苏州中科集成电路设计中心
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1)成分特点
(1)低碳碳质量分数wc≤0.2%，以满足塑性和韧性、焊接性和冷塑性加工性能的要求；
(2)低合金主加合金元素为锰(wMn=0.80％～1.70％)，Mn具有明显的固溶强化作用、细化了铁素体和珠光体尺寸、增加了珠光体的相对量并抑制了硫的有害作用，故Mn既是强化元素、又是韧化元素；辅加合金元素为V、Nb、Ti、Cr、Ni、Cu、P和稀土元素等。V、Nb、Ti、A1等在钢中形成细小弥散的合金碳化物，起细化晶粒和弥散强化的作用，Cr、Ni起固溶强化作用并能使钢在正火状态下得到贝氏体，适量的Cu、P可以提高耐蚀能力，微量稀土元素RE可起到脱硫、去气、改善夹杂物形态与分布的作用，从而进一步提高钢的力学性能和改善工艺性能。
2)性能特点
(1)较高的强度、屈强比和足够的塑性、韧性及低温韧性屈服强度一般在300N/mm2以上，比相同碳质量分数的碳素钢高25％～150％；断后伸长率A=15％～23％，室温冲击韧度αk≥60～80J/mm2，-40℃时αk≥35J/mm2。
(2)良好的焊接性和冷、热塑性加工性能由于碳质量分数低，合金元素少，低合金高强度钢塑性好，不易在焊缝处出现淬火组织或裂纹。变形抗力小，压力加工后不易产生裂纹。
(3)具有一定的耐蚀性能由于Al、Cr、Cu、P等元素的作用，低合金高强度结构钢比碳素结构钢具有更高的在各种大气条件下的耐蚀性能。
3)热处理特点
低合金高强度钢大多在热轧空冷状态下使用，其室温组织为铁素体+索氏体(F＋S)。考虑到零件加工特点，有时也可在正火、正火＋高温回火或冷塑性变形状态使用。对于厚度超过20mm的钢板为使组织和性能稳定，最好进行正火处理。
4)常用低合金高强度结构钢
低合金高强度钢生产过程简单，成本低，在钢的生产中比例越来越大。自1957年我国开始试制第一种低合金钢16Mn以来，它在机器制造、交通运输、通讯、能源、高层建筑等行业的应用越来越广泛。典型的钢号有：Q345(16Mn)和Q420(15MnVN)等，与普通碳素结构钢Q235相比屈服强度分别提高到了345N/mm2和420N/mm2，可使结构自重减轻、使用可靠性提高。如武汉长江大桥采用Q235制造，其主跨跨度为128m；南京长江大桥采用Q345(16Mn)制造，其主跨跨度增加到160m；而九江长江大桥采用Q420(15MnVN)制造，其主跨跨度提高到216m。
常用低合金高强度钢的牌号、性能及用途见表5-4。
表5-4常用低合金高强度钢的牌号、性能及用途
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牌号 |
厚度或直径/mm |
力学性能 |
用途 |
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GB/T1591—1994 |
GB1591—1988 |
ReL/N·mm-2 |
Rm/N·mm-2 |
A/％ |
Akv(20℃)/J |
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Q295(A、B) |
09MnV、09Mn2、09MnNb、12Mn |
<16 16～ 35～50 >50～100 |
≥295 ≥275 ≥255 ≥235 |
390～570 |
23 |
34 |
建筑结构、工业厂房、低压锅炉、中低压化工容器、油罐、拖拉机轮圈、油船等 |
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Q345(A～E) |
12MnV、14MnNb 16Mn、18Nb、 16MnRE |
<16 16～35 35～50 >50～100 |
≥345 ≥325 ≥295 ≥275 |
470～630 |
21～22 |
34 |
船舶、铁路车辆、桥梁、管道锅炉、压力容器、石油储罐、起重及矿山机械、电站设备厂房钢架等 |
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Q390(A～E) |
15MnV、15MnTi、16MnNb 10MnPNbRE |
<16 16～35 35～50 >50～100 |
≥390 ≥350 ≥330 |
490～650 |
19～20 |
34 |
中高压锅炉汽包、中高压石油化工容器、大型船舶、桥梁、起重机及其它较高载荷的焊接结构构件等 |
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Q420(A～E) |
15MnVN、 14MnVTiRE |
<16 16～35 35～50 >50～100 |
≥420 ≥400 ≥380 ≥360 |
520～680 |
18～19 |
34 |
大型船舶、桥梁、电站设备、起重机械、机车车辆、中高压锅炉及容器及其大型焊接结构件等 |
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Q460(C、D、E) |
(14MnMoV、 18MnMoNb) |
<16 16～35 35～50 >50～100 |
≥460 ≥440 ≥420 ≥400 |
580～720 |
17 |
34 |
中温高压容器(<120℃)、锅炉、化工、石油高压厚壁容器(<100℃)、可淬火加回火后用于大型挖掘机、起重运输机械、钻井平台等 |
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为进一步提高低合金高强度钢的的性能，在低合金高强度钢的基础上，通过进一步降低碳质量分数、微合金化和控制轧制而发展了一系列新型低合金高强度钢。
(1)微合金化低碳高强度钢
成分特点是低碳，常用的碳质量分数为0.12％～0.14％，甚至降至0.03％～0.05％，降低碳质量分数主要是从保证塑性、韧性和焊接性等方面考虑。主要合金元素是Mn并加人微量合金元素V、Ti、Nb、Zr、Cr、Ni、Mo及稀土元素RE等。微量合金元素复合(wMe=0.01％～0.1％)加入对钢的组织、性能的影响主要是改变钢的相变温度、相变时间，从而影响相变产物的组织和性能，细晶强化，沉淀强化，改变钢中夹杂物的形态、大小、数量和分布，可严格控制珠光体的体积分数，从而获得少珠光体钢、无珠光体钢(如针状铁素体)等新型微合金化钢种。需注意的是合金化必须与控制轧制、控制冷却和控制沉淀相结合，才能发挥其强韧化作用。
(2)低碳贝氏体型钢通过向钢中加入能显著推迟珠光体转变而对贝氏体转变影响很小的元素(如在wMo0.5％+wB0.003％基本成分基础上，加入Mn、Cr、V等元素)，从而使大截面的构件在热轧空冷(正火)条件下，能获得单一的贝氏体组织。
(3)低碳索氏体型钢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回火索氏体组织，从而保证钢具有良好的综合力学性能和焊接性能。这类钢已在重型载重车辆、桥梁、水轮机及舰艇等方面得到应用并成功地应用于导弹、火箭等国防工业中。
(4)针状铁素体型钢采用低碳质量分数wC=0.04％～0.08％；主加Mn、Mo、Nb并对V、Si、N及S质量分数加以适当限制，通过控制轧制后冷却时形成非平衡的针状铁素体提供大量位错亚结构，为以后碳化物的弥散析出创造条件；利用Nb(C、N)为强化相，使之在轧制后冷却过程中从铁素体中弥散析出以造成弥散强化；采用轧制细化晶粒等。以获得良好的强韧化效果的针状铁素体型钢。用于严寒条件下工作的大直径石油和天然气输出管道。
