《工程材料学》课件:Chapter 4Structural Steel.ppt
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1、1Chapter 4 Structural Steel School of Manufacturing Science and Engineering2vTeaching Requirements:认识构件用钢的力学性能、工艺性能和耐蚀性能认识构件用钢的力学性能、工艺性能和耐蚀性能vTeaching Important and difficult:构件用钢的力学性能、工艺性能及耐蚀性能,各种构件用钢的力学性能、工艺性能及耐蚀性能,各种工程结构用钢的成分特点,合金元素的作用,显工程结构用钢的成分特点,合金元素的作用,显微组织与力学性能。微组织与力学性能。School of Manufacturi
2、ng Science and Engineering3Contents0、Introduction1、Mechanical Properties 2、Processing properties3、Atmospheric corrosion resistance 4、Carbon steels 5、Low alloy steel 6、Approach to improve the propertiesSchool of Manufacturing Science and Engineering4v是指用于制造各种大型金属结构的钢材,又称工程是指用于制造各种大型金属结构的钢材,又称工程用钢。用钢。
3、v特点:不作相对运动,长期承受静载荷特点:不作相对运动,长期承受静载荷(static load),有一定使用温度要求,或耐蚀,有一定使用温度要求,或耐蚀(corrosion resistance) 要求。要求。0 IntroductionSchool of Manufacturing Science and Engineering构件用钢应满足性能要求构件用钢应满足性能要求(1)The mechanical performance:v 弹性模量弹性模量(Youngs modulus,elastic modulus) 大(刚度好)大(刚度好)v 足够的抗塑变足够的抗塑变(plastic defo
4、rmation)及抗破断及抗破断(fracture resistance)的能力(强度高同时塑性韧性较好)的能力(强度高同时塑性韧性较好)v 缺口敏感性缺口敏感性(notch sensitivity)小、冷脆小、冷脆(cold shortness) 倾向小倾向小(2)Corrosion resistant performance:一定的耐大气腐蚀一定的耐大气腐蚀(atmospheric corrosion)及耐海水腐蚀的能力及耐海水腐蚀的能力(3)Processing performance:良好的冷变形良好的冷变形(cold working)和焊接和焊接(weldability)能力能力 0
5、 IntroductionSchool of Manufacturing Science and EngineeringStructural Steel:以工艺性能为主、力学性能为辅。以工艺性能为主、力学性能为辅。composition:Low carbon(wC0.2%),Usually use in normalizing or tempering state;structure: A lot of ferrite and a small amount of pearliteClassification:carbon structural component steelt碳碳构件用钢(构件
6、用钢(Q235)、)、low-alloy high-strength steel低低合金高强度钢合金高强度钢Q345(16Mn)Q460钢、钢、High manganese steel高锰钢高锰钢0 IntroductionSchool of Manufacturing Science and Engineering1 Mechanical Properties of Structural Steel 三大特点:屈服三大特点:屈服(yield)、冷脆、冷脆cold brittleness、时效、时效aging1.1 Yield phenomenon Key:材料受到的应力达到一定值的时候,应力
7、不再:材料受到的应力达到一定值的时候,应力不再增加而形变却在继续,发生塑性变形。增加而形变却在继续,发生塑性变形。 (使表面(使表面出现皱折等表面缺陷)出现皱折等表面缺陷)表现在:表现在:1.屈服齿和屈服平台;屈服齿和屈服平台;2.塑性变形分布是宏观不均匀。塑性变形分布是宏观不均匀。School of Manufacturing Science and Engineering81 Mechanical Properties of Structural Steel 1.1 Yield phenomenon 屈服现象使表面出现皱折等表面缺陷:屈服现象使表面出现皱折等表面缺陷:消除:消除:退火后的低
8、退火后的低C钢板一般在深冲前,先进行一次钢板一般在深冲前,先进行一次少量变形的少量变形的平整加工(冷轧),平整加工(冷轧),然后然后再进行深冲再进行深冲平整加工可使屈服现象在冷轧过程完成。平整加工可使屈服现象在冷轧过程完成。School of Manufacturing Science and Engineering91 Mechanical Properties of Structural Steel1.1 Yield phenomenon原因:与钢中原因:与钢中C、N原子与位错相互作用产生的原子与位错相互作用产生的“柯氏气团柯氏气团”有关。有关。位错在外力作用下挣脱气团后位错在外力作用下挣
9、脱气团后继续运动所需要的力继续运动所需要的力减小减小,造成了钢的屈服现象。,造成了钢的屈服现象。柯氏气团柯氏气团cottrell atmosphere金属内部存在的大量位错线金属内部存在的大量位错线,在位错线附近经常会吸附大量的异类溶质原子。在位错线附近经常会吸附大量的异类溶质原子。措施:减少钢中措施:减少钢中C、N原子含量或加入强碳化物形成元素原子含量或加入强碳化物形成元素Ti、Nb等等School of Manufacturing Science and Engineering1 Mechanical Properties of Structural Steel 1.2 The pheno
10、menon of cold brittleness 冷脆冷脆温度降低,屈服点升高,由宏观塑性断裂过渡到宏观温度降低,屈服点升高,由宏观塑性断裂过渡到宏观脆性破坏。脆性破坏。冷脆转变温度(脆性转变温度)冷脆转变温度(脆性转变温度)(brittle fracture transition temperature) Tk影响因素:晶体结构、强度、合金元素、晶粒大小;变形速度、影响因素:晶体结构、强度、合金元素、晶粒大小;变形速度、试样尺寸、应力状态及缺口形式等。试样尺寸、应力状态及缺口形式等。(合金元素(合金元素Mn、Al、Ni等使等使Tk下降,下降,C、Si使其升高。使其升高。)School of
11、 Manufacturing Science and Engineering1 Mechanical Properties of Structural Steel 1.2 The phenomenon of cold brittleness 通常构件用钢常温拉伸表现很好的塑性通常构件用钢常温拉伸表现很好的塑性(k20,k50)v 以前:以前:钢材的屈服点设计,在受到超载作用时,产生过量的钢材的屈服点设计,在受到超载作用时,产生过量的塑性变形而失效,不会因构件突然断裂造成严重后果。塑性变形而失效,不会因构件突然断裂造成严重后果。(The failure form is deformation)v
12、 现在:一系列低碳钢构件现在:一系列低碳钢构件(Low carbon steel components)(船舶、桥梁、容器等船舶、桥梁、容器等)在较低温度下发生冷脆在较低温度下发生冷脆(cold brittleness)。(fracture)设计构件用钢要考虑:常温时的塑性及屈服点外,要考虑其工作设计构件用钢要考虑:常温时的塑性及屈服点外,要考虑其工作温度环境。温度环境。School of Manufacturing Science and Engineering121 Mechanical Properties of Structural Steel 1.3 应变时效应变时效(strain
13、ageing)、淬火时效、淬火时效(quench ageing)、蓝脆、蓝脆(blue brittleness, blue shortness)v 时效时效构件用钢加热到构件用钢加热到AC1以上淬火以上淬火(快冷快冷)或经塑性变形或经塑性变形后,在放置过程中,其力学行为会逐渐变化后,在放置过程中,其力学行为会逐渐变化(强度增加,塑(强度增加,塑韧性下降)韧性下降)strain ageing塑性变形后的时效塑性变形后的时效quench ageing淬火后的时效淬火后的时效natural aging在一般气候条件下的时效在一般气候条件下的时效artificial ageing.在较高的温度下进行的
14、时效在较高的温度下进行的时效School of Manufacturing Science and Engineering1 Mechanical Properties of Structural Steel 1.3应变时效应变时效(strain ageing)、淬火时效、淬火时效(quench ageing)、蓝脆、蓝脆(blue brittleness, blue shortness)P29: 图图2.2、图、图2.3School of Manufacturing Science and Engineering141 Mechanical Properties of Structural
15、Steel1.3 Strain ageing, Quench ageing, Blue brittleness(1)应变时效应变时效Strain ageingv弯角、卷边、冲孔、剪裁等产生局部塑性变形的弯角、卷边、冲孔、剪裁等产生局部塑性变形的工艺,应变时效会使这些局部地区的断裂抗力即工艺,应变时效会使这些局部地区的断裂抗力即韧性降低,成为断裂的起源。韧性降低,成为断裂的起源。(不利的现象)(不利的现象)School of Manufacturing Science and Engineering1 Mechanical Properties of Structural Steel1.3 St
16、rain ageing、Quench ageing、Blue brittleness(1) Strain ageingv原因:原因:塑性变形后,时效过程中固溶状态的间隙溶塑性变形后,时效过程中固溶状态的间隙溶质(质(C、N)与位错交互作用,钉扎位错阻止变形,)与位错交互作用,钉扎位错阻止变形,韧性下降,强度增加韧性下降,强度增加。v应控制钢材基体中的应控制钢材基体中的C、N原子数量。原子数量。v一般认为,加入少量碳化物或氮化物形成元素,如一般认为,加入少量碳化物或氮化物形成元素,如Al、V、Ti、Nb等等School of Manufacturing Science and Engineeri
17、ng161 Mechanical Properties of Structural Steel 1.3 Strain ageing、Quench ageing、Blue brittleness(2) Quench ageing焊接构件焊接构件v 在室温或较高温度放置时,在室温或较高温度放置时,C、N原子首先向位错、晶界原子首先向位错、晶界等有缺陷的地方聚集,等有缺陷的地方聚集,析出弥散的析出弥散的碳化物和氮化物碳化物和氮化物,使,使塑性韧性降低。塑性韧性降低。v 在一些焊接构件往往造成危害,焊接热影响区温度高于在一些焊接构件往往造成危害,焊接热影响区温度高于A1以上时产生以上时产生淬火时效淬火
18、时效可能成为构件开裂的起源。可能成为构件开裂的起源。School of Manufacturing Science and Engineering171 Mechanical Properties of Structural Steel 1.3 Strain ageing、Quench ageing、Blue brittleness(3) blue brittlenessv 强度随温度的升高而减小,在室温下不能加工成形时,可强度随温度的升高而减小,在室温下不能加工成形时,可在较高的温度下进行。在较高的温度下进行。v 但低碳钢在但低碳钢在300-400范围内光亮的钢具有蓝的颜色,却范围内光亮的钢
19、具有蓝的颜色,却出现反常的出现反常的强度增高,塑性降低强度增高,塑性降低的现象,的现象,发生在钢表面有发生在钢表面有蓝色氧化膜的温度范围,蓝色氧化膜的温度范围,因此称为蓝脆因此称为蓝脆。应避免在蓝脆温应避免在蓝脆温度范围进行热加工,否则易出现裂纹。度范围进行热加工,否则易出现裂纹。School of Manufacturing Science and Engineering181 Mechanical Properties of Structural Steel 1.3 Strain ageing, quench ageing, blue brittleness (3) blue brittl
20、enessv 原因:原因: 碳和氮间隙原子的形变时效。碳和氮间隙原子的形变时效。在在150350范围内形范围内形变时,已开动的位错迅速被可扩散的碳、氮原子所锚定,变时,已开动的位错迅速被可扩散的碳、氮原子所锚定,形成形成柯氏气团柯氏气团。 为了使形变进行,必须为了使形变进行,必须开动新的位错开动新的位错,结果在应变下,结果在应变下,位错密度增高,导致强度升高和韧性降低。位错密度增高,导致强度升高和韧性降低。School of Manufacturing Science and Engineering191 Mechanical Properties of Structural Steel 1.
21、3 Strain ageing, quench ageing, blue brittleness (3) blue brittlenessv 应变时效增加时,蓝脆温度向高温推移,应变时效增加时,蓝脆温度向高温推移,k在在500出现出现谷值。谷值。v 钢中加入强碳化物和氮化物形成元素钢中加入强碳化物和氮化物形成元素Ti、Nb、V、Al等,等,将将C、N原子固定,可减少蓝脆倾向。原子固定,可减少蓝脆倾向。 一般说来,是一种不利现象,在截断钢材时,也可加以利用一般说来,是一种不利现象,在截断钢材时,也可加以利用此现象此现象School of Manufacturing Science and Eng
22、ineering201 Mechanical Properties of Structural Steel Summary:(1)Yield phenomenon (2)The phenomenon of cold brittleness (3)Strain ageing、Quench ageing、Blue brittleness柯氏气团柯氏气团减少减少C、N原子数量原子数量School of Manufacturing Science and Engineering212 Processing properties of Structural Steel v 常以常以棒材、板材、型材、管材
23、、带材棒材、板材、型材、管材、带材等形状供应。通常在室等形状供应。通常在室温下进行温下进行冷变形冷变形后用后用焊接、铆接焊接、铆接等方法装配连接起来,要求等方法装配连接起来,要求具有:具有:1、良好的冷变形、良好的冷变形(cold deformation )性能性能2、焊接、焊接(welding)性能性能School of Manufacturing Science and Engineering222.1 cold deformation冷变形加工冷变形加工在再结晶温度以下的塑性变形加工过程。在再结晶温度以下的塑性变形加工过程。冷轧、冷轧、冷拔、冷冲、冷锻、冷挤压等冷拔、冷冲、冷锻、冷挤压等
24、 包括包括:1* 变形抗力变形抗力,决定钢材制备成必要形状的部件的难易程度;,决定钢材制备成必要形状的部件的难易程度;2* 开裂开裂(cracking)或或其他缺陷其他缺陷(defect)的可能性的可能性3* 变形后变形后性能的变化性能的变化,即危害性或可利用性。,即危害性或可利用性。2 Processing properties of Structural Steel School of Manufacturing Science and Engineering232.1 Cold deformation影响因素:影响因素:v 含含C量量:增高,强度增高,塑性降低,变形开裂倾向增大。:增高,
25、强度增高,塑性降低,变形开裂倾向增大。v 含含S量量:增高,钢中:增高,钢中MnS夹杂物增多,易变形开裂夹杂物增多,易变形开裂, 沿着条沿着条状分布的硫化物夹杂发生开裂或分层。状分布的硫化物夹杂发生开裂或分层。v P: 偏析倾向,含偏析倾向,含P较高,带状组织严重。较高,带状组织严重。v 表面质量表面质量:裂缝、结疤、折迭、划痕等缺陷,成为冷变形:裂缝、结疤、折迭、划痕等缺陷,成为冷变形开裂的起源。开裂的起源。2 Processing properties of Structural Steel School of Manufacturing Science and Engineering24
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