在钢中只以较少部分固溶于渗碳体,而且随碳和铬含量的降低而减少,铬大部分固溶于铁素体中;镍几乎全部固溶于铁素体中。但是,铬和镍都是弱的固溶强化元素。

(2)细化晶粒

加入强碳化物形成元素如钛、铌、钒等都可以达到细化晶粒的目的。钛和铌的碳化物直到加热温度达到1200℃才大量溶解到奥氏体中,碳化钒则到1050℃才大量地溶解,因此,在加热的不同阶段都能起到阻止奥氏体晶粒长大的作用。另一方面,钢中的铬、锰、镍、钼只要在加热时固溶在奥氏体中,就能增大冷却时奥氏体的过冷能力,从而产生细的铁素体晶粒和细珠光体。

(3)弥散强化

加入微量的强碳化物形成元素如钒、钛、铌,由于它们在钢中有优先形成碳化物的本性,以及它们在铁素体中固溶度的急剧变化,所以冷却时在形成铁素体的阶段,在铁素体与奥氏体的相界面上析出各自的碳化物或碳氮化物颗粒,并且由于铁素体相界不断地向奥氏体内推进,沉淀的碳(氮)化物微细颗粒使铁素体抵抗塑性变形的能力增大,使钢的强度进一步提高。

(4)改变铁素体和珠光体两种组织的相对量

低碳钢的正火组织中,增加珠光体量可以提高钢材的强度。但是珠光体量的增加对钢的塑性、韧性和脆性转折温度都有很不利的影响,所以对于普通低合金钢不应当靠增加含碳量来增多珠光体量去达到强化的目的。在普低钢中由于合金元素造成的珠光体量的增多是合金化的结果,并使钢中的含碳量降低,这对发展超低碳钢、无珠光体钢,以满足焊接、深冲等工艺需要非常有利。

(5)合金元素对焊接性的影响

为了防止熔融金属在凝固过程中发生热裂,或者在冷却到200℃以下时发生冷裂,要求对钢和焊条的硫、磷含量加以限制,一般都应按规定在0. 05%(质量分数)以下。对于含磷量高的钢种,就应当采取缓冷措施,防止过激的冷却。对合金含量高的钢也应缓冷。

经验指出,焊接后热影响区硬度达到350HV10时,就容易产生开裂,对这样的钢焊接时就必须采取适当的工艺措施,如焊前预热、焊后缓冷以及采用其他特殊的焊接方法,常用300HV10作为界限。

钢中含锰、铬、镍、硅、钒、钼等对焊接性不利。譬如锰的质量分数为1. 6%时,就相当于含碳0. 25%,这时钢中的碳的质量分数本身就不应当超过0.20%,只有这样才能保证良好的焊接性,此时还没有考虑到与其他合金元素的共同作用。如果钢中含有少量微合金化的钒、钼、钛、铝等合金元素,则由于其能够细化晶粒,从而有利于改善焊接性能。

(6)合金元素对其他性能的影响

1)耐蚀性。铜和磷都可以提高钢在大气中的耐蚀性,但是铜质量分数超过0. 25%时,耐大气腐蚀性能的提高变得很缓慢,所以在耐蚀低合金钢中铜质量分数一般是0.2%~0.4%;为了进一步提高耐大气腐蚀的性能,在含铜的基础上再加入磷,常用质量分数是0. 08%~0.12%,效果很好。磷也可以单独加入钢中。铜虽然能提高钢在大气中的耐蚀性,但是在土壤或海水中并不显示良好作用。

2)耐低温性。对低温性能的要求主要是在低温下保持较好的塑性和韧性,并防止低温下发生脆裂。在各种合金元素之中,只有镍对低温性能起良好作用,镍使脆性转折温度明显降低。对于普通低合金钢来说,主要是靠降低含碳量使金相组织接近全铁索体以满足耐低温性能。总之,低合金高强度结构钢碳的质量分数较低,一般控制在wc<0.1%,WMn=0.8%~1.7%,含硅量比碳素结构钢高(WSi≤0. 55%)。为改善钢的性能,牌号A、B级钢可加入V、Nb、Ti等细化晶粒元素。如不作为合金元素加入,则其下限含量不受限制,该元素的含量也不予保证。除A、B级钢外,其他钢中至少含有细化晶粒元素(V、Nb、Ti、Al)其中的一种,如这些元素同时使用,则至少应有一种元素的含量不低于规定的最小值。为改善钢的性能,Q390、Q460级钢可加入少量Mo元素。有时还在钢中加入少量稀土元素,以消除钢中有害杂质,改善夹杂物形状及分布,减弱其冷脆性。

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