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合金结构钢的分类和性能

合金结构钢的分类
低合金结构钢中合金元素总的质量分数一般不超过5%以提高钢的强度并保证其具有一定的塑性和韧性。合金元素总的质量分数为5%~10%的称为中合金钢，大于10%的称为高合金钢。对于焊接生产中常用的一些合金结构钢，综合考虑了它们的性能和用途后，大致可以分为强度用钢和低中合金特殊用钢两大类。
1.强度用钢
这类钢材即通常所说的高强钢〔屈服强度≥95MPa的强度用钢均可称为高强钢），主要应用于要求常规条件下能承受静载和动载的机械零件和工程结构，要求具有良好的力学性能。合金元素的加人是为了在保证足够的塑性和韧性的条件下获得不同的强度等级，同时也可改善焊接性能。
合金结构钢可以分为非调质钢和经过淬火—回火的调质钢。非调质钢又可分为热轧钢、正火钢和控轧钢等。非调质钢的常温抗拉强度一般在600MPa以下.调质钢的抗拉强度在600MPa以上。根据调质、非调质钢强度级别的差别，这两类钢材的焊接性、焊接工艺和接头性能有很大的不同。
按钢的屈服强度级别及热处理状态.合金结构钢分为：热轧及正火钢、低碳调质钢、中碳调质钢。把钢锭加热到1300℃左右，经热轧成板材，然后空冷后即成为热轧钢；钢板轧制和冷却后，再加热到900℃附近，然后在大气中冷却称为正火钢。此外，900℃附近加热后放人淬火设备中水淬，然后在600℃左右回火处理，称为调质钢（QT）。采用控制钢板温度和轧制工艺得到高强度高韧性钢的方法已达到实用化阶段，这种方法称为控轧。
近年来这类钢又开发出具有很大发展前途的新分支，如微合金化控轧钢、焊接无裂纹钢（简称CF钢）、抗层状撕裂钢（z向钢）等。这些钢种的出现对进一步提高焊接质量和扩大焊接结构的应用具有重要的意义。
（1）热轧及正火钢屈服强度为295~490MPa，在热轧或正火状态下使用，属于非热处理强化钢。包括微合金化控轧钢、抗层状撕裂的Z向钢等。这类钢广泛应用于常温下工作的一些受力结构，如压力容器、动力设备、工程机械、桥梁、建筑结构和管线等。
（2）低碳调质钢屈服强度为490~980MPa，在淬火一回火的调质状态下供货使用，属于热处理强化钢。这类钢的特点是含碳量较低（一般碳的质量分数为0.22%以下），既有高的强度，又兼有良好的塑性和韧性，可以直接在调质状态下进行焊接，焊后不需进行调质处理。这类钢在焊接结构中得到了越来越广泛的应用，可用于大型工程机械、压力容器及舰船制造等。
（3）中碳调质钢屈服强度一般在880~1176MPa以上 ，钢中含碳量较高（碳的质量分数为0.25~0.5%），也属于热处理强化钢。它的淬硬性比低碳调质钢高得多，具有很高的硬度和强度，但韧性相对较低，给焊接带来了很大的困难。这类钢常用于强度要求很高的产品或部件，如火箭发动机壳体、一飞机起落架等。
2.低中合金特殊用钢
低中合金特殊用钢主要用于一些特定条件「工作的机械零件和工程结构。因此.除了要满足通常的力学性能外，还必须能适应特殊环境下工作的要求。根据对不同使用性能的要求，低中合金特殊用钢分为：珠光体耐热钢、低温钢和低合金耐蚀铆等。
（1）珠光体耐热钢以Cr、Mo为基础的低中合金钢，随着工作温度的提高，还可加人V、W、Nb、B等合金元素，具有较好的高温强度和高温抗氧化性，主要用于工作温度在500~600℃的高温设备，如热动力设备和化工设备等。
（2）低温钢大部分是一些含Ni或无Ni的低合金钢，一般在正火或调质状态使用，主要用于各种低温装置（－40~－196℃）和在严寒地区的一些工程结构，如液化石油气、天然气的储存容器等。与普通低合金钢相比，低温钢必须保证在相应的低温下具有足够高的低温韧性，对强度无特殊要求。
（3）低合金耐蚀钢除具有一般的力学性能外，必须具有耐腐蚀性能这一特殊要求。主要用于在大气、海水、石油化工等腐蚀介质中工作的各种机械设备和焊接结构。由于所处的介质不同，耐蚀钢的类型和成分也不同。耐蚀钢中应用最广泛的是耐大气和耐海水腐蚀用钢。
合金结构钢的基本性能
1.化学成分
低合金结构钢是在低碳钢基础上添加一定量的合金元素构成的。碳是最能提高钢材强度的元素，但易于引起焊接淬硬及焊接裂纹，所以在保证强度的条件下，碳的加人量越少越好。低合金钢加人的元素有Mn、Si、 Cr、 Ni、Mo、V、 Nb、 B、 Cu等杂质元素P， S的含量要限制在较低的程度。
用于焊接结构的低中合金钢合金元素总的质量分数一般不超过10%。Si 、Cr、 Co和Ti等元素能提高下临界点AL的温度，而Mn、 Ni和V则降低AL点温度。合金元素对组织转变的影响： Ni组元素（Ni、Mn、Co），Cr组元素（Cr， 、Si 、P、Al、Ti、V、Mo、W）。在α-Fe中具有较大溶解度的元素促使γ区缩小，而在γ-Fe中具有较大溶解度的元素则扩大下区。各种合金元素对钢材质量的影响程度不仅取决于它的含量，还取决于同时存在的其他合金元素的性质和含量。
加人合金元素能细化晶粒，而且各种合金元素在不同程度上改变了钢的奥氏体转变动力学，直接影响俐的淬硬倾向。如C, Mn, Cr, Mn, V,和Si等元素能提高钢的淬硬倾向，而Ti 、Nb、Ta等碳化物形成元素则降低钢的淬硬倾向。
合金结构钢中，氮作为一种合金元素被广泛采用。氮在钢中的作用与碳相似，当它溶解在铁中时，将扩大了γ区。氮能与钢中的其他合金元素形成稳定的氮化物，这些氮化物往往以弥散的微粒分布，从而细化晶粒，提高钢的屈服点和抗脆断能力。氮的影响既决定于其含量，也决定于在钢中存在的其他合金元素的种类和数量。Al 、Ti和V等合金元素对氮具有较高的亲和力，并能形成较稳定的氮化物。因此，为了充分发挥氮作为合金元素的作用，钢中必须同时加人Al、V和Ti等氮化物形成元素。
这些合金元素或者与Fe形成固溶体，或者形成碳化物（除Ti、Nb和Ta外），都产生了延迟奥氏体分解的作用并由此提高了钢的淬硬倾向。各种元素对钢的力学性能和工艺性能的影响，取决于它的含量和同时存在的其他合金元素。
热轧及正火条件下，合金元素对塑性和韧性的影响与其强化作用相反，即强化效果越大，塑性和韧性的降低越多，当钢中合金元素的含量超出一定范围后会出现韧性的大幅度下降。因此，抗拉强度大于600MPa的高强钢一般都需进行调质处理。我国低碳调质钢的抗拉强度一般为600~1300MPa，为了保证良好的综合性能和焊接性，要求钢中碳的质量分数不大于0.22%（实际上碳的质量分数都在0.18%以下）。
此外添加一些合金元素，如Mn、Cr、Ni、Mo等，主要是为了提高钢的淬透性和马氏体的回火稳定性。这些元素可以推迟珠光体和贝氏体的转变，使产生马氏体转变的临界冷却速率降低。低合金调质高强钢由于含碳最低，所以淬火后得到低碳马氏体，而且发生“自回火”现象，脆性小，具有良好的焊接性。
低碳调质钢的综合性能除了取决于化学成分外，主要是通过热处理保证具有良好的组织和力学性能。
2.力学性能
合金结构钢的强度越高，屈服强度与抗拉强度之差也越小。屈服强度与抗拉强度之比称为屈强比。钢材的强度越高，屈强比增大。低碳钢的屈强比约为0.7左右，控轧钢板的屈强比约为0 . 70~0.85MPa级高强钢的屈强比约为095。
低合金高强钢的低温拉伸性能如图3-2a所示。温度下降时，钢材的抗拉强度升高，但韧性下降。一般－100℃以上时钢材强度变化较小，温度再低时，抗拉强度和屈服强度急剧升高，韧性急剧下降，当在液氮温度（－196℃）附近时，延伸率很小。低合金高强钢的使用温度多在－50℃以上，在此温度范围内高强钢的强度性能变化不大。
缺口韧性是用于表示材料抵抗脆性破坏的一项指标。脆性破坏是在低应力条件下（屈服强度以下）发生的，多为瞬时破坏，是低合金钢焊接结构安全方面最值得注意的破坏现象。世界各国多采用却贝冲击吸收功作为缺口韧性的评价方法，采用10mmx l0mmx 50mm的长方形试样，在试样中央开深度2mm的V形缺口，尖端半径为0.25mm。逐渐改变试验温度做冲击试验，用试样破断时所需的能量（称为吸收能）及断口形貌（塑性断口和脆性断口）来评价钢材的缺口韧性。
吸收能可以反映出某一温度范围韧性急剧变化的转变现象。当吸收能变小时，由塑性断口转变为脆性断口。脆性断口率为零时的吸收能称为“上平台能”，上平台能一半时的温度称为韧脆转变温度（用VTrs表示）。钢材的韧脆转变温度越低，韧性越好。根据大量的脆性破坏事故案例调查的结果。许多国家建议采用冲击吸收功21J或48J时的温度作为V形缺口却贝韧性试验的特性值。
合金结构钢具有较高的强度和良好的塑性和韧性，采用不同的合金成分和热处理工艺，可以获得具有不同综合性能的低中合金结构钢。Mn的固溶强化作用很显著含量f ≤1.7%时 可提高韧性、降低脆性转变温度，屈服强度提高约50%，而脆性转变温度下降约20℃；Si虽然固溶强化显著，但会降低塑性、韧性，一般≤0.6%；Ni是惟一既固溶强化又同时提高韧性且大幅度降低脆性转变温度的元素，常用于低温钢。
V、Ti、Nb强烈形成碳化物，Al、V、Ti、Vb还形成氮化物，析出的微小VC、 TiC、NbC及AlN、VN、TiN 、Nb（C、N）产生明显的沉淀强化作用，在固溶强化的基础上屈服强度提高50~100MPa，并保持了韧性。上述元素均是微量加人，故称为微合金化。微合金化元素还有B，主要作用是在晶界上阻止先共析铁素体生成及长大，从而改善韧性。
合金结构钢的强度级别不同，加人的合金元素及其含量也不同，成分设计既要满足使用性能要求又要考虑其经济性。抗拉强度为600MPa级的钢主要为Mn-Si系和在Mn-Si基础上加少量的Cr、Ni、Mo、V；700MPa级的钢主要为Mn-Si-Cr-Ni-Mo系，合金元素加人量较600MPa级的钢多些，另外还加入少量的V； 800MPa级的钢主要为Mn-Si-Cr-Ni-Mo-Cu-V系，并加入一定量的B；1000MPa级的钢合金系列与800MPa级的钢基本相同，但合金元素加人量较高，尤其是为了保证韧性加人较多的Ni。
3.显徽组织
当冷却速度达到一定值以后会引起奥氏体向马氏体的转变，这样的处理称为直接淬火。直接淬火技术适用于抗拉强度600MPa以上的高强钢，基体组织为马氏体。
低合金结构钢为了获得满意的强度和韧性的组合，晶粒尺寸必须细小、均匀，而且应是等轴晶。经调质处理后的钢材具有较高的强度、韧性和良好的焊接性，裂纹敏感性小，热影响区组织性能稳定。
此外，还通过控制钢中杂质（O+S+P+N+H）之和，使杂质质量分数之和由原来的0.010%降至现在的0.006%。钢的晶粒度可以控制在3μm以下。经淬火+回火处理获得板条低碳马氏体组织的低合金调质钢，以其高强度、高韧性和低的缺口〔裂纹）敏感性得到了广泛泛的应用。
合金结构钢焊接热影响区中的不同部位经历了不同的焊接热循环，距熔合区越近。加热的峰值温度越高，加热速度和冷却速度越快，焊后的组织性能变化也越大。低合金钢焊接热影响区的组织分布与母材焊前的热处理状态有关。焊接不均匀加热和冷却引起热影响区（特别是高强钢热影响区）显微组织和性能的变化对接头性能影响很大。因此，控制焊接参数以获得满足使用要求的热影响区组织性能受到人们的普遍关注。
根据热影响区组织特征的不同，具有非淬硬倾向的低合金钢焊接热影响区划分为熔合区、粗晶区（过热区）、细晶区、不完全重结晶区和回火区。具有淬硬倾向的低合金钢热影响区的粗晶区、细晶区和不完全重结晶区将形成淬硬组织而成为淬火区。因此，淬火+回火钢热影响区可划分为完全淬火区（包括悴火粗晶区和细晶区）、不完全淬火区（部分相变区）和回火区。
低合金钢热影响区中的显微组织主要是低碳马氏体、贝氏体、M-A组元和珠光体类组织，导致具有不同的硬度、强度性能、塑性和韧性。即使是同样的显微组织，也具有不同的硬度，这与钢的含碳量、合金含量及晶粒度有关。高碳马氏体的硬度可达60HV，而低碳马氏体的硬度只有350~390HV。同时二者在性能上也有很大不同，前者是针状马氏体（孪晶马氏体），属脆硬相；后者是低碳板条马氏体（位错马氏体），硬度虽高，但仍有较好的韧性。