通用结构钢及金相分析

通用结构钢及金相分析
      结构钢是一类量大、使用面广、品种繁多的钢材，常作为各种装备、构件的结构基材。目前，世界范围内结构钢品种达20万以上，实际运用中往往又进一步细分，根据化学成分一般分为碳素结构钢、合金结构钢；根据强化工艺可分为调质钢、马氏体时效钢、非调质钢、Trip钢等；根据专门用途可分为弹簧钢、轴承钢、渗碳钢、渗氮钢、低温用钢、海洋用钢、耐硫化氢钢以及电站用钢、核电用钢等。
      本版主要谈论较基础的通用结构钢，包括调质钢及非调质钢。
      1、通用结构钢的特性及组成
      构件的使用性能决定了材料的技术要求。对结构件而言，最重要的使用要求是钢的力学性能，而工件的可靠性和寿命则是其最高的质量确定依据。结构钢通过低合金化、微合金化及适当的工艺过程达到相应的构件的性能要求。
      1、力学性能
      结构钢的力学性能包括强度、塑性和韧性等，其中强度是第一位的。目前用于建筑的低碳结构钢抗拉强度最低为315MPa（Q195），中碳合金结构钢，调质后强度一般可达1100MPa（42CrMo），超低碳马氏体时效钢在淬火+高温时效后强度可达2800MPa（00H13K15M10），最求更高的强度是结构钢研发的目标之一。提高钢的强度除合金化外，主要可通过固溶强化、沉淀强化、细晶粒强化、马氏体强化、马氏体时效强化，以及位错强化（加工硬化）等。但是随着钢的强度的提高，一般会不同程度影响钢的塑性及韧性，因此对于具体工件条件，应该综合选择结构钢的最佳强韧配合。
      在一般情况下，钢的强度增加，钢的塑性和韧性就会降低，不过这种趋势会表现出较大的波动性。这种波动性的产生是多种因素作用的结果，除了钢的成分因素（尤其是有害杂质元素污染）外，冶金质量（冶炼、浇注、加工、热处理）的变化是重要原因，它反映在钢的纯度、组织结构、晶粒度和内应力等方面的变化上。因此，要是提高强度的效益实现，应使钢的塑性和韧性保持在稳定而较高的水平，以避免发生脆性破坏。
      2、冷脆性
      对于在低温环境下工作的构件要求相关结构钢具有足够的抗冷脆性，即其脆性转化温度要足够低。目前，对于低温冲击功的考核温度一般为-20℃或-40℃，也有更低的。
工程上常用的中、低强度结构钢的低温脆性明显，而高强度和超高强度的冲击吸收功在很宽温度范围内都比较低，所以韧脆之间转变相对不明显。
结构钢的冷脆性主要与成分及组织形态有关。在材料的主要合金元素（牌号）确定条件下，基体内的一些微量元素如硫、磷、锑、铅、砷、铋以及少量的氮氧氢气体等，对钢的低温韧性起有害作用。
      在基体组织中，晶粒大小对钢的冷脆性有明显影响。细化晶粒一方面能提高钢的脆断抗力使材料相韧性断裂过渡，一方面能降低低温脆性转变温度。与之相应，铁素体晶粒细化、马氏体板条束宽减小或上贝氏体中铁素体板条宽度减小则韧脆转变温度呈线性降低。钢的组织类型对冷脆性也有主要影响，在强度水平较低时，同等强度下调质后索氏体组织韧脆转变温度相对较低，回火贝氏体次之，片层状珠光体最高（差）。在较高强度水平时，往往采用等温淬火获得下贝氏体以期获得相对较高强度又有较高的韧性。
结构钢中存在一定的残留奥氏体可有助于改善钢的韧性。钢中夹杂物、碳化物等第二相颗粒随其尺寸增大，韧脆转变温度升高。在铁素体-珠光体钢中，除珠光体量对钢韧性有影响外，珠光体的片间距对韧脆转变温度也有明显的影响，但不是简单的对应关系，而有一个最佳片间距。
      3、回火脆性及热脆
      对于结构钢，大部分是在淬火-回火状态下服役，因此可能会有不同程度的低温回火脆性及高温回火脆性。
      结构钢在高温加工或高温工作中表现出的脆性称为热脆。钢发生热脆的原因很多，但均可归纳为晶界高温下弱化。晶界弱化形成的原因有：低熔点共晶体FeS沿晶界分布、低熔点杂质铜沿晶界分布、脆性相硼化物、氮化铝沿晶界析出、或长期高温下由于碳化物析出促进磷原子向晶界偏聚等。
对于结构钢，要克服热脆，减轻回火脆性，首先要提高钢的纯净度，其次要控制热加工工艺质量。

      2、通用结构钢的成分组成
      构件的使用性能要求，决定了对材料的性能要求，材料性能的实现主要依靠材料正确的成分设计和相应的显微组织，而适当的热处理工艺是获得相应组织和性能的核心。在通用结构钢中，大量使用调质强化工艺的钢件，一般又称为调质（结构）钢，本版主要介绍该类结构钢的成分组成。
      结构钢的碳含量大多在0.5wt%以下（弹簧钢轴承钢等稍高些），属于亚共析钢范畴，其中建筑碳钢碳含量多在0.2wt%以下，机械装备用钢碳含量多在0.2wt%-0.5wt%之间。碳是决定钢强度最主要而又最经济的元素，只是它伴有对钢塑性和韧性的不利影响以及对焊接性等的严重不利作用，因此其其用量受到综合性能要求的制约。合金元素（Cr、Ni、Mo）等应用主要作用有：提高淬透性、调节强度-塑性、韧性配合，满足某些特殊性能的要求（如抗蚀性、耐热性、冷脆性等），改善工艺性能（如回火脆性、成型性、焊接性等）它们的相应作用是通过钢的显微组织结构（包括亚结构）的变化来实现的。
      结构钢中合金元素的总量在10wt%以下，常用的合金元素有锰、铬、镍、钼、钒、硅、硼、钨等。传统的中碳调质结构钢有铬钢、锰（或镍）钢、Cr-V钢、Cr-Mo钢、Cr-Mo-V钢、Cr-Ni-Mo钢、Cr-Ni-Mo-V钢等，目前仍是世界各国调质钢的主要代表，它们依次从低淬透性到高淬透性，从低力学性能到高力学性能，在广阔的范围内可以满足工程应用中国的不同质量要求并且性能稳定。
      围绕节约镍和钼的调质结构钢也得到了很大发展，它们与硼钢一起可称为经济调质钢，其中有Si-Mn钢、Si-Mn-Mo钢、Si-Mn-Mo-V钢、Mn-Mo-Nb钢、Mn-Mo-V钢、Cr-Mn-Mo钢、Cr-Ni-W钢、Cr-Mn-Si钢、Cr-Mn-Ni钢、Cr-Mn-Si-W钢、Cr-Mn-Ni-W钢等等，在重型机械、矿山地址机械中应用广泛。经济调质结构钢尽管有很广阔的应用市场，但在综合性能上都还不能与Cr-Mo-V钢相媲美，尤其是在韧性和抗冷脆性上。因此，重要用途的高质量调质结构钢，例如电站设备、船艇、原子能设备、坦克等使用的重要部件至今仍采用Cr-Mo和Cr-Ni-Mo钢。
近年来，由于微合金化（V、Nb、Ti等）可以实现理想的细晶强化和沉淀强化相结合的强韧化，并增加钢的耐磨抗力，使结构钢性能进一步上升。
      目前，我国通用结构钢的主要国家标准有：
      GB/T 699-1999《优质碳素结构钢》
      GB/T 700-2006《碳素结构钢》
      GB/T 1591-2008《低合金高强度结构钢》
      GB/T 3077-1999《合金结构钢》
      GB/T 5216-2004《保证淬透性结构钢》
      GB/T 8731-2008《易切削结构钢技术条件》