F— rMnW , 奥 氏体 钢的低温韧性 eC — ( V)

寒冷地区钢材的选用

钢结构基本原理及设计课程专题报告 严寒地区结构钢材的选用 专业土木工程 学号 学生 教师 日期

严寒地区结构钢材的选用（以铁塔为例进行说明）【摘要】提高寒冷地区抗脆断能力的要求，是为了使设计人员重视钢结构可能发生脆性破坏事故。由于对国产建筑钢材在不同工作条件下的脆断问题还缺乏深入研究，规范条文的内容主要来自前苏联的资料，同时亦参考了其他国内外的有关资料。前苏联严寒地区面积大，出现脆断事故的机会较多。根据对事故调查的结果，格构式桁架结构占事故总数的48%，而梁结构仅占18%，板结构占34%，可见桁架结构容易发生脆断。我国低温地区钢桁架、储液罐等也曾发生过脆断事故。这些资料在定量的规定上差别较大，很难直接引用，但在定性方面即概念设计中却有一些共同规律。因此规范在焊接构件的板厚、构造及结构施工等方面提出了防止脆断发生的措施。 【关键词】严寒地区钢材选用 1 严寒地区钢材选用问题的提出背景 在提出问题之前，首先有必要搞清楚各种温度区的准确定义。宏观上人们依据纬度的高低（更准确地说是地球在公转当中与太阳的关系）把地球自北向南划分为北寒带、北温带、热带、南温带、南寒带，我国绝大部分地区属于从北极圈（北纬66°30′）～北回归线（北纬23°30′）的北温带，属于温带气候；常规和习惯上依冬季的温度高低，人们又把温度区划为寒冷、严寒等地区，而各种温度区的划分和准确定义，均来自于国家标准《采暖通风与空气调节设计规范》（GBJ19－81）的2001 年版。为了对本文叙述的需要，并使读者了解各种温度划分的定义和标准，现将该国家规范的有关室外气象温度参数的标准定义内容介绍如下： 严寒地区：累年最冷月平均温度T≤－10℃的地区定义为严寒地区，我国东北、华北的北纬40°30′以上的地区（即大致鞍山－张家口－大同－呼和浩特连线以北）以及陕西省榆林、甘肃省山丹和青海省格尔木均属严寒地区。寒冷地区：累年（不少于3 年）最冷月平均温度－10℃＜T≤0℃的地区定义为寒冷地区。全国北纬超过34℃以上除严寒地区以外的所有地区（即大致陇海线以北）和西藏全境及四川的甘孜地区，均属寒冷地区；对承重钢结构钢材的选用，按照新版《钢结构设计规范》（GB50017－2003）的规定，要求同时有7 种考虑的因素，其中以应力状态、连接方法和工作温度三项最重要，所有因素都基于一个出发点，那就是要防止脆性破坏的发生，这对于钢结构来说是至关重要的。对处于不同地区的送电线路杆塔来说，其它六项如结构重要性、菏载特征、结构形式等其它几项均相同，唯一的区别，就是其工程所经地区的环境温度，在《钢结构设计规范》（GB50017－2003）中，是以结构工作温度为表征的。结构工作温度：按新版《钢结构设计规范》

常用钢材型号和性能特性(精)

国内钢材生产专家: 1分钟搞懂常用钢材型号、性能特性 45——优质碳素结构钢,是最常用中碳调质钢。 主要特征 : 最常用中碳调质钢,综合力学性能良好,淬透性低,水淬时易生裂纹。小型件宜采用调质处理,大型件宜采用正火处理。应用举例 : 主要用于制造强度高的运动件,如透平机叶轮、压缩机活塞。轴、齿轮、齿条、蜗杆等。焊接件注意焊前预热,焊后消除应力退火。 Q235A(A3钢——最常用的碳素结构钢。 主要特征 : 具有高的塑性、韧性和焊接性能、冷冲压性能,以及一定的强度、好的冷弯性能。应用举例 : 广泛用于一般要求的零件和焊接结构。如受力不大的拉杆、连杆、销、轴、螺钉、螺母、套圈、支架、机座、建筑结构、桥梁等。 40Cr——使用最广泛的钢种之一,属合金结构钢。 主要特征 : 经调质处理后,具有良好的综合力学性能、低温冲击韧度及低的缺口敏感性,淬透性良好,油冷时可得到较高的疲劳强度,水冷时复杂形状的零件易产生裂纹,冷弯塑性中等,回火或调质后切削加工性好,但焊接性不好,易产生裂纹,焊前应预热到 100~150℃ ,一般在调质状态下使用,还可以进行碳氮共渗和高频表面淬火处理。 国内钢材生产专家: 应用举例 :调质处理后用于制造中速、中载的零件,如机床齿轮、轴、蜗杆、花键轴、顶针套等,调质并高频表面淬火后用于制造表面高硬度、耐磨的零件,如齿轮、轴、主轴、曲轴、心轴、套筒、销子、连杆、螺钉螺母、进气阀等,经淬火及中温回火后用于制造重载、中速冲击的零件,如油泵转子、滑块、齿轮、主轴、套环等,经淬火及低温回火后用于制造重载、低冲击、耐磨的零件,如蜗杆、主

轴、轴、套环等,碳氮共渗处即后制造尺寸较大、低温冲击韧度较高的传动零件,如轴、齿轮等。 HT150——灰铸铁应用举例 :齿轮箱体,机床床身,箱体,液压缸,泵体, 阀体,飞轮,气缸盖,带轮,轴承盖等 35——各种标准件、紧固件的常用材料 主要特征 : 强度适当,塑性较好,冷塑性高,焊接性尚可。冷态下可局部镦粗和拉丝。淬透性低,正火或调质后使用应用举例 : 适于制造小截面零件, 可承受较大载荷的零件:如曲轴、杠杆、连杆、钩环等,各种标准件、紧固件 65Mn——常用的弹簧钢 应用举例 :小尺寸各种扁、圆弹簧、座垫弹簧、弹簧发条,也可制做弹簧环、气门簧、离合器簧片、刹车弹簧、冷卷螺旋弹簧,卡簧等。 0Cr18Ni9——最常用的不锈钢 (美国钢号 304,日本钢号 SUS304 国内钢材生产专家: 特性和应用 : 作为不锈耐热钢使用最广泛,如食品用设备,一般化工设备,原于能工业用设备 Cr12——常用的冷作模具钢 (美国钢号 D3,日本钢号 SKD1 特性和应用 : Cr12钢是一种应用广泛的冷作模具钢,属高碳高铬类型的莱氏体钢。该钢具有较好的淬透性和良好的耐磨性 ; 由于 Cr12钢碳含量高达 2.3%,所以冲击韧度较差、易脆裂,而且容易形成不均匀的共晶碳化物 ;Cr12钢由于具有良好的耐磨性,多用于制造受冲击负荷较小的要求高耐磨的冷冲模、冲头、下料模、冷镦模、冷挤压模的冲头和凹模、钻套、量规、拉丝模、压印模、搓丝板、拉深模以及粉末冶金用冷压模等 DC53——常用的日本进口冷作模具钢

二次正火温度对B+级钢低温韧性的影响

二次正火温度对B+级钢低温韧性的影响 在B级钢(ZG25MnNi)的基础上开发的B+级钢(ZG25MnCrNi)，具有优良的综合力学性能，是铁路货车转向架用钢。转向架是连接列车车轮和车厢的关键部件，而侧架和摇枕是转向架最大的承载件，对列车的安全性有着举足轻重的影响，对钢材的强度、韧性以及焊接性能等要求较高。随着我国经济的发展，提速、重载、安全运行已成为现代铁路运输业迅速发展的迫切需要。北方严寒、低温气候对B+级钢的低温韧性提出了更高的要求，亟待需要研究新的改善低温韧性的热处理工艺，以提高转向架运行的可靠性。 选择强韧性匹配良好的热处理工艺对于提高B+级钢的性能意义重大。有研究结果表明，二次正火可以改善显微组织，同时提高常温强度和低温冲击功。二次正火工艺，一般要求一次温度较高，使难溶成分溶于奥氏体、材料成分均匀化；二次正火采用较低温度，可获得均匀细小的奥氏体晶粒，以确保冷却后得到均匀细化的组织。二次正火工艺简单，成本相对较低，不需增加其他设备，生产中切实可行。本文采用二次正火工艺对B+级钢进行热处理，研究正火温度对B+级钢显微组织和力学性能尤其是低温冲击功的影响，为B+级钢制定合理的热处理工艺提供试验依据。 材料为某厂提供的铸态B+级钢基尔试棒，其主要化学成分(质量分数，%)为：0.25C，0.37Si，0.87Mn，0.017P，0.010S，0.39Cr，0.33Ni，0.14Cu。在箱式电阻炉中对铸态试样分别进行两次正火处理。一次正火温度950℃，保温30min，二次正火温度分别为800、870、910和950℃，保温时间均为30min。试样到温入炉，保温后出炉冷却。现行B+级钢的热处理工艺中，910℃一次正火，强度与塑性、韧性指标配合最佳。为了比较二次正火和一次正火对B+级钢组织与力学性能的影响，选用正火温度910℃，保温30min的一次正火作参比试验。 结果显示，二次正火后，B+级钢的组织为均匀分布、细小的铁素体+珠光体，强度和低温冲击功均有增加。随二次正火温度的升高，低温冲击功先升高后降低。二次正火的温度不宜过高，否则将导致低温冲击功降低。亚温二次正火对提高低温冲击功作用不大。B+级钢经950℃×30min正火+870℃×30min正火，可获得优良的强韧性配合。

低温钢材的韧性要求

低温钢材的韧性要求 （1）试验方法 低温压力容器及其受压元件所采用的钢材，必须进行低温夏比（V形缺口）冲击试验。 钢材的冲击试验方法，应符合GB 4159《金属低温夏比冲击试验方法》的有关规定。冲击试样按GB 2106《金属夏比V形缺口冲击试验方法》规定的 10mm×10mm×55mm标准试样。若无法制备标准试样时，也可采用 7.5mm×10mm×55mm、5mm×10mm×55mm的小尺寸试样，小尺寸试样的试样宽度一般应不小于钢材名义厚度的80%。试样的缺口应沿厚度方向（棒材沿径向）切取，并以3个试样为1组。 （2）取样规则 根据需要，钢材可按批进行冲击试验取样，其分批要求及试样截取应遵循以下规定。 ①钢板每批钢板由同一牌号、同一炉罐号、同一规格和同一热处理制度组成。每批钢板质量按厚度分类：6-16mm钢板应不大于15t；大于16mm钢板应不大于25t。每批取1组试样，试样方向为横向。 ②钢管每批钢管由同一牌号、同一炉罐号、同一规格和同一热处理制度组成。每批钢管按直径分类： 外直径大于351mm的钢管每批不超过50根；外直径小于或等于351mm 的钢管每一批不超过200根。在每批中的任意两根钢管上各取1组试样。 用于制造容器圆筒，且厚度大于16mm的钢管，按批抽10%，且不少于两根，每根取1组试样。 取样位置应靠近钢管内壁，一般为纵向，对大直径厚壁管可沿切向取样。缺口应沿厚度方向切取。

③锻件按照JB 4727《低温压力容器用碳素钢和低合金锻件》规定的取样数 量和取样部位切取试样。 ④钢棒每批钢棒由同一牌号、同一炉罐号、同一尺寸、同炉热处理组成。在经最终热处理的每批钢棒中任选两根，各取1组试样。试样方向为纵向，试样的纵轴应尽量位于钢棒半径的处。 （3）试验温度 低温压力容器用钢的冲击试验温度必须小于或等于容器或其受压元件的设计温度。当容器或其受压元件使用在低温应力工况时，钢材的冲击试验温度必须小于或等于调整后的设计温度。 （4）冲击功指标 钢材试验温度下的冲击功指标，按钢材标准规定的最低抗拉强度确定，具体要求必须满足表13-4的规定。小试样的冲击功指标根据试样宽度按比率缩减。 表13-4低温夏比（V形缺口）冲击试验最低冲击功规定值 钢材标准的最低抗拉强度 σb/Mpa ≤4503个试样的冲击功平均值钢材标准的最低抗拉 (10mm×10mm×55mm) 18强度σb/Mpa ＞515-6503个试样的冲击功平均值(10mm×10mm×55mm)27＞450-51520奥氏体钢焊接接头区31注： 1、试验温度下3个试样的冲击功平均值不得低于表中规定；其中单个试样的冲击功可小于平均值，但不得小于平均值的70%。

材料的冲击韧性

材料的冲击韧性 一、冲击韧性的定义 冲击韧性：当试验机的重摆从一定高度自由落下时，在试样中间开V型缺口，试样吸收的能量等于重摆所作的功W。若试件在缺口处的最小横截面积为A，则冲击韧性αk为： 式中αk的单位为J/cm2 。 冲击实验有两种：V型和U型，一般情况下V 型冲击功测的数据小于U 型的冲击功值。 钢材的冲击韧性越大,钢材抵抗冲击荷载的能力越强。αk值与试验温度有关。有些材料在常温时冲击韧性并不低，破坏时呈现韧性破坏特征。但当试验温度低于某值时，αk突然大幅度下降，材料无明显塑性变形而发生脆性断裂，这种性质称为钢材的冷脆性 冲击韧性是一个对材料组织结构相当敏感的量,所以提高材料的冲击韧性的途径有:改变材料的成分,如加入钒,钛,铝,氮等元素,通过细化晶粒来提高其韧性,尤其是低温韧性;提高材料的冶金质量,减少偏析,夹渣等。 二、缺口冲击试验的应用 缺口冲击韧性试验的应用，主要表现在两方面： 1．用于控制材料的冶金质量和铸造，锻造，焊接及热处理等热加工工艺的质量。

2．用来评定材料的冷脆倾向。而评定脆断倾向的标准常常是和材料的具体服役条件相联系的。在这种情况下所提出的材料冲击韧性值要求，虽然不是一个直接的服役性能，但应理解为和具体服役条件有关的性能指标。 材料因温度的降低导致冲击韧性的急剧下降并引起脆性破坏的现象叫作冷脆。可将材料的冷脆倾向归结为3种类型，如图2-15所示。 三．冷脆转化温度的评定 工程上希望确定一个材料的冷脆转化温度，在此温度以上只要名义应力还处于弹性范围，材料就不会发生脆性 破坏。在冷脆转化温度的确定标准 一旦建立之后，实际上是按照冷脆 转化温度的高低来选择材料。例如， 有两种材料A和B，在室温以上A 的冲击韧性高于B，但当温度降低 时，A的冲击韧性就急剧下降了，如 按冷脆转化温度来选择材料时应选 材料B，见图2-16。

超高强度钢

超高强度钢 超高强度钢一般是指屈服强度大于1380MPa的高强度结构钢。20世纪40年代中期，美国用AISI4340结构钢通过降低回火温度，使钢的抗拉强度达到1600～1900MPa。50年代以后，相继研制成功多种低合金和中合金超高强度钢，如300M、D6AC和H一11钢等。60年代研制成功马氏体时效钢，逐步形成18Ni马氏体时效钢系列，70年代中期，美国研制成功高纯度HP310钢，抗拉强度达到2200MPa。法国研制的35NCDl6钢，抗拉强度大于1850MPa，而断裂韧度和抗应力腐蚀性能都有明显的改进。80年代初，美国研制成功AFl410二次硬化 型超高强度钢，在抗拉强度为1860MPa时，钢的断裂韧度达到160 MPa·m以上，AFl410 钢是目前航空和航天工业部门正在推广应用的一种新材料。 中国于50年代初研制成功30CrMnSiNi2A超高强度钢，抗拉强度为1700MPa。70年代初，结合中国资源条件，研制成功32Si2Mn2MoVA和40CrMnSiMoVA(GC一4)钢。1980年以来，从国外引进新技术，采用真空冶炼新工艺，先后研制成功45CrNiMoVA (D6AC)、34Si2MnCrMoVA (406A)、35CrNi4MoA、40CrNi2Si2MoVA(300M)和18Ni马氏体时效钢，成功地用于制做飞机起落架、固体燃料火箭发动机壳体和浓缩铀离心机简体等。目前超高强度钢已形成不同强度级别系列，在国防工业和经济建设中发挥着重要的作用。 现在，以改变合金成分提高超高强度钢的强度和韧性已很困难。发展超高强度钢的主要方向是开发新工艺、新技术，提高冶金质量，如采用真空冶炼技术，最大限度降低钢中气体和杂质元素含量，研制超纯净超高强度钢；通过多向锻造和形变热处理，改变钢的组织结构和细化晶粒尺寸，从而提高钢的强度和韧性，例如正在发展的相变诱发塑性钢(TRIP钢)等。 一超高强度钢的合金成分、组织和特性 (1)中碳低合金超高强度钢此类钢是通过淬火和回火处理获得较高的强度和韧性，钢的强度主要取决于钢中马氏体的固溶碳浓度。含碳量增加，钢的强度升高；而塑性和韧性相应降低。因此，在保证足够强度的原则下，尽可能降低钢中含碳量，一般含碳量在0.30～0.45％。钢中合金元素总量约在5％左右，Cr、Ni和Mn在钢中的主要作用是提高钢的淬透性，以保证较大的零件在适当的冷却条件下获得马氏体组织，Mo、W和v的主要作用是提高钢的抗回火能力和细化晶粒等。几种典型钢种的化学成分如表2·12．1。 该类钢通过淬火处理，在Ms点温度以下发生无扩散相变，形成马氏体组织。采用适宜的温度进行回火处理，析出ε—碳化物，改善钢的韧性，获得强度和韧性的最佳配合。提高回火温度(250—450℃回火)时，板条马氏体的ε—碳化物发生转变和残留奥氏体分解形成Fe3C渗碳体，钢的韧性明显下降，此现象称为回火马氏体脆性。产生此种回火脆性的原因主要是由于钢中的硫、磷等杂质元素在奥氏体晶界偏聚和渗碳体沿晶界分布，降低了晶界结合强度。300M钢等含有1.5％硅，能有效地仰制ε—碳化物转变和残留奥氏体分解，使钢的回火马氏体脆性温度提高到350～500℃。硅在钢中只能提高回火马氏体脆性区的温度，但

低温钢

低温钢 适于在0℃以下应用的合金钢。能在-196℃以下使用的，称为深冷钢或超低温钢。低温钢主要应具有如下的性能：①韧性－脆性转变温度低于使用温度；②满足设计要求的强度； ③在使用温度下组织结构稳定；④良好的焊接性和加工成型性；⑤某些特殊用途还要求极低的磁导率、冷收缩率等。低温钢按晶体点阵类型一般可分为体心立方的铁素体低温钢和面心立方的奥氏体低温钢两大类。 铁素体低温钢一般存在明显的韧性－脆性转变温度，当温度降低至某个临界值（或区间）会出现韧性的突然下降。附图表示含碳 0.2％碳钢冲击值与温度的关系,其转变温度在-20℃左右。因此，铁素体钢不宜在其转变温度以下使用，一般需加入Mn、Ni等合金元素，降低间隙杂质，细化晶粒，控制钢中第二相的大小、形态和分布等,使铁素体钢的韧性-脆性转变温度降低（见金属的强化）。 铁素体低温钢按成分分为三类：①低碳锰钢(C0.05～0.28％,Mn0.6～2％)。使Mn/C≈10，降低氧、氮、硫、磷等有害杂质，有的还加入少量铝、铌、钛、钒等元素以细化晶粒。这类钢最低使用温度为－60℃左右。②低合金钢。主要有低镍钢(Ni2～4％)、锰镍钼钢(Mn0.6～1.5％,Ni0.2～1.0％，Mo0.4～0.6％，C≤0.25％)、镍铬钼钢 (Ni0.7～3.0％，Cr0.4～2.0％，Mo0.2～0.6％，C≤0.25％)。这些钢种的强度高于低碳钢，最低使用温度可达-110℃左右。中国研制了几种节镍的低温用低合金钢如09Mn2V等。③中（高）合金钢。主要有 6％Ni钢、9％Ni钢、36％Ni钢，其中9％Ni钢是应用较广的深冷用钢。这类高镍钢的使用温度可低至-196℃。 奥氏体低温钢具有较高的低温韧性，一般没有韧性－脆性转变温度。按合金成分不同，可分为三个系列：①Fe-Cr-Ni系。主要为18-8型铬镍不锈耐酸钢。这种钢低温韧性、耐蚀性和工艺性均较好，已不同程度地应用于各种深冷(-150～269℃)技术中。②Fe-Cr-Ni-Mn和Fe-Cr-Ni-Mn-N 系。这类钢种以锰、氮代替部分镍来稳定奥氏体。氮还有强化作用，使钢具有较高的韧性、极低的磁导率和稳定的奥氏体组织，适用于作超低温无磁钢（即材料的磁导率很小）。如0Cr21Ni6Mn9N和0Cr16Ni22Mn9Mo2等在-269℃作无磁结构部件。③Fe-Mn-Al系奥氏体低温无磁钢。是中国研制的节约铬、镍的新钢种，如15Mn26Al4等可部分代替铬镍奥氏体钢,用于-196℃以下的极低温区。如能改善这种钢的抗化学腐蚀能力，还可扩大其应用范围。 使用范围低温钢在石油气深冷分离设备中，绝大部分的最低使用温度为-110℃,个别设备中达-150℃,可分别采用低合金钢、3～6％镍钢或 9％镍钢。在空气分离设备中，最低工作温度达-196℃,一般采用9％镍钢或奥氏体低温钢。工作温度为-253℃的液氢生产、贮运设备，工作温度为-269℃的液氦设备，均应采用组织结构稳定的奥氏体低温钢。而某些特殊设备如超导磁体或超导电机，宜采用在工作温度以下除有稳定的奥氏体组织外,还要能保持极低磁导率(μ)≤1.01或更低）的钢种。 一些具有较高低温韧性的铁镍基和镍基高温合金如A-286、Inconel718、InconelX-750 等也常用于需要高强度的低温设备上。

低温钢概述

20世纪30年代以来，国外发生过多次桥梁构件脆断的事故。分析表明，金属或合金在低于某个临界温度的条件下，韧性急剧降低，性质变脆。这个温度(实际上足一个温度范围)叫做脆性临界转变温度。随着科学技术的发展，为了适应低温的要求，人们研制了各种低温钢。 钢的低温机械性能与它的晶体结构有很大关系，几乎所有钢种的强度、硬度和弹性模量都随着温度的降低而提高。而大部分钢的塑性和韧性却随温度的降低有不同程度的降低。其中，一类钢种随着温度下降，屈服强度迅速提高到强度极限的数值，从而转向脆性破坏；另—类钢种则随着温度的下降，其强度提高，而塑性和韧性指标仍保持较高数值。前者通常具有体心立方晶格，叫做冷脆体：后者一般具有面心立方晶格，叫做非冷脆体。因此，具有面心立方晶格的金属材料，如奥氏体不锈钢，在低温技术中首先得到应用。随着对低温钢需求量的增大和使用温区的多样化，各国已研制出许多低合金低温钢。 对于低温钢的技术要求一般是：在低温下具有足够的强度和充分的韧性，具有良好的工艺性能、加工性能和耐腐蚀性等。其中低温韧性，即低温下防止脆性破坏发生和扩展的能力是最重要的因素。所以，各国通常都规定出最低温度下的一定的冲击韧性值。 在低温钢成分中，一般认为，碳、硅、磷、硫、氮等元素使低温韧性恶化，其中磷的危害最大，所以在冶炼中应早期低温脱磷。锰、镍等元素能使低温韧性提高。每增加1%的镍含量，脆性临界转变温度约可降低20℃左右。 低温钢一般在碱性感应电炉、电弧炉中进行冶炼。出钢温度和浇铸温度均不宜过高，过高的出钢温度会使钢水中气体增多：过高的浇铸温度则导致晶粒粗大，因而降低低温韧性。 热处理工艺对低温钢的金相组织和晶粒度有决定性影响，从而也影响钢的低温韧性。经过调质处理后的低温韧性有明显的提高。 根据热加工成型方式的不同，低温钢可分为铸钢和轧材两种。根据成分和金相组织的区别，低温钢可分为：低合金钢、6％镍钢、9％镍钢、铬—锰或铬—锰—镍奥氏体钢以及铬—镍奥氏体不锈钢等。低合金钢一般在一100℃左右的温区内使用，用于制造冷冻设备、运输设备、乙烯地上贮藏室和石油化工设备等。在美国、英国、日本等国家，9％镍钢广泛应用于一196℃的低温结构上，如保存、运输液化沼气和甲烷的贮罐、贮存液氧、制造液氧和液氮的设备等。奥氏体不锈钢是非常优良的低温用结构材料，它的低温韧性好、焊接性能优良、导热率低，在低温领域里得到广泛应用，用于液氢、液氧的运输罐车和贮罐等。但是，由于它含铬、镍较多，因而比较昂贵。 随着低温技术的发展，一定会有更多更好的低温钢问世。 适于在0℃以下应用的合金钢。能在-196℃以下使用的，称为深冷钢或超低温钢。低温钢主要应具有如下的性能：①韧性－脆性转变温度低于使用温度；②满足设计要求的强度；③在使用温度下组织结构稳定；④良好的焊接性和加工成型性；⑤某些特殊用途还要求极低的磁导率、冷

Q235钢的强韧性综合实验

Q235钢改性综合实验论文 孙菲 （齐鲁工业大学机械与汽车工程学院201301021026） 摘要： 在Q235钢的热处理实验中，通过四种不同的淬火条件（水冷淬火、60℃水浴淬火到400℃、60℃水浴淬火到300℃、60℃水浴淬火到200℃）对三种试样进行不同温度（200℃、250℃、300℃）的回火处理。并将热处理后的硬度试样进行磨制、抛光、腐蚀，然后在显微镜中观察每一个试样的金相组织图片；将热处理后的拉伸试样进行拉伸处理，记录每一根试样的延伸率、抗拉强度等；将热处理后的韧性试样进行打击韧性处理，记录每一根试样被打击后吸收的能量。实验显示：通过热处理工艺Q235钢的组织结构发生变化，强度和韧性得到提高；普通水冷淬火后在低温回火时Q235钢的强度、韧性和硬度均高于水浴淬火后在低温回火的强度、韧性和硬度。 关键词：Q235钢的性能；热处理；水浴淬火；强度和韧性 Abstract： Through four different quenching conditions(water quenching and60 DEG C water bath quenching to400DEG C and60DEG C water bath quenching to300DEG and60DEG C water bath quenching to200DEG C)of three samples of(200DEG C,the temperature of250DEG,300DEG C)at different temperature and tempering treatment in Q235steel heat treatment experiments.And heat treatment the hardness of samples for grinding, polishing,etching,and then observe every specimen microstructure pictures in the microscope.After heat treatment,the tensile process, record each root sample elongation and tensile strength of the;against the toughness of treatment after heat treatment of toughness specimen, the record of each root sample was hit after the absorption of energy. Experiments show that by heat treatment process of Q235steel structure change,the strength and toughness is improved;ordinary water quenched at low temperature tempering of Q235steel strength,toughness and hardness were higher than that of water bath quenching after in low temperature tempering strength,toughness and hardness. Keywords:properties of Q235steel;heat treatment;water quenching; strength and toughness

钢材在低温、中温、高温下-性能不同

3.3.1 温度 不同用途的压力容器的工作温度不同。 钢材在低温、中温、高温下，性能不同。高温下，钢材性能往往与作用时间有关。 介绍几种情况的影响: 一、短期静载下温度对钢材力学性能的影响 1、高温下 在温度较高时，仅仅根据常温下材料抗拉强度和屈服点 来决定许用应力是不够的，一般还应考虑设计温度下材 料的屈服点。 2、低温下 随着温度降低，碳素钢和低合金钢的强度提高，而韧性 降低。当温度低于20℃时，钢材可采用20℃时的许用应 力。 韧脆性转变温度——（或脆性转变温度） 当温度低于某一界限时，钢的冲击吸收功大幅度地下 降，从韧性状态变为脆性状态。这一温度常被称为韧脆 性转变温度或脆性转变温度。 图3-3 温度对低碳钢力学性能 的影响 (图3-4 低碳钢冲击吸收功和温度的关系曲线) 低温变脆的金属：具有体心立方晶格的金属如碳素钢和低合金钢。

低温仍有很高韧性的金属：面心立方晶格材料如铜、铝和奥氏体不锈钢，冲击吸收功随温度的变化很小，在很低的温度下仍具有高的韧性。 二、高温、长期静载下钢材性能 蠕变现象：在高温和恒定载荷的作用下，金属材料会产生随时间而发展的塑性变形，这种现象被称为蠕变现象。 一定的应力作用下，碳素钢（>420度）合金钢(>400-500度)时发生蠕变。 蠕变的危害:蠕变的结果是使压力容器材料产生蠕变脆化、应力松弛、蠕变变形和蠕变断裂。因此,高温压力容器设计时应采取措施防止蠕变破坏发生。 1、蠕变曲线 蠕变曲线三阶段：减速蠕变，恒速蠕变， 加速蠕变。 oa线段——试样加载后的瞬时应变。 a点以后的线段——从a点开始随时间增 长而产生的应变才属于蠕变。蠕变曲线上 任一点的斜率表示该点的蠕变速率。 ab为蠕变的第一阶段: 即蠕变的不稳定阶段，蠕变速率随时间的 增长而逐渐降低，因此也称为蠕变的减速 阶段。 bc为蠕变的第二阶段: 图3-5 蠕变应变与时间的关系

钢材技术要求

1.碳素结构钢 指各种钢结构中采用的结构钢和工程用热轧钢板、型钢等。现行国家标准为《碳素结构钢》（GB700-88）。 牌号及其表示方法如下动画中所示。 Q235-AF: 屈服强度是235 MPa，A 级，沸腾钢。 碳素结构钢的技术要求 1.化学成分 2.力学性质 3.冶炼方法 4.交货状态 5.表面质量 化学成分 各种不同牌号的碳素结构钢的化学成分应符合GB700-88的要求。 力学性能 碳素结构钢的拉伸和冲击试验指标应符合下表规定：碳素结构钢的力学性能指标

冷弯试验 碳素结构钢的冷弯试验指标（GB700-88）。 各类牌号钢材的性能 牌号与性能的关系 根据国家标准GB700-88的规定，碳素结构钢按屈服点分为五个牌号如表7.5.1 和表7.5.2所示,当牌号增大时，钢材的含碳量提高，伸长率 降低，冷弯性能也降低. 质量等级：取决于钢材内有害杂质S、P的含量，钢材的质量好，其焊接性能和低温抗冲击性能也提高。 碳素结构钢的选用

建筑钢结构中最常用的牌号为Q235(综合性能符合建筑工程的要求)。 因为Q235钢既有较高的强度，又有良好的塑性和韧型，如：B、C、D等，可焊接性也很好，能满足一般钢结构用钢的要求。Q235的C级和D级钢，其S和P的含量低，所以主要用作重要的焊接结构。尤其适用于低温条件 下，受冲击荷载作用的焊接钢结构。Q195及Q215：强度低，但塑性和韧 性好，易冷加工，在轧制、焊接加工成受冲击或偶然荷载等情况下，能保 证安全使用。Q255及Q275：强度高，但塑性和韧性差，可焊接差，不 易冷加工；可用作混凝土配筋和钢结构中的构件及螺栓（常用在机械零件 及工具中）。 选用钢材，主要根据工程结构的重要性、荷载类型、焊接要求及使用环境温度等条件选择。 低合金高强度结构钢 定义 在碳素结构钢的基础上，添加少量的一种或几种合金元素，合金元素的总含量小于5%的结构钢。常用的合金元素有：Si、Mn、Ti、Nb、V和C等。 牌号及其表示方法 现行国家标准《低合金结构钢》（GB1591-94）共有5个牌号：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。 低合金高强度结构钢的化学组成(GB1591-94) 如表7.5.4所示。低合金高 强度结构钢的力学性能(GB1591-94) 如表7.5.5所示。 如表7.5.5所示，低合金钢的强度大大高于碳素结构钢，并且具有良好的塑性和韧性、耐磨性、耐蚀性及耐低温性也好于碳素钢，其生产工艺 和成本都与碳素钢相近，比采用碳素结构钢节省钢材，而且可以减轻自重，延长使用寿命，尤其适用于大跨度结构和桥梁工程等。

GT35钢-高韧性粉末高速钢的特性和应用

GT35钢-高韧性粉末高速钢的特性和应用 （1）模具钢的特性新型含TiC硬质相的钢结硬质合金，是一种高韧性粉末高速钢，具有高耐磨粒磨损、、高韧性、高抗压强度，有较高的硬度和耐磨性，但不耐高温和腐蚀，淬火状态硬度69～73HRC，=1400～1800MPa，冲击韧性值6J／cm2。 强度σ bb 东莞弘超模具钢材钢结硬质合金是用粉末冶金的方法制造的铬钼合金钢，其中钢为黏结相，TIC为硬质相。它的性能介于钢与硬质合金之间，可进行淬火等热处理，因此加工硬质合金方便，而硬质比钢却高很多。 具有硬质合金的高硬度、高耐磨性及高耐腐蚀性，又具有钢的加工性、锻压性、焊接性及热处理性。 ⑵供货状态硬度38～46HRC。 ⑶典型化学成分（质量分数，%）C0.5、Cr2.0、Mo2.0、余为Fe，硬质相TIC的含量约为35％。 ⑷典型应用举例 ①可用于冷挤压模凹模，推荐硬度65～67HRC，模具寿命很高。每打光一次凹模，可连续拉伸1000件工件。而同样情况下，Cr12MoV 钢仅为数十件。 ②可用于钢板冷冲模具，当批量大于100万件，被冲材料为δ＜1mm的软态低碳钢板。 ③含80%镍的特殊合金材料，在退火状态的硬度值为130HBS，极易与模具表面发生强烈的咬合，采用Cr12MoV钢（硬度为59～61HRC）

制作的凹模，每拉伸十余件，模具表面就出现咬合拉毛现象；当使用特殊润滑剂以后，也只能拉伸数十件，只好将凹模卸下抛光，否则，将使工件拉毛；在采用CT35型钢结硬质合金制作凹模以后，硬度为65～67HRC，大大减少咬合倾向，每打光一次凹模，可连续拉伸近1000个工件。 ④适用于各种冷挤、冷冲、冷镦和冷剪模具。 ⑤镗杆、轧辊、液压工具及卡具、量具等。 ⑥重载荷、形状复杂的大、中型模具。

神奇的低温材料

神奇的低温材料 外国语学院 宋超 【关键词】拿破仑的纽扣 冷脆 低温材料 材料化学 一．从拿破仑的纽扣讲起 1812年，在欧洲大陆上取得了一系列辉煌胜利的拿破仑兵败俄罗斯。世人往往将其失败归结为战线拖得太长、后勤供应不上。但加拿大著名化学家潘妮·拉古德所著《拿破仑的纽扣：改变历史的16个化学故事》中提到，一个简单的化学反应很有可能对拿破仑的失败起了重要作用。 拿破仑军的军服上，采用的是锡制纽扣。锡是一种坚硬的金属,然而它有3种同素异形体——白锡、脆锡和灰锡。在常温下，我们通常所看到的锡是银白色的白锡，白锡坚硬且稳定，而在低温下（13.2摄氏度以下），白锡可以开始发生化学反应而变成粉末状的灰锡。 Sn(s、灰)Sn(s、白);△H＝＋2.1kJ/mol 白锡为银白色金属，有延展性，为四方晶系，密度为7.31g/cm3 灰锡为金刚石形立方晶系，密度为5.75g/cm3 灰锡比白锡密度小，因此低温下白锡体积膨胀，锡上会出现一些粉状小点，然后会出现一些小孔，最后其边缘会分崩离析。如果温度急剧下降到零下33摄氏度时，就会产生锡疫（tin plague），晶体锡会变成粉末锡。 由于衣服上没有了纽扣，数十万大军在冰天雪地中敞开着衣服，许多人被活活冻死，还有一些人得病而死。潘尼道：“毫无疑问，1812冬天的寒冷温度是造成拿破仑征俄大军崩溃的主要因素，而锡在低温度下可变的特性，正是拿破仑士兵被迫披上这些古怪衣服的真正原因。” 类似的案例也发生在了1867年冬天的俄国。当气温达到零下38摄氏度以下，彼得堡海军仓库里发生了一件怪事：堆在仓库内的大批锡砖全部变成了灰色粉末。而从仓库里取出军大衣发给士兵时，发现纽扣都不见了，同样只留下一些灰色粉末。 而在1912年，英国探险家斯科特率领一支探险队，在携带了大量给养的情况下冻死在了南极。原来，斯科特一行人在返回的路上发现，储藏库里的装煤油的铁桶上有裂缝，煤油已经全部漏完了。后来科学家们经过反复研究终于发现，原来盛煤油的铁桶是用锡焊的，当锡变成粉末时，煤油就顺着缝隙流出来了。 二．金属的低温冷脆断裂 随着科技的发展与认识的深入，人们也许不会再犯锡纽扣这样的错误，合金、有机高分子材料、复合材料等的大量使用，使得我们的选择越来越多。也许在今天看来，拿破仑的军队用锡做纽扣是可笑的。可必须考虑到：世界上最早的人工塑料是19世纪60年代的美国人发明的，当时只是将其用作制造台球，而塑料纽扣的应用还要等到20世纪20年代。在19世纪初的法国人看来，锡的确是最合适的纽扣材料了。 现今，人类所追求的低温已经不再是零下几十度，它正在向绝对零度发展。于是，我们对低温材料的要求也日益增加，而其面临的问题，也涉及到了更加深层次的微观结构变化。

高韧性耐磨钢板

一直以来耐磨钢板被广泛应用于工作条件恶劣，要求强度高、采矿、建筑、农业、水泥生产、港口、耐磨性好的工程、电力及冶金等机械产品上，为了适应严酷的工作环境，提高设备的使用寿命，具有更好的强韧性耐磨钢板被使用，受到很多行业的认可。 其综合性能如下： 1.很高的耐磨性能： 耐磨钢板耐磨层厚度3-12㎜，耐磨性能是普通钢板的15-20倍以上，是低合金钢板性能5-10倍以上，是高铬铸铁耐磨性能2-5倍以上，耐磨性远远高于喷焊和热喷涂等方法。 2.较好的冲击性能： 耐磨钢板是双层金属结构，耐磨层和基材之间是冶金结合，结合强度高，可在受冲击的过程中吸收能量，耐磨层不会脱落，可以应用到振动、冲击较强的工况条件下，这一点是铸造耐磨材料和陶瓷材料所不及的。 3.很好的耐温性能： 耐磨钢板合金碳化物在高温下有很强的稳定性能，耐磨钢板可以在500℃内使用，其他

特殊要求温度可以定制生产，能够满足1200℃以内条件下使用；陶瓷、聚氨脂、高分子材料等采取粘贴方式耐磨材料无法满足如此高温要求。 4.很好的连接性能： 耐磨钢板基材是普通钢板，保证耐磨钢板具有韧性和塑性，提供抵抗外力的强度，可以采取焊接、塞焊、螺栓连接等多种方式和其他结构进行联系，连接牢固，不容易脱落，连接方式多于其他材料； 5.很好的选择性能： 耐磨钢板选择不同厚度基材，堆焊不同层数和厚度的合金耐磨层，可以得到不同厚度和不同用途的钢板，最大厚度可达到30㎜以上； 6.很好的加工性能： 耐磨钢板能够按要求加工成不同规格尺寸，可以进行加工、冷弯成型、焊接、弯曲等，方便使用；可以现场拼焊成型，使维修更换工作变得省时、方便，大大降低工作强度。 7.很好的性价格比：

低温钢

低温钢概述 低温用钢的种类、成分及性能 低温用钢分4个温度级别：－20～40℃、－50～80℃、－100～110℃、－196～269℃。主要用于液化石油气及液化天然气等的贮存运输容器，以及海洋石油工程结构等。 1．中合金低碳马氏体型低温钢 合金元素总含量5％～10％，组织取决于热处理制度。9Ni钢为典型钢种，有两种常用热处理制度，一种是900℃正火加790℃正火加570℃回火；另一种是800℃水淬加570℃回火。淬火后组织为低碳马低体，正火后组织为低碳马氏体加铁素体加少量高碳奥氏体。9Ni钢在－196℃低温下具有优良的韧性。磷会增9Ni钢回火脆性的敏感性，应严格控制。5Ni钢主要通过化学成分的最佳化以及三级热处理方法来控制组织，使之在－162℃乃至－196℃低温下具有与9Ni 钢相近的强度和韧性。 2．高合金奥氏体型低温钢 合金元素总含量＞10％，组织为奥氏体，具有极为优良的低温韧性，在－196～296℃低温下仍保持相当高的韧性。含铬镍奥氏体型低温钢含Cr18%和 Ni9%，无铬镍奥氏体型低温钢含M23%～26％，A1%～4%，两者的低温钢韧性相近。一般均在固溶处理后使用。 低温钢锻件 表11-1 中国常用钢号 (一）20D 钢锻件 表11-2 钢的化学成分 表11-3 钢锻件的常温拉伸和低温冲击性能

表11-4 钢锻件的许用应力 （二）16MnD 钢锻件 表11-5化学成分 表11-6 钢锻件的常温拉伸和低温冲击性能 表11-7 钢锻件的许用应力 （三）09Mn2VD 钢锻件 表11-8化学成分 表11-9 钢锻件的常温拉伸和低温冲击性能

表11-10 钢锻件的许用应力 （四）09MnNiD 钢锻件 表11-11化学成分 表11-12 钢锻件的常温拉伸和低温冲击性能 表11-13 钢锻件的许用应力 （五）16MnMoD 和20MnMoD 钢锻件 表11-14 钢的化学成分 表11-15 钢锻件的常温拉伸和低温冲击性能

WH70焊接结构用高强韧性钢板

WH70焊接结构用高强韧性钢板 1 WH70钢板范围 本标准规定了焊接结构用高强韧性钢板的尺寸、外形、重量及允许偏差、技术要求、试验方法、检验规则、包装、标志及质量证明书。 本标准适用于厚度为8-60mm、屈服强度级别550MPa的钢板，本标准中的钢板共包括四个质量等级（B、C、D、E). 2 WH70钢板规范性引用文件 下列文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单（不包括勘误的内容）或修订版均不适用于本标准。然而，鼓励根据本标准达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。 GB/T222 钢的成品化学成分允许偏差 GB/T223.3 钢铁及合金化学分析方法二胺替呲啉甲烷磷钼酸重量法测定磷量 GB/T223.11 钢铁及合金化学分析方法过硫酸铵氧化容量法测定铬量 GB/T223.14 钢铁及合金化学分析方法钽试剂萃取光度法测定钒含量 GB/233.23 钢铁及合金化学分析方法丁二酮污分光光度法镍量 GB/1223.16 钢铁及合金化学分析方法变色酸光度法测定钛量 GB/T223.18 钢铁及合金化学分析方法硫代硫酸钠分离一碘量法测定铜量 GB/T223.24 钢铁及合金化学分析方法萃取分离二丁二酮污分光光度法测定镍量 GB/T223.26 钢铁及合金化学分析方法硫氰酸盐直接光度法测定钼量 GB/T223.27 钢铁及合金化学分析方法硫氰酸盐-乙酸丁酯萃取分光光度法测定钼量 GB/T223.39 钢铁及合金化学分析方法氯磺酚S光度法测定铌量 GB/T223.54 钢铁及合金化学分析方法火焰原子吸收分光光度法测定镍量 GB/T223.58 钢铁及合金化学分析方法亚砷酸钠-亚硝酸钠滴定法测定锰量 GB/T223.59 钢铁及合金化学分析方法锑磷钼蓝光度法测定磷量 GB/T223.60 钢铁及合金化学分析方法高氯酸脱水重量法测定硅量 GB/T223.61 钢铁及合金化学分析方法磷钼酸铵容量法测定磷量 GB/T223.62 钢铁及合金化学分析方法乙酸丁酯萃取光度法测定磷量 GB/T223.63 钢铁及合金化学分析方法高碘酸钠（钾）光度法测定锰量 GB/T223.64 钢铁及合金化学分析方法火焰原子吸收光谱法测定锰量 GB/T223.67 钢铁及合金化学分析方法还原蒸馏一次甲基蓝光度法测定硫含量 GB/T223.68 钢铁及合金化学分析方法管式炉内燃烧磺酸钾滴定法测定硫含量 GB/T223.69 钢铁及合金化学分析方法管式炉内燃烧后气体容量法测定碳含量 GB/T223.71 钢铁及合金化学分析方法管式炉内燃烧后重量法测定碳含量 GB/T223.72 钢铁及合金化学分析方法氧化铝色层分离-硫酸钡重量法测定硫量 GB/T223.74 钢铁及合金化学分析方法非化合碳含量的测定 GB/T223.75 钢铁及合金化学分析方法甲醇蒸馏-姜黄素光度法测定硼量 GB/T223.76 钢铁及合金化学分析方法火焰原子吸收光谱法测定钒量 GB/T228 金属拉伸试验方法 GB/T229 金属夏比缺口冲击实验方法 GB/T247 钢板和钢带检验、包装、标志及质量证明书的一般规定 GB/T709 热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差 GB/T2975 钢及钢产品力学性能实验取样位置及试样制备 GB/T4336 碳素钢和中低合金钢的光电发射光谱分析方法 GB/T20066 钢和铁化学成分测定用试样的取样和制样方法

低温钢的焊接教学内容

低温钢的焊接 通常把-10~-196℃的温度范围称为“低温”（我国从-40℃算起），低于-196℃时称为“超低温”。低温钢主要是为了适应能源、石油化工等产业部门的需要而迅速发展起来的一种专用钢。低温钢要求在低温工作条件下具有足够的强度、塑性和韧性，同时应具有良好的加工性能，主要用于制造-20~-253℃低温下工作的焊接结构，如贮存和运输各类液化气体的容器等。 低温钢的分类、成分及性能 1.低温锅的分类 （1）按使用温度等级分类分为-10~-40℃、-50~-90℃、-100~-120℃和 -196~-273℃等级的低温钢。 （2）按合金含量和组织分类分为低合金铁素体低温钢、中合金低温钢和高合金奥氏体低温钢。 （3）按有无镍、铬元素分类分为无镍、铬低温钢和含镍、铬低温钢。 （4）按热处理方法分类分为非调质低温钢和调质低温钢。 2.低温钢的化学成分和组织 （1）低合金低温钢（无Ni低温钢）铝镇静Mn-Si低温钢是先用Mn 、Si进行脱氧，再用铝进行强烈脱氧的优质钢种。该钢正火处理或淬火+回火处理可细化晶粒，明显提高其低温韧性，多用于一4O℃以上的结构。 低合金铁素体低温钢是在Si-Mn优质钢基础上，加人少量合金元素（如Nb、V 、Ti、Al 、Cu、RE等）得到的低温钢组织为铁素体加少量珠光体。其中Mn、Ni以及能促使晶粒细化的微量元素都有利于提高低温韧性。为了保证良好的综合力学性能和 焊接性，一般要求低C和低S、P。这种钢具有高的塑性和韧性，多用于-50℃以上的结构。 （2）中合金低温钢（含Ni低温钢）合金元素总的质量分数为5%~10%，其组织与热处理工艺有关。其中5NI钢、9Ni钢是典型的中合金低温钢。 Ni是发展低温钢的一个重要元素。为了提高钢的低温性能，可加人Ni元素，形成含Ni的铁素体低温钢。在提高Ni的同时，应降低含碳量和严格限制S、P 含量及N、H、O的含量，防止产生时效脆性和回火脆性等。这类钢的热处理条件为正火、正火十回火和淬火+回火等。 5Ni钢通过化学成分调整和热处理控制组织，在-162~-196℃的低温下具有良好的低温韧性。若加人质量分数为0.25%的Mo，可增加析出奥氏体的数量并使之稳定化，还可起到细化晶粒的作用。采用淬火、回火和回复退火的热处理方法来控制组织，使5Ni钢具有高的强度、塑性和低温韧性。9Ni钢具有一定的回火脆性敏感性，并随着P含量的增加而显著增大，因此应严格控制9Ni钢中的P含量。9Ni低温钢由于Ni含量较高，具有很高的低温韧性，能用于-196℃的环境，比奥氏体不锈钢有更高的强度，适宜制造贮存液化气的大型容器。 3.低温钢的力学性能 对低温钢的性能要求，首先应满足低温下的力学性能，特别是低温条件下的缺口韧性。这类钢须具备的最重要的性能是抗低温脆化。在一些重要结构上，为了防止意外事故的发生，还要求材料具有抗脆性裂纹扩展的止裂性能，即一旦