低合金高强度钢

二、低合金高强度钢

低合金高强度钢是在碳素结构钢的基础上加入少量的Mn、Si和微量的Nb、V、Ti、Al等合金元素而发展起来的一类工程结构用钢。所谓低合金是指钢中合金元素总量不超过3%，高强度是相对于碳素工程结构用钢而言。低合金高强度钢的研制原则是利用尽可能少的合金元素获得尽可能高的综合力学性能，以达到满足使用、成本低廉的目的。低合金高强度钢能够满足工程上各种结构(如大型桥梁、压力容器及船舶等)要求承载大，同时又要求减轻结构自重，提高可靠性及节约材料和资源的要求。

(一)低合金高强度钢成分特点

低合金高强度钢的成分特点为低碳w_C≤0．20%、低合金，合金元素总量w_Me＜3%。低碳含量是为了满足工程结构件用钢的塑性、韧性、焊接性和冷变形等工艺性能要求;加入以Mn为主的少量合金元素，达到了提高力学性能的目的。低合金高强度钢以Mn为主加元素，符合我国的资源特点。Mn不仅对铁素体有显著的强化效果，还可降低钢的冷脆温度，并使钢中珠光体数量增加，进一步提高强度;为进一步改善和提高钢的性能，还加入微量V、Ti、Nb、Al等细化晶粒元素，不仅进一步提高了强度，还使钢的韧性得到改善。这类钢有时还加入稀土元素Re以消除钢中的有害杂质，改善夹杂物的形态及分布，减弱其冷脆性。少量合金元素对改善和提高钢的力学性能效果显著，如在Q235中仅加入1%Mn，就成为Q345钢，而其强度却增加近40%，达345MPa;在16Mn的基础上再加0．04～0．12%的钒，就成为Q390钢，强度由350MPa增加至390MPa。

低合金高强度钢的牌号、成分如表7-5所列，低合金高强度钢的力学性能如表7-6所列。

表7-5　低合金高强度钢的牌号及化学成分(摘自GB/T1591—1994)

表7-6　低合金高强度钢的力学性能(摘自GB/T1591—1994)

(二)低合金高强度钢性能特点

低合金高强度钢的合金化原理主要是利用合金元素产生的固容强化、细晶强化以及沉淀强化来提高钢的强度，同时利用细晶强化使钢的韧脆转化温度降低效应，来抵消钢中碳氮化物析出强化使钢韧脆转化温度升高这种不利的影响，使钢在获得高强度的同时又能保持较好的低温性能。低合金高强度钢的性能特点主要表现在以下两个方面。

1．高的屈服极限与良好的塑性和韧性

低合金高强度钢最显著的特征就是高强度。在热轧或正火状态下，低合金高强度钢一般比相应的碳素工程结构钢的强度能高出30%～50%。因而能够承受较大的载荷。工程结构一般以大型或巨型为多，构件自身的重量往往也成为载荷的重要组成部分，结构材料强度提高的同时就可以明显降低构件自重而使其承受其他载荷的能力进一步提高。不仅如此，这种良好的效应还大大提高了工程构件紧凑性从而使其可靠性进一步提高，同时减少了原材料消耗，降低了成本，节约了资源。

低合金高强度钢的延伸率为15%～23%，室温下冲击吸收功A_K＞34J，具有良好的塑性和抗冲击性能，可避免在受冲击时发生脆断;同时使冷弯、焊接等工艺容易进行。此外，低合金高强度钢的脆性转化温度较低，其中E级质量等级的钢，在－40℃时A_K值不低于27J，这对在严寒地区使用的工程构件以及运输工具如车辆、舰船、海上采油平台、容器、桥梁等具有重大意义。

2．良好的焊接性能和耐大气腐蚀性能

焊接是建造工程结构的最常用方法，因此工程结构用钢都要求具有良好的焊接性能。低合金高强度钢碳含量低，合金元素含量少、塑性好，在焊缝区不易产生淬火组织及裂纹，且加入的Ti、Nb、V等还能抑制焊缝区晶粒长大，因此这类钢大都焊接性能优良，焊后一般不再进行热处理。

工程结构大多是在大气或海洋环境中服役，低合金高强度钢中加入少量的Cu、Ni、Cr、P等元素，有效提高了工程结构抗大气、海水、土壤腐蚀的能力。如加入0．2%～0．5%的铜、0．05%～0．1%的磷以及铝等，可使钢的耐蚀性明显提高，其中铜和磷同时加入效果最佳。

(三)常用钢种

(1)Q295。该类钢含有微量合金元素Nb和Ti，具有良好的塑性及冷弯性能，焊接性能和耐蚀性，但强度不太高。主要用于建筑结构、低压锅炉、低中压化学容器、管道以及要求不高的工程结构。这类钢中最常用的牌号是12Mn，该钢加热至450℃时屈服极限为σ_s还可维持在200～210MPa，国内很多锅炉厂家都采用此钢。

(2)Q345、Q390。该类钢具有较好的综合力学性能及冷热加工性能，焊接性能和耐蚀性。这两类钢中的C、D、E质量等级钢材还具有良好的低温性能。主要用于桥梁、船舶、电站设备、锅炉、压力容器以及其他承受较高载荷的工程结构件和焊接结构件。这类钢中的16Mn是发展最早、使用最多、最具代表性的钢种，强度较高，同时还具有良好的焊接性能及综合力学性能。Q345是这类钢较低级别中生产和使用量最大的钢种。

(3)Q420。这类钢强度高，焊接性能良好，在正火+回火状态具有良好的综合力学性能。主要用于大型桥梁、船舶、电站设备、锅炉、矿山机械、起重机械以及其他大型工程和焊接结构件。最常用的牌号是14MnVTiRe钢，由于V、Ti的强化作用，屈服强度进一步提高，正火后具有良好的综合力学性能和焊接性能。

(4)Q460。这类钢含有Mo和B，正火后可得到贝氏体，强度高，综合力学性能好。其中C、D、E等级钢材可保证良好的韧性。这类钢属于备用钢种，主要用于各种大型工程结构以及承受载荷大、要求强度高的轻型结构，也可用于石油化工中的中温高压容器。

目前我国低合金高强度钢成本与碳素结构钢相近，故推广使用低合金高强度钢在经济上具有重大意义。特别是在桥梁、船舶、高压容器、车辆、石油化工设备、农业机械中应用价值更高。