一、低合金鋼介紹：

1、合金元素總量小于3.5%的合金鋼叫做低合金鋼。

2、低合金鋼是相對于碳鋼而言的，是在碳鋼的基礎上，為了改善鋼的一種或幾種性能，而有意向鋼中加入一種或幾種合金元素.

3、加入的合金量超過碳鋼正常生產方法所具有的一般含量時，稱這種鋼為合金鋼。

4、當合金總量低于3.5%時稱為低合金鋼。合金含量在3.5-10%之間稱為中合金鋼；大于10%的稱為高合金鋼.

1、低合金鋼的出現可以追溯到19世紀的1870年，一種碳含量0.64～0.9%和鉻含量0.54～0.68%、抗拉強度685Mpa、彈性極限410Mpa鋼.

2、第一次被采用于工程結構，建造了跨度158.5m的拱形橋梁。但這種鋼不理想也是十分明顯的，需要軋后熱處理，難以機械加工，耐蝕性又不良。

2、隨后的1個多世紀的時間，世界各國不斷探索，大體上可以把低合金鋼區劃為三個不同特征的發展階段，3、在20世紀20年代以前，20～60年代及60年代以后。前兩個階段姑且合稱為傳統的低合金鋼發展階段，后一階段可以稱為現代低合金鋼發展階段.

前一時期低合金鋼的重大發展有三個標志：

① 由單一元素合金化向多元素合金化發展

1895年曾采用0.40～0.56%C和3.5%Ni的鋼建造了俄國的“鷹”級驅逐艦，該鋼的加工性比初期的鉻鋼要好得多，屈服強度在355Mpa。20世紀初還用8000多噸含鎳的鋼建造了跨度為448m的橋梁，美中不足的是這種鋼的合金資源有限，成本又高。此后開發了1.25%Si的低合金鋼，建造了橫渡大西洋的船舶和跨度110m的橋梁，俄國利用鐵銅混生礦源，曾開發了0.7～1.1%Cu的低合金鋼用于造船、建橋，這種鋼導電性好，抗腐蝕性優良。

長達30多年的生產和應用經驗的積累，發現多元合金化的低合金鋼綜合性能更佳，經濟上更劃算，開發了二元合金化的Ni-Cr、Cr-Mn、Mn-V低合金鋼，和三元復合合金化的Cr-Mn-V、Cr-Mn-Si、Mn-Cu-P等低合金鋼。用途上也擴大到了鍋爐、容器、建筑和鐵塔等方面。20世紀20年代全世界的低合金鋼產量達到200萬噸。

② 賦予低合金鋼的第一特征：低碳、可焊接

在工程結構廣泛采用焊接技術之后，給低合金鋼發展帶來深遠的影響。為減小焊接熱影響區硬化和開裂、焊接接頭延性惡化，把低合金鋼的碳含量由0.6%降到0.4%，隨后又降至0.2%，至60年代末再降至0.18%，提出了焊接碳當量的可焊性判據。為了獲得高強度鋼不斷增高的強度需求，出現了兩條發展途徑，一個是提高合金含量，另一個是熱處理手段，各有利弊，至今屈服強度高于600Mpa的鋼仍采用熱處理，E級和F級船板仍規定正火狀態使用，再如鐵路鋼軌仍有合金化軌和全長淬火軌的兩種生產方式。

③ 注意到鋼的冷脆傾向性和時效敏感性

二次世界大戰期間大量“自由”輪在運行中斷裂及許多鍋爐、容器的失效，注意到了鋼冷脆傾向與鋼的粗晶結構和有害元素P、S的含量有關，而鋼的時效傾向是由鋼中N所致，從而采取了降硫、鋁細晶化和控制終軋溫度等優化工藝。為了鋼結構的安全使用和壽命，同時還開發了低溫夏氏V型缺口沖擊、溫度梯度雙重拉伸、零塑性轉折落錘及BDWTT落錘撕裂等試驗方法及制訂了相應的斷裂韌性判據。

20～60年代間，工業發達國家的低合金鋼開發帶來了經濟的繁榮和現代化。據不完全統計，全世界成熟的低合金鋼鋼種牌號有2000余個，形成了5大合金成分系列：

⑴ 以德國St52鋼為代表的C-Mn鋼系列，日本的SM400、中國的16Mn屬于這類鋼。

⑵ 以美國Vanity鋼為代表的Mn-V-（Ti）鋼系列，構成了現代微合金化的先驅。

⑶ 美國的含P-Cu鋼系列，代表鋼種有Corten和Mariner鋼，具有良好的耐大氣和海水腐蝕性。

⑷ Ni-Cr-Mo-V鋼系列，如美國開發的淬火回火狀態T-1鋼板成功用于壓力容器的建造。

三、低合金鋼強度

1、低合金鋼結構件的屈服點決定了結構所能承受的不發生永久變形的應力。

2、典型碳素結構鋼的最小屈服點為235MPa。而典型低合金高強度鋼的最小屈服點為345MPa。

3、根據其屈服點的比例關系，低合金高強度鋼的使用允許應力比碳素結構鋼高1.4倍。

4、與碳素結構鋼相比，使用低合金高強度鋼可以減小結構件的尺寸，使重量減輕。

5、有時用低合金高強度鋼取代碳素結構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構。

6、節約重量對運輸車輛的結構是最重要的，這樣就可以運輸更重的重量和減少能量消耗。

7、經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。

8、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。

9、最新的發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生的應變，屈服點可以提高到550MPa或更高。

四、低合金鋼成形性能

1、為了容易地和經濟地進行熱或冷加工以制成工程結構的各種部件，低臺金高強度鋼必需具有適當的成形性能。

2、和碳素結構鋼一樣，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構鋼成形的冷彎沖壓機、拉拔機、壓力機和其他設備，但是一些設備具需要修改。

3、低合金高強度鋼和碳素結構鋼的冷成形性能之間有固有的區別。首先，使低合金高強度鋼產生一定量的永久變形比同樣尺寸的碳素結構鋼需要更大的力。第二，當低合金高強度鋼成形時，對回彈應給出稍大些的允許量。

4、根據經驗，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構鋼更大的彎曲半徑。

五、低合金鋼焊接性能

1、由于鋼結構在制作加工過程中經常使用焊接工藝，因此對于這類用途的低合金高強度鋼來說，能夠采用在薄板和鋼帶這樣的厚度情況下廣泛使用的電弧焊工藝進行焊接是非常重要的.

2、所制作的鋼結構的焊縫應具有要求的強度和韌性也同樣是非常重要的．這樣才能經受住預定用途出現的最不利的條件。

3、低合金高強度鋼的發展與各種焊接工藝的發展足同步進行的，要特別注意確保這些鋼能夠具有適當的焊接性能。如果焊接操作得當，大部分低合金高強度鋼是可以很好地進行焊接的。

4、對于大型型鋼和較高碳和錳含量的牌號，需要預熱和（或）采用低氫焊條。

5、對于某些低合金高強度鋼無論厚度是多少，都應采用低氧焊條。對最小屈服點最高達約345MPa的低合金高強度鋼進行氣體保護熔化極電弧焊，采用低碳涂藥焊條通常是合適的。

6、對于最小屈服點高于約415MPa的鋼和當對焊縫金屬要求特殊的性能，如更高的耐腐蝕性能時，則通常需采用低合金鋼焊條。

7、對于埋弧焊、氣體保護金屬極電弧焊和藥芯焊絲電弧焊，推薦采用與氣體保護熔化極電弧焊所建議采用的焊條一樣的充填金屬的焊條。

8、對于汽車工業用低合金高強度鋼薄板，一般限制其碳含量不大于0.13%以得到良好的點焊性能。

六、低合金鋼耐腐蝕性能

1、當使用低合金高強度鋼時，都是希望取其強度高的優點而用較薄的截面，這不僅僅是為了節省重量而且也是為了盡可能的經濟。

2、但是，必須要充分考慮腐蝕這一因素，鋼材截面愈薄就愈應注意防腐。任何鋼結構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。

3、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的預防措施甚至還可以在不涂層的狀態下暴露在大氣中使用。

4、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。

5、一些低合金高強度鋼的優良的耐大氣腐蝕性能導致形成了建筑、橋梁等結構設計的新概念，即這些結構選用適當的低合金高強度鋼的裸露構件來建造。

6、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構是因為希望得到鋼表面均勻的大氣氧化的外觀，而有時則是為了節省涂保護層以達到經濟的目的。

7、在裸露狀態下使用這些低合金高強度鋼，設計上必須考慮鋼的表面不能長期是潮濕的，而且還應特別注意特殊的大氣環境，以保證在此條件下鋼的腐蝕速率是允許的。

七、低合金鋼缺口韌性

1、低合金高強度鋼牌號在設計上具有對其預期的結構用途來說相當好的缺口韌性。

2、具體牌號的低合金高強度鋼其缺口韌性的適用性，或是只根據已有的使用經驗，或是結合缺口試樣的沖擊試驗結果綜合考慮。

3、為了滿足某些用途的極嚴格的要求，生產的一些低合金高強度鋼具有極好的缺口韌性。

4、目前通常采用控制熱軋技術生產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標準對缺口韌性規定的要求。

5、一些低臺金高強度鋼在正火狀態下，結合選擇的成分。在鋼板厚度最大達到75mm時其塑性-脆性轉變溫度低于-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件時，必需滿足-12℃～-21℃沖擊性能的要求.

八、16mn鋼的發展：

1、50年代原冶金工業部鋼鐵研究院劉嘉禾為首的一批冶金學專家率先研制成功了16Mn鋼和15MnTi鋼，開創了中國低合金鋼領域，在此基礎上制定了命名為低合金高強度鋼的第一個標準（YB13—58），列入12個鋼種牌號。

2、1963年易名為低合金結構鋼（YB13—63），納入的鋼種牌號除Mn系列外，包括了結合中國富產資源所開發的V、Ti、Nb及稀土的低合金鋼，并由此派生出了橋梁、造船、容器、汽車大梁、礦用等專用鋼標準。3、其后修改的YB13—69，改為普通低合金鋼（簡稱普低鋼），強調“普通”的意思在說明生產低合金鋼就像生產普通碳素鋼一樣，不需要特別的生產手段，簡便容易，即可取得1噸頂1.3～1.5噸的經濟效益，此后長達20年難以消除它的負面影響，至今全國行業鋼材品種結構調整時，還往往注意到低合金鋼高附加值的一面，而忽視了低合金鋼的高技術含量一面。

4、1988年升級為國標時（GB—1591—88），回歸到了低合金結構鋼的名稱，1994年頒布的現行標準更名為低合金高強度結構鋼，（GB/T1591—94），包括了屈服強度295—460Mpa 5個強度等級和A～E 5個質量等級，新標準的積極意義在于努力向國際規范靠攏。由于中國低合金鋼基礎研究日趨深入和生產規模日益擴大，在北京已連續召開了4屆（1985、1990、1995及2000年）國際低合金高強度鋼會議，無疑這是對中國低合金鋼領域科技進步的肯定。

九、中國低合金鋼發展歷程可以劃分為4個階段：

1、 1957～1969年

是低合金鋼開發的初創階段，第一個低合金鋼16Mn鋼與普碳鋼相比，具有高強度、高韌性、抗沖擊、耐腐蝕等特性，它的開發適應了各行業產品大型化、輕型化的趨勢，采用16Mn鋼所建造的的“東風”萬噸輪，顯示了節省鋼材、節約能源和延長產品壽命的優越性。

1966年召開了全國規模的第一次低合金鋼推廣應用會議，在計劃經濟條件下宏觀指導低合金鋼的發展。當年低合金鋼產量為141萬噸，據不完全統計，研制鋼號達345個，其中有54個鋼號納入了11個有關標準中。

2、 1970～1974年

全力進行了鋼種整頓工作，及時總結了開發中有益的經驗，收集了大量的試驗研究數據，合并和淘汰了一批無法組織批量生產或性能達不到預定指標的鋼號，化費四年時間的鋼種整頓工作是十分有益的，減少了開發盲目性和無序狀態，完善了富有中國特色的低合金鋼體系。

3、 1975～1983年

中國低合金鋼開發生產和應用等各方面存在的問題很多，積重難返，顯示出了與客觀需求的不適應，合金資源優勢未能轉化為產品優勢，產品質量明顯低于國外同類同級產品的實物水平，16Mn、20MnSi、U71Mn 3個鋼號占低合金鋼總產量90%以上。

4、 1984～2000年

這是一個中國低合金鋼的轉型期，從“六五”至“九五”期間，基本上實現了4個轉變。

⑴ 按國外先進標準生產低合金鋼

⑵ 引進國外發展成熟的低合金鋼鋼號

⑶ 按國外低合金鋼基礎研究成果，改造中國原有的傳統觀念設計的低合金鋼鋼號

⑷ 跟上新型低合金高強度鋼（微合金鋼）的發展趨勢。

中國低合金鋼發展面貌有了極大的變化，大大縮小了與國外低合鋼先進水平的差距。

十、世界低合金高強度鋼的重大進展進程：

1、自20世紀70年代以來，世界范圍內低合金高強度鋼的發展進入了一個全新時期，以控制軋制技術和微合金化的冶金學為基礎，形成了現代低合金高強度鋼即微合金化鋼的新概念。

2、進入80年代，一個涉及廣泛工業領域和專用材料門類的品種開發，借助于冶金工藝技術方面的成就達到了頂峰。

3、在鋼的化學成分—工藝—組織—性能的四位一體的關系中，第一次突出了鋼的組織和微觀精細結構的主導地位，也表明低合金鋼的基礎研究已趨于成熟，以前所未有的新的概念進行合金設計。

主要表現

⑴ 微合金化鋼基礎研究的新成就。

首先，對微合金化元素，尤其是Nb、V、Ti、及Al的溶解一析出行為的研究取得顯著的成果，這些元素的碳化物和氮化物的形成及其數量、尺寸、分布取決于冷卻過程的形變溫度和形變量，而加熱過程中碳、氮化物的存在及其特性表現在回火的二次硬化、正火的晶粒重結晶細化、焊接熱循環作用下晶粒尺寸的控制3個主要方面。

其二、重視含Nb微合金化鋼、Nb-V和Nb-Ti復合微合金鋼的開發，據統計幾乎占有近20年來新開發微合金化鋼全部牌號的75%和微合金化鋼總產量的60%。近幾年注意到了微量Ti（≤0.015%）十分有益的作用，Ti的微處理不僅改變鋼中硫化物的形態，而且TiO2或Ti2O3成為奧氏體晶內鐵素體晶粒生核的質點，Nb-Ti復合微合金化構成超深沖汽車板IF鋼的冶金基礎，還顯著改善了Nb鋼連鑄的裂紋敏感性。

其三，對低碳鋼強化的Hall-Petch關系式進行了系統總結，對加速冷卻原理作了更深入的研究。人們十分有興趣采用分階段加速冷卻工藝的應用，前期加速冷卻用于抑制鐵素體轉變，后期加速冷卻目的在于控制中、低溫產物的晶粒尺寸和精細結構的組成，從而達到在較寬范圍內調整鋼的強度和強度/韌性匹配。

350MPa級高強度鋼：微合金化+熱機械處理，機制為晶粒細化+析出強度。

500MPa級高強度鋼：鐵素鐵+貝氏體、馬氏體，強化機制為晶粒細化、并晶界強化和位錯強化。

700MPa級高強度鋼：淬火回火組織，機制為相變強化+析出強化。

⑵ 工藝技術的進步

頂底復吹轉爐冶煉，鋼的碳含量可控制在0.02～0.03%，精煉的應用可生產出碳含量在0.002～0.003%，雜質含量達到<0.001%S、<0.003%P、<0.003%N，2～3ppm[0]和<1ppm[H]的潔凈鋼。

連鑄的成功經驗是低的過熱度、緩流澆注和適宜的二次冷卻，采用低頻率、高質量的電磁攪拌，可以得到均勻的等軸的凝固區。

在再結晶控軋的基礎上，應變誘導相變和析出的非再結晶控軋，以及（g+a）兩相區形變，已成為目前控軋厚鋼板生產主要方向。薄板坯連鑄連軋流程和薄帶連鑄工藝的實用化，使低合金鋼生產進入了又一個新境界。

⑶ 低合金鋼合金設計新觀點

首先是鋼的低碳化和超低碳趨勢，例如60年代X60級管線鋼碳含量為0.19%，70年代為0.10%，80年即使 X70和X80級管線鋼碳含量降至0.03%以下。

根據微合金化元素在鋼中的基本作用和次生作用，提出了“奧氏體調節”的概念，有意識地控制加入微合金化元素，使鋼適于一定的熱機械處理工藝，以發展新的性能更好的鋼種。

傳統控制軋制的合金設計：微合金化的重要目的是提高再結晶停止溫度，利用非再結晶區的形變誘導相變和析出，Nb是最理想的微合金化元素。

再結晶控制軋制的合金設計：它的目的是盡量降低再結晶停止溫度，并形成阻礙晶粒粗化的系統。其中一種辦法是以TiN為晶粒粗化阻止劑，以V（CN）作為鐵素體強化。另一種方案是Nb-Mo的微合金化，具有較寬闊的可以加工的窗口。這種工藝特別適合于不能進行低溫軋制的低功率的老舊軋機生產。

焊接高強度鋼

焊接高強度鋼，又叫做可焊接低合金高強度結構鋼，是低合金高強度鋼鋼類的主體。

它有三個基本屬性：

第一，較低的碳含量，有良好的焊接性。

第二，屈服強度高于普通碳素鋼，作為結構用材時，鋼的屈服強度參與結構的強度設計。

第三。以高強度為基礎，根據用途的不同要求，具有不同的特性，如抗時效 、抗沖擊、抗韌性撕裂，抗缺口敏感、耐火性等等。

我國的焊接高強度鋼的主要鋼種牌號已納入GB/T1591—94中，由此派生的低合金專用鋼分類及標準：

鍋爐用鋼 BG713—86，YBG741—87

壓力容器用鋼 GB5681—85，GB6653—86，GB6654—86

GB6655—86，GB6479—86，GB3513

造船用鋼 GB712—88

汽車用鋼 GB3273—82

橋梁用鋼 YB(T)60—81

自行車用鋼 GB3647—83，GB3696—83

保證厚度方向性能鋼 GB5313

管材用鋼 GB479—86，GB8162—87

GB8163—87，YB231—70

核能用鋼

艦船用鋼

兵器用鋼等。

焊接高強度鋼的合金設計，放在第一位考慮的是鋼的強度，強化機制包括固溶強化、析出強化、細晶強化、位錯及亞結構強化、以及相變的組織強化。此5種強化機制的組合，可以生產出屈服強度由295MPa～880Mpa不同級別的焊接高強度鋼，以及不同強度和韌性匹配的強韌鋼等級。

焊接性是焊接高強度鋼的基本屬性，要求在一定的焊接條件下，容易得到優良的焊縫及熱影響區，具有與母材相當的力學性能和加工工藝性能。鋼的化學成分對焊接性的影響從表2可見。提高焊接性能的有效措施是降低碳含量、降低P、S含量，選用適宜的合金元素。