低合金高强度钢的优势及应用

低合金结构钢一般是在低碳钢的基础上，加入少量合金元素（ω总量＜3%）而形成的合金钢。这类钢冶炼比较方便，生产成本与碳钢相近，但其强度比一般低碳钢高10%～30%，并具有足够的塑性和韧度，故又称低合金高强度钢。

低碳低合金工程结构用钢可用来代替普通碳素结构钢，其屈服强度可提高25%～100%，质量可减轻30%，零件使用更可靠、耐久。这些构件的特点是尺寸大，需冷弯及焊接成型，形状复杂，大多在热轧或正火条件下使用，且可能长期处于低温或暴露于一定的环境介质中，因而要求钢材必须具有较高的强度和屈强比；较好的塑性和韧性；良好的焊接性；较低的缺口敏感性和冷弯后低的时效敏感性；较低的韧脆转变温度。低合金高强度钢是一类可焊接的低碳低合金工程结构用钢，主要用于房屋、桥梁、船舶、车辆、铁道、高压容器及大型军事工程等工程结构件。低合金高强度钢牌号与碳素结构钢牌号相似，由代表屈服强度“屈”字的汉语拼音字母Q+屈服强度数值+质量等级代号组成。其质量等级代号有A、B、C、D、E5个级别，并由A～E，钢中的S、P含量依次降低。例如Q460E，表示下屈服强度ReL＞460MPa，质量等级数为E级的低合金高强度钢，低合金高强度钢的牌号有Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690。低合金高强度钢牌号新、旧标准对照及应用如表8.2所示。

表8.2　低合金高强度钢牌号新、旧标准对照及应用

为了适应某些专业的特殊需要，对低合金高强度钢的成分、工艺及性能做了相应的调整和补充规定，从而发展了门类众多的低合金专业用钢，如锅炉、各种压力容器、船舶、桥梁、汽车、农机、自行车、矿山、建筑钢筋等，许多已纳入国家标准。例如，汽车用低合金钢是一类用量极大的专业用钢，广泛用于汽车大梁、托架及车壳等结构件。

低碳低合金工程结构用钢应用举例如图8.4所示。

图8.4　低碳低合金工程结构用钢的应用举例

（a）协和号动车组列车；（b）舰船

低合金高强度钢由于其力学性能和加工性能良好，不需要进行热处理，因此受到重视，是近年来发展最快、最具有经济价值的一类合金钢。我国1951年开始试制生产低合金高强度钢，现已有很大发展，目前其产量已占钢总产量的15.4%左右，是今后钢铁生产的发展方向之一。这类钢的强度级别在不断提高，现已达到800MPa级，相当于调质钢的水平。当前主要的发展方向如下。

（1）通过合金化和热处理改变其基体组织以提高强度

它是加入较多种类的合金元素，如Cr、Mn、Mo、Ni、Si、B等，通过淬火和高温回火使钢获得低碳素氏体组织，从而得到良好的综合力学性能和焊接性能。这类钢发展很快，强度已达800MPa级，低温韧性非常好，已用于重型车辆、桥梁及舰艇。

（2）超低碳化(www.xing528.com)

为了充分保证钢的韧性和焊接性能，进一步降低碳含量，使碳的质量分数甚至降到0.02%～0.04%，此时需采用真空冶炼或真空去气冶炼工艺。

（3）控制轧制

控制轧制是指把细化晶粒与合理轧制工艺结合起来，实现控制轧制。Nb、V等元素在轧制温度下溶入奥氏体中，能抑制或延缓奥氏体的再结晶过程，使钢获得小于5μm的超细晶粒，而保证得到高强度和高韧性。

（4）发展专用钢

为了适应各种专门用途的需要，对某些常用普通低合金高强度钢的成分、性能和质量做了一定调整，即派生出了一系列专用钢，如低温用钢，耐海水、大气腐蚀用钢，钢轨用钢等。

案例1：南京长江大轿的选材分析

（1）南京长江大桥简介

南京长江大桥如图8.1所示，位于长江下游，是长江上第一座由我国自行设计、建造的双层式铁路、公路两用桥，主跨为160米，桥体为钢结构。

（2）桥体材料要求

南京长江大桥的桥体材料要有足够的强度和很好的抗疲劳强度，同时焊接性要好，还要具有一定的耐大气腐蚀能力。应怎样选材？

（3）选材分析及选定

在二十世纪五十年代建造的武汉长江大桥，其主跨为128米，采用Q235制造。而在二十世纪六十年代，我国独立设计研发建造的南京长江大桥，其所在位置在长江下游，江面宽，主跨增加到160米，对桥体材料更为严苛。

在选材时，考虑到Q345（16Mn）是我国低合金高强度钢中用量最多、产量最大的钢种。其强度比普通碳素结构钢Q235高约20%～30%，耐大气腐蚀性能高20%～138%，可使结构自重减轻，使用可靠性提高。经科学实验，综合对比，故最后采用了Q345（16Mn）制造。