作者：齐宝森、张琳、刘西华 等编著
出版社：化学工业出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
新型金属材料——性能与应用试读：
前言
材料是社会技术进步的物质基础与先导，而金属材料具有资源丰富、生产规模大、易于加工、性能多样可靠、价格低廉、使用方便和便于回收等特点，是工业生产和人们日常生活中广泛使用的材料。随着现代科学技术的迅猛发展，新型高性能金属材料的发展亦是日新月异、层出不穷。为了更好地普及高性能金属材料的有关知识，满足广大学生和工程技术人员的需要，作者结合十余年来对“21世纪新型材料”和“新型材料及其应用”课程教学实践的体会，特编写此书与读者共勉。
本书的编写，力求体现高性能金属材料的特点，以新型金属材料的性能和应用为重点，充分反映其先进性、技术性、实用性和广泛性，在内容的编排上，力求新颖、实用而不求面面俱到，在文字叙述上力求通俗易懂而避免过多的理论推导，以适应广大学生、工程技术人员以及求知者的需求。应当说明，新型金属材料种类繁多，本书仅起到抛砖引玉的效果，以达引导学习者更加深入学习高性能金属材料之目的。
全书共分7章，第1～4章由齐宝森编写，第5、7章由张琳编写，第6章由刘西华主持编写。参与第6章编写的还有张帆（6.3、6.4、6.5）、张瑞寒（6.6、6.7、6.8）和孔维明（6.9、6.10、6.11），参与第5、7章资料整理的还有吴艳、陈德方，谨此对他们的辛勤劳动和付出表示感谢！全书由齐宝森、张琳、刘西华统稿。
本书可作为大学生科技素质教育的科普读物，同时也可作为广大工程科技人员的科普进修参考书籍。本书力求内容新颖、信息量大，注重知识性、通俗性与趣味性，可读性强。在本书的编写过程中编著者参阅了大量的科普书籍、研究论文和报刊，谨此对相关资料的作者表示衷心的感谢！由于新型金属材料内容广泛、涉及面广、信息量大，加之新型金属材料与技术不断涌现，同时由于作者水平有限，难免存在疏漏及不当之处，敬请广大读者批评斧正。编著者2015年2月1 新型工程结构用钢——高强高韧
21世纪对材料和工业技术的评价要素主要是低成本、环境友好、节能节材、便于自动化、可再生等。据此，钢铁材料具有其他材料所不可比拟的优越性（如资源丰富、生产规模大、易于加工、性能多样可靠、价格低廉、使用方便和便于回收等）。在钢铁、玻璃、纸、铝和塑料等主要材料回收率的比较中，钢铁的回收率明显高于其他材料。实际上，全球粗钢产量中有一半左右是以各类废钢为原料生产出来的。钢铁材料作为一种重要结构材料的地位，在可以预见的未来年代里不会发生重大变化，它仍将是全球性的主要基础原材料，并将对全球（尤其是发展中国家）经济发展和社会文明的进步起到基础性的支撑作用。
众所周知，钢铁作为国民经济的物质基础近年来取得迅猛发展。我国钢产量自2007年开始位居世界第1位，2010年达6.3亿吨，约占全世界钢产量的一半。钢产量的大幅攀升与我国资源短缺的矛盾不断加剧，低成本、高性能的先进钢铁材料成为我国经济和社会发展的迫切需求。一方面，目前生产使用的多数工业用钢的使用性能和技术指标均有待进一步提高，绝大多数工业用钢的洁净度和均匀度不高，组织控制很难达到理想目标。例如，新型高层建筑、深层地下和海洋设施、大跨度重载桥梁、轻型节能汽车、石油开采和长距离油气输送管线、工程机械、船舶舰艇、航空航天设备、高速铁路、水电能源设施等企业用户都对工业用钢的使用性能和技术指标提出了更高的要求，需要钢铁生产企业提供性能高、使用寿命长和成本低的新型工业用钢。另一方面，社会的发展对钢铁的生产、加工、使用和回收等环节提出了节能环保的要求，迫切需要先进的工业用钢。
本章在简要介绍新一代钢铁材料（超级钢）基本概念的基础上，重点简述新型工程结构用钢的特点、发展前景以及工程应用。众所周知，工程结构用钢是指专门用于制造各种工程和建筑结构用的各种金属构件，其广泛应用于国防、化工、石油、电力、车辆、造船等领域，如制造桥梁、船舶、车辆、建筑钢结构及钢筋材料、油井或矿井架、高压电线塔、起重机械构架、钢轨、压力容器、管道等工程结构件，通常又称为工程用钢。在钢总产量中，工程结构用钢约占90％。而新型工程结构用钢系指运用新型物理冶金工艺，采用微合金化成分设计并运用新一代TMCP技术，通过细晶强化为核心的多种强韧化手段，大幅度提高钢的综合性能的新一代钢铁材料。第三代汽车用钢、高性能建筑用钢、天然气与输油管道用钢、现代桥梁用钢、高速列车用钢……，新型工程结构用钢的应用不断深入，其足迹无处不在，遍地开花。1.1 超级钢（新一代钢铁材料）概述1.1.1 新一代钢铁材料（超级钢）的概念（1）何谓“新一代钢铁材料”？
新一代钢铁材料系指具有组成单元超细晶、化学成分（杂质）高洁净度、显微组织高均匀性的组织、成分和结构特征，以及高强度、高韧性的力学性能特征的新一代钢铁材料。即在环境性、资源性和经济性的约束下，采用先进制造技术生产具有高洁净度、高均匀度、超细晶粒特征的钢材，强度和韧度比传统钢材提高，钢材使用寿命增加，满足21世纪国家经济和社会发展的需求。新一代钢铁材料，亦称超级钢，或称超细晶粒钢等。（2）新一代钢铁材料（超级钢）的开发是经济建设和社会发展的需求
1995年日本发生大地震，当地钢铁建筑毁于一旦，引发日本学界对钢铁材料重要性的思考。为适应未来发展，很多学者提出要开发更坚固的钢铁材料，这就是研发“超级钢”的起源。日本钢铁界和国家金属研究院经过1995～1996两年的调研，在日本科技厅支持下，于1997年4月正式启动了“超级钢材料国家研究计划”，目标是在10年内开发出把钢的“实际使用强度提高1倍，结构的寿命提高1倍，降低总成本，降低对环境的污染度”的超级钢，用于道路、桥梁、高层建筑等基础设施建材的更新换代。此举措被认为是对世界上最重要的工程结构材料——钢铁的再认识，是“第二次铁器时代”来临的前期征兆，吹响了“向钢铁进军”的新号角（表1-1）。表1-1 日本新世纪结构材料（超级钢铁材料）研究课题与目标
在日本超级钢项目的影响下，1998韩国启动了“21世纪高性能结构钢发展”的10年国家计划。2001年欧盟启动了“超级晶粒钢开发”计划。2002年美国在钢铁研究指南中公布了两个新一代钢铁材料开发项目。
我国钢产量自1996年以来一直稳居世界第一，但在钢铁品种、质量方面与世界先进水平仍有很大差距，沿用了几十年的钢种体系急需更新换代。1998年在国家重点基础研究发展规划项目“973计划”中启动了“新一代钢铁材料的重大基础研究”项目，并将超级钢思路发展成“超细晶粒钢”。该课题的目标是在生产成本基本不增加的前提下将现有碳素钢、低合金结构钢和合金结构钢的强度目标提高1倍，即分别达到400MPa、800MPa和1500MPa，并满足韧性和各种使用性能要求。超级钢（新一代钢铁材料）的深入研究和应用开发正成为21世纪钢铁材料界的历史使命。到2001年后，全球范围的新一代钢铁结构材料研发工作已蓬勃展开，陆续取得了阶段性成果和成效（如开发出原型钢、进行中试等）。
我国研究工作的主要目标是在保证有良好塑韧性基础上大幅度提高钢材强度，其技术思路是以细化钢材的晶粒和组织为核心，同时提高钢的洁净度，并改善钢的均匀性。在理论研究基础上，把钢的强度提高1倍。此外还须满足：生产成本不增加或增加不多；塑韧性基本不下降以保证符合生产、应用要求。即做到低成本和高性能的统一，把传统材料改造、提升为低成本高性能的新型材料。其优越性是节约资源、能源，降低生产成本，改善废钢的可循环使用性，利于可持续发展。
近几年，国内外的新一代钢铁材料项目主要以高强度化与长寿命化为研究主题，以800MPa高强度钢、1500MPa级超高强度钢、耐热钢和耐蚀钢为研究对象。1.1.2 新一代钢铁材料（超级钢）的主要特征
新一代钢铁材料的主要特征是：在充分考虑经济性的条件下，钢材具有高洁净度、超细晶粒、高均匀度的特征，强度比常用钢材提高1倍，钢材使用寿命增加1倍。（1）超细晶
钢只有获得超细晶组织才能使强度翻倍并具良好的强韧性配合。在众多强化方式（如固溶强化、第二相强化、位错强化等）中，细晶强化是唯一可使屈服强度R（σ）大幅度提高的同时韧性提高或不eLS降低的强韧化途径。正如Petch公式所表达：-1/2-1/2R（σ）=R（σ）+Kd；T=a-bd。eLSiⅰK
式中，R（σ）为F晶格摩擦力；K、a、b均为常数；d为晶粒直iⅰ径；T为韧脆转变温度。超细晶理论和技术是发展超级钢的理论基K础和关键技术，晶粒尺寸应在0.1～10μm之间。超细晶是新一代钢铁结构材料的核心。（2）高洁净度
洁净度是指钢材允许的杂质含量和夹杂物形态能满足使用要求。由于钢的强度翻番，材料在使用时承受更大应力，使裂纹形成和扩展的敏感性增加。新型材料应具有更高的洁净度，但并非洁净度越高越好，而是达到能满足使用要求所需洁净度，称为“经济洁净度”。钢中S、P、O、H、N等杂质元素的总含量应<0.008％；另外是严格控制钢中夹杂物的数量、成分、尺寸、形态和分布。（3）高均匀性
高均匀性系指钢中化学成分、组织和性能的高度均匀。要尽可能地减少钢在凝固过程中的偏析和争取获得全等轴晶粒。钢液凝固过程中，由于传热规律造成顺序凝固，带来低熔点元素的宏观偏析，形成了难以克服的中心偏析。为改善钢的均匀性，在凝固过程中应尽可能阻止柱状晶的发展，目标是在性能要求高的钢的铸坯中争取基本为全等轴晶。在杂质总量不变情况下，提高均匀性相当于提高洁净度。
其中核心技术是超细晶。钢的理论强度可高于8000MPa，而现在大量应用的碳素钢的强度仅200MPa，低合金钢只有400MPa，合金结构钢也只有800MPa。因此在已有科研成果基础上，进一步探索提高钢材强度和使用寿命的规律，把钢材强度成倍提高，在技术上是可行的。在钢的化学成分-工艺-组织-性能的关系中，强调了组织的主导地位，即其超细的微观组织表现出优异的综合性能。
生产中常见的标准晶粒度等级为8级，其中1～3级为粗晶（d=250～125μm），4～6级为中等晶粒（d=88～44μm），7～8级为细晶（d=31～22μm）。目前还没有一个被广泛接受的标准，对超细晶的尺寸给出确切的定义。有人建议把晶粒尺寸为3～10μm的热轧带钢称为细晶；1～3μm称为超细晶粒；0.1～1μm称为微细晶粒；而把晶粒尺寸在0.1μm以下称为纳米晶粒；10μm以上即为普通晶粒。1.1.3 超级钢研发的两个关键——“微合金化”与“新型TMCP”（1）话说微合金化与合金化
①微合金化与微合金化钢 所谓“微合金化”，即指采用现代冶金生产流程生产的高技术钢铁产品。它是在普通低碳C-Mn钢中添加微量（通常小于0.1％）的强碳（氮）化物形成元素（如Nb、V、Ti及N等）进行合金化，通过高纯洁度的冶炼工艺（脱气、脱硫及夹杂物形态控制）炼钢，在加工过程中施以控制轧制-控制冷却等新工艺，通过控制细化钢的晶粒和碳（氮）化物沉淀强化的物理冶金过程，在热轧状态下获得高强、高韧、高可焊接性、良好的成型性能等最佳力学性能配合的工程结构材料。
微合金化钢是采用现代冶金生产出的高技术含量、高附加值的产品，是国民经济建设中用量最大、用途最广的钢铁材料。微合金化钢的强度高、韧性好，可为用户节能节材而降低成本。纵观工业发达国家，发展工业走的就是微合金化钢的道路。在我国，许多企业都把发展微合金化钢作为企业钢材品种结构调整的主要内容和首要工作来抓。微合金化的钢材的研究和开发，已为国内许多钢铁企业带来生机，带来了市场竞争力的提高和更多的经济效益。
我国的钢铁工业要想赶超世界先进水平，只有坚定不移地走微合金化钢的道路。
②微合金化高强度低合金钢与普通高强度低合金钢的不同
a.基本概念的不同 普通高强度低合金钢是指在碳素结构钢（w<0.2％）基础上，加入少量合金元素（一般合金元素总量Cw<3％）而发展起来的、具有较高强度的工程结构用钢。其化学成Me分特点是低碳，随钢中碳含量增加，钢的强度会增加但塑性降低；其主加合金元素为Mn，固溶强化、降低相变温度而细化珠光体和铁素体的作用，同时还可增加基体中珠光体数量，使钢的强度增加；辅加合金元素是Al、V、Ti、Nb等，起到细化晶粒、弥散强化的作用，其可一种加入，也可两种及以上同时加入。
微合金化高强度低合金钢中，晶粒细化强化仍是最重要的强化方式，微合金碳氮化物的沉淀硬化也是重要的强化方式，Mn的固溶强化也是普遍采用的强韧化方式；其成分特点是低碳、高锰并加入微量合金元素V、Ti、Nb、Zr、Cr、Ni、Mo及RE元素等，常用碳含量为0.12％～0.14％，甚至降至0.03％～0.05％，降低碳含量主要是从保证塑性、韧性和可焊性等方面考虑，微量合金元素复合（0.01％～0.1％之间）加入对钢的组织、性能的影响主要表现在：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P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）乃至无间隙固溶钢等新型微合金化钢种。
b.积极引入冶炼新技术，控制夹杂物形态，提高冶金质量 在微合金化高强度低合金钢中，采用的是现代冶金生产流程生产的高技术钢铁产品，通过高纯度的冶炼工艺（脱气、脱硫及夹杂物控制等）炼钢，如广泛采用的氧气炼钢使钢中氮量降低，再加上用铝脱氧并固定氮，形成AlN，对细化钢的晶粒，减少应变时效，起了良好作用。用铝脱氧，还保证了微合金化元素钛、铌、钒的收得率。
钢中夹杂物最理想的形态是呈球状，最坏的是共晶体的棒状物。往钢中加入钙，可改变硫化物与氧化物的形态，并可降低钢中夹杂物含量。加入RE元素可强烈降低氧和硫在钢液中的溶解度，硫化物、氧化物夹杂在凝固前可上浮，因而使钢去硫，并强化了硫化物。
由于炉外冶炼新技术的发展，如钢液真空处理、钢包精练等，能很好地脱气和脱硫，生产高质量的纯净钢。
c.多元、复合、微合金化必须与新型的控制轧制与控制冷却相结合，才能发挥其强韧化作用 即多元、复合微合金化的成分特点，必须在新型控制轧制、控制冷却状态下才能获得高强度、高韧性、高可焊性、良好的成形性能等最佳力学性能配合的微合金化高强度低合金钢。（2）新一代TMCP与传统TMCP究竟有何不同？
TMCP（Thermal Mechanical Control Processing），热机械处理工艺即控制轧制和控制冷却技术，其目标是实现晶粒细化和细晶强化。
所谓控制轧制，是对奥氏体硬化状态的控制，即通过变形在奥氏体中积累大量的能量，在轧制过程中获得处于硬化状态的奥氏体，为后续的相变过程中实现晶粒细化做准备。硬化的奥氏体内存在大量“缺陷”，例如变形带、位错、孪晶等，它们是相变时铁素体形核的核心。这种“缺陷”越多，则铁素体的形核率越高，得到的铁素体晶粒越细。控制轧制的基本手段是“低温大压下”和添加微合金元素。所谓“低温”是在接近相变点的温度进行变形，由于变形温度低，可抑制奥氏体的再结晶，保持其硬化状态；“大压下”是指施加超出常规的大压下量，这样可增加奥氏体内部储存的变形能，提高硬化奥氏体程度；增加微合金元素，例如Nb，是为提高奥氏体的再结晶温度，使奥氏体在较高温度即处于未再结晶区，因而可增大奥氏体在未再结晶区的变形量，实现奥氏体的硬化。控制冷却的核心思想，是对处于硬化状态奥氏体相变过程进行控制，以进一步细化铁素体晶粒，甚至通过相变强化得到贝氏体等强化相，进一步改善材料的性能（如图1-1所示）。然而，目前控制冷却上存在的主要问题是高冷却速率下材料冷却不均而发生较大残余应力、甚至翘曲的问题；另外，微合金元素的加入甚至合金元素的加入，会大幅度提高材料的碳当量，这又会恶化材料的焊接性能等。从节能环保、低成本、可循环等方面考虑，科技工作者研发了以超快冷技术为核心的新一代TMCP技术。图1-1 控制轧制和控制冷却技术示意
如图1-2所示，与传统的低温大压下TMCP相比，新一代TMCP在高温区进行大压下后，进行快冷，而后控制冷却路径，实现减量化轧制以及性能的多样化控制。新一代TMCP的中心思想：在奥氏体区间，趁热打铁，在适于变形的温度区间完成连续大变形和应变积累，得到硬化的奥氏体；轧后立即进行超快冷（对3mm厚钢板的冷却速度可达400K/s以上），使轧件迅速通过奥氏体相区，保持轧件奥氏体硬化状态；在奥氏体向铁素体相变的动态相变点终止冷却；后续依照材料组织和性能的需要进行冷却路径的控制（图1-2）。图1-2 新一代TMCP与传统TMCP生产工艺的比较
新一代TMCP技术要点：在现代连轧过程提供加工硬化奥氏体的基础上，以超快速冷却为核心，对轧后硬化奥氏体进行超快速冷却，并在动态相变点终止冷却，随后进行冷却路径控制。利用这项技术可获得具有优良性能、节省资源和能源、利于循环利用的钢铁材料。
经过人类不懈地努力和创造，在钢铁材料科技上取得巨大进步。先进的冶金生产工艺技术（如铁水脱硫、超高功率电炉冶炼、炉外精炼、连铸、控轧控冷、微合金化等）又为钢铁材料的设计和生产提供了技术基础。而计算机等技术发展也为钢铁材料设计和生产提供了先进的控制手段。纵观钢铁材料的发展史，人们不难得出一个结论：根据当前的理论和技术发展，钢铁材料本身在21世纪还会发生重要变革，最终将会导致钢铁材料的性能显著提高，并将对整个社会发展起到巨大的推动作用。1.1.4 新一代钢铁材料（超级钢）在我国的研发
微合金化（指添加量很少，一般不超过0.2％，有时甚至低于0.001％，即能对钢的某一性能或某些性能产生显著影响的合金元素）与TMCP技术相结合，发展了高强高韧钢，成为钢铁材料近30年最活跃的领域。现行的TMCP技术是将含Nb、V、Ti等微量元素的低碳钢，在高温奥氏体再结晶区逐级变形，反复再结晶细化奥氏体晶粒，随后控制冷却导致铁素体晶粒细化；或者在奥氏体未再结晶区，获得热变形奥氏体，增加晶内形变带等相变形核的部位，再结合轧后控冷，促进铁素体晶粒细化，可将铁素体晶粒细化至10μm以内。为获得超细晶组织、提高钢的强韧性，对不同类型的钢研究开发了相应的理论和控制技术。（1）超细晶铁素体-珠光体钢
通过形变诱导（强化）铁素体相变和铁素体动态再结晶细化晶粒，提高强韧性。
①形变诱导铁素体相变 对低碳钢或低（微）合金钢在较低温度（靠近相变点A）以较大的积累变形量和较高的应变速率进行热变形3时，其变形能不能完全释放，使系统的自由能变化，成为相变驱动力，在形变过程中诱发奥氏体→铁素体相变。该相变以形核不饱和机制进行，使晶粒细化，称为形变诱导铁素体相变（DIFT）。
②形变强化铁素体相变 对低碳钢或低（微）合金钢的过冷奥氏体（在A温度以下）以与DIFT其他条件相同的情况下进行变形时，3其相变驱动力进一步增加，形成的铁素体晶粒更细，称作形变强化强化相变（DEFT）。
③低碳碳素钢的奥氏体形态 为产生形变诱导（强化）铁素体相变，必须控制奥氏体的组织形态。形变使奥氏体呈“薄饼状”，晶内产生大量晶体缺陷，将部分形变能储存为相变驱动力。研究表明，对低碳钢随形变速率的提高和变形温度的降低可使奥氏体只发生回复而不发生再结晶，即可通过未再结晶控轧和DIFT细化铁素体晶粒。
④铁素体动态再结晶 奥氏体转变为铁素体后，由于第二相渗碳体的存在，在与第二相交界处往往受不均匀变形，具较高畸变能，成为铁素体动态再结晶形核的有利部位。铁素体动态再结晶使晶粒进一步细化。
上述理论是对传统TMCP理论的发展。原TMCP的奥氏体→铁素体相变发生在形变后的冷却过程中，而新型TMCP是发生在形变过程中。（2）超细组织低（超低）碳贝氏体（B）钢
为了开发强度高于600MPa的经济型低合金钢，人们研究了低（超低）碳贝氏体钢的组织超细化理论与控制技术。通过研究发展了TMCP技术，在工艺中增加了一个弛豫控制阶段。在此阶段，在变形奥氏体中实现晶体缺陷的重新排列、组合，让微合金元素的析出质点在特定部位析出，分割原奥氏体晶粒，从而控制随后冷却时的贝氏体相变在已被分割的小空间内进行，实现组织超细化。该技术称作弛豫-析出-控制技术（RPC）。
①位错胞状结构（亚晶）的限制作用 钢变形后，位错密度很高。弛豫时，位错重新排列，形成位错墙，进而出现胞状结构，较完整的亚晶，将原奥氏体晶粒分割为更细小的亚晶。
②微细析出相的钉扎作用 钢中含有Nb、V、Ti、B等微量元素，在形变和弛豫过程，通过形变诱导析出细微析出相。析出相对位错亚结构的钉扎作用是实现组织超细化的另一因素。
③针状铁素体的空间分割作用 形变、弛豫后在冷却过程中，在较高温度首先形成针状铁素体。针状铁素体将原奥氏体晶粒分割为更细小的空间。
RPC技术使中温转变组织细化的机制是：位错亚结构的限制作用；微细析出质点的钉扎作用；针状铁素体的分割作用。三者结合使贝氏体组织超细化。这类钢具有高强度、高韧性、低韧脆转变温度（T）和良好的焊接性。K（3）无碳化物B/M复相钢
合金结构钢的强度高于1200MPa后，其延迟断裂抗力低，韧性不足，疲劳极限分散。利用新的合金成分和微观组织设计，使钢形成无碳化物贝氏体/马氏体+膜状残余奥氏体。用无碳化物贝氏体改善钢的韧性，用膜状残余奥氏体提高钢的抗延迟断裂性能。此类钢有如下特点。
①采用低碳Mn-Si-Cr合金系，保证钢有一定淬透性，在空冷条件下，直径小于20mm的棒材可获得无碳化物贝氏体、少量马氏体及膜状残余奥氏体，具有较高韧性。
②Si作为非碳化物形成元素，在发生贝氏体相变时阻止碳化物的析出。冷却过程中，在贝氏体和马氏体板条束界、板条界形成残余奥氏体膜。膜状残余奥氏体使疲劳裂纹尖端钝化，提高疲劳性能。奥氏体的析氢能力比铁素体高1个数量级，明显提高钢的抗延迟断裂性能。
③该钢奥氏体化后自高温冷却时，在奥氏体晶粒内先形成无碳化物贝氏体，分割原奥氏体晶粒，使随后形成的马氏体细化，提高钢的强韧性。
④含Si合金钢有较高的回火抗力，适当提高回火温度使钢具有良好的综合性能。（4）耐延迟断裂高强度M钢
为改善高强度合金结构钢的耐延迟断裂性能，根据强化晶界、细化晶粒、控制氢陷阱的技术思路，在42CrMo钢基础上设计了中碳Cr-Mo-V-Nb钢，其有如下特点。
①强化晶界 钢中加入Mo和V，回火时析出MoC、VC，产生二2次硬化，提高回火温度而不降低钢的强度。低温回火时，碳化物沿奥氏体晶界呈连续薄膜状析出。氢在晶界富集，导致高的延迟断裂敏感性。高温回火时晶界的碳化物聚集，呈不连续粒状；同时晶内的碳化物析出增加，成为氢陷阱。因此，强化晶界，提高钢的耐延迟断裂性能。P、S在晶界偏聚，降低钢的晶界结合力，可提高钢的洁净度以降低其危害。Mo可降低P在晶界的偏聚，强化晶界。
②细化晶粒 Nb和V的析出相钉扎晶界，阻止钢淬火加热时奥氏体晶粒长大，细化晶粒。增加晶界面积，相对提高钢洁净度，净化晶界，提高钢的强韧性和耐延迟断裂性能。
③控制氢陷阱 随回火温度的提高，晶内析出碳化物，成为氢陷阱，把氢捕集在晶内的氢陷阱中，提高钢的耐延迟断裂性能。
总之，“高性能”是钢铁材料研发的永恒主题。对于不同的钢类，高性能的含义不尽相同，所采用的基体组织类型也不同（如表1-2所示）。控制冶炼和凝固过程可得到高洁净度和高均匀度的钢坯（锭），通过加工过程中的相变、再结晶、固溶和析出等现象控制可获得期待的高均匀度和精细组织，从而达到高性能的目标。所以，钢铁材料的生产工艺技术进步、物理金属学和力学金属学的发展促进了钢铁材料的发展，钢铁材料是不断发展的新材料。现在使用的数千种钢铁材料都是在近代液态钢铁冶金技术出现以后，经过人们不断研发而产生的。通过持续的技术研发活动，钢铁材料已经和必将不断发展和更新，形成了以“高性能、低成本、易加工、高精度、绿色化”为特征的先进钢铁材料。表1-2 各钢类的基体组织与性能特征1.2 新型工程结构用钢及其发展
工程结构用钢是指专门用来制造各种工程结构的一大类钢种，它广泛用于国防、化工、石油、电力、车辆、造船、建筑等领域，如制造桥梁、船体、油井或矿井架、钢轨、高压容器、管道和建筑钢结构等工程结构件，故又称为工程构件用钢或简称构件钢。在钢总产量中工程结构用钢约占90％，其成本低、用量大，通常在热轧空冷状态下使用。1.2.1 工程结构用钢的工作条件与性能要求
一般说来，工程结构件的工作特点是不作相对运动，承受长期静载荷，有一定使用温度要求，如有的（如锅炉）使用温度可达250℃以上，有的则在寒冷（-40～-30℃）条件下工作、长期承受低温作用；通常在野外（如桥梁）或海水（如船舶）条件下使用，承受大气或海水的侵蚀作用。此类工程构件常见的失效形式主要有变形、断裂以及遭受腐蚀等。因此构件用钢应满足以下使用性能要求。（1）良好的加工工艺性能
通常工程构件的主要生产过程有冷塑性变形和焊接两个方面。所以工程结构用钢必须相应地具有良好的冷（热）成形工艺性和可焊性。在构件用钢的设计和选材上首先需要满足这两方面的要求。（2）高强度与良好塑韧性
为使构件在长期静载下结构稳定，不易产生弹性变形、更不允许产生塑性变形与断裂，要求工程结构用钢要有大的弹性模量，以保证刚度；高的强度，以减轻结构自重、节约钢材和减少能耗；高的塑韧性，以免断裂和塑性变形；同时还应具有低的韧脆转变温度T。K（3）良好的耐大气和海水腐蚀性
保证工程构件在大气或海水等腐蚀性工况下长期稳定工作。
总之，工程结构用钢应在保证工艺性能的前提下，达到其高强度高韧性等力学性能。这是与其他钢种不同之处。同时又要有低的成本。据此可将其分为三类，即碳素结构钢、低合金结构钢和微合金化低碳高强度钢。1.2.2 铁素体-珠光体工程结构钢
由于此类钢服役时的显微组织是铁素体-珠光体，故称为铁素体-珠光体钢。它是工程结构钢中最主要、用量最大的一类钢，其组织系由片层状的珠光体+多边形铁素体组成，珠光体占10％～25％、铁素体占75％～90％，包括碳素结构钢、高强度低合金钢和微合金化高强度低合金钢。（1）碳素结构钢与高性能细晶碳素结构钢
①碳素工程结构钢 这类钢大部分用作钢结构，少量用作机器零件。由于其易于冶炼、工艺性能好、价格低廉，虽含有较多有害杂质元素和非金属夹杂物，但在力学性能上一般能满足普通工程构件及机器零件的要求，所以工程上用量很大，约占钢总产量的70％～80％。它通常均轧制成钢板或各种型材供应，一般不经热处理强化。根据国标GB/T700—2006，将普碳钢分为Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五类。
碳素工程结构钢大部分以热轧成品供货，少部分以冷轧成品供货，如冷冲压薄板钢、冷拔钢管、冷拉钢丝等。冷冲压薄板钢主要用于制造厚度在4mm以下的各种冷冲压构件，如车身、驾驶室、各种仪器及机器的外壳等。用于冷轧的钢有08F、08Al、06Ti等，冷轧成板后经再结晶退火，最后施以1％～3％平整变形，以消除上、下屈服点，保证深冲要求。
②高性能的细晶碳素结构 钢随着经济建设的持续快速发展，对钢材的需求量猛增，各行业都要求开发高强度、长寿命的钢材。我国于2001年启动了973计划“500MPa碳素钢先进工业化制造技术”课题，研究的主要目标是在保证有良好塑韧性基础上，使原钢材强度提高1倍，其技术思路是以细化钢材的晶粒和组织为核心，同时提高钢的洁净度，并改善钢的均匀性。确定在现有工业生产条件下生产出以C、Mn为主要成分的500MPa级细晶钢，逐步代替该强度级别的低合金高强度钢。用Q235普碳钢，通过较低温度的TMCP技术，利用形变诱导铁素体相变机制使铁素体晶粒细化至3～5μm，强度提高1倍以上。现已在300～500MPa级系列细晶钢生产中获得实际应用。其用于生产卡车、轿车、农用车等的底盘纵梁、横梁、车桥等冲压件，使用效果良好，已实现了工业化生产。又如，首钢生产的Ⅲ级螺纹钢筋，已成功应用于国家大剧院、西直门交通枢纽等国家重点工程建设。细晶粒碳素结构钢在建筑、造船、桥梁、容器、工程机械等方面，有着广阔的应用前景。（2）低合金高强度钢与微合金化低碳高强度钢
①低合金高强度钢（普低钢，HSLA钢） 钢铁材料80％以上是低碳钢。在低碳钢中，利用添加少量合金元素（w总量<5％，一般Me<3％）使钢在轧制或正火状态下的屈服强度超过275MPa的一类低合金钢，称为低合金高强度钢（简称普低钢，亦称HSLA钢）。
低合金高强度钢是为适应大型工程结构（如大型桥梁、大型压力容器及船舶等）减轻结构重量，提高使用的可靠性及节材的需要而发展起来的。这是一类高效节能、用途广泛、用量很大的一类钢。其强度尤其是屈服强度大大高于碳含量相同的普碳钢。如最常用的普碳钢Q235与低合金高强度钢Q345（16Mn，其碳含量相同）相比（如表1-3所示）。表1-3 Q235与Q345（16Mn）钢的强度比较
a.化学成分特点低碳 碳的质量分数一般<0.2％，主要是为获得较好的塑韧性，焊接性能。随钢中碳含量增加，钢的强度会增加，但却使其塑韧性下降、成形困难，而且在焊接过程中易引起严重的变形、开裂。而且随碳含量增加，钢中珠光体含量也相应增加，珠光体由于有大量脆性片状渗碳体，因而有较高的T，如含0.3％C的钢材T在50℃左右，而含KK0.1％的钢材T则降至-50℃左右。因此HSLA钢的碳含量一般限制在K0.2％以下。主加元素Mn 其固溶强化效果较好。由于Mn能降低钢的A温度，r1降低奥氏体向珠光体转变温度范围并减缓其转变速度，因此表现出细化珠光体和铁素体的作用。晶粒细化既可使钢的屈服强度升高，又可使T下降，有利于钢的韧性提高。但应注意Mn的含量应控制在2％以K内。此外，Mn的加入可使铁碳相图中的S点左移，基体中珠光体数量增多，因而在相同的碳含量下，随铁素体量减少，珠光体增多，使钢的强度不断提高。辅加元素Al、V、Ti、Nb及Cu、P、Cr、Ni、RE等 加入Al形成AlN的细小质点，细化晶粒，既可提高强度，又可降低T。由于Nb、V、KTi在钢中能形成细小弥散的碳化物、氮化物和碳氮化物起着阻止奥氏体晶粒长大同时又具有很强的析出强化作用。加入一定量的Cu和P，Cu元素沉积在钢表面，具有正电位，成为附加阴极，使钢在很小的阳极电流下达到钝化状态。P在钢中可起到固溶强化的作用，也可提高耐蚀性能。Ni和Cr都能促进钢的钝化，减少电化学腐蚀。加入微量RE，可脱硫去气，净化钢材，并改善夹杂物的形态与分布，从而改善钢的力学性能和工艺性能。
总之，HSLA钢合金化的思路是：低碳，以Mn为基础，适当加入Al、V、Ti、Nb、Cu、P、Cr、Ni、RE等元素。
b.典型牌号简介 其典型牌号Q345（16Mn）和Q420（15MnVN），一般采用正火作为最终热处理状态。Q345（16Mn）钢 属于屈服点为345MPa级，有较高的强度，良好的塑性和低温韧性以及焊接性，是我国这类钢中产量最多、用量极广的钢种。其中，Mn（1.2％～1.6％）起着固溶强化的作用，锰降低A温度，增大钢的奥氏体过冷能力，细化F晶粒，降低钢的冷脆性和3T温度。16Mn钢广泛用于生产钢筋和建筑钢结构，也应用于多种专K用钢，如主跨度160m的桥梁、容器、造船等用钢（而Q235建造的主跨度128m的武汉长江大桥）。Q420（15MnVN）钢 屈服点则属于440MPa级别，钢中加入微量V起细化晶粒和沉淀强化作用，微量N（≤0.022％）以形成稳定的VN，比VC更有效地起细化晶粒和沉淀强化作用。它是为适应建筑和桥梁工程而开发的钢种，如主跨度216m的九江长江大桥。
多年来低合金结构钢发展迅速，在生产和科研上取得一系列重要成果，相继开发了一系列新型工程结构用钢。
②微合金化低碳高强度钢
a.成分与强韧化特点 其成分特点：低碳，高Mn并加入微量合金元素V、Ti、Nb、Zr、Cr、Ni、Mo及RE等。常用碳含量范围w=0.12％～0.14％，甚至降至w=0.03％～0.05％。其另一个特点是CC微量合金元素的复合加入，复合量范围一般控制在0.01％～0.1％之间（质量分数）。微量合金元素对钢的组织性能影响如下：抑制奥氏体形变再结晶 在热加工过程中，通过应变诱导析出Nb、Ti、V的氮化物，使其沉淀在晶界、亚晶界和位错上，起钉扎作用，有效地阻止奥氏体再结晶的晶界和位错运动，抑制再结晶过程的进行。在高温区，Nb以固溶原子对晶界迁移的拖拽作用为主；在低温奥氏体区，以应变诱导析出的Nb（C，N）粒子的钉扎晶界作用为主。Nb、Ti、V对形变再结晶温度的影响如图1-3所示。Nb在阻止形变奥氏体的回复和再结晶方面作用最强，Ti次之，V较弱。细晶强化（阻止奥氏体晶粒长大） 在锻造和轧制过程中，一方面加热时奥氏体晶粒会自发长大；另一方面，每一道次再结晶后晶粒就会长大。通过加Nb、Ti形成了Nb（C，N）或TiN（它们在高温下非常稳定），其弥散分布对控制高温下的晶粒长大有强烈的抑制作用。其中，微量Nb（w<0.06％）形成的Nb（C，N）在1250℃时也未完Nb全溶于奥氏体，而在1150℃以下又有部分Nb重新以Nb（C，N）析出，因而阻止奥氏体晶粒长大作用的温度可达1150℃。微量Ti（w<0.02％）以TiN形式从高温固态钢中析出，呈弥散分布，对阻Ti止奥氏体晶粒长大很有效。Nb、Ti、V对正火态的低合金钢的晶粒度的影响如图1-4所示，Nb最有效，Ti次之，V则基本上不起细化晶粒的作用。图1-3 Nb、Ti和V对形变再结晶临界温度的影响图1-4 Nb、Ti和V对正火态低合金钢晶粒度的影响沉淀强化 Nb和Ti的碳化物和氮化物有足够低的固溶度和高的稳定性，V只有在氮化物中才起作用。一般微合金化钢中的沉淀强化作用主要是低温下析出的Nb（C，N）和VC。微合金元素Nb、Ti、V对钢的屈服强度的影响如图1-5所示。当w≤0.04％时，细化晶粒造成屈Nb服强度的增量Δσ>沉淀强化引起的增量Δσ；w≥0.04％时，ΔσGphNbph增量大大增加，而Δσ保持不变。V引起沉淀强化使钢的屈服强度增G量Δσ最显著，而Ti的作用处于Nb和V之间。ph图1-5 微合金元素对钢屈服强度的影响σ—晶粒细化的贡献；σ—沉淀强化的贡献Gph改变钢的显微组织 Nb、Ti、V等合金的碳化物和氮化物随奥氏体温度升高有一定的溶解量，如Nb（C，N）在1150℃时溶于奥氏体的Nb约为0.03％，而V（C，N）更易溶于奥氏体。在轧制加热时，溶于奥氏体的微合金元素提高了过冷奥氏体的稳定性，降低了发生先共析铁素体和珠光体的温度范围，低温下形成的先共析铁素体和珠光体组织更细小，并使相间沉淀Nb（C，N）的粒子更细小。
必须指出，上述方法均采用控制轧制、控制冷却和控制沉淀，因为它是微合金化低碳高强度钢获得高强韧性的基础。
b.冶金工艺特点。积极引入冶炼新技术 控制夹杂物形态，提高冶金质量。钢中夹杂物最理想的形态是呈球状，最坏的是共晶体的棒状物。由于炉外冶炼新技术的发展，如钢液真空处理、钢包精炼等，能很好地脱气和脱硫，生产高质量的纯净钢。采用先进的控制轧制与控制冷却技术 微合金化必须与控制轧制、控制冷却相结合，才能发挥其强韧化作用（见图1-6）。首先，在高温再结晶区的变形，使粗大奥氏体晶粒经多道次变形和再结晶而得到细化，但此时由奥氏体转变而来的铁素体晶粒仍较粗大；继而在较低温度下的未再结晶区的变形，其发生在紧靠A以上的温度范围，此r3时在伸长而未再结晶的奥氏体内形成变形带，铁素体在变形带和奥氏体晶界上形核，从而形成细小晶粒的铁素体组织；然后在低温下（奥氏体-铁素体）两相区的变形，此时铁素体也发生变形，产生位错亚结构，在随后的冷却过程中未再结晶的奥氏体转变为等轴的细小铁素体晶粒，铁素体中的亚结构得以保留。应说明，控制冷却是在奥氏体相变的温度区间进行某种程度的快速冷却，它使相变组织比单纯控制轧制更加微细化，获得更高的强度。图1-6 控轧3阶段及每阶段变形与显微组织的变化
c.应用特点。微合金化低合金高强度钢汽车零部件可减轻车身重量、减少油耗。目前，宝钢、武钢、攀钢、本钢生产的超级钢板已供应一汽、东风汽车及其他汽车厂。宝钢生产的400MPa超级钢用于一汽集团卡车底盘发动机前置横梁，各项性能指标全部满足要求，且吨钢成本较原来可节省200～300元。卡车纵梁是关键承重件，500MPa级超级钢在这方面的应用经济效益更加明显。目前我国采用超级钢生产的汽车梁已经装在10多万辆卡车上。
在现有设备条件下，我国科技工作者实现了将碳素钢和低碳微合金化钢的组织（铁素体，F）尺寸细化至几微米，实现了将其强度翻番的目标。例如，我国研制的超细晶普碳钢Q235钢筋的最小晶粒尺寸可以达到4μm以下，屈服强度可达460MPa以上，而正常轧制的Q235钢的屈服强度仅为235MPa。
首钢生产的超级钢筋用于国家大剧院、北京西直门交通枢纽及朝阳中央商务区，并且出口新加坡。低成本高强度的超级钢棒材将为建筑业提供有力的支撑。（3）低合金高强度钢的发展趋势
低合金高强度钢的主要发展方向有以下几个方面。
①低碳和超低碳 随碳含量的降低，能显著提高HSLA钢韧性和改善焊接性。由于现代冶金技术的提高，使钢中的碳含量降低到<0.06％甚至<0.02％得到保证，这可显著提高钢的焊接性、韧性和成形性等。因此，低碳和超低碳是今后HSLA钢发展的一个重要方向。
②高纯净化 净化钢中的有害杂质，可改善钢的韧性和提高其综合性能。随着冶金技术的发展，铁水预处理、转炉炼钢和钢水精炼等先进技术已普遍应用，这些先进的冶炼新技术能使钢中S、P、H、O、N等杂质大大降低，显著提高了钢的纯净度，因此现代HSLA钢正逐步向高纯净化方向发展。
③微合金化 在低碳、超低碳和高纯净化基础上，HSLA钢普遍采用微合金化，微合金化技术已由单一合金元素（Nb、V、Ti等）发展到多元复合如Nb-V、Nb-Ti、V-Ti、Nb-Ti-B等，并配合先进的TMCP技术进一步提高钢的综合性能。
④采用先进的控制轧制和控制冷却（TMCP）技术 通过TMCP，可调整奥氏体的原始组织晶粒大小，使转变后的铁素体晶粒尽可能细化，从而得到尽可能高的强度和最佳的塑韧性。现代TMCP技术已从原控制终轧温度发展到奥氏体再结晶区控轧、奥氏体非再结晶区控轧和两相区控轧工艺，轧后的控制冷却工艺已有层流冷却、水幕冷却、雾化冷却和穿水冷却等。应用先进的在线TMCP工艺也是进一步提高现代HSLA钢质量的重要发展方向。
⑤超细化晶粒 通过加大轧制变形、铁素体的应变诱导析出、稍高于A点的低温轧制和采用合适的冷却速度，可使钢的铁素体晶粒3尺寸细化到微米级，可大幅度提高钢的强度，普通碳素钢的强度可由235MPa提高至400MPa，HSLA钢的屈服强度可由400MPa提高至800MPa。因此，HSLA钢的组织微细化亦是今后的发展方向。
⑥计算机控制和性能预报 随着计算材料学的进步，使得材料的发展逐步由经验走向定量化系统化。以前材料设计都是根据大量的统计结果，通过回归分析建立经验公式，然后据此组织生产和管理，这种方法精度很低，有一定局部性，一旦改变条件就不适用，因此缺乏普遍的指导意义。计算材料学是利用钢铁材料的基本冶金原理，通过计算机建立各种冶金模型，达到预测材料组织和性能的效果。近年来，物理冶金学已能准确把握钢铁材料内部产生的基本冶金现象并建立相应的冶金模型，通过预报材料的组织，就可使准确预测材料的性能成为可能。这样可大大减少实验研究工作和缩短研究时间，加速新产品的开发。目前，工业发达国家已经开发出钢的组织和性能预测系统，并成功用于热轧带钢在线生产系统。1.2.3 低合金高强度钢的发展——低碳贝氏体钢、针状铁素体钢、马氏体钢与双相钢
具有铁素体-珠光体组织的高强度低合金钢和微合金化高强度低合金钢的屈服强度的极限，约460MPa。若要求更高强度和韧性的配合，就需考虑选择其他类型组织的低合金钢，其主要原理同样亦是在微合金钢的基础上，通过在控轧控冷后调整成分或组织，从而获得低碳贝氏体或马氏体等组织来提高工程构件用钢的强韧性。（1）低碳贝氏体钢
低碳贝氏体型钢是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w0.5％+w0.003％基本成分基础MoB上，加入Mn、Cr、V等元素），从而使大截面的构件在热轧或正火后控制冷却，利用贝氏体相变强化，直接获得单一贝氏体组织。与原相同碳含量的F-P钢相比，它具有更高的强度和良好的韧性，此时钢的屈服强度可达490～780MPa。Mo和B对过冷奥氏体等温转变曲线的影响如图1-7所示，可以看出>0.3％Mo能显著推迟珠光体转变，而微量的B（0.002％）在奥氏体晶界上有偏析作用，可有效地推迟铁素体转变，但对贝氏体转变推迟较少。为进一步推迟先共析铁素体和珠光体转变，并使贝氏体转变开始点下降，获得下贝氏体组织，需再加入Mn、Cr、Ni等元素，与上贝氏体相比，下贝氏体有更高的强度和低的T，如图1-8所示。另外，通过微合金化，充分发挥Nb、Ti、V的K细化晶粒和沉淀强化的作用，低碳贝氏体钢的化学成分范围为：w=0.10％～0.20％，w=0.3％～0.6％，w=0.6％～1.6％，CMoMnw=0.001％～0.005％，w=0.04％～0.10％，w或w=0.01％～BVNiTi0.06％，并常加0.4％～0.7％的Cr。我国已成功研制出的几种低碳贝氏体钢的化学成分与力学性能如表1-4所示。图1-7 低碳钼、钼硼钢的C开始曲线图1-8 低碳贝氏体钢上、下贝氏体的σ与T的关系bK表1-4 我国研制的几种低碳贝氏体钢的化学成分与力学性能
14MnMoV和14MnMoVBRE钢是我国发展的低碳贝氏体钢，其屈服强度为490MPa级，用于制造容器的板材和其他钢结构。当板厚<14mm时，在热轧态即可得到贝氏体；板厚>14mm时需正火热处理方可得到贝氏体，低碳贝氏体型钢空冷后的组织通常是粒状贝氏体（即贝氏体铁素体条间存在细小的岛状马氏体），所以需高温回火以消除内应力。14MnMoVBRE钢的焊接性能不好，厚板在焊前需预热至150℃以上，单层板焊后可用工频感应加热以消除焊缝残余应力。
为进一步提高钢的室温和低温韧性，改善焊接性，又发展了超低碳B钢，其碳含量可降低至0.02％，并加入0.01％的Ti，成为Mn-Mo-Nb-Ti-B超低碳B钢。通过先进的TMCP技术，可得到高位错密度的细小B组织，其可在0℃以下进行服役。（2）针状铁素体型钢
针状铁素体钢（AF，Acicular Ferrite）是在低合金钢的基础上，当钢中碳含量<0.06％时，添加适量的Mn、Mo、Nb等合金元素，形成一种具有高密度位错亚结构的“针状铁素体”的钢。它是为满足北方严寒条件工作的大直径石油和天然气输出管道用钢需要而发展起来的，并通过轧制以获良好强韧化效果。此类钢的显微组织是极细的低碳或超低碳的针状铁素体（属于无碳化物贝氏体）片上分布着高位错密度的细小亚结构+弥散的Nb（C，N）粒子沉淀。其通过合理的成分设计并采用先进的TMCP技术，在空冷过程中通过切变和扩散相变形成由位错列阵和位错胞组成的非等轴铁素体，可以保证得到极细的晶粒和针状铁素体片，产生更高位错密度的细小亚结构和更弥散的Nb（C，N）沉淀析出。其主要强化机制是：极细的贝氏体型铁素体晶粒或板条、高的位错密度、细小弥散分布的碳氮化物、固溶在贝氏体铁素体中的碳等间隙原子的强化和固溶在铁素体中合金元素的置换式固溶强化。
针状F型钢合金化的主要特点如下：①采用低碳或超低碳含量（w0.04％～0.08％）；②主要用Mn、Mo、Nb等进行合金化；③对V、CSi、N及S含量加以适当限制。其典型成分如w≤0.06％、w1.6％～CMn2.2％、w0.1％～0.4％、w0.25％～0.40％、w0.02％～SiMoNb0.10％、w约0.05％、w≤0.01％、w≤0.02％、w≤0.02％。针状FAlNSP型钢经TMCP后可使σ达490MPa以上，T在-100℃以下。其性能特sK点是：高的强韧性，良好的低温韧性和焊接性能，可用普通电弧焊焊接。因此此类钢被称为“21世纪的控轧钢”，已成功应用于寒冷地带输送石油和天然气的管线等场合。
创制针状F型钢的主要着眼点在于：通过轧制后冷却时形成非平衡针状F提供大量位错亚结构，为以后K弥散析出创造条件，并保证原板成形时有较大加工硬化效应，以防强度降低；利用Nb（C、N）为强化相，使在轧后冷却中及575～650℃时效时从F中弥散析出以造成弥散强化，可使σ提高70～140MPa，但又相应使T提高约8～sK19℃，为此需采取相应补救措施；采用控制轧制细化晶粒，将终轧温度降至740～780℃，并使在900℃以下形变量达65％以上，每道轧制后用喷雾快冷，以防K从A中析出，减弱时效强化效果。（3）积极开发低碳马氏体钢
工程机械上对运动和低温下使用的部件，要求有更高强度和良好焊接性，因而开发出低碳M钢。所谓“低碳马氏体钢”系指低碳钢或低碳合金钢以经淬火+低温回火处理后获得的低碳马氏体组织作为使用状态的钢。为使其得到好淬透性，防止发生先共析铁素体和珠光体转变，加入Mo、Nb、V、B及控制合理含量的Mn和Cr与之配合，Nb还可作细化晶粒的微合金元素起作用。常见的有BHS系列钢种。其中BHS-1钢的成分为w0.10％，w1.80％，w0.45％，w0.05％。CMnMoNb其生产工艺为锻轧后空冷或直接淬火并自回火，锻轧后空冷得B+M+F混合组织，其性能为：σ828MPa，σ1049MPa，室温A96J，0.2bK可用来制造汽车的轮臂托架。若直接淬火成低碳M，性能为σ935MPa，σ1197MPa，室温A50J，-40℃下A32J，缺口疲劳断0.2bKK裂大于500kHz，可制造下操纵杆。
由此看来，低碳M钢具有极高强度，好的低温韧性和超群的疲劳性能，可保证部件的高质量和安全可靠。BHS钢还用来生产车轴、转向联动节和拉杆等，也可用于冷镦、冷拔及制作高强度紧固件。另一种Mn-Si-Mo-V-Nb系低碳Mn钢，其屈服点860～1116MPa、室温A为K46～75J。低碳Mn钢具有高强度、高韧性和高疲劳强度，达到了合金调质钢经调质热处理后的性能水平，若采用锻轧后直接淬火并自回火工艺，最能发挥其潜力。
低碳马氏体钢经淬火+低温回后后，形成位错板条马氏体+板条相界残余奥氏体薄膜+板条内部自回火或低温回火析出的细小弥散的碳化物，可实现强度、韧性、塑性的最佳配合。其强化是综合了固溶强化、位错强化、细晶强化及第二相强化四种强化效果，因而强化作用十分显著。常用的低碳马氏体钢的热处理工艺和力学性能如表1-5所示。15MnVB、20SiMn2MoV、25SiMn2MoV等是我国研制的低碳马氏体钢，在生产上已获得广泛应用。低碳马氏体钢在矿山、汽车、石油、机车车辆、农业机械等制造工业得到广泛的应用，在提高产品质量、减轻零件重量及降低成本等方面均有良好效果。表1-5 一些常用的低碳马氏体钢的热处理工艺和力学性能（4）发展低碳索氏体型钢
采用低碳低合金钢淬火获得低碳马氏体，然后进行高温回火得到低碳回火索氏体组织，使钢材具有更高的强度和良好的焊接性。为使钢得到好的淬透性和回火稳定性，防止先共析铁素体和珠光体转变，此类钢典型合金成分是美国的T-1型钢，规定成分为w0.1％～C0.2％，w0.6％～1.0％，w0.15％～0.35％，w0.7％～1.0％，MnSiNiw0.4％～0.8％，w0.4％～0.6％，w0.04％，w0.15％～0.5％，CrMoVCuw0.002％～0.006％。T-1型钢板在不同状态下的力学性能如表1-6所B示。表1-6 T-1型钢板在不同状态下的力学性能
低碳索氏体型钢在重载车辆、桥梁、水轮机及舰艇等方面得到应用。生产这种钢的主要困难是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，而截面厚的钢板不易完全淬透。（5）发展双相钢
由于传统的高强度低合金钢对汽车压力加工件来说，没有具备足够的冷成形性，因而需要改善传统钢强度-成形性的综合性能以满足汽车冲压成形件的要求。而双相钢是通过对过冷奥氏体相变的有效控制以得到20％～30％马氏体和80％～70％铁素体组织的钢种，其组织特征为马氏体呈小岛状分布在铁素体基体上。
双相钢的性能特点：①低屈服强度，一般应<350MPa；②钢的应力-应变曲线是光滑连续的，无屈服平台；③高的均匀伸长率和总伸长率；④高的加工硬化指数及高的塑性应变比。化学成分是获得双相钢组织的技术关键，C、Si、Mn、Mo等合金元素对钢双相组织的
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]