常用低合金结构钢的化学成分与力学性能分析

时间：2023-06-23 理论教育 版权反馈

【摘要】：GB/T 1591—2008《低合金高强度结构钢》对这类低合金高强度钢的化学成分和力学性能、冲击性能和冷弯角的规定分别列于表6-1、表6-2和表6-3。在GB/T 3077—1999《合金结构钢》国家标准中，对低碳、中碳调质高强度钢的化学成分、力学性能、淬火和回火温度参数以及其他技术要求作出了规定。在焊接结构中常用的低碳调质高强度钢、部分中碳调质高强度钢的标准化学成分和力学性能分别列于表6-7和表6-8。

1.普通钢结构用低合金钢

普通钢结构用低合金钢的屈服强度通常低于450MPa，以热轧或正火状态供货。大部分低碳锰钢、锰钒钢和锰钛钢属于此类。GB/T 1591—2008《低合金高强度结构钢》对这类低合金高强度钢的化学成分和力学性能、冲击性能和冷弯角的规定分别列于表6-1、表6-2和表6-3。

表6-1 低合金高强度结构钢的标准化学成分（按GB/T 1591—2008）

① 型材及棒材P、S含量可提高0.005％（质量分数），其中A级钢上限可为0.045％（质量分数）。

② 当细化晶粒元素组合加入时，20（Nb＋V＋Ti）≤0.22％（质量分数），20（Mo＋Cr）≤0.30％（质量分数）。

表6-2 低合金高强度钢标准力学性能（按GB/T 15912008）

① 当屈服不明显时，可测量R_P0.2代替下屈服强度。

② 宽度不小于600mm的扁平材，拉伸试验取横向试样，宽度小于600mm的扁平材，型材及棒材取纵向试样，断后伸长率最小值提高1％（绝对值）。

③ 厚度0250～400mm的数值适用于扁平材。

表6-3 低合金高强度钢冲击性能和冷弯角（按GB/T 1591—2008）

① 冲击试验取纵向试样。

② 宽度不小于600mm扁平材，弯曲试验取横向试样。宽度小于600mm的扁平材，型材及棒材取纵向试样。

2.低合金调质高强度钢

低合金调质高强度钢是指在调质状态下（淬火＋回火），保证标准规定的力学性能的高强度钢，与普通高强度钢相比，其特点是强度级别更高，最高抗拉强度可达1620MPa，塑性和韧性相对较低。调质高强度钢按其含碳量的不同，可分低碳调质高强度钢和中碳调质高强度钢。在各种焊接结构中，大多采用低碳调质高强度钢。中碳调质高强度钢因焊接性较差，只有在强度指标是决定因素的结构中才被采用。

在GB/T 16270—2009《高强度结构用调质钢板》国家标准中，规定了屈服强度为420～960MPa的低碳调质高强度钢的技术要求，这些钢的标准化学成分和力学性能分别列于表6-4和表6-5中，其中Q460、Q500和Q550钢，Q620、Q690、Q800、Q890、Q960钢均以淬火＋回火状态交货，钢板的最大厚度限制在150mm以下。

这类高强度结构钢，由于碳的质量分数不超过0.2％，合金元素的总质量分数小于3％，因此具有较好的焊接性和低温冲击韧度，适用于制造大中型重载焊接结构。

在GB/T 3077—1999《合金结构钢》国家标准中，对低碳、中碳调质高强度钢的化学成分、力学性能、淬火和回火温度参数以及其他技术要求作出了规定。该标准将合金结构钢的质量等级分为优质钢，高级优质钢（A级）、特级优质钢（B级）。这些不同质量等级调质高强度钢的S、P及残余元素含量，应符合表6-6的规定。

在焊接结构中常用的低碳调质高强度钢、部分中碳调质高强度钢的标准化学成分和力学性能分别列于表6-7和表6-8。

表6-4 高强度调质钢板标准化学成分（按GB/T 16270—2009）

① 根据需要，生产厂可添加其中一种或几种合金元素，最大值应符合表中规定，其含量应在质量证明书中报告。

② 钢中至少添加Nb、Ti、V、Al中的一种细化晶粒元素，其中至少一种元素的最小质量分数为0.015％（对于Al为Als）。也可用Alt替代Als，此时最小含量为0.018％（质量分数）。

③ CEV＝w（C）＋w（Mn）/6＋w（Cr＋Mo＋V）/5＋w（Ni＋Cu）/15。

表6-5 高强度调质钢板标准力学性能（按GB/T 16270—2009）

① 拉伸试验取横向试样。

② 冲击试验取纵向试样。

③ 当屈服现象不明显时，采用R_P0.2。

表6-6 不同质量等级调质结构钢的P、S和残余元素含量的规定

表6-7 低合金调质高强度钢的标准化学成分（按GB/T 30771999）

（续）

注：稀土成分按质量分数为0.05％计算量加入。

表6-8 低合金调质高强度钢的标准力学性能（按GB/T 30771999）

（续）

注：1.所列热处理温度允许偏差范围：淬火±15℃，低温回火±20℃，高温回火±50℃。

2.硼钢在淬火前可先经正火，正火温度应不高于其淬火温度；铬锰钛钢第一次淬火可用正火代替。

钢材的交货状态通常为热轧或热锻状态，也可为热处理状态（退火、正火或高温回火），但测定力学性能的试样毛坯必须按相应的规定进行调质处理。硬度测定试样应经退火或高温回火处理。

应当指出，表6-8所规定的力学性能指标，仅适用于截面尺寸不大于80mm的钢材。尺寸大于80～100mm的钢材，允许伸长率、断面收缩率和冲击吸收能量比规定值分别降低1％（绝对值）、5％（绝对值）和5％。对于尺寸大于100～150mm的钢材，允许分别降低2％（绝对值）、10％（绝对值）和10％。

该表所列的淬火和回火温度，对于焊接构件并不是最佳的热处理工艺参数，通常应根据所焊部件接头规定的力学性能指标加以调整。例如，当对接头要求较高的塑性和韧性，并容许略降低强度性能时，应适当提高回火温度、或延长回火保温时间。如果焊件焊后要求作消除应力处理，则调质处理的回火温度不应低于最终的消除应力处理的温度。

3.锅炉压力容器用低合金钢

锅炉用低合金钢基本上都属于低合金耐热钢。常用的低合金耐热钢已分别列入GB 5310—2008《高压锅炉用无缝钢管》和GB 713—2008《锅炉和压力容器用钢板》国家标准中。这些钢的标准化学成分和力学性能分别列于表6-9和表6-10。

表6-9 低合金耐热钢标准化学成分（质量分数，％）（按GB 5310—2008）

注：1.Alt指全铝含量。

2.除非冶炼需要，未经需方同意，不允许在钢中有意添加本表中未提及的元素，制造厂应采取所有恰当的措施，以防止废钢和生产过程中所使用的其他材料把会削弱钢材力学性能及适用性的元素带入钢中。

表6-10 低合金耐热钢管和钢板的力学性能（按GB 5310—2008）

与普通低合金高强度钢相比，锅炉用钢应具有较高的高温强度、常温和高温冲击韧度，抗时效性和抗氧化性。因此这类钢都是以提高钢材高温性能的合金元素，如Cr、Mo、Mn、V等为基础的低合金钢。这些钢可以热轧、控轧、退火、正火、回火或调质状态供货。对于常温屈服强度大于500MPa，或合金元素总质量分数大于3％的低合金钢厚板，应以热处理状态供货。低合金耐热钢管的热处理参数应符合表6-11的规定。如果15MoG、20MoG、12CrMoG、15CrMoG、12Cr2MoG和12Cr1MoVG钢管的终轧温度符合表6-11正火温度的规定，则可以用热轧代替正火处理，但必须按规定进行回火处理。

表6-11 低合金耐热钢管的热处理参数

注：1.热轧（挤压、扩）钢管终轧温度在相变临界温度Ar₃至表中规定温度下限的范围内，且钢管经空冷，则应认为该钢管是经过正火的。

2.D≥457mm的热扩钢管，当钢管终轧温度在相变临界温度Ar₃至表中规定温度上限的范围内，且钢管经空冷，则应认为该钢管是经过正火的。其余钢管在需方同意下，并在合同中注明，可采用符合前述规定的在线正火。

压力容器与锅炉设备一样，其设计、制造、检验和运行都必须接受国家质量监督部门的监控，因此对压力容器用低合金钢的性能提出了较高的要求。GB 713—2008《锅炉和压力容器用钢板》国家标准对压力容器用低合金钢板的技术要求作出了规定。这些钢的标准化学成分和力学性能分别列于表6-12和表6-13。

表6-12 压力容器用低合金钢板的化学成分（按GB 713—2008）

① 如果钢中加入Nb、Ti、V等微量元素，Al_t含量的下限不适用。

② 经供需双方协议，并在合同中注明，C含量下限可不作要求。

③ 厚度大于60mm的钢板，Mn含量上限可至1.20％（质量分数）。

表6-13 压力容器用低合金结构钢板的力学性能（按GB 713—2008）

（续）

① 如屈服现象不明显，屈服强度取R_P0.2。

对于在－20℃以下温度工作的压力容器，应采用低温冲击韧度较高的低温钢。在GB 3531—2008《低温压力容器用低合金钢板》国家标准中，规定了适用于低温压力容器的低合金低温钢的技术要求，其最低工作温度不低于－70℃。表6-14和表6-15列出了这些低温钢的标准化学成分和力学性能。当压力容器的工作温度低于－70℃时，宜采用低合金镍钢。这类钢在我国尚未列入标准，目前基本上都按美国ASTM标准生产或采购，其标准化学成分和力学性能分别列于表6-16和表6-17。

表6-14 低温压力容器用低合金钢标准化学成分（按GB 3531—2008）

注：1.为改善钢的性能，可添加微量的V、Ti、Nb、RE等元素，w（V＋Ti＋Nb）≤0.12％。

2.残余元素w（Cr），w（Cu）应各不大于0.25％，w（Ni）不大于0.4％，w（Mo）不大于0.08％。

3.全铝Al_t质量分数可以用测定酸溶铝质量分数代替，此时酸溶铝的质量分数应不小于0.015％。

表6-15 低温压力容器用低合金钢的力学性能（按GB 3531—2008）

注：a为钢材厚度。

①当屈服现象不明显时，采用R_p0.2。

②弯曲试验仲裁试样宽度b＝35mm。

表6-16 低合金镍钢的化学成分（质量分数）（％）

注：表中单值为最大值。

表6-17 低合金镍钢的力学性能

（续）

注：表中单值为最小值。

4.管道用低合金钢

在工业生产中应用的管道，基本上分为两大类。一类是输送石油，天然气的大直径管道；另一类是在热动力设备、石油化工设备以及其他工业设备中的连接管道，直径比前一类要小，但壁厚较大，工作时承受高温、高压和/或腐蚀介质的作用。

（1）石油裂化装置用低合金钢管GB 9948—2006《石油裂化用无缝钢管》国家标准，规定了三种石油裂化装置用低合金钢钢管。这些钢都具有一定的抗氢能力，其标准化学成分和力学性能分别列于表6-18和表6-19。

表6-18 石油裂化用低合金无缝钢管标准化学成分（按GB 9948—2006）

表6-19 石油裂化用低合金无缝钢管力学性能（按GB 9948—2006）

表中所列的低合金钢钢管应采用热轧（扩）或冷拔（轧）方法制造。这些钢管的交货状态应符合下列规定：热轧管终轧＋回火；冷轧管正火＋回火。

（2）高压化肥设备用低合金钢钢管在GB 6479—2000《高压化肥设备用无缝钢管》国家标准中，规定了8种化肥设备用低合金钢管，即Q345（16Mn）、Q390（15MnV）、10MoWVNb、12CrMo、1Cr5Mo、12Cr2Mo和12SiMoVNb。这些钢管的标准化学成分和力学性能分别列于表6-20和表6-21。各种钢管交货状态的热处理工艺参数按表6-22的规定。如热轧钢管的终轧温度符合上表所列的正火温度范围，则可代替正火处理。由表6-20的数据可见，所列低合金无缝钢管的碳含量均在0.20％（质量分数）以下，某些钢种的碳含量控制在0.15％（质量分数）以下，因此具有良好的焊接性和冲击韧度，适应安装现场的施工条件。

表6-20 高压化肥设备用低合金无缝钢管标准化学成分（按GB 6479—2000）

注：1.钢中残余元素的质量分数应符合下列规定：w（Ni）≤0.30％，w（Cr）≤0.30％，w（Cu）≤0.20％。

2.氧气转炉钢中氮的体积分数应不大于0.008％。

表6-21 高压化肥设备用低合金无缝钢管的力学性能（按GB 6479—2000）

注：1.12Cr2Mo钢管，当外径不大于30mm，且壁厚不大于3mm时，其屈服强度允许降低10MPa。其他低合金钢钢管；当壁厚大于16～40mm时，屈服强度允许降低10MPa。

2.按需方要求，Q345（16Mn）钢管也可进行－40℃夏比V形缺口冲击试验，纵向试样的冲击吸收能量应≥27J。

3.外径不小于φ57mm，且壁厚不小于14mm的钢管，应做标准试样U形缺口冲击试验。

表6-22 高压化肥设备用低合金无缝钢管交货状态的热处理参数（按GB 6479—2000）

5.船舶与海洋工程用低合金钢(www.daowen.com)

船舶在海洋中航行时承受交变载荷，存在脆性断裂的危险，因此对船体用低合金钢的抗脆断性能提出了较高的要求。新型船体用钢的共同特点是：对C、Mn和其他合金元素的含量作了严格的控制，并规定合金元素总的质量分数不超过2％，且必须采用Al或Nb和V联合细化晶粒控制，但Nb和V的质量分数分别不得超过0.05％和0.1％。对屈服强度大于300MPa的船体用钢板，规定必须经正火处理交货，以保证钢材的低温冲击韧度。

船舶及海洋工程用高强度钢的碳当量和力学性能分别见表6-23、表6-24。船舶及海洋工程用高强度钢和超高强度钢化学成分和力学性能分别见表6-25、表6-26。船舶及海洋工程用Z向钢厚度方向断面收缩率见表6-27。船舶及海洋工程用高强度钢、超高强度钢交货状态和冲击试验取样批量分别见表6-28、表6-29。按照钢材的强度级别和板厚，可分别以正火（N）、控轧（CR）、温度-形变控轧（TM、TMCP）、淬火＋回火（QT）状态交货。对于某些钢种，经船检部门同意，也可以热轧状态交货。

表6-23 船舶及海洋工程用高强度钢的碳当量（按GB 712—2011）

① 碳当量计算公式：CE＝w（C）＋w（Mn）/6＋w（Cr＋Mo＋V）/5＋w（Ni＋Cu）/15。

② 根据需要，可用裂纹敏感系数P_cm代替碳当量，其值应符合船级社认可的有关标准。裂纹敏感系数计算公式：P_cm＝w（C）＋w（Si）/30＋w（Mn）/20＋w（Cu）/20＋w（Ni）/60＋w（Cr）/20＋w（Mo）/15＋w（V）/10＋5w（B）

表6-24 船舶及海洋工程用高强度钢力学性能（按GB 712—2011）

（续）

① 拉伸试验取横向试样。当屈服不明显时可测量R_p0.2代替上屈服强度。

表6-25 船舶和海洋工程用高强度和超高强度钢的化学成分（按GB 712—2011）

（续）

注：1.AH32～EH40级钢材的厚度≤12.5mm时，Mn含量的最小值可为0.70％（质量分数）。

2.细化晶粒元素Al、Nb、V、Ti可单独或以任一组合形式加入钢中，当单独加入时，其含量应符合本表的规定；若混合加入两种或两种以上细化晶粒元素时，表中下限的规定不适用，同时要求Nb＋V＋Ti≤0.12％（质量分数）。

3.超高强度钢中添加的合金元素及细化晶粒元素Al、Nb、V、Ti应取得船级社的认可或符合公认的有关标准规定。

4.高强度钢的碳当量应符合表6-23的规定。超高强度钢应采用表6-23中的公式计算裂纹敏感系数P_cm代替碳当量，其值应符合船级社认可的标准。

表6-26 船舶及海洋工程用超高强度钢力学性能规定^①（按GB 712—2011）

（续）

① 拉伸试验取横向试样。冲击试验取纵向试样，但供方应保证横向冲击性能。

② 当屈服不明显时，可测量R_p0.2代替上屈服强度。

表6-27 船舶及海洋工程用Z向钢厚度方向断面收缩率的规定（按GB 712—2011）

表6-28 船舶及海洋工程用高强度钢交货状态和冲击试验取样批量（按GB 712—2011）

（续）

注：1.A—任意状态；CR—控轧；N—正火；TM（TMCP）—温度-形变控轧；AR*—经船级社特别认可后，可采用热轧状态交货；CR*—经船级社特别认可后，可采用控轧状态交货；QT—淬火＋回火。

2.括号中的数字表示冲击试验的取样批量（单位为t），（—）表示不作冲击试验。

表6-29 船舶及海洋工程用超高强度钢交货状态和冲击试验取样批量（按GB 712—2011）

注：1.TM（TMCP）—温度-形变控轧；QT—淬火加回火；TM（TMCP）＋T—温度-形变控轧加回火。

2.括号中的数字表示冲击试验取样批量（单位为t）。

6.桥梁用低合金结构钢

桥梁结构与船体结构相似，服役时承受较大的动载荷，要求具有较高的冲击韧度。为此，桥梁用低合金钢应严格控制S、P及其他杂质的含量。GB/T 714—2008《桥梁用结构钢》国家标准对此作出了明确的规定。桥梁用低合金结构钢的标准化学成分和力学性能分别列于表6-30和表6-31。

表6-30 桥梁用低合金结构钢标准化学成分（按GB/T 714—2008）

（续）

注：当碳含量不大于0.12％时，Mn含量上限可达2.00％（质量分数）。

表6-31 桥梁用低合金结构钢的力学性能（按GB/T 714—2008）

（续）

① 当屈服不明显时，下测量R_p0.2代替下屈服强度。

② 钢板及钢带的拉伸试验取横向试样，型钢的拉伸试验取纵向试样。

③ 冲击试验取纵向试样。

④ 厚度不大于16mm的钢材，断后伸长率提高1％（绝对值）。

桥梁用低合金结构钢应具有良好的焊接性。按下列公式计算的最高碳当量，厚度大于50直到100mm不同强度级别（Q345q、Q370q和Q420q、Q460q）钢材的碳当量相应不得超过0.43％，0.44％，0.45％、0.50％。

桥梁用低合金结构钢可以热轧、控轧或正火状态交货。

7.建筑结构用低合金钢

近20年来，我国民用高层建筑、大型工程建筑结构的用钢量与日俱增，已成为用钢量最大的工业部门之一。在GB/T 19879—2005《建筑结构用钢板》国家标准中，规定了Q345GJ、Q390GJ、Q420GJ和Q460GJ四种强度级别的低合金钢，其标准化学成分列于表6-32。由于建筑结构的施工条件恶劣，要求钢材具有良好的焊接性，并应以表6-33所规定的碳当量交货。对于要求厚度方向性能的钢板，即要求抗层状撕裂性能的钢板，w（P）应≤0.020％，硫含量应符合表6-34的规定。

表6-32 建筑结构用低合金钢标准化学成分（GB/T 19879—2005）