低合金鋼

中國鋼產(chǎn)量已突破6億噸，鋼材數(shù)量不再是主要矛盾，鋼材品種結(jié)構(gòu)不合理的矛盾十分突出。當前行業(yè)的主要任務(wù)是努力提高產(chǎn)品的市場競爭力，站在可持發(fā)展的新起點上，把大力開發(fā)低合金鋼列入發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。許多普鋼企業(yè)在鋼材品種結(jié)構(gòu)調(diào)整和編制科技發(fā)展規(guī)劃中，已意識到低合金鋼生產(chǎn)是提高產(chǎn)品技術(shù)含量和附加值的關(guān)鍵，對低合金鋼開發(fā)中碰到的種種問題心中無數(shù)，一些科技管理干部覺得“成也低合金鋼，敗也低合金鋼”，迫切要求對低合金鋼有個全面的了解。
　　按國際標準，把鋼區(qū)分為非合金鋼和合金鋼兩大類，非合金鋼是通常叫做碳素鋼的一大鋼類，鋼中除了鐵和碳以外，還含有爐料帶入的少量合金元素Mn、Si、Al，雜質(zhì)元素P、S及氣體N、H、O等。合金鋼則是為了獲得某種物理、化學或力學特性而有意添加了一定量的合金元素Cr、Ni、Mo、V，并對雜質(zhì)和有害元素加以控制的另一類鋼。
　　原則上講，合金鋼分為低合金鋼、中合金鋼和高合金鋼，顧名思義，以含有合金元素的總量來加以區(qū)分，總量低于3%稱為低合金鋼，5～10%為中合金鋼，大于10%為高合金鋼。在國內(nèi)習慣上又將特殊質(zhì)量的碳素鋼和合金鋼稱為特殊鋼，全國31家特鋼企業(yè)專門生產(chǎn)這類鋼，如優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、合金工具鋼、高速工具鋼、碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼、軸承鋼、不銹鋼、耐熱鋼、電工鋼，還包括高溫合金、耐蝕合金和精密合金等等。在鋼的分類上，近年雖努力向國際通用標準靠攏，但還有許多不同之處。
　　① 隨著特鋼向“特”、“精”、“高”發(fā)展，向深加工方向延伸，特鋼的領(lǐng)域越來越窄。美國特鋼協(xié)會將特鋼定位在工模具鋼、不銹鋼、電工鋼、高溫合金和鎳合金。日本把結(jié)構(gòu)鋼和高強度鋼歸并在特鋼范疇。隨著我國普鋼企業(yè)的技術(shù)改造和工藝進步，特鋼企業(yè)的產(chǎn)品領(lǐng)域也在縮小，1999年普鋼廠已生產(chǎn)特鋼產(chǎn)品總量的34%。
　　② 國外的低合金鋼，實際上是我們所熟悉的低合金高強度鋼，屬于特殊鋼范疇，在美國叫做高強度低合金鋼（HSLA—Steel），俄羅斯及東歐各國稱為低合金建筑鋼，日本命名為高張力鋼。而在國內(nèi)，首先是把低合金鋼劃入了普鋼范圍，概念上的區(qū)別導(dǎo)致在產(chǎn)品質(zhì)量上的差異。在名稱上也幾經(jīng)變化，如低合金建筑鋼、普通低合金鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼，至1994年叫做低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼（GB/T1591—94）。到目前為止，從發(fā)表的資料文獻來看，低合金鋼的名稱仍然隨著國家、企業(yè)和作者而異。
　　③ 低合金鋼與碳素鋼、低合金鋼與合金鋼之間，明確劃出的概念是不存在的。在國外，50年代曾給低合金鋼下過定義，總的意思是，凡是合金元素總量在3%以下，屈服強度在275Mpa以上，具有良好的可加工性和耐腐蝕性，以型、帶、板、管等鋼材形狀，在熱軋狀態(tài)直接使用的軟鋼的替代品。當然，在技術(shù)發(fā)展進程中，低合金鋼不論在合金含量、性能水平和交貨狀態(tài)，已經(jīng)有了很大的變化。
　　在我國，低合金鋼是一個更加籠統(tǒng)的鋼類，鋼材品種不僅含有低合金焊接高強度鋼，還包容了低合金沖壓鋼、低合金耐腐蝕鋼、低合金耐磨損鋼、低合金低溫鋼、甚至還納入了低、中碳含量的低合金建筑鋼和中、高碳含量的低合金鐵道軌鋼。具有中國特色，但帶來的一個問題是缺乏與國外統(tǒng)計數(shù)據(jù)的可比性。
　　性能
　　強度
　　鋼結(jié)構(gòu)件的屈服點決定了結(jié)構(gòu)所能承受的不發(fā)生永久變形的應(yīng)力。典型碳素結(jié)構(gòu)鋼的最小屈服點為235MPa。而典型低合金高強度鋼的最小屈服點為345MPa。因此，根據(jù)其屈服點的比例關(guān)系，低合金高強度鋼的使用允許應(yīng)力比碳素結(jié)構(gòu)鋼高1.4倍。與碳素結(jié)構(gòu)鋼相比，使用低合金高強度鋼可以減小結(jié)構(gòu)件的尺寸，使重量減輕。必須注意，對于可能出現(xiàn)彎曲的構(gòu)件，其許用應(yīng)力必須修正，以達到保證結(jié)構(gòu)的堅固性。有時用低合金高強度鋼取代碳素結(jié)構(gòu)鋼但不改變斷面尺寸，其唯一的目的是在不增加重量的情況下而得到強度更高更耐久的結(jié)構(gòu)。節(jié)約重量對運輸車輛的結(jié)構(gòu)是最重要的，這樣就可以運輸更重的重量和減少能量消耗。
　　經(jīng)常通過加入少量的鈮或釩、或鈦來提高鋼的強度。這些元素通過沉淀硬化很經(jīng)濟地達到強化的目的。為了各種目的加入的其他合金元素也能達到強化的目的。對于熱軋薄板，嚴格控制熱軋和卷取工藝可以達到所要求的均勻的強度。對于冷軋薄板，采用特殊的退火和平整工藝從而得到更高的強度，同時還可以保持良好的成形性能。
　　最新的發(fā)展是采用通過臨界退火和快速冷卻得到馬氏體和鐵素體二相顯微組織(或雙相顯微組織)的低合金高強度鋼。這種鋼的薄板產(chǎn)品有極好的成形性能，屈服點一般為310～345MPa，通過汽車部件壓力成形產(chǎn)生的應(yīng)變，屈服點可以提高到550MPa或更高。
　　成形性能
　　為了容易地和經(jīng)濟地進行熱或冷加工以制成工程結(jié)構(gòu)的各種部件，低臺金高強度鋼必需具有適當?shù)某尚涡阅堋：吞妓亟Y(jié)構(gòu)鋼一樣，低合金高強度鋼一般可以進行這樣的加工，以及如剪切、沖孔和機加工藝，雖然其屈服點高，即使成形操作變形相當劇烈也同樣可以使用用于碳素結(jié)構(gòu)鋼成形的冷彎沖壓機、拉拔機、壓力機和其他設(shè)備，但是一些設(shè)備具需要修改。
　　低合金高強度鋼和碳素結(jié)構(gòu)鋼的冷成形性能之間有固有的區(qū)別。首先，使低合金高強度鋼產(chǎn)生一定量的永久變形比同樣尺寸的碳素結(jié)構(gòu)鋼需要更大的力。第二，當?shù)秃辖鸶邚姸蠕摮尚螘r，對回彈應(yīng)給出稍大些的允許量。
　　根據(jù)經(jīng)驗，除非對低合金高強度鋼進行控制夾雜物形狀的處理，否則在進行冷成形時必須使用比碳素結(jié)構(gòu)鋼更大的彎曲半徑。
　　耐腐蝕性能
　　當使用低合金高強度鋼時，都是希望取其強度高的優(yōu)點而用較薄的截面，這不僅僅是為了節(jié)省重量而且也是為了盡可能的經(jīng)濟。但是，必須要充分考慮腐蝕這一因素，鋼材截面愈薄就愈應(yīng)注意防腐。任何鋼結(jié)構(gòu)的防腐一般都是通過在適當準備的表面上涂防腐層并且對防腐層加以保護的方法來達到的。一些低合金高強度鋼具有良好的耐大氣腐蝕性能，其不僅可以提高防腐涂層的效果，而且在某些情況下采取適當?shù)念A(yù)防措施甚至還可以在不涂層的狀態(tài)下暴露在大氣中使用。沒有任何一種材料同樣耐耐有可能想像到的腐蝕條件，低合金高強度鋼的耐大氣腐蝕性能隨對耐腐蝕起最大作用的合金元素的組臺和含量而改變。提高耐大氣腐蝕性能的元素是銅、磷、硅、鉻、鎳和鉬。
　　一些低合金高強度鋼的優(yōu)良的耐大氣腐蝕性能導(dǎo)致形成了建筑、橋梁等結(jié)構(gòu)設(shè)計的新概念，即這些結(jié)構(gòu)選用適當?shù)牡秃辖鸶邚姸蠕摰穆懵稑?gòu)件來建造。在正常暴露在大氣中的情況下，裸露的鋼在大氣腐蝕的最初幾個月形成一種緊密的保護性氧化膜。有時建筑師選用裸露的鋼結(jié)構(gòu)是因為希望得到鋼表面均勻的大氣氧化的外觀，而有時則是為了節(jié)省涂保護層以達到經(jīng)濟的目的。在裸露狀態(tài)下使用這些低合金高強度鋼，設(shè)計上必須考慮鋼的表面不能長期是潮濕的，而且還應(yīng)特別注意特殊的大氣環(huán)境，以保證在此條件下鋼的腐蝕速率是允許的。例如在強化學或工業(yè)煙氣的條件下則顯然是不適宜的。為了驗證在某些環(huán)境下是否可以使用裸露的鋼結(jié)構(gòu)。需要對大氣環(huán)境進行測定，甚至需要進行裸露試驗。
　　缺口韌性
　　低合金高強度鋼牌號在設(shè)計上具有對其預(yù)期的結(jié)構(gòu)用途來說相當好的缺口韌性。具體牌號的低合金高強度鋼其缺口韌性的適用性，或是只根據(jù)已有的使用經(jīng)驗，或是結(jié)合缺口試樣的沖擊試驗結(jié)果綜合考慮。為了滿足某些用途的極嚴格的要求，生產(chǎn)的一些低合金高強度鋼具有極好的缺口韌性。例如，目前通常采用控制熱軋技術(shù)生產(chǎn)用于制造焊接管線鋼管的低臺金高強度鋼鋼板，這種鋼管需要符合有關(guān)標準對缺口韌性規(guī)定的要求。一些低臺金高強度鋼在正火狀態(tài)下，結(jié)合選擇的成分。在鋼板厚度最大達到75mm時其塑性-脆性轉(zhuǎn)變溫度低于-60℃。一些牌號的低合金高強度荊在用于高速公路橋梁的主要拉力構(gòu)件時，必需滿足-12℃～-21℃沖擊性能的要求。