低合金结构钢一般是在低碳钢的基础上,加入少量合金元素(ω总量<3%)而形成的合金钢。这类钢冶炼比较方便,生产成本与碳钢相近,但其强度比一般低碳钢高10%~30%,并具有足够的塑性和韧度,故又称低合金高强度钢。
低碳低合金工程结构用钢可用来代替普通碳素结构钢,其屈服强度可提高25%~100%,质量可减轻30%,零件使用更可靠、耐久。这些构件的特点是尺寸大,需冷弯及焊接成型,形状复杂,大多在热轧或正火条件下使用,且可能长期处于低温或暴露于一定的环境介质中,因而要求钢材必须具有较高的强度和屈强比;较好的塑性和韧性;良好的焊接性;较低的缺口敏感性和冷弯后低的时效敏感性;较低的韧脆转变温度。低合金高强度钢是一类可焊接的低碳低合金工程结构用钢,主要用于房屋、桥梁、船舶、车辆、铁道、高压容器及大型军事工程等工程结构件。低合金高强度钢牌号与碳素结构钢牌号相似,由代表屈服强度“屈”字的汉语拼音字母Q+屈服强度数值+质量等级代号组成。其质量等级代号有A、B、C、D、E5个级别,并由A~E,钢中的S、P含量依次降低。例如Q460E,表示下屈服强度ReL>460MPa,质量等级数为E级的低合金高强度钢,低合金高强度钢的牌号有Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690。低合金高强度钢牌号新、旧标准对照及应用如表8.2所示。
表8.2 低合金高强度钢牌号新、旧标准对照及应用
为了适应某些专业的特殊需要,对低合金高强度钢的成分、工艺及性能做了相应的调整和补充规定,从而发展了门类众多的低合金专业用钢,如锅炉、各种压力容器、船舶、桥梁、汽车、农机、自行车、矿山、建筑钢筋等,许多已纳入国家标准。例如,汽车用低合金钢是一类用量极大的专业用钢,广泛用于汽车大梁、托架及车壳等结构件。
低碳低合金工程结构用钢应用举例如图8.4所示。
图8.4 低碳低合金工程结构用钢的应用举例
低合金高强度钢由于其力学性能和加工性能良好,不需要进行热处理,因此受到重视,是近年来发展最快、最具有经济价值的一类合金钢。我国1951年开始试制生产低合金高强度钢,现已有很大发展,目前其产量已占钢总产量的15.4%左右,是今后钢铁生产的发展方向之一。这类钢的强度级别在不断提高,现已达到800MPa级,相当于调质钢的水平。当前主要的发展方向如下。
(1)通过合金化和热处理改变其基体组织以提高强度
它是加入较多种类的合金元素,如Cr、Mn、Mo、Ni、Si、B等,通过淬火和高温回火使钢获得低碳素氏体组织,从而得到良好的综合力学性能和焊接性能。这类钢发展很快,强度已达800MPa级,低温韧性非常好,已用于重型车辆、桥梁及舰艇。
(2)超低碳化(www.xing528.com)
为了充分保证钢的韧性和焊接性能,进一步降低碳含量,使碳的质量分数甚至降到0.02%~0.04%,此时需采用真空冶炼或真空去气冶炼工艺。
(3)控制轧制
控制轧制是指把细化晶粒与合理轧制工艺结合起来,实现控制轧制。Nb、V等元素在轧制温度下溶入奥氏体中,能抑制或延缓奥氏体的再结晶过程,使钢获得小于5μm的超细晶粒,而保证得到高强度和高韧性。
(4)发展专用钢
为了适应各种专门用途的需要,对某些常用普通低合金高强度钢的成分、性能和质量做了一定调整,即派生出了一系列专用钢,如低温用钢,耐海水、大气腐蚀用钢,钢轨用钢等。
案例1:南京长江大轿的选材分析
(1)南京长江大桥简介
南京长江大桥如图8.1所示,位于长江下游,是长江上第一座由我国自行设计、建造的双层式铁路、公路两用桥,主跨为160米,桥体为钢结构。
(2)桥体材料要求
南京长江大桥的桥体材料要有足够的强度和很好的抗疲劳强度,同时焊接性要好,还要具有一定的耐大气腐蚀能力。应怎样选材?
(3)选材分析及选定
在二十世纪五十年代建造的武汉长江大桥,其主跨为128米,采用Q235制造。而在二十世纪六十年代,我国独立设计研发建造的南京长江大桥,其所在位置在长江下游,江面宽,主跨增加到160米,对桥体材料更为严苛。
在选材时,考虑到Q345(16Mn)是我国低合金高强度钢中用量最多、产量最大的钢种。其强度比普通碳素结构钢Q235高约20%~30%,耐大气腐蚀性能高20%~138%,可使结构自重减轻,使用可靠性提高。经科学实验,综合对比,故最后采用了Q345(16Mn)制造。
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