低合金高强度结构钢是指在普通碳素结构钢的基础上，加入少量的合金元素，以提高钢的屈服强度（提高50%～100%）和改善综合性能（塑性、韧性、冷加工成型及焊接性能）为目的的一类钢种。它是为了适应大型工程结构件减轻结构质量，提高使用可靠性及节约钢材的需要而发展起来的。其特点为低碳、低合金、高强度，尤其是屈服强度大大高于碳含量相同的普通碳素结构钢，使其具有承载大、自重轻、综合性能好的优点，目前已广泛用于制造桥梁、车辆、船舶、石油化工容器、建筑钢筋等。

6.2.2.1　低合金高强度结构钢的性能要求

高强度：构件用钢一般是在热轧状态或正火状态供应用户使用，故为减轻结构自重，要求提高热轧状态下的屈服强度。如将Re由250 MPa 提高到 350 MPa，即可使构件自重减轻20%～30%，节省钢材，降低成本。

良好的塑性与韧性：为了避免发生脆断，同时使冷弯、焊接工艺容易进行，通常要求延伸率A＞18%～20%，断面收缩率Z＞50%；室温冲击韧性大于600～800 kJ/m2；在－40 °C或经时效处理后，αk值下降不得低于室温αk值的50%。

良好的工艺性能和耐大气腐蚀性：为了满足工艺上的要求，低合金高强度结构钢应具有良好的冷变形性能，如冷弯、拉深等，以及焊接性能。一般应保证碳当量小于0.35%。对可焊性要求高时，还应对钢中氢、磷、硫和砷等元素含量加以控制。另外，还需耐大气腐蚀，否则须涂漆保护。

低的时效敏感性和韧脆转变温度：应变时效与淬火时效常常是导致钢力学性能发生不利的变化，并在使用中出现开裂的主要原因。一般认为碳、氮、硅、铜等元素使时效敏感性增大，而铝、钒、钛、铌等可使时效敏感性减小。许多构件是在低温下工作，为避免低温脆断，低合金高强度结构钢应具有较低的韧脆转变温度，以保证构件在较低的使用温度下，仍具有良好的韧性。试验测试结果表明，钢中每增加1%的珠光体量，脆性转化温度升高2.2 °C。所以碳含量宜低不宜高。

经济性要求：低合金高强度结构钢用量很大，在加入合金元素时应充分考虑国内资源条件。一般认为其合金化特点应是多组元微量合金化，合金元素总量不超过3%。

6.2.2.2　低合金高强度结构钢的化学成分

低碳：由于韧性、焊接性和冷成型性方面的要求较高，故低合金高强度结构钢的碳含量不超过 0.2%。试验证明，随着含碳量的增加，钢的强度得以提高，但脆性增大，焊接性和冷变形性都变坏。如wC由0.1%增至0.2%，抗拉强度提高60 MPa，韧脆转变温度升高33 °C。

主加合金元素锰：锰属于复杂立方点阵，其点阵类型及原子尺寸与α-Fe相差较大，因而锰的固溶强化效果较强。锰是奥氏体形成元素，能降低奥氏体向珠光体转变的温度范围并减缓其转变速度，因而可细化珠光体，提高钢的强度和硬度。另一方面，锰的加入可使 Fe-C状态图中“S”点左移，使基体中珠光体数量增多，因而可使钢在相同含碳量下，珠光体量增多，致使强度不断提高。锰还能降低钢的韧脆转变温度。但锰的含量要控制在2%以内。

辅加合金元素铝、钒、钛、铌、铜、稀土元素等：在低合金高强度结构钢中加入少量的Al形成AlN细小质点以细化晶粒，这样既可提高强度，又可降低韧脆性转变温度kT。加入微量的钒、钛、铌等元素既可在钢中形成细碳化物和碳氮化合物，产生沉淀强化作用，还可细化晶粒，从而使强韧性得以改善。另外，为改善钢的耐大气腐蚀性能，应加入铜和磷。否则有时就要用涂料等来保护构件。加入微量稀土元素可以脱硫去气，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。

综上所述，低合金高强度结构钢合金化的原则是：低碳，合金化时以锰为基础，适当加入铝、钒、钛、铌、铜、磷及稀土等元素。其发展方向是多组元微量合金化。

6.2.2.3　常用钢种(www.daowen.com)

GB/T 1591—2018《低合金高强度结构钢》规定钢的牌号由代表屈服点的汉语拼音字母（Q）、屈服强度数值、质量等级符号（A、B、C、D、E）三部分按顺序排列来表示，如Q345D。低合金高强度结构钢的牌号、化学成分及夏比冲击性能见表6.10、拉伸性能见表6.11。

由表6.10可见，Q345、Q390、Q420有5个质量等级，Q460、Q500、Q550、Q620、Q690有3个质量等级。质量等级越高，硫、磷含量越严格，钢材的冶金质量要求越高。牌号越高，钢材的强度等级越高，硅、锰、铬、镍等元素的上限越高。Q460、Q500、Q550、Q620、Q690中可以加入钼、硼，以使钢材在热轧或正火后能获得部分贝氏体组织，以提高钢的强度。

较低强度级别的低合金高强度结构钢中，以 Q345 最具代表性。该钢使用状态的组织为细晶粒的铁素体-珠光体，强度比普通碳素结构钢 Q235 高 20%～80%，耐大气腐蚀性能高20%～38%。用它来制造工程结构时，质量可减轻 20%～30%，且低温性能较好。但比低碳钢的缺口敏感性大、疲劳强度低、焊接时易产生裂纹。

钢中的 S、P 含量对韧性影响显著，钢的质量等级越高，对其含量的要求越严，高洁净钢的生产工艺即可满足此方面的要求。

Q420 是中等级别强度钢中使用最多的钢种，钢中加入 V 之后，生成钒的氮化物，可细化晶粒，又有析出强化的作用，使强度有较大提高，尤其是高温强度，而且韧性、焊接性以及低温韧性也较好，被广泛用于制造桥梁、锅炉、船舶等大型结构。

表6.10　低合金高强度结构的牌号与化学成分及单击能量（摘自GB/T 1591-2018）

表6.11　常用低合金高强度结构的拉伸性能（摘自GB/T 1591-2018）

6.2.2.4　热处理特点

低强度等级的钢一般在热轧、控轧状态下交货，用户一般不需要再进行专门的热处理，在有特殊需要时，如为了改善焊接性能，可进行一次正火处理。使用状态下的显微组织一般为铁素体加索氏体。

高强度等级的钢材常以正火、正火轧制、正火加回火状态交货，也有以热机械轧制或热机械轧制加回火状态交货。此时应严格控制碳当量。