低合金钢的应用和焊接性能

当今世界上钢产量中70%以上属于工程结构用钢，即结构钢，而工程结构用钢（结构钢）中的60%以上属于低合金钢，可见低合金钢在国民经济各行各业中应用的重要性。在低合金钢中，低合金高强度结构钢（简称为低合金高强钢）的应用又是最为广泛。因此，本节重点放在低合金高强度结构钢的讨论上。

低合金高强度结构钢是低合金钢中按使用性能来分类时追求高强度的钢种。低合金钢按使用性能（不是专门用途）可分为高强度钢、低温钢、耐热钢、耐蚀钢、耐磨钢和抗层状撕裂钢等六种。低合金钢是在低碳钢的基础上加入一定量的合金元素而成，不同合金元素的分别加入，使得原来的低碳钢获得了高强度、耐热、耐蚀、耐低温、耐磨、抗层状撕裂等多种性能。大家熟知的碳钢是随着含碳量的增加，而提高了钢的强度，但塑性与韧性却会同步下降，使焊接性变差。因此，焊接用钢不能指望以增加碳含量来提高接头的力学性能。事实证明，在低碳钢的基础上加入少量（质量分数不超过5%）有益合金成分，能使其在保持一定塑性、韧性的条件下，大幅度或成倍地提高其强度，而且不使其焊接性过分恶化。随着焊接结构承载能力的要求进一步提高和服役条件的进一步苛刻，利用低合金高强钢的高强度，在相同条件下，可使结构的壁厚大大减小，整体重量减轻，降低制造成本，延长使用寿命，特别对大型结构件，有着较好的综合经济效益。

以优质碳素结构钢20钢为例，其常温下的屈服强度σ_s只有245MPa，抗拉强度σ_b为420MPa，而著名的低合金高强度钢牌号为HY-130（美国钢种）的钢种，σ_s≥895MPa，σ_b≥1029MPa，有的钢种甚至可达1666MPa。显然，如果制造一个30000m³的球罐，采用不同强度的20钢和welten80号钢（日本钢种，σ_s≥686MPa，σ_b≥895MPa），那么后者比前者可以节省近70%的钢铁材料，经济效益相当可观。

结构钢提高强度级别的方法，至今不外有三种：一是在碳钢中增加碳含量，可以增加到w（C）≤1.0%，但随着碳含量的增加其焊接性变差，实际上当w（C）≥0.4%时，则接头的焊接就不能采用等强度原则，而采用低匹配原则。所以，依靠增碳而提高强度的方法极有限度。只能增加到中碳钢碳含量的范围，高碳钢几乎无焊接性可言。二是在低碳钢的基础上加入少量合金元素成为低合金钢，可以使强度进一步提高，σ_b可达700MPa，σ_s可达400MPa以上。三是将低合金钢热处理强化，经调质处理改变低合金钢的珠光体组织，则还可以进一步提高其抗拉强度和屈服强度，分别可达到1000MPa以上。同时，焊接性都在随着强度提高而同步下降。其焊接性变差的根本原因是碳当量的增加，大部分屈服强度为350MPa以上的低合金高强钢，焊前预热焊后缓冷，以及热处理几乎是不可缺少的工艺手段。

低合金钢的分类方法有多种：

（1）按钢材的使用性能分 可分为高强度结构钢、低温钢、耐热钢、耐蚀钢、耐磨钢、层状撕裂钢等。

（2）按专门用途分 可分为一般结构用钢和专门用途钢，专门用途钢有锅炉用钢、石油天然气输送管线用钢、压力容器用钢、船体用结构钢、桥梁用结构钢等，都有各自的标准规范及化学成分及力学性能。专门用途钢对化学成分及力学性能的要求更加严格。要注意的是，但这里所指的专门用途钢和有关专门用途碳钢各自属于不同的强度级别。

（3）按钢材的屈服强度最低值分 可分为345MPa、390MPa、440MPa、540MPa、590MPa、690MPa和980MPa等不同等级。

（4）按钢材使用时的热处理状态分 可分为热轧、控扎控冷（TMCP）、正火、调质等。使用时热处理状态也是其供货状态。

（5）按钢的显微金相组织分 可分为铁素体-珠光体钢、针状铁素体钢、低碳贝氏体钢和回火马氏体钢等。

在所有低合金钢中，低合金高强度结构钢的应用最广泛。

常用低合金高强度结构钢一般按屈服强度和热处理状态组合可分为三个等级所属的三种钢。

1）热轧正火钢。屈服强度σ_s为295～490MPa或295～690MPa，微合金化控轧钢的σ_s可达690MPa。

2）低碳调质钢。σ_s在490～980MPa之间。

3）中碳调质钢。σ_s在880～1176MPa之间。

1.热轧正火钢和微合金化控轧钢

（1）化学成分及性能 低合金高强度钢的牌号编制方法与碳钢类似，牌号由三部分组成：代表屈服强度的字母Q；Q后面的数字表示屈服强度值；第三部分为质量等级A、B、C、D、E五个等级，等级的区别在于P、S的含量及冲击能量的不同。例如Q420A和Q420E，A级w（S）、w（P）均为0.045%，而E级Q420E的w（P）、w（S）均为0.025%。

在C-Mn或Mn-Si系基础上加入V、Nb、Ti、Cr、Mo等碳化物或氮化物形成元素，通过沉淀强化和细化晶粒，使σ_s提高到了490MPa。

热轧正火钢的一个分支是微合金化控轧钢，这种钢是通过冶金技术进一步降低C、P、S的含量，提高钢的纯净度，同时施以微合金化，使钢材具有均匀的细晶粒等轴晶铁素体基体，其强度高于一般正火钢，而不失其韧性，并通过控扎得到Q690，在淬火+回火状态下使用，σ_s可达到690MPa。

热轧正火钢中的专门用途钢是在C-Mn体系中加入了少量的V、Nb、Ti、Al、Cu、N元素及稀土元素，以适应不同用途。同一钢种用于压力容器、锅炉、气瓶、船体等结构时，其命名又各有不同的表示符号。因为低合金高强度通用结构钢的按屈服强度的命名法中，每一个强度级别又是一个钢种，是代表具有相同屈服强度而不同化学成分的一个族群，而专门用途钢不仅要求屈服强度，而且还要求其他性能及化学成分，所以除了桥梁钢外，一般以其主要化学成分来命名。

表2-2为几种常用低合金高强度结构钢新旧标准中的对应牌号对照表。

表2-2 几种常用低合金高强度结构钢新旧标准中的对应牌号对照表

热轧正火低合金高强度结构钢的中外牌号对照见表2-3。

表2-3 热轧正火低合金高强度结构钢的中外牌号对照

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（2）热轧正火钢在焊接结构中的应用 不论一般用途或专用的热轧正火钢，其焊接性均较好，可以用于各类焊接结构。但不同专业领域又有不同的专门要求。(www.xing528.com)

1）一般用途热轧正火钢的主要特性及其应用范围见表2-4。表中列举了Q295，…，Q460各类低合金高强度钢钢材的主要特性及应用范围。由于少量合金元素的加入，低合金高强度钢的力学性能大为增加（尤其是强度），而其冶炼成本则增加不多，因而无论在技术上，使用性能上，还是在经济效益上，采用低合金高强度钢代替碳钢都是合理的选择。

2）专业用钢的特性及其应用范围见各自相应的标准规定。

表2-4 一般用途热轧正火钢的主要特性及其应用范围

2.低碳低合金调质钢

对于低合金钢高强度钢，也不能仅仅依靠增加合金元素来提高强度，能仍然保持合理的韧性、塑性水平。热轧、正火低合金高强度结构钢的屈服强度等级上限为460～490MPa，如果再提高，只有通过调制热处理方法改变其金相组织才能实现，并且不至于损失其韧性。这就是低合金调质钢。含有少量不同合金成分的低碳低合金钢，经过调质热处理之后就成为低碳低合金调质钢。这类钢普通可以在调质状态下施焊，焊后也不必再进行调质热处理。屈服强度可以达到490～980MPa。

低碳低合金调质钢的含碳量w（C）≤0.25%，一般在0.18%左右，其合金系统一般采取Si-Mn-Cr-Ni-Mo-Cu，同时添加V、Nb、Ti等微合金化元素，有时还加入少量B（硼）以提高钢的淬透性。低碳低合金调质钢能否具有较高的屈服强度及良好的韧性、塑性等综合力学性能，主要取决于如下三个要素：低碳、低合金元素和正确的热处理制度。其热处理制度一般为奥氏体化-淬火-回火。回火温度越低，强度越高。而韧性、塑性相对较低。常用的几种低碳低合金调质钢的热处理制度及组织见表2-5。

低碳低合金调质钢适应了焊接结构越来越向大型化和高参数发展的趋势需要，因此，被广泛应用在一些重要的焊接结构制造中。如国产的HQ系列、日本WEL-TEN系列、德国StE系列、美国ASTMA514-B、A517等钢种主要应用在工程机械、矿山机械的制造中，如牙轮钻机、推土机、挖掘机、煤矿液压支架、重型汽车及工程起重机等；低裂纹敏感性（CF）钢、WDL系列的07MnCrVR、07MnCrVDR、07MnCrMoV-D及0707MnCrMoV-E钢具有较好的低温韧性及优良的焊接性，可用于在低温下服役的焊接结构，如高压管线、桥梁、电视塔等钢结构，在大型球罐及海上采油平台的制造中，也有广阔的应用前景；ASTMA533-C、HY-80、HY-100、HY130和12Ni3CrMoV（与HY-80相当）钢，主要用于核压力容器、核动力装置、舰船及航天装备。值得注意的是，没有专门用途低碳低合金调质钢，一些国产及国外常用低碳低合金调质钢的力学性能见表2-6、表2-7。

表2-5 常用的几种低碳低合金调质钢的热处理制度及组织

表2-6 一些国产常用低碳低合金调质钢的力学性能

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表2-7 一些国外常用低碳低合金调质钢的力学性能

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3.中碳低合金调质钢

中碳低合金调质钢与低碳低合金调质钢的区别主要在于碳含量的大幅提高，w（C）达到0.30%～0.45%的水平。碳含量的多寡左右着其强度水平，合金元素只起到保证淬透性和抗回火脆性的作用。该类钢的主要特点是高的硬度和比强度。钢的纯度对防止焊接裂纹至关重要，所有中碳低合金调质钢对S、P的限制都十分严格，而且强度水平越高，S、P的含量越低。如美国的H-11钢（5Cr-1.5Mo-Si系），w（S）、w（P）均控制在0.01%以下，只有通过真空熔炼手段方能实现。可见这类钢的冶炼和焊接成本（包括焊前退火和焊后调质热处理）都很高，从而限制了其使用范围和发展前景。

常用中碳低合金调质钢的化学成分中，其w（C）在0.25%～0.45%范围内，S、P等杂质含量达到高级优质钢水平[w（S）、w（P）≤0.03%，甚至更低]，合金体系有Cr-Mn-Si、Cr-Mn-Si-Ni、Cr-Mn-Si-Mo-V、Cr-Mo、Cr-Mo-V、Cr-Ni-Mo、Cr-Mo-Si-V、Mn-Cr-Ni-Mo-V、Mn-Si-Cr-Ni-Mo-V等。

常用中碳低合金调质钢的屈服强度在σ_s880～1176MPa以上。强度水平与碳含量和热处理工艺参数密切相关，如40Cr钢在850℃正火、660℃回火下的σ_s为412MPa，但850℃淬火、500℃回火下的σ_s提高到621MPa，增幅达1/2。

中碳低合金调质钢大部分归属GB/T3077—1999《合金结构钢》，在该标准中按冶金质量分为优质钢、高级优质钢（钢的牌号后加“A”）、特级优质钢（牌号后加“E”）。

大多数中碳低合金调质钢都是在退火状态下施焊，焊后再经调质热处理获得它所要求的性能。焊后调质的成本和难度，极大地限制了这种调质钢在大型焊接结构中的应用。至于在调质状态下焊接，焊后不再作调质热处理，则会发生焊接接头的软化和热影响区脆化（甚至脆裂）。故该类钢的使用范围较窄，远没有低碳低合金调质钢的优势，更不如热轧正火钢的普及。

4.常用低合金高强度结构钢同种金属的熔焊焊接性及其工艺要点

表2-8为常用低合金高强度结构钢同种金属的熔焊工艺要点。

表2-8 常用低合金高强度结构钢同种金属的熔焊工艺要点