第四章 低合金高强度钢的特性及用途

　　　　　　　　　　第一节特 性

　一、性能

　　作为结构用途，重要的是低合金高强度钢必须具有对用户使用来说非常经济的特性和性能，应当比碳素结构钢强度高、韧性好，而且在用户采用一般的方法加工制造过程中，还必须具有足够的塑性，良好的成形性能和焊接性能。此外，还要具有高的耐腐蚀性能，与碳素结构钢件相比在截面更薄的情况下，能够有相同或更长的使用寿命。所有通用的低合金高强度钢都具有比大多数轧制状态或正火状态的碳素结构钢更高的强度，采用适当的工艺可进行焊接，并且具有与其强度水平相应的良好的成形性能。低合金高强度钢的耐腐蚀性能取决于其化学成分，缺口韧性由取决于其化学成分和生产工艺。

　（一）强度

　　钢结构件的屈服点决定了结构所能承受和不发生永久变形和应力。典型碳素结构钢铁最小屈服点为235MPa,而典型低合金高强度的最小屈服点为345MPa.因此，根据其屈服点的比例关系，低合金高强度钢的使用允许应力比碳素结构钢高1.4倍。与碳素结构钢相比。使用低合金高强度钢可以减小结构件的尺寸，使重量减轻。必须注意，对于可能出现弯曲的构件 ，其允许应力必须修正，以达到保证结构的坚固性。有时用低合金高强度钢取代碳素结构钢但不改变断面尺寸，其唯一的目的是在不增加重量的情况下而得到强度更高更耐久的结构。节约重量对运输车辆的结构是最重要的，这样就可以运输更重的重量和减少能量消耗。

　　经常通过加入少量的铌或钒、或钛不提高钢的强度。这些元素通过沉淀硬化很经济地达到强化的目的。为了各种目的加入的其他合金元素也能达到强化的目的。对于热轧薄板，严格控制热轧和卷取工艺可以提高所要求的均匀的强度。对于冷轧薄板，采用特殊的退火和平整工艺可以得到更高的强度，同时还可以保持良好的成形性能。

　　最新的发展是采用通过临界退火和快速冷却得到马氏体和铁素体混合显微组织（或双相显微组织）的低合金高强度钢。这种钢的薄板产品有极好的成形性能，屈服点一般为310-345MPa,通过汽车部件压力成形产生的应变，屈服点可以提高到550MPa或更高。

　（二）成形性能

　　为了容易地和经济地进行热或冷加工以制成工程结构的各种部件，低合金高强度钢必须具有适当的成形性能。和碳素结构钢一样，低合金高强度钢一般可以进行这样的加工，以及如剪切、冲孔和机加工等。虽然其屈服点高，即使成形操作变形相当剧烈也同样可以使用用于碳素结构钢成形的冷弯冲压机、拉拔机、压力机和其他设备，但是一些模具需要修改。

　　低合金高强度钢和碳素结构钢的冷成形性能之间有固有的区别。首先，使低合金高强度钢产生一定量的永久变形比同样尺寸的碳素结构钢需要更大的力。第二，当低合金高强度钢成形时，对回弹应给出稍大些的允许量。

　　根据经验，除非对低合金高强度钢进行控制夹杂物形状的处理，否则在进行冷成形时必须使用比碳素结构钢更大的弯曲半径。

　　（三）焊接性能

　　由于钢结构在制作加工过程中经常使用焊接工艺，因此对于这类用途的低合金高强度钢来说，能够采用在薄板和钢带这样的厚度情况下广泛使用的电弧焊工艺进行焊接是非常重要的，所制作的钢结构的焊缝应具有要求的强度和韧性也同样是非常重要的，这样才能经受住预定用途出现的最不利的条件。目前低合金高强度钢的发展与各种焊接工艺的发展足同步进行的，要特别注意确保这些钢能够具有适当的焊接性能。如果焊接操作得当，大部分低合金高强度钢是可以很好地进行焊接的。对于大型型钢和较高碳和锰含量的牌号，需要预热和（或）采用低氢焊条。对于某些低合金高强度钢无论厚度是多少，都奕采用低氢焊条。对最小屈服点最高达约345MPa的低合金高强度钢进行气体保护熔化极电弧焊，采用低碳涂药焊条通常是合适的。对于最小屈服点高于约415MPa的钢和当对焊缝金属要求特殊的性能，如更高的耐腐蚀性能时，则通常需采用低合金钢焊条。对于埋弧焊、气体保护金属极电板焊和药芯焊丝电弧焊，推荐采用与气体保护熔化极电弧焊所建议采用的焊条一样的充填金属的焊条，对于汽车工业用低合金高强度钢薄板，一般限制其碳含量不大于0.13%以得到良好的点焊性能。

　（四）耐腐蚀性能

　　当使用低合金高强度钢时，都是希望取其强度高的优点而用较薄的截面，这不仅仅是为了节省重量而且也是为了尽可能的经济。但是，必须要充分考虑腐蚀这一因素，钢材截面愈薄就愈应注意防腐。任何钢结构的防腐一般都是通过在适当准备的表面上涂防腐层并且对心腐层加以保护的方法来达到目的。一些低合金高强度钢具有良好的耐大气腐蚀性能，其不仅可以提高防腐涂层的效果，而且在某些情况下采取适当的预防措施甚至还可以在不涂层的状态下暴露在大气中使用。没有任何一种材料同样耐所有可能想像到的腐蚀条件，低合金高强度钢的耐大气腐蚀性能随对耐腐蚀起最大作用的合金元素的组合和含量而改变。提高耐大气腐蚀性能的元素是铜、磷、硅、铬、镍和钼。

　　一些低合金高强度钢的优良的耐大气腐蚀性能导致形成了建筑、桥梁等结构设计的新概念，即这些结构选用适当的低合金高强度钢的裸露构件事建造。在正常暴露在大气中的情况下，裸露的钢在大气腐蚀的最初几个月形成一种紧密的保护性氧化膜。有时建筑师选用裸露的钢结构是因为希望得到钢表面均匀的大气氧化的外观，而有时则是为了世省涂保护层以达到经济的目的。在裸露状态下使用这些低合金高强度钢，设计上必须考虑钢的表面不能长期是潮湿的，而且还应特别注意特殊的大气环境，以保证在此条件下钢的腐蚀速率是允许的。例如在强化学或工业烟气的条件下则显然是不适宜的。为了验证在某些环境是否可以使用裸露的钢结构，需要对大气环境进行测定，甚至需要进行裸露试验。

　（五）缺口韧性

　　低合金高强度钢牌号在设计上具有对其预期的结构用途来说相当好的缺口韧性。具体牌号的低合金高强度钢其缺口韧性的适用性，或是只根据己有的使用经验，或是结合缺口试样的冲击试验结果综合考虑。不了满足某些用途的极严格的要求，生产的一些低合金高强度钢具有极好的缺口韧性。例如，目前通常采用控制热轧技术生产用于制造焊接管线钢管的低合金高强度钢钢板，这种钢管需要符合有关标准对缺口韧性规定的要求，一些低合金高强度钢在正火状态下，结合选择的成分，在钢板厚度最大达到75mm时其塑性、脆性转变温度低于-60℃。一些牌号的低合金高强度钢在用于高速公路桥梁的主要拉力构件时，必须满足-12℃-21℃冲击性能的要求。

　二、化学成分对性能和特性的影响

　　在研究低合金高强度钢的化学成分以得到所要求的性能当中，绝对必要的首先是强度。由于通过合金元素的各种组合可以提高强度，所以就有了一些不同成分的低合金高强度钢，其除了具有要求的最小强度之外还具有其他性能和特性的综合性能。包括低合金高强度钢。所有的钢其力学性能基本上都上由其显微组织决定的。低合金高强度钢一般为铁素体-珠光体显微组织，与碳素钢一样其性能受显微组织变化的影响。这就是可以通过增加珠光体的数量、提高组织的细化程度和增加分散相的数量（沉淀硬化）来提高强度。但是，除了较细的显微组织（细晶粒度）也提高缺口韧性之外，随着这些显微组织提高了强度，通常与强度提高成比例地降低缺口韧性。轧制钢材的细晶粒组织一般通过在低的热轧温度下控制轧制来得到。当减小晶粒尺寸时，如控制轧制，其对缺口韧性的有利影响超过沉淀硬化的有害影响。因而铌处理钢控制轧制可以得到极好的强度和韧性的组合。除了显微组织的影响之外，某些合金元素有固溶强化铁素体的作用。低合金高强度钢的耐大气腐蚀性能是由其本身的化学成分决定的。

　（一）碳

　　碳是很经济的强化元素之一。当金属极电弧焊需要避免焊接处附近热影响区的脆性时，一般应限制碳含量低于某个最大值。由于存在某些合金元素。所以可以会提高低合金高强度钢的淬透性，以致在热影响区内马氏体形成的趋势增加。碳含量愈高，马氏体型的组织愈硬。因而对于某一碳含量的低合金高强度钢可能需要低氢焊条和（或）预热，而对低碳钢则不需要。同样原因，当火焰切割低合金高强度钢时也可能需要预热和（或）切割后热处理。

　（二）锰

　　低合金高强度钢一般比碳素结构钢含锰量高。锰提高强度而且同时也提高缺口韧性。因为这些有利的影响，所以低合金高强度钢中经常含有1%或更高的锰。对于焊接用钢，根据其综合成分但主要是碳含量，该元素应控制在低于某一最大值。

　（三）磷

　　目前大量的耐大气腐蚀低合金高强度钢的磷含量范围为0.07%-0.15%。而且当钢中含有少量铜时，磷的作用大大增强，因此一定的磷和铜含量的组合对耐大气腐蚀性能的有利影响，比相应含量的任一单一元素的影响要大。

　　通过在铁素体中固溶，加入磷可提高钢的强度性能，但可能伴随有塑性降低。以前认为当磷含量超过约0.1%时将造成钢的脆性。然而，磷的脆化作用在很大程度上受碳含量的影响，而且当碳含量低于约0.15%时这种作用并不太明显，一些含磷牌号的热轧和冷轧薄钢板己被推荐用于汽车或结构用途。

　（四）铜

　　目前很多低合金高强度结构钢都含有铜，范围为0.20%-1.50%。在所有通常使用的提高耐大气腐蚀的合金元素中，铜是最有效的，在通用的碳素钢中加入最大约0.35%的铜其作用特别大。鉰含量增加到约1.00%时可以继续改善耐大气腐蚀性能，但是其作用并不像开始增加到约0.35%时那样显著。

　　铜通过强化铁素体适度提高低碳钢中碳钢的强度性能，且仅伴随有塑性稍有降低。铜至少增加到0.75%时才被认为对缺口韧性或焊接性能有小的影响。含有超过约0.60%铜的钢才能产生铁素体的沉淀硬化。含有约0.50%或更高含量铜的钢在热加工时经常出现“热脆”，所以在热变形时可能出现裂纹或有时称之为“发裂”的极粗糙的表面。加热时注意控制氧化作用和热加工时务必不能过热可以减少出现这些不希望的表面状态。此外，加入至少等于铜含量一半的镍对提高含铜钢的表面质量是非常有益的。

　（五）钒

　　钒是低合金高强度钢中广泛使用的强化元素。最高约0.12%的钒可提高强度而不会损害轧制钢材的焊接性能和明显降低其缺口韧性。因此，钒是大多数轧制型钢和厚板的低合金高强度钢的基本组成元素。

　　含钒钢是通过铁素体沉淀硬化和细化铁素体晶粒来强化的。热轧钢材由于钒所产生的晶粒细化是随热机械加工工艺的变化而改变的。除非使用相当低的终加工温度，否则一般不会产生晶粒细化。锰含量约1.0%或更高时可得到很有效的沉淀硬化和晶粒细化，氮含量约0.010%或更高时对促进氮化钒沉淀有很大作用。

　(六）铌

　　1957年前后当可以很经济地得到铌时，用铌作为低合金高强度钢的强化元素成为非常重要的手段。加入少量的铌可以有效地提高碳素钢的屈服点和抗拉强度。例如，加入0.02%的铌可以使碳含量0.20%的热轧钢材的屈服点提高约70-105MPa.然而，除非使用特殊的轧制工艺，否则提高强度将伴随有显著地降低缺口韧性。这种轧制工艺包括对终轧道次使用比正常温度低的温度。因此，热轧含铌低合金高强度钢通常仅限于较薄的厚板或薄板，其可以用特殊的轧制工艺经济地进行加工。

　　和含有钒一样，铌通过沉淀硬化和细化晶粒来强化，而且这些机理的作用受热加工工艺的变化和钢中存在其他合金元素的影响。

　（七）氮

　　低合金高强度钢的强度级别受氮含量的影响。典型的氮含量（约0.003%-0.012%，取决于炼钢工艺）对强度有明显的作用，而且当氮含量改变时，例如改变炼钢工艺，可能需要调整成分以达到规定的强度级别。普通碳素钢中加入最大约0.02%的氮己经用于作为非常经济的获得强度的方法，是典型的低合金高强度钢。对于碳素钢，这种方法一般仅限于轻型轧制钢材，因为提高强度可能伴随有缺口韧性降低。当钢含有强氮化物形成元素和对钢进行适当热处理时，一般没有有害的影响。然而，对含钒的低合金高强度钢中加入氮应特别注意 ，因为加入氮增强了沉淀硬化的过程。沉淀硬化往往伴随有缺口韧性降低，这可用较低的碳含量用使用能得到较细铁素体晶粒的生产工艺来克服，在低碳含量的情况下，用钒-氮强化以达到规定的强度级别可使焊接性能得到改善。

　（八）镍

　　在一些低合金高强度钢中加入最大约1.0%的镍。该元素通过铁素体固溶强化使强度适度提高。镍也可提高耐大气腐蚀性能，并且在与铜和（或）磷共同存在时还可提高海水潮湿条件下的耐腐蚀性能。通过加入镍来达到强化通常也使缺口韧性稍有提高。如前所述，含铜钢中加入镍可以克服热脆现象。

　（九）其他元素

　　除了上述分别叙述的元素之外，其他合金元素也以不同的含量加入低合金高强度钢中。这些合金元素中有硅、铬、钼、钛、锆和稀土。硅除了增强耐大气腐蚀性能外，由于铁素体硬化可适度提高强度。通常加入铬是为了得到良好的耐大气腐蚀性能。对正常热轧或正火的低合金高强度钢厚板和结构型钢加入钼是受到限制的，因为其对淬透性的强烈影响可导致地些低温相变产物（贝氏体和（或）马氏体）形成，该相变产物使钢的韧性很低。对某些含钼钢这些低温相变产物的有害影响可通过淬火和回火，或在厚板可热带轧机上采用特殊的控制轧制工艺予以消除。钛的作用与钒和铌相似，但由于其强的脱氧特性所以仅用于镇静钢。低合金高强度钢镇静钢中加入锆、钛和稀土以改善夹杂物的特性，主要是使硫化物成为圆形，从而提高横向弯曲性能或成形性能。