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内蒙古科技大学

课程论文

题目：

结构钢的韧性及影响因素

学生姓名：

学号：

专业：

金属材料工程

班级：

指导教师：

教授

结构钢的韧性及影响因素

摘要

结构钢是用来制造各种工程结构和各种机器零件的钢种。

用于制造工程结构的钢又称为工程用钢或构件用钢。

这类钢主要承受各种静载荷，要求有较高的屈服强度，良好的塑形和韧性，以保证工程结构的可靠性。

本文结合Me在结构钢种对韧性的影响，并提出进一步需要研究的基本问题。

研究了不同含量的Si，Mn，Ni，Co，Cr几种低合金结构钢的韧性分析，Si的含量在不低于0.4％时以固溶态存在于铁素体中，能显著提高钢的弹性极限:

Mn可使钢的调质组织均匀，细化珠光体，提高了钢的韧性;含Ni钢的含碳量可适当降低，因而可使韧性和塑性有所改善；Co是非碳化物形成元素，Co在退火或正火状态的碳素钢中能提高综合力学性能，使其具有超强韧性。

合金元素对材料韧性的影响是通过对组织的影响而起到作用的。

改变组织晶粒度，细化晶粒，细化第二相粒子，使其弥散减小间距和控制碳化物的尺寸，数量，形状及分布。

结构钢的韧性还取决于C在钢中的分布形式和碳化物形态等。

钢的强度随碳含量的增加而增加，塑形和韧性随碳含量的增加而减小。

关键词：

结构钢；韧性；影响因素

Thetoughnessofthesteelanditsinfluencefactors

Abstract

Structuralsteelisusedtomakingallkindsofengineeringstructuresandsteelgradeofvariouskindsofmachineparts.Usedinthemanufactureofengineeringstructureofthesteelisalsoknownassteelorsteelcomponents.Thiskindofsteelundervariousstaticload,requireahigheryieldstrength,goodshapeandtoughness,toensurethereliabilityofengineeringstructures.

Thisarticle,combinedwiththestructuralsteelgradeMeinfluenceontoughness,basicproblemsandfurtherresearchareputforward.StudiedthedifferentcontentofSi,Mn,Ni,Co,Cr,severalkindsoflowalloystructuralsteeltoughnessanalysiswhenthecontentofSiinnolessthan0.4%insolidsolutionstateexistsinferrite,cansignificantlyincreasetheelasticlimitofsteel:

Mncanmakesteelconditioningorganizationeven,refinepearlite,improvethetoughnessofsteel;ContainingNithecarboncontentofsteelcanbeappropriatelyreduced,thuscanmakethetoughnessandplasticityimproved;Coiscarbideformingelements,Cointhestateofannealingornormalizingcarbonsteelcanimprovethecomprehensivemechanicalproperties,makeitshavestrongtoughness.Theinfluenceofalloyelementsonthematerialtoughnessisthroughtheimpactontheorganizationandplayarole.Changeorganizationalgrainsize,refinethegrain,refinethesecondphaseparticles,reducethedispersionspacingandcontrolthesizeofthecarbide,number,shapeanddistribution.ThetoughnessofsteelstilldependsontheCintheformofthedistributionofsteelandcarbidemorphology,etc.Thestrengthofthesteelincreaseswiththeincreaseofcarboncontent,shapingandtoughnessdecreaseswiththeincreaseofcarboncontent.

Keywords:

StructuralSteel，tenacity，Theinfluencefactorsofresilience

第一章结构钢的性能要求

一.1主要结构钢材的分类

结构钢是用来制造各种工程结构和各种机器零件的钢种。

用于制造工程结构的钢有称为工程用钢或构件用钢，包括碳素工程结构钢（原国家标准的甲类钢，乙类钢，特类钢）和高强度低合金钢，这类钢按用途分可分为通用钢和专用钢；按使用状态下的显微组织，可分为铁素体钢-珠光体钢，低碳贝氏体钢，低碳马氏体钢和双相钢。

机器零件用钢是指用于制造各种机器零件所用的钢种，也称机器制造用钢。

机器零件制造用结构钢通常包括碳素结构钢，合金结构钢。

低合金高强度钢，弹簧钢和滚动轴承钢等。

一.1.1各种结构钢牌号

（1）通用结构钢：

采用代表屈服点的拼音字母Q，屈服点数值（单位为MPa）,质量等级，脱氧方法等符号表示，按顺序组成牌号。

例如：

碳素结构钢牌号表示为Q235AF，Q235BZ。

（2）专用结构钢。

一般用代表钢屈服点的符号Q屈服点数值和代表产品用途的符号等表示，例如压力容器用钢表示为Q354R。

（3）沸腾钢和半镇静钢：

在牌号尾部分别加符号F和b。

例如：

平均含碳量为0.08％的沸腾钢其牌号表示为08F。

（4）合金结构钢的牌号由三部分组成，即数字+元素+数字。

前面的俩位数字表示平均含碳量的万分之几，合金元素以国际化元素符号表示。

（5）非调质机械结构钢牌号的头部符号YF，F表示易切削非调质结构钢和热锻用非调质机械结构钢，牌号表示方法均与合金结构钢相同。

（6）高碳铬轴承钢：

在牌号头部加符号G，但不标明含碳量，铬含量以千分之几，其他合金元素按合金结构钢的合金含量表示，例如，平均含铬量为1.5％的轴承钢，其牌号表示为GC15。

（7）焊接用钢包括焊接用碳素钢，焊接用合金钢和焊接用不锈钢等，其牌号表示方法是在各类焊接用钢牌号头部加符号H。

例如，H08，H08Mn2Si等

各结构钢化学成分（主要以碳素结构钢为例）

规定化学成分是为了达到一定的性能要求。

新标准中5个牌号用途不同,划分质量等级不同,对成分的要求也不同。

Q235的A、B、C、D级钢,含C量上限分别为0.22,0.20,0.18,0.17;含Mn上限分别为0.65,0.70,0.80;P、S含量分别不超过0.045、0.050,0、045、0“5,0.以0、0.040,0.035、0.035（%）。

这样的分档,分级,使钢材的生产管理、品质保证及应用选材都更为合理。

一.1.2各结构钢特点及主要用途（主要以碳素结构钢为例）

（1）Q195。

含碳，锰量低，强度不高，塑形好，韧性高，具有良好的工艺性能和焊接性能，广泛用于轻工，机械，运输车辆，建筑等一般结构件，自行车，农机配件，五金制品，输送水，煤气等用管，烟筒，屋面板，拉杆，支架及机械用一般结构零件。

（2）Q215。

含碳，锰量较低，强度较Q195稍高，塑形好，具有良好的韧性，焊接性能和工艺性能。

用于厂房，桥梁等大型结构件，建筑桁架，铁塔，井架及车船制造结构件，轻工，农业等机械零件，五金工具，金属制品等。

（3）Q235。

含碳量适中，具有良好高的塑性，韧性，焊接性能，冷加工性以及一定的强度。

大量生产钢板，型钢，钢筋，用以建造厂房房架，高压输电塔，桥梁，型钢，车辆等。

其他C,D级钢含硫，鳞量低，相当于优质碳素结构钢，质量好，适于制造对可焊接性及韧性要求较高的工程结构机械零部件，如机座，支架，受力不大的拉杆，连杆，销，轴，螺钉，套圈等。

（4）Q255。

具有较好的强度，塑形和韧性，较好的焊接性能和冷热压力加工性能。

用途不如Q235钢广泛，主要用作铆接与栓接结构件和要求强度不太高的零件，如螺栓，键，拉杆，轴，摇杆等。

（5）Q275。

碳及硅锰含量高一些，具有高的强度较好的塑形，较高的硬度和耐磨性，一定的焊接性能，和较好的切削加工性能，完全淬火后，硬度可达HBS270~400。

用于制造心轴，齿轮销轴，链轮，螺栓，垫圈，刹车杆，鱼尾板，垫板，耙齿，播种机开沟器架，输送链条等。

一.1.3结构钢的工作环境及韧性要求分析

一般来说，构件的工作特点是不做相对运动，长期承受静载荷作用，有一定的使用温度要求。

如锅炉使用温度可达到250℃以上，而有的构件在北方寒冷条件下工作长期经受低温作用，桥梁或船舶则与大气和海水接触，承受大气和海水的侵蚀，而力学性能要求：

构件用钢弹性模量大，以保证构件有较好的刚度；有足够的抗塑形变形及抗破断的能力，缺口敏感性及冷脆倾向较小等。

第二章影响结构钢韧性的因素

二.1不同碳量和回火温度对结构钢断裂韧性的影响

二.1.1试样制备

（1）试验材料选用15CrMo、20CrMo、30CrMo和35CrMo四种不同碳含量的低合金结构钢。

小50的棒材经锻造、正火、机加工成拉伸试样和断裂韧性试样。

（2）各钢种的试样都分别在六个不同的温度回火:

200℃、280℃、320℃、400℃、500℃和620℃。

各温度的回火保温时间均1小时,回火后空冷。

二.1.2实验过程

对每个试验钢种的各回火态进行拉伸试验。

拉伸试样的名义尺寸为直径6mm,标长60mm。

图1表示了四个试验钢种的屈服强度与回火温度的关系。

对每个试验钢种的各回火态进行断裂韧性试验。

低温回火态测定Kl。

高温回火态测定

J积分。

20CrMo在320℃;35CrMo在320℃同时测定K1c和J积分。

K1c试验按

是L一T。

J积分试验按《利用JR阻力曲线确定金属材料延性断裂韧性J积分值的试验方法（审定稿）》规定的标准进行,试样名义尺寸为20x24x110mm（跨距96mm）,试样裂纹面取向是L一T。

断裂韧性测试结果示于图2。

二.1.3实验分析

从试验结果整理得到同碳含量的Cr-Mo。

结构钢在各相同强度下断裂韧性的优劣。

屈服强度在110~130kg/mm范围时,200℃回火的低碳Cr一M。

结构钢具有较高的断裂韧性;当屈服强度为100、7okg/mm2“时,550℃以上回火的中碳Cr-Mo。

结构钢的断裂韧性有偏高的趋势。

上述结果可作为断裂设计,选材和制定热处理工艺的参考依据。

当屈服强度为150、110kg/mm’时,碳含量对结构钢的断裂韧性的影响较明显,表现为碳含量偏低的断裂韧性较高。

当屈服强度为100~70kg/mm2时,碳含量对结构钢的断裂韧性的影响不明显,然而,在此强度范围,碳含量偏高的结构钢,其断裂韧性有稍微偏高的趋势

二.1.4结论

从强度和断裂设计的观点考虑,为获得尽可能大的临界裂纹尺寸,当强度为130kg/mm’

级,宜选用0.20％C的结构钢、当强度为110kg/mm2级,宜选用0.15％C的结构钢;以上热处理状态是淬火后~200℃回火。

当强度为80kg/mm名级,宜选用0.30、0.50％C的结构钢,热处理状态是淬火后、600℃回火。

当强度为150kg/mm2级,中碳钢中碳量偏低的断裂韧性偏高。

二.2组织和成分因素对结构钢断裂韧性的影响

二.2.1试验方法

试验用钢基本成分含碳0.15%（高碳材）或0.08%（低碳材）及含锰1.4%,两种低碳材料中还添加0.024%的泥（见表1）。

供货态（T3）是细晶粒的铁素体,对大部分母材进行140。

℃的高温奥氏体化处理再循之以控制冷却（从800℃降到500℃分别为2~40秒,即T工处理和TZ处理）。

有一种材料在TZ处理后又进行60。

℃3小时的应力松弛回火再空冷即TZSR处理。

总计三种材料九种试验状态。

用光学显微镜、扫描电镜测量铁素体晶粒尺寸或马氏体、贝氏体板条束尺寸d,原始奥氏体晶粒尺寸以及断口上的理解破面单元尺寸。

二.2.2实验结果

（1）屈服性能

从单向拉伸屈服应力的结果表明从低温到室温Tl材料（马氏体）的强度远高于其它材

料,但变化较平缓,T2材料（贝氏体）高于T3材料（铁素体）,以及除T2SR材料外较高碳

含量材料明显高于低含碳量材料。

T2SR材料高的强度与第二相粒子在应力松弛回火中的沉淀硬化有关。

（2）断裂韧性

图1表明断裂韧性Kc随温度变化的一般趋势的部分结果,不仅铁素体而且转变态的板条组织其Kc均随试验温度升高而增加,这一规律主要是来自屈服应力的温度依赖性。

图2是碳的影响,很明显碳降低Kc值。

图5图6

（3）解理断裂应力

光滑试样、切口试样于一190℃测得的解理断裂应力数据均列于表。

图6是两种

Tl材料的解理断裂应力随试验温度的变化情况,可以看出除极低温度稍高外,其它温

度下ac。

变化不大。

图7

二.2.3分析与讨论

材料的塑性变形、微观上即位错的运动对于解理微裂纹的萌生与扩展是必要条件。

转变态组织尤其是马氏体经固态相变后高度强化,在此基体上存在着许多各种类型的位错运动的障碍,因而自由位错在这样基体上的移动变得非常困难。

从而在晶界碳化物、界面或其它位错列阵如不动位错之类的障碍处产生高度的应力集中,进而导致裂纹的萌生及扩展,因此可动位错的数目及位错运动的自由程是重要参量:

这涉及位错塞积群的长度,因而直接影响在滑移带前端应力集中的程度。

最终解理断裂将在较高的临界拉应力下发生。

所以可以认为,高的位错密度及位错亚结构（相应的高的材料强度）提高钢的解理断裂应力,而粗的碳化物则低钢的解理断裂应力,

二.2.4结论

1.在—196~15℃范围内板条马氏体组织的解理断裂应力基本上不依赖实验温度的变化，表明，粗大板条组织同样遵循临界拉应力准则。

2.组织类型对于解理断裂应力有重要影响，具有高位错密度的马氏体组织σc极高，贝氏体次之，铁素体组织的最低。

碳含量也提高σc，尤其对于转变态组织。

3.在相同的试验温度下，高强度的马氏体组织的断裂韧性Kc明显低于其它两种组织，铁素体的Kc值最高。

4.缺口试样的解理断裂应力值高于光滑试样，而且不同组织差异也不同，粗晶贝氏体最显著。

这是应力分布的不同特点、塑性区大小及有效晶粒尺寸共同作用的结果，是解理断裂统计规律的反映。

二.3显微组织对热处理低合金结构钢强度与韧性影响

二.3.1试验方法

本研究采用的钢是含有不同量的Ni,Cr和MQ与含碳量范围为0.12~0.42％（重量百分比）的低合金结构钢。

受试验的钢是直径25mm的热轧和完全退火的钢棒。

所有试样在通有氢气的管式炉中进行奥氏体化,该炉体的扁平区域内温度波动为±0.5k。

在冰盐水中淬火。

将钢直接淬入铅一锡浴槽中随后在高于Ms的所需温度等温转变以产生下贝氏体与上贝氏体。

马氏体钢经二次7.2千秒、473k油槽回火。

二次回火之间用冰盐水淬火和液氮深冷。

深冷的目的是完全消除残余奥氏体。

拉伸试样的标距为30mm、直径为7mm.试验在instron机上于室温（293k）和恒定的变形速率（3.35×105）下进行。

冲击试样为标准V形缺口的夏氏试样,试验在摆锤式冲机试验机上以3.5ms/的摆锤速度进行。

显微组织以光学金相显微镜和薄膜透射电子显微镜（TEM）进行检查。

每个试样大约取300个板条以测量其平均板条宽度。

用扫描电镜（SEM）在冲击试样的新鲜断面上进行断口分析。

二.3.2实验结果机分析

在这些钢中,“束”清晰地出现在原奥氏体晶粒内,但所用的腐蚀规程不能很好地刻划出“块”。

透射电镜显示马氏体具有平行的板条形貌,而束是由平行板条组成的，下贝氏体的板条结构相似于含有相同合金元素的马氏体钢,束能清晰地显示.而块则模糊不清。

贝氏体钢在原奥氏体晶粒内,束被块分割。

透射电镜显示,在下贝氏体钢中,束由平行的板条组成。

在板条内碳化物沿同一位向析出。

另一方面,上贝氏体钢,束由平行的板条组成,板条内碳化物沿板条长度方向排列。

图3和图4表示不同马氏体钢的屈服应力与原奥氏体晶粒尺寸和束直径的平方根倒数之间的关系。

屈服应力取决于束直径而不是原奥氏体尺寸。

结果表明,束的边界有强烈的强化作用,并且板条边界有附加的强化作用。

如果束是由分割束的许多块所组成,如在上贝氏体钢中的情况,则块的边界有显著的强化作用。

二.3.3结论

在马氏体与下贝氏体钢中,“束”是原奥氏体晶粒中的主要组分,随着“束”直径

的减小,钢的强度与韧性得到改善。

气上贝氏体钢喇显微组织的主要特征则是“块”而不是“束”.“块”对强度与韧性的作用相似于“束”在马氏体与下贝氏体钢中的作用。

二.4结构钢氮碳共渗后韧性下降的原因

二.4.1试验方法

材料采用Q235钢及45钢加工成20×20×20的金相样品，为了评价处理后的韧性，每种材料同时加工成标准冲击试样多个。

实验采用两种工艺对材料进行氮碳共渗处理，为提高渗速加入特殊的催渗剂，具体工艺如表1所示。

氮碳共渗处理过程中加入特殊的催渗剂。

对经过处理后的样品采用退火工艺进行处理，具体工艺如下：

将经两种工艺处理后的Q235钢和45钢的试样各取1个，放入保温箱中300℃下保温，对处理后的样品试样进行金相形貌分析，并进行冲击实验评价各种处理后韧性。

采用扫描电镜对具有代表性的试样断口形貌进行观察，对比不同工艺，不同材料断口形貌，判断断裂机制从微观形貌特征分析韧性降低的机理。

二.4.2试验结果与分析

经不同氮碳处理工艺处理后样品的渗层深度与冲击韧性值如表2所示：

从表2中的具体数据可以看到，经过共渗后的样品其冲击韧性值比这些钢原始的冲击数值均有不同程度的降低。

Q235钢与45钢经过氮碳共渗后冲击韧性均有较大幅度的下降（Q235钢原材Ak=149J45钢原材Ak=4.5J），Q235钢与45钢的经过氮碳共渗后渗层总深度两者的渗层总深度基本相同，但由于材质本身的含碳量差别较大导致其平均冲击功差别仍然较大。

氮碳共渗温度对结构钢的韧性影响较大，在一定温度范围里，温度越低韧性越好。

（1）N-C共渗后韧性下降的原因分析

由于N-C共渗工艺过程中，利用NH3气作为气源,在共渗温度下分解产生的N原子渗入金属表面，使得N和Fe结合在过度区生成Fe-N化合物。

根据能量理论，这些化合物处在晶界附近能量最低。

因此，它们会聚集到晶界附近，形成脆性相，试样在冲击载荷作用下，就会沿这些脆性相发生脆性断裂（如图4、图5所示）。

同时气体分解产生氢，且以原子状态存在，在较高温度下可以渗入到金属表面，并向内部扩散。

同样根据能量理论，氢会偏聚到晶界附近，以氢为裂纹源，发生沿晶断裂。

因此，断口呈现脆性沿晶断裂的断口。

（2）退火处理后韧性提高的原因分析

采用300℃退火处理，该温度下氮化物会发生积聚长大，将使原来晶界处的化合物发生积聚，向晶内生长形成针状氮化物,减少了晶界的脆性相，且某些晶粒中析出了针状Fe-N化合物（如图6、图7所示），同时此温度下，氢原子会向外扩散，减少了基体内氢致裂纹源的含量。

因此，Q235钢经退火处理后的试样的沿晶析出物不仅比未经退火处理过的试样少，同时减少了氢对脆性的影响，因此提高了结构钢韧性值。

二.4.3结论

（1）在N-C共渗工艺过程中，由于N原子和H原子渗入基体，偏聚到晶界附近，分别形成Fe-N化合物脆性相和裂纹源，在受到外载作用时，容易发生沿晶断裂，从而使得结构钢韧性值下降。

（2）采用300℃退火可以除去大部分氢，减少了基体内氢致裂纹源的含量。

同时使Fe-N化合物穿晶析出，降低了Fe-N化合物在晶界附近偏聚程度，减少了沿晶脆断倾向。

因此，大大提高Q235钢经N-C共渗后的韧性值。

第三章结论

（1）提高结构钢的韧性，先要控制合金元素的成分和含量，首先是间隙原子碳的含量，其次是溶质原子，如P,As,Sb,Sn等在晶界偏聚，降低原子间结合力，导致晶界弱化。

（2）尽量减少钢中第二相的数量，由于孔坑主要起源于第二相，如氧化物，硫化物夹杂，和碳化物，氮化物等。

（3）结构钢的基体是大量的铁素体和少量的珠光体，细化晶粒，强化基体韧性能显著体高结构钢的韧性。

（1）淬火后低温回火的低碳钢比相同强度的中碳钢具有更高的断裂韧性;中碳钢随回火温度升高、强度下降,断裂韧性上升。

碳含量及其碳化物形态和分布对结构钢影响很大。

（2）马氏体组织由于晶粒细小，晶界能高，具有极高的解理断裂应力以及在同样温度下低的断裂韧性,铁素体截然相反,贝氏体位于其间。

（3）在马氏体与下贝氏体组织中、观察到轮廓清楚的“束”屈服应力基本由该束的直径控制,如果钢的显微组织为上贝氏体,“束”由轮廓清楚的“块”所组成,“块”的尺寸控制屈服应力。

随着“束”直径的减小,钢的强度与韧性得到改善。

（4）碳氮共渗过程中由于氢渗入基体，同时在晶界形成Fe-N化合物，结果导致结构钢变脆。

采用去氢退火方法可除去大部分氢，同时会使Fe-N化合物穿晶析出，降低了Fe-N化合物在晶界附近偏聚程度，减少了沿晶脆断倾向，显著提高结构钢经N-C共渗后的冲击韧性值。

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