普通低合金结构钢

普通低合金结构钢

随着工业交通和科学技术的发展，普通碳素钢已不能满足重要工程结构和新型机器设备的需要。近40多年来普通低合金钢得到迅速的发展。这类钢合金元素较低，其屈服极限比碳素钢高25％至100％以上，时效倾向小，并具有良好的焊接性和耐蚀性。这类钢一般是在热轧和正火下使用，生产过程简单，成本低廉，适宜于大生产，因此广泛用于制造桥梁、船舶、车辆、工业和民用建筑、管道、起重运输机械等。使用普通低合金钢代替普通碳素钢可以节省钢材20％～30％以上，减轻运输机械的自重，增加有效载重，可以使一些机械的结构得到改善，并能增加使用寿命。

一、对普通低合金结构钢的性能要求

对一般用途的普通低合金结构钢，主要有一下要求：

（一）良好的综合力学性能

采用普通低合金结构钢的主要目的是减轻金属结构的重量，提高其可靠性，因此首先要求钢材具有较高的屈服强度，但由于其工作条件的复杂性，钢材还应具有良好的综合性能。例如船舶在航行时承受较大的静载荷，海浪冲击及风力反复作用而产生的交变疲劳载荷，有的还在北方寒冷低温海域行驶。在制造过程中钢材还经受剪切、冷弯、焊接等加工工序以及由此可能产生的时效脆性。普通低合金钢的缺口冲击韧性在室温下往往出现大幅度的下将和上下波动，此时钢已经从韧性状态转化为脆性状态，也就是钢的“脆性转化温度”已经升高到室温附近所致。造成脆性转化温度上升的主要原因是钢的冶金质量和金相组织，后者包括晶粒大小、相的形态和第二相的沉淀等。因此对于普通低合金钢不仅要求具有一定的冲击韧性，而且更为重要的是要求具有尽可能低的脆性转化温度，以防止钢的脆性断裂。譬如在我国常以－40℃为脆性转化温度的检验标准。对于特殊低温设备或结构，则提出更低的温度指标。

除去上述的常温、低温冲击韧性以及脆性转化温度以外，还有另一项涉及冲击韧性检验的问题，即钢的“时效敏感性“。普通低合金钢材经常承受冷加工，经冷加工以后在较长的使用时期或存放时期内，钢材会逐渐变脆，冲击韧性大幅度下降，这就是应变时效现象，也称为时效脆化。应变时效脆化程度的大小是用”时效敏感性“来表示的。时效敏感性的测量方法及定义是：将预先拉伸10％的板状试样，在250℃温度下经过1小时人工时效，然后制成冲击试样，测出室温冲击韧性，再与原材料的冲击韧性比较，其差值与原材料冲击韧性值的百分比就是该材料时效敏感性。一般要求比值不得大于50％，同时应变时效后的冲击值应不小于30～35J。

普通低合金结构钢按屈服强度分为Q295AB、Q345CDE、Q390ABCDE、Q420ABCDE、Q460ABCDE。A级不要求冲击，B级室温冲击，C级0℃冲击，D级－20℃冲击，E级－40℃冲击。桥梁用钢分为Q235qCD、Q345qCDE、Q370qCDE、Q420qCDE。C级0℃冲击，D级－20℃冲击，E级－40℃冲击。钢的屈服强度主要取决于显微组织，目前普通低合金结构钢所达到的强度与组织的关系如下：

1．铁素体－珠光体组织，目前普通低合金结构钢极大部分属于这一类，屈服强度为300～450MPa。

2．低碳贝氏体组织，屈服强度为550～650MPa。

3．低碳索氏体组织，这类钢经调质处理，屈服强度为650～800MPa。

屈强比也是一个有意义的指标，此值越大，越能发挥材料的潜力，但为了使用安全，亦不宜过大，适合的比值在0.65～0.75之间。在交变载荷下，疲劳强度一般不小于250～270Mpa。因此这类钢也称为低合金高强度钢。

在塑性方面，要求厚度为3～20mm的钢材延伸率（δ5）不小于21％。室温冲击韧性在纵向和横向方面不小于80和60J/cm2，在－40℃或经过时效处理后冲击韧性的下降应不超过50％，即不低于30～40J/cm2。换句话说，钢的冷脆转变温度应为30℃左右。

（二）良好的工艺性

工程用钢的一个重要性能就是能用普通方法进行加工成型。这种加工成型包括剧烈的机械加工变形，如剪切、冲孔、热弯和焊接，同时材料还要适合火焰切割。由于焊接方法的效率高，加工质量好，节约钢材，已代替过去常用的铆接。钢结构在焊后不易进行热处理，故要求有良好的焊接性能，即焊接后联系部分的性能不低于或很少低于焊件本身，焊缝附近热影响区的性能变化要小，焊接时在焊缝及其附近区不致产生裂缝。影响焊接性能的因素很多，要根据具体使用条件选择不同的方法进行试验。用于冷冲的钢板需要有良好的冲压性能。

（三）良好的耐蚀性

这里主要指在各种大气条件下的抗腐蚀能力。使用普通低合金结构钢以后，由于减少了结构中钢材的厚度，所以必须相应地提高由于大气腐蚀而引起的消损率。影响大气腐蚀的因素很多，大气湿度越大，腐蚀的速度越快，大气成分对腐蚀速度有很大的影响，大气中含有SO2、NaCl、灰尘等均加速腐蚀，碳素钢在某些工业区的腐蚀速度比在干净空气中可以快几倍或几十倍。因此，低合金钢的耐腐蚀试验除了在实验室进行外，还要在大气腐蚀站和使用地点进行实验。

另外，根据使用情况还可以提出其它要求。这类钢用量大，必须考虑到生产成本不能比碳钢高出太多，加入的合金元素必须充分考虑到资源条件。

二、合金元素在普通低合金结构钢中的作用

（一）合金元素对钢的力学性能的影响

目前工业上广泛使用的普通低合金结构钢很大一部分具有铁素体－珠光体组织，在热轧或正火后得到最后的性能。其组织接近钢的平衡组织。

提供碳含量可以增加珠光体数量，提高钢的屈服强度和抗拉强度， 但提高含碳量有一定限度，因为会影响焊接性能。冷脆性和其它性能，除个别钢种外，碳含量一般限制在0.2％以下。在碳含量受到限制的情况下，这类钢强度的提高主要依赖于少量而多种合金元素的加入来达到，总加入量不超过5％，一般在3％以下，多为1～2％。

对于具有铁素体－珠光体组织的普通低合金钢，合金元素对其强度的影响方式有以下几种：（！）铁素体的固溶强化；（2）增加珠光体的相对量；（3）控制晶粒大小；（4）影响珠光体的分散度；

（5）沉淀硬化。细化珠光体组织这一方式，一般是不考虑的，因为钢中含碳量低，珠光体的数量较少。

溶于铁素体中的合金元素大都能提高铁素体的强度。一般认为，合金元素与铁原子半径之差越大，强化越显著，而且点阵常数收缩时比点阵常数增大时的效果更大。与α－Fe点阵不同的，在室温下溶解度小的元素作用较大。另外还应考虑到电子的交互作用，合金元素按其在平衡条件下引起强化的递增顺序排列如下：铬、钴、钨、钒、钼、镍、铜、铝、锰、钛、硅、磷。合金元素对抗拉强度的提高和对硬度的提高一样。合金元素对屈服强度的提高特别显著。合金元素对铁素体的塑性影响较小，只是略微降低塑性指标δ和ψ，硅和锰在含量超过2％以后降低铁素体的塑性较显著。

钼、钨、硅（从1%开始）和锰（1～1.5％开始）降低冲击韧性。这些元素的原子结构或原子半径与铁相差较大（除锰外），溶入铁素体后使点阵产生强烈的畸变，故使韧性下降。镍的含量为5％时和铬的含量为1～1.5％时，能提高铁素体的冲击韧性。镍与α－Fe点阵虽不同，但原子结构与原子半径与铁相近。

合金元素对铁素体脆性转变温度的影响不易确定。一些研究工作指出，合金铁素体的正断抗力主要取决于晶粒大小，合金元素含量多少的影响不大。细化晶粒可以显著提高正断抗力，但对屈服强度的影响要弱一些。脆性转变温度取决于正断抗力和屈服强度的相互关系。合金元素对脆性转变温度的影响，一般是当其使晶粒粗大或者对晶粒大小影响不大时，将提高脆性转变温度，元素提高铁素体屈服强度的程度越大，则脆性转变温度的提高越甚。能使晶粒细化的元素在开始时使脆性转变温度下降，但继续增加时，由于晶粒的细化已达到极限，而屈服强度不断提高，此时元素的作用将提高脆性转变温度。此外，非金属夹杂物的数量分布及钢的冶炼性质对冷脆倾向亦

有极重要的影响。

能固溶于铁素体的元素，如锰、硅、铬、镍、铜、钴、磷，主要起固溶强化的作用，这些元素大多降低珠光体中的碳浓度，因而在含碳量相同时，能增加珠光体的相对数量。可以看出，强度的增加是由于珠光体相对量的增加，固溶强化及稍稍细化晶粒所引起的。锰、硅两种元素都有显著的固溶强化作用。因此，考虑到节约成本和资源条件，我国在普通低合金钢中常用的合金元素主要是锰和硅。锰的加入量不超过1.8％，在低碳的条件下，仍可以保持高的塑性和韧性。硅加入量一般在1.1％一下，超过后将降低韧性。铬、镍也是固溶强化元素，镍对改善低温韧性有良好的作用，不符合我国资源条件。有些国家则利用铁矿资源中含有铬、镍生产含有这些元素的普通低合金结构钢。磷强化铁素体很显著，但因增加冷脆性，故使用时要限制碳含量，磷含量最高不超过0.15％，而磷、碳的总和要限制在0.25％以下。合金元素对脆性转变温度的影响是加入合金元素进行强化时要考虑的一个重要方面。加入锰时，屈服强度每提高15.4MPa，可使脆性转变温度下降5℃，这是由于锰有稍微细化晶粒的作用。碳有轻微的细化晶粒作用，但被珠光体量相对增加的有害影响所超过，结果当增加碳含量时屈服强度每提高15.4MPa，却使脆性转变温度提高10℃。硅有固溶强化作用，但由于没有细化晶粒这一因素补偿，所以有正的向量，屈服强度每提高15.4MPa，使脆性转变温度提高8℃。

由此可见，普通低合金钢基本成分的考虑应该是低碳，少高的锰含量，并适当用硅强化。 控制晶粒大小是一个重要的强化因素，从粗晶粒改变到细晶粒，钢的强度可从154MPa提高到386MPa,而脆性转变温度从0℃以上下降到－150℃，即采用细化晶粒的方法，使屈服强度每提高15.4MPa，使脆性转变温度提高10℃。可见细化晶粒能在提高强度的同时降低脆性转变温度，提高韧性，使两个看来矛盾的性能—强度和韧性同时得到改善。氮化铝AlN是一种控制钢的晶粒度很有效的化合物。一般用铝脱氧的钢的晶粒度为5～8级。在适当控制AlN含量时可以得到更细的晶粒，AlN为0.03％时可以得到11～12级晶粒度。这种细化晶粒方法提高了屈服强度，也提高了钢的低温韧性，其作用为每提高15.4MPa，使脆性转变温度提高－27℃。AlN的这种良好作用还由于铝能消除氮对脆性转变温度的有害作用。当氮量已被消除后，进一步增加铝，将没有好的效应。为了控制晶粒大小，还可以加入钒、钛、铌等元素。在普通低合金钢中主要利用铌、钒、钛的沉淀强化效应。运用钒、钛、铌微合金化的钢，由于弥散强化使韧性有显著的降低，但是无论是弥散强化或者是固溶强化给冲击韧性带来的损失都可以由晶粒细化的效果而得到补偿，晶粒细化是一个既能提高钢的屈服强度而又能明显降低脆性转化温度的因素。

铌在钢中生成Nb（CN），在950℃仅少量溶解于奥氏体，加入温度达到1250℃时大部分Nb（CN）都能溶解到奥氏体中去，冷却时，大约在700℃附近将在铁素体中析出高度分散的沉淀物，这种沉淀物与母相共格，产生沉淀强化，然而由于晶粒度较大，会在强化的同时使脆性转变温度升高，使冲击韧性下降，因此采用控制轧制的方法，把铌钢加热到1250℃～1350℃进行轧制，同时将终轧温度控制在Ar3附近，以便得到很细小均匀分布的晶粒度，这样在轧制结束后冷却时，Nb（CN）将在晶粒很细小的铁素体上以细小均匀分布的形式沉淀出来。将含铌和不含铌的低碳锰钢进行对比，在相同晶粒度时，加入0.02％Nb可使钢的屈服强度提高135MPa,这是沉淀强化的效应。但沉淀强化总是引起韧性的损失，在相同晶粒度情况下，含0.02％铌的钢的脆性转变温度比不含铌的钢高35℃。如果采用高温加热轧制，控制终轧温度，得到细的晶粒，这样，利用铌细化晶粒和沉淀强化的效应，既可以提高强度又可以改善冲击韧性。但这种钢如果在900～950℃之间加热（例如正火）则沉淀强化的作用消失，此时钢的强度提高完全是由于铌细化了晶粒的缘故。铌的加入量为0.015％～0.05％。

为了细化晶粒，钒加入量为0.04～0.12％，钒同时还引起沉淀强化，钒钢的沉淀强化效应可以在950℃正火后得到，这是由于VC沉淀出来并与母相保持共格。用钛细化晶粒，加入量一般不超过0.05％，超过这一数量后，有较小的沉淀硬化效应。

利用这些元素细化晶粒的另一个优点是能降低钢的淬透性，因此在加入相当的锰和其它元素进

行强化时，在显微组织中不会出现贝氏体或马氏体，因而保持良好的焊接性能。

我国是一个稀土元素非常富有的国家，近年来在钢中加入稀土元素引起了广泛的重视。一般认为，稀土元素具有强烈的脱氧能力，对氢的亲和力和吸附力也很大，同时能与硫生成高熔点的各种稀土硫化物，比其他元素具有更强烈的去硫能力，还能改善非金属夹杂物的形状，使之球化。稀土元素的这些作用，显著改善钢的横向塑性和韧性等力学性能，减少各相异性系数，降低脆性转变温度。

对于铁素体－珠光体钢来说，钢中铁素体形态对冲击韧性和脆性转化温度也起着很大的作用。大小均匀的等轴铁素体晶粒配合适量的细片状珠光体是最有利韧性的组织。但是由于钢中含有合金元素增加了奥氏体转变的过冷度，往往在金相组织中出现针状铁素体或魏氏组织。甚至形成少量贝氏体，使塑性韧性降低，并且使脆性转化温度上升甚至达到室温。因此必须对钢的金相组织形态给予相当的重视。

具有铁素体－珠光体组织的普通低合金钢，通过以上的方式强化，在保持良好的综合性能的条件下，其屈服强度最高约为470MPa。若希望获得强度更高的普通低合金钢，就需要从其他组织来考虑，因而发展了低碳贝氏体型钢、低碳索氏体型钢和低碳马氏体型钢。

低碳贝氏体型钢是在研究了硼对低碳钼钢的影响之后发展起来的，含0.5％钼的低碳钢在冷却较慢时会得到铁素体珠光体和一部分贝氏体，而冷得较快则得到贝氏体及马氏体，加入微量的硼大大延缓了铁素体的析出，但对贝氏体转变的影响很小，因而有可能在相当大的冷却速度范围内和在较大的界面上得到全部贝氏体组织。以正火的0.5％钼钢为例，若加入0.003％硼，组织由铁素体－珠光体变为贝氏体组织，而抗拉强度自450MPa增至630MPa，屈服强度自254MPa增至472MPa。在没有钼时，加入硼不产生这样的效果，因此强度的提高是由于同时加入了钼和硼的缘故。若在0.5％钼钢中除加入硼外还加入其他合金元素，而使钢的相变温度降低，可以进一步提高强度。随着相变温度的降低，生成的针状铁素体更细，同时由于碳的扩散更为困难，因而碳化物质点更为分散细小和均匀分布。在这方面，锰、铬等是比较有效的元素。合金元素还可以有固溶强化的作用及进一步推迟珠光体转变和增加回火抗力。由于合金元素的加入，钢的贝氏体相变温度自640℃降至450℃，钢的抗拉强度则由630MPa增至1180MPa。成分为0.10％碳、0.5％钼硼、

1.5％锰、1.5％铬的贝氏体钢，空冷后抗拉强度为1170MPa，屈服强度为910MP。贝氏体钢可焊性好，是在正火或轧制状态下使用的，生产工艺简单而具有高的强度和良好的综合性能。我国已研制成功几种低碳贝氏体普通低合金钢。此外，为了控制奥氏体向贝氏体转变的温度和进一步提高强度，在0.5％钼钢加硼的基础上适当提高碳含量和加入适当的合金元素，可以在正火后得到具有不同综合性能的中碳贝氏体钢，这对于发展贝氏体型大界面用钢，有较大的实际意义。

提高普通低合金钢的强度的另一途径，是采用低碳低合金钢淬火获得低碳马氏体，然后进行高温回火，获得低碳索氏体组织，从而得到良好的综合性能和焊接性。生产这种钢是有一定困难的，因为钢材在淬火时容易变形，所以钢板和型钢必须在淬火机上进行淬火，界面厚的钢板还要保证能完全淬透。在确定这类钢的成分时应注意，碳含量应由所要求的强度水平来决定，不宜过多，以保证得到需要的可焊性，而合金元素的用量应保证足够的淬透性，有高的回火稳定性并使马氏体点降低得最少，以减少淬火裂纹倾向。这类钢在国外发展较快，。在美国最早使用和研究得较多的是T－1型钢，其成分为0.1～0.2％碳、0.6～1.0％锰、0.15～0.35％硅、0.4～0.8％铬、0.7～1.0%镍、0.4～0.5%钼、0.03~0.10%钒、0.15～0.5铜、0.003～0.006％硼。在这个成分范围内可以得到适宜的淬透性，而实际采用的成分随断面的不同而变化。这种钢经过热轧、淬火（920℃水淬）和淬火后回火（650℃水冷）。这种钢经过调质后具有较高的强度，尤其是低温韧性非常好，表明脆性断裂倾向很小，这种性能对于许多结构是非常需要的。具有低碳索氏体组织的低碳马氏体型普通低合金钢已在重型车辆、桥梁、水轮机蜗壳及舰艇方面得到应用。

（二）合金元素对焊接性能的影响

良好的焊接性能主要是指焊缝区在焊后冷却时不生成马氏体或其它介稳定组织。一般钢结构焊

后的冷却速度为30～50℃/s。碳增加淬透性而且使马氏体的比容增加，故在低合金结构钢中碳含量必须加以控制，一般不超过0.20％，常为0.1~0.15%。许多合金元素能降低临界冷却速度，故对焊接性能不利。根据实验，合金元素对钢的焊接性能的影响可与碳的作用相比较，而以碳当量表示之，这方面有一些经验公式，各使用于一定的条件，例如：

C当量＝C+Mn/6+Cr/5+Mo/4+Ni/15+Si/24+(Cu/13+P/2)

元素符号表示重量百分数，铜及磷分别在0.5％和0.05％以上才计算，上述公式使用的化学成分为：C＜0.6％、Mn＜1.6%、Cr＜1.0%、Ni＜3.3%、Mo＜0.6%、Cu＝0.5～1.0％、P＝0.05～0.15％。通常认为，C当量＜0.35时，焊接性能良好，C当量＞0.40～0.50，就使焊接困难，焊接前应于100～200℃进行预热。C当量＞0.60的钢必须预热，同时在整个焊接过程中构件应保持在200℃至400℃之间，焊后立即正火。钢中加入少量的钛和钒，由于能使晶粒细化和能与碳结合成稳定的碳化物，而使淬透性降低，从而有利于得到好的焊接性能。

焊接时，焊缝区域由于高温的作用会引起晶粒长大，从而增加焊后开裂的倾向。钢中加入细化晶粒和阻止晶粒长大的元素如钼、钛、钒和以铝脱氧时，有利于改善焊接性。焊接的时间很短，所以焊接时这些元素所生成的稳定碳化物或其它相还不致完全溶解。

马氏体形成温度是影响焊接性能的重要因素之一，此温度越低，焊接形成的硬化区域所引起的应力越大。马氏体形成温度最好不低于300℃。如果马氏体点比较高，则在冷却时焊缝区虽有马氏体转变，但由于及时自行回火，因而减少了开裂的危险性。从这方面来说，碳的作用是最不好的。其次是镍、锰等。

三、普通低合金结构钢的应用

我国余1957年开始试制第一种普通低合金结构钢16Mn。以后，普通低合金钢在我国得到较快的发展，并注意结合我国资源，此用我国富有的元素。利用许多铁矿中以天然带有的合金元素，创造了许多新钢种，建立了符合我国资源的普通低合金钢系统。这里着重介绍普通低合金结构钢的钢号其应用。这类钢按其性能特点和用途又可大致分为一般结构钢，冲压用钢、耐大气腐蚀用钢、中温压力容器用钢、其中有些还可以在-70℃的低温下使用，下面分别介绍一些典型钢号的性能和应用情况。

（一）一般结构用钢

这类钢一般都具有铁素体-珠光体组织，在热轧状态下使用，但对厚度超过20mm的钢板最好进行正火处理，以使组织均匀和性能稳定。钛含量大于0.05%的钢经正火后使用，经研究证明，钛含量大于0.05%时，由于钛在高温试溶于固溶体中，冷却过程中钛不能完全析出，因此热轧后会引起很大的脆性。正火处理可以使钛由固溶体析出，形成碳化物相，使韧性及塑性显著提高。钢中钛含量不大于0.05%时，在铁素体中它只有“痕迹”。对钢的韧性没有影响，故不需热处理。300MPa级的钢的强化途径主要是锰的固溶强化和增加珠光体的相对量，并配以细化晶粒的元素铝、钒、铌等。

屈服强度提高到350MPa的途径，一个是适当增加碳含量。另一个是通过硅-锰复合强化。属于这一强度级别的16Mn是普通低合金钢中使用量最大的一种。16Mn韧性好，时效敏感性低，可焊性好，目前已广泛用于船舶、桥梁、车辆、大型容器、管道以及厂房大型结构、重型机械设备、电站设备等焊接结构。和碳素钢相比，16Mn钢一般可节约钢材20到30%，其耐大气腐蚀性能比碳素钢提高20到30%。我国16Mn钢建造万吨远洋货轮级油轮与南京大桥等，效果良好。这种钢可以进行一般的切削加工及冷冲压成型。16Mn钢的弯曲疲劳强度比碳素钢高，但缺口敏感性较大，再有缺口崔在世，其疲劳强度比碳素钢低得多，易产生裂缝，因此不允许在冷加工表面打眼。16MnCu钢机械性能于16Mn相近，但因含有铜，故耐大气腐蚀更高，16MnRe钢因加入稀土元素而使其冲击韧性预冷弯性能比16Mn显著提高，大量用于船舶构件。

15MnV、15MnTi于16MnNb钢均属于400MPa强度级别。这些钢因含有钒、铌等细化晶粒及产生沉淀强化作用的元素尔比16Mn有更高的强度。15MnTi是使用部门比较满意的一种钢中，用

于建造万吨远洋货轮，使用情况良好。15MnTi钢的正火温度为910±10℃。厚度达于8mm的钢板均需正火处理。

15MnV、14MnVTiRe都是450MPa强度级。15MnVN是在15MnV基础上加入少量N小于2％晶粒及沉淀强化作用的VN而发展起来的。厚度小于或等于10mm时以热轧状态供应，更厚的钢板需在900℃以上正火以改善塑性和韧性。15MnVN适用于大型桥梁、船舶、车辆等。14MnVTiRe是在15MnTi基础上发展的钢种，由于含有0.04～0.10％V，故能细化晶粒和产生沉淀硬化，比15MnTi具有更高的屈服强度。加入小于或等于0.2%的稀土元素是钢的室温极低温韧性提高，此钢应在900~920℃进行正火，适用于制作大型船舶、桥梁、高压容器等。

（二）耐大气腐蚀用钢

低合金结构钢在工作中受到大气、土壤等的腐蚀，它们一般都具有一定的耐大气腐蚀的能力，但仍不能满足多雨潮湿地区及薄壁结构的需要。为此发展了一些屈服强度为350MPa级的耐大气腐蚀性的钢种，即08MnnPRe、12MnPRe、09MnCuPTi等。碳能使钢的耐大气腐蚀性变坏，因此这些钢含碳量都很低，具有良好的塑性，适于压制薄壁结构件。强度的提高依赖于锰、磷铜的固溶强化。铜、磷、钛、稀土等共存时，钢的耐大气腐蚀性更好。由于磷能增加钢的冷脆性，因此加入少量稀土元素以改善钢的韧性，特别是低温韧性。此外我国还创制了耐海水大气腐蚀用钢10MnPNbRe，其屈服强度为400MPa，用于海港码头设施。

（三）冲压用钢

车辆制造中的许多冲压件对所用钢材的冲压加工性能要求较高，在冲压时须不致开裂，冷冲压件的表面应光泽平整，为此刚才应具有细晶粒的组织及良好的塑性与冷弯性能。过去勇08F及20钢，因其屈服强度过低，冲压时易断裂，为此发展了屈服强度为300MPa级的09MnAl等钢作为冲压用钢。这些钢具有良好的塑性和冲压加工性，通常不用一般结构件，而只用于冲压件。09MnV用于生产供冲压用的较薄的钢板。09MnV的冲压性能优于16Mn。09MnAl钢由于含硅低及铝的锡化晶粒作用，较08F钢的强度高，塑性好，5~6mm厚热轧钢板的延伸率δ≥32%，适于做深冲用钢。

（四）中温压力容器用钢

屈服强度在500MPa以上的低合金结构钢，主要用于锅炉和化工石油工业的中温压力容器，其使用温度一般在0~500℃之间。这类钢应能在较长的时间内，在中温（500℃）的水蒸汽或其他气体的较高压力作用下，不发生过大的永久变形急破断。因此这类钢属于低碳珠光体耐热钢。对于这类钢的要求及合金元素的作用见表。

国内外多用12CrMo、12CrMoV、15CrMo等钢（都是珠光体耐热钢），作者方面的用途。为了节约铬，我国创制了不含铬的14MnMoV、14MnMoVBRe、18MnMoNb(σs≥500MPa)及含铬的14CrMnMoVB钢(σs≥650MPa)。这类钢中一般含有钼、钒，因为这些元素能提高钢在中温长期工作的热强性，铬、铌也有这方面的作用。

14MnMoV钢是在950℃以下正火时，金属组织为铁素体和珠光体，钢的强度低。正火温度在950~1000℃时，可以得到贝氏体，珠光体和铁素体的混合组织，综合性能较好，正火后还需回火，以消除阻止内应力，提高屈服强度和塑性，韧性并稳定组织。正火温度为970±10℃，保温时间6～7min以上，低温韧性也好。淬火温度950～970℃，回火温度为600～650℃保温时间为6～7min。 14MnMoVBRe及14CrMnMoVB钢均系贝氏体钢，14CrMnMoVB钢在空冷时获得贝氏体避免先共析铁素体析出的最大直径为350mm。厚度小于20mm的板材在900～950℃正火厚再经600～650℃回火，可得到较高的强度(σs≥650MPa)和良好的韧性（20℃时ak=64~72J）,其中温性能较优越，大大超过常用的12CrMoV和15CrMo等耐热钢，用来制造在400～560℃工作的高压容器。这种钢获得贝氏体的淬透性较高，因此可用做大锻件。经调质处理（900℃水淬，650℃回火）后，可得到更高的强度和最好的韧性（16mm厚的钢材σs＝780MPa，20℃时ak=145J）。

18MnMoNb钢中加入少量的铌，显著地细化了晶粒，铌的沉淀强化作用，使屈服点提高，同时

铌和钼都能提高钢的热强性。这种钢经过正火和回火或调质后使用。正火温度为950～980℃，回火温度为600～650℃。调质规范为930℃淬火和600～620℃回火。18MnMoNb钢的强度高，综合力学性能和焊接性能好，适合做化工石油工业用的中温高压厚壁容器和锅炉等，可在500℃以下工作。此钢还用于做大锻件，如水轮机大轴。

低合金结构钢也和普通碳素钢一样，为了更适合各专业的需要，对其化学成分、性能和质量要求也作一些调整，从而派生出一系列的专业用钢。

桥梁用钢Q370qE

Q370qE为含铌桥梁钢，原牌号为14MnNbq。铌在钢中生成Nb（CN），在950℃仅少量溶解于奥氏体，加入温度达到1250℃时大部分Nb（CN）都能溶解到奥氏体中去，冷却时，大约在700℃附近将在铁素体中析出高度分散的沉淀物，这种沉淀物与母相共格，产生沉淀强化，然而由于晶粒度较大，会在强化的同时使脆性转变温度升高，使冲击韧性下降，因此采用控制轧制的方法，把铌钢加热到1250℃～1350℃进行轧制，同时将终轧温度控制在Ar3附近，以便得到很细小均匀分布的晶粒度，这样在轧制结束后冷却时，Nb（CN）将在晶粒很细小的铁素体上以细小均匀分布的形式沉淀出来。将含铌和不含铌的低碳锰钢进行对比，在相同晶粒度时，加入0.02％Nb可使钢的屈服强度提高135MPa,这是沉淀强化的效应。但沉淀强化总是引起韧性的损失，在相同晶粒度情况下，含0.02％铌的钢的脆性转变温度比不含铌的钢高35℃。如果采用高温加热轧制，控制终轧温度，得到细的晶粒，这样，利用铌细化晶粒和沉淀强化的效应，既可以提高强度又可以改善冲击韧性。但这种钢如果在900～950℃之间加热（例如正火）则沉淀强化的作用消失，此时钢的强度提高完全是由于铌细化了晶粒的缘故。铌的加入量为0.015％～0.05％。

普通低合金结构钢

随着工业交通和科学技术的发展，普通碳素钢已不能满足重要工程结构和新型机器设备的需要。近40多年来普通低合金钢得到迅速的发展。这类钢合金元素较低，其屈服极限比碳素钢高25％至100％以上，时效倾向小，并具有良好的焊接性和耐蚀性。这类钢一般是在热轧和正火下使用，生产过程简单，成本低廉，适宜于大生产，因此广泛用于制造桥梁、船舶、车辆、工业和民用建筑、管道、起重运输机械等。使用普通低合金钢代替普通碳素钢可以节省钢材20％～30％以上，减轻运输机械的自重，增加有效载重，可以使一些机械的结构得到改善，并能增加使用寿命。

一、对普通低合金结构钢的性能要求

对一般用途的普通低合金结构钢，主要有一下要求：

（一）良好的综合力学性能

采用普通低合金结构钢的主要目的是减轻金属结构的重量，提高其可靠性，因此首先要求钢材具有较高的屈服强度，但由于其工作条件的复杂性，钢材还应具有良好的综合性能。例如船舶在航行时承受较大的静载荷，海浪冲击及风力反复作用而产生的交变疲劳载荷，有的还在北方寒冷低温海域行驶。在制造过程中钢材还经受剪切、冷弯、焊接等加工工序以及由此可能产生的时效脆性。普通低合金钢的缺口冲击韧性在室温下往往出现大幅度的下将和上下波动，此时钢已经从韧性状态转化为脆性状态，也就是钢的“脆性转化温度”已经升高到室温附近所致。造成脆性转化温度上升的主要原因是钢的冶金质量和金相组织，后者包括晶粒大小、相的形态和第二相的沉淀等。因此对于普通低合金钢不仅要求具有一定的冲击韧性，而且更为重要的是要求具有尽可能低的脆性转化温度，以防止钢的脆性断裂。譬如在我国常以－40℃为脆性转化温度的检验标准。对于特殊低温设备或结构，则提出更低的温度指标。

除去上述的常温、低温冲击韧性以及脆性转化温度以外，还有另一项涉及冲击韧性检验的问题，即钢的“时效敏感性“。普通低合金钢材经常承受冷加工，经冷加工以后在较长的使用时期或存放时期内，钢材会逐渐变脆，冲击韧性大幅度下降，这就是应变时效现象，也称为时效脆化。应变时效脆化程度的大小是用”时效敏感性“来表示的。时效敏感性的测量方法及定义是：将预先拉伸10％的板状试样，在250℃温度下经过1小时人工时效，然后制成冲击试样，测出室温冲击韧性，再与原材料的冲击韧性比较，其差值与原材料冲击韧性值的百分比就是该材料时效敏感性。一般要求比值不得大于50％，同时应变时效后的冲击值应不小于30～35J。

普通低合金结构钢按屈服强度分为Q295AB、Q345CDE、Q390ABCDE、Q420ABCDE、Q460ABCDE。A级不要求冲击，B级室温冲击，C级0℃冲击，D级－20℃冲击，E级－40℃冲击。桥梁用钢分为Q235qCD、Q345qCDE、Q370qCDE、Q420qCDE。C级0℃冲击，D级－20℃冲击，E级－40℃冲击。钢的屈服强度主要取决于显微组织，目前普通低合金结构钢所达到的强度与组织的关系如下：

1．铁素体－珠光体组织，目前普通低合金结构钢极大部分属于这一类，屈服强度为300～450MPa。

2．低碳贝氏体组织，屈服强度为550～650MPa。

3．低碳索氏体组织，这类钢经调质处理，屈服强度为650～800MPa。

屈强比也是一个有意义的指标，此值越大，越能发挥材料的潜力，但为了使用安全，亦不宜过大，适合的比值在0.65～0.75之间。在交变载荷下，疲劳强度一般不小于250～270Mpa。因此这类钢也称为低合金高强度钢。

在塑性方面，要求厚度为3～20mm的钢材延伸率（δ5）不小于21％。室温冲击韧性在纵向和横向方面不小于80和60J/cm2，在－40℃或经过时效处理后冲击韧性的下降应不超过50％，即不低于30～40J/cm2。换句话说，钢的冷脆转变温度应为30℃左右。

（二）良好的工艺性

工程用钢的一个重要性能就是能用普通方法进行加工成型。这种加工成型包括剧烈的机械加工变形，如剪切、冲孔、热弯和焊接，同时材料还要适合火焰切割。由于焊接方法的效率高，加工质量好，节约钢材，已代替过去常用的铆接。钢结构在焊后不易进行热处理，故要求有良好的焊接性能，即焊接后联系部分的性能不低于或很少低于焊件本身，焊缝附近热影响区的性能变化要小，焊接时在焊缝及其附近区不致产生裂缝。影响焊接性能的因素很多，要根据具体使用条件选择不同的方法进行试验。用于冷冲的钢板需要有良好的冲压性能。

（三）良好的耐蚀性

这里主要指在各种大气条件下的抗腐蚀能力。使用普通低合金结构钢以后，由于减少了结构中钢材的厚度，所以必须相应地提高由于大气腐蚀而引起的消损率。影响大气腐蚀的因素很多，大气湿度越大，腐蚀的速度越快，大气成分对腐蚀速度有很大的影响，大气中含有SO2、NaCl、灰尘等均加速腐蚀，碳素钢在某些工业区的腐蚀速度比在干净空气中可以快几倍或几十倍。因此，低合金钢的耐腐蚀试验除了在实验室进行外，还要在大气腐蚀站和使用地点进行实验。

另外，根据使用情况还可以提出其它要求。这类钢用量大，必须考虑到生产成本不能比碳钢高出太多，加入的合金元素必须充分考虑到资源条件。

二、合金元素在普通低合金结构钢中的作用

（一）合金元素对钢的力学性能的影响

目前工业上广泛使用的普通低合金结构钢很大一部分具有铁素体－珠光体组织，在热轧或正火后得到最后的性能。其组织接近钢的平衡组织。

提供碳含量可以增加珠光体数量，提高钢的屈服强度和抗拉强度， 但提高含碳量有一定限度，因为会影响焊接性能。冷脆性和其它性能，除个别钢种外，碳含量一般限制在0.2％以下。在碳含量受到限制的情况下，这类钢强度的提高主要依赖于少量而多种合金元素的加入来达到，总加入量不超过5％，一般在3％以下，多为1～2％。

对于具有铁素体－珠光体组织的普通低合金钢，合金元素对其强度的影响方式有以下几种：（！）铁素体的固溶强化；（2）增加珠光体的相对量；（3）控制晶粒大小；（4）影响珠光体的分散度；

（5）沉淀硬化。细化珠光体组织这一方式，一般是不考虑的，因为钢中含碳量低，珠光体的数量较少。

溶于铁素体中的合金元素大都能提高铁素体的强度。一般认为，合金元素与铁原子半径之差越大，强化越显著，而且点阵常数收缩时比点阵常数增大时的效果更大。与α－Fe点阵不同的，在室温下溶解度小的元素作用较大。另外还应考虑到电子的交互作用，合金元素按其在平衡条件下引起强化的递增顺序排列如下：铬、钴、钨、钒、钼、镍、铜、铝、锰、钛、硅、磷。合金元素对抗拉强度的提高和对硬度的提高一样。合金元素对屈服强度的提高特别显著。合金元素对铁素体的塑性影响较小，只是略微降低塑性指标δ和ψ，硅和锰在含量超过2％以后降低铁素体的塑性较显著。

钼、钨、硅（从1%开始）和锰（1～1.5％开始）降低冲击韧性。这些元素的原子结构或原子半径与铁相差较大（除锰外），溶入铁素体后使点阵产生强烈的畸变，故使韧性下降。镍的含量为5％时和铬的含量为1～1.5％时，能提高铁素体的冲击韧性。镍与α－Fe点阵虽不同，但原子结构与原子半径与铁相近。

合金元素对铁素体脆性转变温度的影响不易确定。一些研究工作指出，合金铁素体的正断抗力主要取决于晶粒大小，合金元素含量多少的影响不大。细化晶粒可以显著提高正断抗力，但对屈服强度的影响要弱一些。脆性转变温度取决于正断抗力和屈服强度的相互关系。合金元素对脆性转变温度的影响，一般是当其使晶粒粗大或者对晶粒大小影响不大时，将提高脆性转变温度，元素提高铁素体屈服强度的程度越大，则脆性转变温度的提高越甚。能使晶粒细化的元素在开始时使脆性转变温度下降，但继续增加时，由于晶粒的细化已达到极限，而屈服强度不断提高，此时元素的作用将提高脆性转变温度。此外，非金属夹杂物的数量分布及钢的冶炼性质对冷脆倾向亦

有极重要的影响。

能固溶于铁素体的元素，如锰、硅、铬、镍、铜、钴、磷，主要起固溶强化的作用，这些元素大多降低珠光体中的碳浓度，因而在含碳量相同时，能增加珠光体的相对数量。可以看出，强度的增加是由于珠光体相对量的增加，固溶强化及稍稍细化晶粒所引起的。锰、硅两种元素都有显著的固溶强化作用。因此，考虑到节约成本和资源条件，我国在普通低合金钢中常用的合金元素主要是锰和硅。锰的加入量不超过1.8％，在低碳的条件下，仍可以保持高的塑性和韧性。硅加入量一般在1.1％一下，超过后将降低韧性。铬、镍也是固溶强化元素，镍对改善低温韧性有良好的作用，不符合我国资源条件。有些国家则利用铁矿资源中含有铬、镍生产含有这些元素的普通低合金结构钢。磷强化铁素体很显著，但因增加冷脆性，故使用时要限制碳含量，磷含量最高不超过0.15％，而磷、碳的总和要限制在0.25％以下。合金元素对脆性转变温度的影响是加入合金元素进行强化时要考虑的一个重要方面。加入锰时，屈服强度每提高15.4MPa，可使脆性转变温度下降5℃，这是由于锰有稍微细化晶粒的作用。碳有轻微的细化晶粒作用，但被珠光体量相对增加的有害影响所超过，结果当增加碳含量时屈服强度每提高15.4MPa，却使脆性转变温度提高10℃。硅有固溶强化作用，但由于没有细化晶粒这一因素补偿，所以有正的向量，屈服强度每提高15.4MPa，使脆性转变温度提高8℃。

由此可见，普通低合金钢基本成分的考虑应该是低碳，少高的锰含量，并适当用硅强化。 控制晶粒大小是一个重要的强化因素，从粗晶粒改变到细晶粒，钢的强度可从154MPa提高到386MPa,而脆性转变温度从0℃以上下降到－150℃，即采用细化晶粒的方法，使屈服强度每提高15.4MPa，使脆性转变温度提高10℃。可见细化晶粒能在提高强度的同时降低脆性转变温度，提高韧性，使两个看来矛盾的性能—强度和韧性同时得到改善。氮化铝AlN是一种控制钢的晶粒度很有效的化合物。一般用铝脱氧的钢的晶粒度为5～8级。在适当控制AlN含量时可以得到更细的晶粒，AlN为0.03％时可以得到11～12级晶粒度。这种细化晶粒方法提高了屈服强度，也提高了钢的低温韧性，其作用为每提高15.4MPa，使脆性转变温度提高－27℃。AlN的这种良好作用还由于铝能消除氮对脆性转变温度的有害作用。当氮量已被消除后，进一步增加铝，将没有好的效应。为了控制晶粒大小，还可以加入钒、钛、铌等元素。在普通低合金钢中主要利用铌、钒、钛的沉淀强化效应。运用钒、钛、铌微合金化的钢，由于弥散强化使韧性有显著的降低，但是无论是弥散强化或者是固溶强化给冲击韧性带来的损失都可以由晶粒细化的效果而得到补偿，晶粒细化是一个既能提高钢的屈服强度而又能明显降低脆性转化温度的因素。

铌在钢中生成Nb（CN），在950℃仅少量溶解于奥氏体，加入温度达到1250℃时大部分Nb（CN）都能溶解到奥氏体中去，冷却时，大约在700℃附近将在铁素体中析出高度分散的沉淀物，这种沉淀物与母相共格，产生沉淀强化，然而由于晶粒度较大，会在强化的同时使脆性转变温度升高，使冲击韧性下降，因此采用控制轧制的方法，把铌钢加热到1250℃～1350℃进行轧制，同时将终轧温度控制在Ar3附近，以便得到很细小均匀分布的晶粒度，这样在轧制结束后冷却时，Nb（CN）将在晶粒很细小的铁素体上以细小均匀分布的形式沉淀出来。将含铌和不含铌的低碳锰钢进行对比，在相同晶粒度时，加入0.02％Nb可使钢的屈服强度提高135MPa,这是沉淀强化的效应。但沉淀强化总是引起韧性的损失，在相同晶粒度情况下，含0.02％铌的钢的脆性转变温度比不含铌的钢高35℃。如果采用高温加热轧制，控制终轧温度，得到细的晶粒，这样，利用铌细化晶粒和沉淀强化的效应，既可以提高强度又可以改善冲击韧性。但这种钢如果在900～950℃之间加热（例如正火）则沉淀强化的作用消失，此时钢的强度提高完全是由于铌细化了晶粒的缘故。铌的加入量为0.015％～0.05％。

为了细化晶粒，钒加入量为0.04～0.12％，钒同时还引起沉淀强化，钒钢的沉淀强化效应可以在950℃正火后得到，这是由于VC沉淀出来并与母相保持共格。用钛细化晶粒，加入量一般不超过0.05％，超过这一数量后，有较小的沉淀硬化效应。

利用这些元素细化晶粒的另一个优点是能降低钢的淬透性，因此在加入相当的锰和其它元素进

行强化时，在显微组织中不会出现贝氏体或马氏体，因而保持良好的焊接性能。

我国是一个稀土元素非常富有的国家，近年来在钢中加入稀土元素引起了广泛的重视。一般认为，稀土元素具有强烈的脱氧能力，对氢的亲和力和吸附力也很大，同时能与硫生成高熔点的各种稀土硫化物，比其他元素具有更强烈的去硫能力，还能改善非金属夹杂物的形状，使之球化。稀土元素的这些作用，显著改善钢的横向塑性和韧性等力学性能，减少各相异性系数，降低脆性转变温度。

对于铁素体－珠光体钢来说，钢中铁素体形态对冲击韧性和脆性转化温度也起着很大的作用。大小均匀的等轴铁素体晶粒配合适量的细片状珠光体是最有利韧性的组织。但是由于钢中含有合金元素增加了奥氏体转变的过冷度，往往在金相组织中出现针状铁素体或魏氏组织。甚至形成少量贝氏体，使塑性韧性降低，并且使脆性转化温度上升甚至达到室温。因此必须对钢的金相组织形态给予相当的重视。

具有铁素体－珠光体组织的普通低合金钢，通过以上的方式强化，在保持良好的综合性能的条件下，其屈服强度最高约为470MPa。若希望获得强度更高的普通低合金钢，就需要从其他组织来考虑，因而发展了低碳贝氏体型钢、低碳索氏体型钢和低碳马氏体型钢。

低碳贝氏体型钢是在研究了硼对低碳钼钢的影响之后发展起来的，含0.5％钼的低碳钢在冷却较慢时会得到铁素体珠光体和一部分贝氏体，而冷得较快则得到贝氏体及马氏体，加入微量的硼大大延缓了铁素体的析出，但对贝氏体转变的影响很小，因而有可能在相当大的冷却速度范围内和在较大的界面上得到全部贝氏体组织。以正火的0.5％钼钢为例，若加入0.003％硼，组织由铁素体－珠光体变为贝氏体组织，而抗拉强度自450MPa增至630MPa，屈服强度自254MPa增至472MPa。在没有钼时，加入硼不产生这样的效果，因此强度的提高是由于同时加入了钼和硼的缘故。若在0.5％钼钢中除加入硼外还加入其他合金元素，而使钢的相变温度降低，可以进一步提高强度。随着相变温度的降低，生成的针状铁素体更细，同时由于碳的扩散更为困难，因而碳化物质点更为分散细小和均匀分布。在这方面，锰、铬等是比较有效的元素。合金元素还可以有固溶强化的作用及进一步推迟珠光体转变和增加回火抗力。由于合金元素的加入，钢的贝氏体相变温度自640℃降至450℃，钢的抗拉强度则由630MPa增至1180MPa。成分为0.10％碳、0.5％钼硼、

1.5％锰、1.5％铬的贝氏体钢，空冷后抗拉强度为1170MPa，屈服强度为910MP。贝氏体钢可焊性好，是在正火或轧制状态下使用的，生产工艺简单而具有高的强度和良好的综合性能。我国已研制成功几种低碳贝氏体普通低合金钢。此外，为了控制奥氏体向贝氏体转变的温度和进一步提高强度，在0.5％钼钢加硼的基础上适当提高碳含量和加入适当的合金元素，可以在正火后得到具有不同综合性能的中碳贝氏体钢，这对于发展贝氏体型大界面用钢，有较大的实际意义。

提高普通低合金钢的强度的另一途径，是采用低碳低合金钢淬火获得低碳马氏体，然后进行高温回火，获得低碳索氏体组织，从而得到良好的综合性能和焊接性。生产这种钢是有一定困难的，因为钢材在淬火时容易变形，所以钢板和型钢必须在淬火机上进行淬火，界面厚的钢板还要保证能完全淬透。在确定这类钢的成分时应注意，碳含量应由所要求的强度水平来决定，不宜过多，以保证得到需要的可焊性，而合金元素的用量应保证足够的淬透性，有高的回火稳定性并使马氏体点降低得最少，以减少淬火裂纹倾向。这类钢在国外发展较快，。在美国最早使用和研究得较多的是T－1型钢，其成分为0.1～0.2％碳、0.6～1.0％锰、0.15～0.35％硅、0.4～0.8％铬、0.7～1.0%镍、0.4～0.5%钼、0.03~0.10%钒、0.15～0.5铜、0.003～0.006％硼。在这个成分范围内可以得到适宜的淬透性，而实际采用的成分随断面的不同而变化。这种钢经过热轧、淬火（920℃水淬）和淬火后回火（650℃水冷）。这种钢经过调质后具有较高的强度，尤其是低温韧性非常好，表明脆性断裂倾向很小，这种性能对于许多结构是非常需要的。具有低碳索氏体组织的低碳马氏体型普通低合金钢已在重型车辆、桥梁、水轮机蜗壳及舰艇方面得到应用。

（二）合金元素对焊接性能的影响

良好的焊接性能主要是指焊缝区在焊后冷却时不生成马氏体或其它介稳定组织。一般钢结构焊

后的冷却速度为30～50℃/s。碳增加淬透性而且使马氏体的比容增加，故在低合金结构钢中碳含量必须加以控制，一般不超过0.20％，常为0.1~0.15%。许多合金元素能降低临界冷却速度，故对焊接性能不利。根据实验，合金元素对钢的焊接性能的影响可与碳的作用相比较，而以碳当量表示之，这方面有一些经验公式，各使用于一定的条件，例如：

C当量＝C+Mn/6+Cr/5+Mo/4+Ni/15+Si/24+(Cu/13+P/2)

元素符号表示重量百分数，铜及磷分别在0.5％和0.05％以上才计算，上述公式使用的化学成分为：C＜0.6％、Mn＜1.6%、Cr＜1.0%、Ni＜3.3%、Mo＜0.6%、Cu＝0.5～1.0％、P＝0.05～0.15％。通常认为，C当量＜0.35时，焊接性能良好，C当量＞0.40～0.50，就使焊接困难，焊接前应于100～200℃进行预热。C当量＞0.60的钢必须预热，同时在整个焊接过程中构件应保持在200℃至400℃之间，焊后立即正火。钢中加入少量的钛和钒，由于能使晶粒细化和能与碳结合成稳定的碳化物，而使淬透性降低，从而有利于得到好的焊接性能。

焊接时，焊缝区域由于高温的作用会引起晶粒长大，从而增加焊后开裂的倾向。钢中加入细化晶粒和阻止晶粒长大的元素如钼、钛、钒和以铝脱氧时，有利于改善焊接性。焊接的时间很短，所以焊接时这些元素所生成的稳定碳化物或其它相还不致完全溶解。

马氏体形成温度是影响焊接性能的重要因素之一，此温度越低，焊接形成的硬化区域所引起的应力越大。马氏体形成温度最好不低于300℃。如果马氏体点比较高，则在冷却时焊缝区虽有马氏体转变，但由于及时自行回火，因而减少了开裂的危险性。从这方面来说，碳的作用是最不好的。其次是镍、锰等。

三、普通低合金结构钢的应用

我国余1957年开始试制第一种普通低合金结构钢16Mn。以后，普通低合金钢在我国得到较快的发展，并注意结合我国资源，此用我国富有的元素。利用许多铁矿中以天然带有的合金元素，创造了许多新钢种，建立了符合我国资源的普通低合金钢系统。这里着重介绍普通低合金结构钢的钢号其应用。这类钢按其性能特点和用途又可大致分为一般结构钢，冲压用钢、耐大气腐蚀用钢、中温压力容器用钢、其中有些还可以在-70℃的低温下使用，下面分别介绍一些典型钢号的性能和应用情况。

（一）一般结构用钢

这类钢一般都具有铁素体-珠光体组织，在热轧状态下使用，但对厚度超过20mm的钢板最好进行正火处理，以使组织均匀和性能稳定。钛含量大于0.05%的钢经正火后使用，经研究证明，钛含量大于0.05%时，由于钛在高温试溶于固溶体中，冷却过程中钛不能完全析出，因此热轧后会引起很大的脆性。正火处理可以使钛由固溶体析出，形成碳化物相，使韧性及塑性显著提高。钢中钛含量不大于0.05%时，在铁素体中它只有“痕迹”。对钢的韧性没有影响，故不需热处理。300MPa级的钢的强化途径主要是锰的固溶强化和增加珠光体的相对量，并配以细化晶粒的元素铝、钒、铌等。

屈服强度提高到350MPa的途径，一个是适当增加碳含量。另一个是通过硅-锰复合强化。属于这一强度级别的16Mn是普通低合金钢中使用量最大的一种。16Mn韧性好，时效敏感性低，可焊性好，目前已广泛用于船舶、桥梁、车辆、大型容器、管道以及厂房大型结构、重型机械设备、电站设备等焊接结构。和碳素钢相比，16Mn钢一般可节约钢材20到30%，其耐大气腐蚀性能比碳素钢提高20到30%。我国16Mn钢建造万吨远洋货轮级油轮与南京大桥等，效果良好。这种钢可以进行一般的切削加工及冷冲压成型。16Mn钢的弯曲疲劳强度比碳素钢高，但缺口敏感性较大，再有缺口崔在世，其疲劳强度比碳素钢低得多，易产生裂缝，因此不允许在冷加工表面打眼。16MnCu钢机械性能于16Mn相近，但因含有铜，故耐大气腐蚀更高，16MnRe钢因加入稀土元素而使其冲击韧性预冷弯性能比16Mn显著提高，大量用于船舶构件。

15MnV、15MnTi于16MnNb钢均属于400MPa强度级别。这些钢因含有钒、铌等细化晶粒及产生沉淀强化作用的元素尔比16Mn有更高的强度。15MnTi是使用部门比较满意的一种钢中，用

于建造万吨远洋货轮，使用情况良好。15MnTi钢的正火温度为910±10℃。厚度达于8mm的钢板均需正火处理。

15MnV、14MnVTiRe都是450MPa强度级。15MnVN是在15MnV基础上加入少量N小于2％晶粒及沉淀强化作用的VN而发展起来的。厚度小于或等于10mm时以热轧状态供应，更厚的钢板需在900℃以上正火以改善塑性和韧性。15MnVN适用于大型桥梁、船舶、车辆等。14MnVTiRe是在15MnTi基础上发展的钢种，由于含有0.04～0.10％V，故能细化晶粒和产生沉淀硬化，比15MnTi具有更高的屈服强度。加入小于或等于0.2%的稀土元素是钢的室温极低温韧性提高，此钢应在900~920℃进行正火，适用于制作大型船舶、桥梁、高压容器等。

（二）耐大气腐蚀用钢

低合金结构钢在工作中受到大气、土壤等的腐蚀，它们一般都具有一定的耐大气腐蚀的能力，但仍不能满足多雨潮湿地区及薄壁结构的需要。为此发展了一些屈服强度为350MPa级的耐大气腐蚀性的钢种，即08MnnPRe、12MnPRe、09MnCuPTi等。碳能使钢的耐大气腐蚀性变坏，因此这些钢含碳量都很低，具有良好的塑性，适于压制薄壁结构件。强度的提高依赖于锰、磷铜的固溶强化。铜、磷、钛、稀土等共存时，钢的耐大气腐蚀性更好。由于磷能增加钢的冷脆性，因此加入少量稀土元素以改善钢的韧性，特别是低温韧性。此外我国还创制了耐海水大气腐蚀用钢10MnPNbRe，其屈服强度为400MPa，用于海港码头设施。

（三）冲压用钢

车辆制造中的许多冲压件对所用钢材的冲压加工性能要求较高，在冲压时须不致开裂，冷冲压件的表面应光泽平整，为此刚才应具有细晶粒的组织及良好的塑性与冷弯性能。过去勇08F及20钢，因其屈服强度过低，冲压时易断裂，为此发展了屈服强度为300MPa级的09MnAl等钢作为冲压用钢。这些钢具有良好的塑性和冲压加工性，通常不用一般结构件，而只用于冲压件。09MnV用于生产供冲压用的较薄的钢板。09MnV的冲压性能优于16Mn。09MnAl钢由于含硅低及铝的锡化晶粒作用，较08F钢的强度高，塑性好，5~6mm厚热轧钢板的延伸率δ≥32%，适于做深冲用钢。

（四）中温压力容器用钢

屈服强度在500MPa以上的低合金结构钢，主要用于锅炉和化工石油工业的中温压力容器，其使用温度一般在0~500℃之间。这类钢应能在较长的时间内，在中温（500℃）的水蒸汽或其他气体的较高压力作用下，不发生过大的永久变形急破断。因此这类钢属于低碳珠光体耐热钢。对于这类钢的要求及合金元素的作用见表。

国内外多用12CrMo、12CrMoV、15CrMo等钢（都是珠光体耐热钢），作者方面的用途。为了节约铬，我国创制了不含铬的14MnMoV、14MnMoVBRe、18MnMoNb(σs≥500MPa)及含铬的14CrMnMoVB钢(σs≥650MPa)。这类钢中一般含有钼、钒，因为这些元素能提高钢在中温长期工作的热强性，铬、铌也有这方面的作用。

14MnMoV钢是在950℃以下正火时，金属组织为铁素体和珠光体，钢的强度低。正火温度在950~1000℃时，可以得到贝氏体，珠光体和铁素体的混合组织，综合性能较好，正火后还需回火，以消除阻止内应力，提高屈服强度和塑性，韧性并稳定组织。正火温度为970±10℃，保温时间6～7min以上，低温韧性也好。淬火温度950～970℃，回火温度为600～650℃保温时间为6～7min。 14MnMoVBRe及14CrMnMoVB钢均系贝氏体钢，14CrMnMoVB钢在空冷时获得贝氏体避免先共析铁素体析出的最大直径为350mm。厚度小于20mm的板材在900～950℃正火厚再经600～650℃回火，可得到较高的强度(σs≥650MPa)和良好的韧性（20℃时ak=64~72J）,其中温性能较优越，大大超过常用的12CrMoV和15CrMo等耐热钢，用来制造在400～560℃工作的高压容器。这种钢获得贝氏体的淬透性较高，因此可用做大锻件。经调质处理（900℃水淬，650℃回火）后，可得到更高的强度和最好的韧性（16mm厚的钢材σs＝780MPa，20℃时ak=145J）。

18MnMoNb钢中加入少量的铌，显著地细化了晶粒，铌的沉淀强化作用，使屈服点提高，同时

铌和钼都能提高钢的热强性。这种钢经过正火和回火或调质后使用。正火温度为950～980℃，回火温度为600～650℃。调质规范为930℃淬火和600～620℃回火。18MnMoNb钢的强度高，综合力学性能和焊接性能好，适合做化工石油工业用的中温高压厚壁容器和锅炉等，可在500℃以下工作。此钢还用于做大锻件，如水轮机大轴。

低合金结构钢也和普通碳素钢一样，为了更适合各专业的需要，对其化学成分、性能和质量要求也作一些调整，从而派生出一系列的专业用钢。

桥梁用钢Q370qE

Q370qE为含铌桥梁钢，原牌号为14MnNbq。铌在钢中生成Nb（CN），在950℃仅少量溶解于奥氏体，加入温度达到1250℃时大部分Nb（CN）都能溶解到奥氏体中去，冷却时，大约在700℃附近将在铁素体中析出高度分散的沉淀物，这种沉淀物与母相共格，产生沉淀强化，然而由于晶粒度较大，会在强化的同时使脆性转变温度升高，使冲击韧性下降，因此采用控制轧制的方法，把铌钢加热到1250℃～1350℃进行轧制，同时将终轧温度控制在Ar3附近，以便得到很细小均匀分布的晶粒度，这样在轧制结束后冷却时，Nb（CN）将在晶粒很细小的铁素体上以细小均匀分布的形式沉淀出来。将含铌和不含铌的低碳锰钢进行对比，在相同晶粒度时，加入0.02％Nb可使钢的屈服强度提高135MPa,这是沉淀强化的效应。但沉淀强化总是引起韧性的损失，在相同晶粒度情况下，含0.02％铌的钢的脆性转变温度比不含铌的钢高35℃。如果采用高温加热轧制，控制终轧温度，得到细的晶粒，这样，利用铌细化晶粒和沉淀强化的效应，既可以提高强度又可以改善冲击韧性。但这种钢如果在900～950℃之间加热（例如正火）则沉淀强化的作用消失，此时钢的强度提高完全是由于铌细化了晶粒的缘故。铌的加入量为0.015％～0.05％。