低合金高强钢的焊接技术
低合金高强度钢及其焊接技术概述-工程
低合金高强度钢及其焊接技术概述-工程低合金高强度钢概述低合金高强度钢的分类低合金高强度结构钢包括一般低合金结构钢和其它一些优质低碳低合金高强度钢，其强度高于含碳量相当的碳素钢，但塑性、韧性和焊接性良好，。
适用于较重要的钢结构，如压力容器、发电站设备、管道、工程机械、海洋结构、桥梁、船舶、建筑结构等。
低合金高强度结构钢是在低碳结构钢的基础上添加一定量的合金元素（如Mn、Si、Cr、Mo、Ni、Cu、Nb、Ti、V、Zr、B、P和N 等，但总量不超过5%，一般在3％以下），以强化铁素体基体，控制晶粒长大，提高强度和塑性、韧性。
一般在热轧后条件下供货以满足用户对冲击韧度的特殊要求。
如要求更高强度（σs=490-980MPa），也可以在调质状态下供货。
低合金高强度结构钢按屈服点（σs）分级。
国外对低合金高强度结构钢已制定标准，规定了C、S和P的上限而且对碳当量的上限，最高硬度及V型夏比值的下限均有严格规定，如日本焊接协会（WES）焊接结构用钢板标准。
低合金高强度结构钢根据屈服点和热处理状态可分为两种：1．非热处理强化钢（热轧与正火钢）（1）σs=249－392MPa级的低合金高强度钢。
除15MnTi 为正火状态供货外，均为热轧状态使用。
这类钢是在含C≤0.20%的基础上加入少量的固溶强化元素来保证钢的强度。
组织为细晶粒的铁素体和珠光体。
Mn是一种固溶强化效果最显著又比较便宜的元素，除增加强度外，还改善塑性、韧性，加入量不超过1.8%。
Si的固溶强化效果也好、但含量高于0.6%，对冲击韧度不利。
我国广泛使用的焊接性良好的16Mn、德国的St52以及日本的SM50均属此类钢。
用它代替普通低碳钢，可节约20%－30%钢材。
还可在16Mn钢中加入少量V （0.03%-0.2%）,Nb（0.01%-0.05%）,利用V、Nb的碳化物和氮化物的沉淀析出进一步提高钢的强度、细化晶粒，改善塑韧性，如12MnV、14MnNb、15MnV和16MnNb等钢种。
低合金高强钢焊接时的主要工艺措施
低合金高强钢焊接时的主要工艺措施。
⑴预热预热是防止裂纹的有效措施，并且还有助于改善接头性能。
但预热会恶化劳动条件，使生产工艺复杂化，过高的预热温度还会降低接头韧性。
因此，焊前是否需要预热以及预热温度的确定应根据钢材的成分（碳当量）、板厚、结构形状、刚度大小以及环境温度等决定。
⑵焊接线能量的选择含碳低的热轧钢（09Mn2、09MnNb钢等）以及含碳量偏下限的16Mn钢焊接时，因为这些钢的冷裂淬硬、脆化等倾向小，所以对焊接线能量没有严格的限制。
焊接含碳量偏高的16Mn钢时，为降低淬硬倾向，焊接线能量应偏大一点。
对于含V、Nb、Ti的钢种，为降低热影响区粗晶脆化所造成的不利影响，应选择较小的焊接线能量。
如15MnVN钢的焊接线能量应控制在40～45kJ/cm以下。
对于碳及合金元素含量较高而屈服点为490MPa的正火钢（如18MnMoNb钢等），因淬硬倾向大，应选择较大的焊接线能量，但当采用焊前预热时，为了避免过热倾向，可以适当地减少线能量。
⑶后热及焊后热处理后热是指焊接结束或焊完一条焊缝后，将焊件立即加热至150～250℃范围内，并保温一段时间，使接头中的氢扩散逸出，防止延迟裂纹产生。
对于厚壁容器、高刚性的焊接结构以及一些在低温、耐蚀条件下工作的构件，焊后应及时进行消除应力的高温回火，其目的是消除焊接残余应力，改善组织。
焊后立即进行高温回火的焊件，无需再进行后热处理。
gr60低合金高强结构钢焊接施工工法
Gr60低合金高强结构钢焊接施工工法Gr60级低合金高强度结构钢为国内首次在建筑钢结构上使用钢材，符合美国材料标准ASTM903／913M一97 Gr60标准，相当于国内钢材标准中的Q420级钢。
由于Gr60钢为国内首次使用，目前尚无成熟的规范及焊接工艺参数作参照，焊接不确定性因素多，难度较大。
探索总结Gr60级钢的使用，对于推动Q420低合金高强度结构钢在国内建筑钢结构的应用，从节约资源的角度上符合我国的可持续发展国策，对于本企业乃至国内建筑钢结构行业的良性发展，均具有积极的创新意义。
1工法特点1.1Gr60属低合金高强度结构钢，能大幅度提高结构杆件的承载力，减小了杆件截面面积，从而减小自重，增加建筑空间。
1.2 Gr60钢对于需验算疲劳的焊接结构具有一40℃冲击韧性的合格保证，使其应用范围和结构可靠度得以扩大。
1.3 Gr60级钢的焊接性能优于国内工程中正在大量使用的Q345钢。
现场安装施焊操作较易控制。
在常温及低温下，Gr60级钢的预热温度较之同条件下的Q345钢低；并且，在负温下，只需对板厚在lOOmm以上的钢材采取低温度的后热措施。
1.4焊接施工过程须严格按照既定的焊接工艺指导书的工艺参数及焊接规定进行施工，对焊接速度、预热温度、层问温度、后热温度、保护气体的气压与流速等严格控制，方能保证焊接质量。
1.5已经过一15℃条件下冬期施工焊接工艺评定和一7℃下冬期施工实践，寒冷地区冬期也可施工。
1.6本工法是在完成北京新保利大厦工程基础上总结编写的，因此实用性很强。
2适用范围适用于Gr60级低合金高强度结构钢进行CO2气体保护焊的各种焊缝连接形式。
3工艺原理根据Gr60钢化学成分及力学性能进行可焊性分析与试验，在依据国外规范标准对此类钢材的焊接性的指导意见基础上，结合国内在高强钢CO2气体保护焊方面的焊接施工工艺，按照国内焊接规范的规定，进行常温及负温下典型焊缝形式的现场工艺评定试验，以取得指导现场焊接操作的适用的工艺参数。
浅论低合金高强钢焊接工艺
Ｉ
浅论 低 合 金 高 强钢 焊 接 工 艺
聂 卫 东 （华 电 重 工 股 份 有 限 公 司 河 南 郑 州 ４５００００）
中 图分 类号 ：ＴＢ
文 献标 识码 ：Ａ
文 章编 号 ：１６７３—５８１１（２０１３）０２—０１１２—０１
摘要 ：钢 结 构 具有 强 度 高 、塑 ·胜好 的特 点 。但 铜 结构截 面小 、板厚 薄 ，变形 问题 突 出。本 文从 低 合金 高强钢 的特 征 出发 ，浅论 其 焊接 工 艺 ．掌握 焊接 方 法 ，防止 焊 接 变形 。 关键 词 ：钢 焊接 工 艺 焊接 变形 方 法
产 费 用 低 能获 得 较 好 的 经 济效 益 比较 容 易 实 现 焊 接过 程 的半
㈤ 反 变形 法
自动 或 自动 化 通 常 ．对 于对 强 度 等 级 较低 的焊 接 件 各种 方 法 都
向 ．对 焊 后 不 进 行 热 处 理 的焊 件 ．必 须 严 格 控 制 焊 接 区 的 扩散 氢 生变 形 构 件 组 装 时 ．为 使 焊 接接 头 均 匀 受 热 以消 除 应 力 和减 少
含 量 以 及 选 择 合 适 的 焊 接 方 法 和 焊 接 工 艺 参 数 。特 别 是 随着 焊 变 形 ．应 做 到 对 接 间 隙 、坡 １：３角 度 、搭 接 长 度 和 Ｔ形 贴 角 连 接 的 接 线 能 量 的 提 高 ．传 统 低 合 金 高 强钢 的 焊 接 热 影 响 区 性 能 恶 化 ． 尺 寸止 确 ，其 形 式 、尺 寸应 符 合 设计 和焊 接 规 范 要 求 。
的钢 种 具 有 良好 的 可 焊 性 、耐 蚀 性 、耐 磨 性 、成 形性 ，通 常 以 板 、 架 或 转 动 胎 具 ．以便 形 成 船 形 位 置焊 缝 ．否 则 可 由 两个 或 四 个 焊
低合金高强钢的焊接性及其焊接工艺措施
够 够 够 唱 移 够 够 够 够 够
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（） 热 。 热 是 防 止 裂纹 的有 效 措 施 ， 且 还 有 助 于 改 善 接 头 性 能 。 预 热会 恶化 劳 动 条 件 ， 生 产 １预 预 并 但 使 工艺 复杂 化 ， 高 的 预 热 温 度还 会 降低 接 头韧 性 。 此 ， 前 是 否 需 要 预热 以及 预 热 温度 的确 定 应 根据 钢 过 因 焊 材 的成 分 （ 当量 ）板 厚 、 构 形 状 、 度 大 小 以及 环 境 温 度 等 决 定 。 碳 、 结 刚
Ａｎ ａ ｓｏ ｅ Ｃ ＲＰ． ９ ３ ｎ ｌ ｆ ｈ Ｉ ｔ １９ ．
焊接 电源起 闭 、 阀起 闭和关 节 限位 等 状态 量 的 自 气
动控制 和监 控 。 通过 Ｐ Ｃ与上 位机 软件 建立 的接 ＭＡ 口实现 了其与上 位机 间的数据通 信 。试 验结果 表 明
采 用 该 设 计 方 案 ， 以 实 现 开 放 式 机 器 人 的 接 口设 可
会 导 致 在 热 影 响 区 出现 马 氏 体 组 织 。
（） 裂 纹 。 合 金 高 强 钢 焊 接 时 ， 影 响 区 的 冷 裂 倾 向加 大 ， 且 这 种 冷 裂 纹 往 往 具 有 延 迟 的性 质 ， ２冷 低 热 并 危 害 性 很 大 。例 如 ， 料 为 １Ｍｎ ｏ ｂ钢 、 厚 １５ｍ 的 一 大 型容 器 ， 材 ８ ＭＮ 壁 １ ｍ 由于 预 热 温 度 不 够 ， 后 在 热 影 响 焊
区形 成 大 量 冷 裂 纹 。
低 合 金 高 强 钢 的 定 位 焊 缝 很 容 易 开裂 ， 原 因是 由 于 焊缝 尺 寸 小 、 度 短 、 却 速 度 快 ， 种 开 裂 属 其 长 冷 这
低合金高强钢焊接
• 6. 1热轧及正火钢的焊接 • 6. 2低碳调质钢的焊接 • 6. 3中碳调质钢的焊接
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第6章低合金高强钢焊接
• 低合金高强钢是低合金高强度结构钢的简称(GB/T1591-1994)，是在 碳素结构钢的基础上加入一种或几种合金元素冶炼而成的。焊接结构 生产中，低合金结构钢主要用于制造船舶、容器、桥梁及大型金属构 架。
• Mn-Mo系中加入少量的Nb，可以进一步提高钢的强度，如 18MnMoNb钢的σs可达490 MPa。这种钢主要用于制造高压锅炉锅 筒。但由于含碳量较高(0. 17%~ 0.23%，焊接性不如13MnNiMoNb， 而且在正火+回火状态的力学性能不够稳定，目前部分已被 13MnNiMoNb取代。
• 习惯上，把屈服强度在300Mpa以上，抗拉强度在450Mpa以上的钢， 称为高强度钢。按强度等级与热处理状态，高强度钢一般可分为以下 3类:
• (1)热轧、正火钢。这类钢的屈服强度在300~500Mpa之间，低合金结 构钢属此类钢，是非热处理强化钢，根据其使用状态的不同，分别为 热轧钢和正火钢。
• Q390钢是在Q345的基础上提高了钒的含量，并加入一定量的铬(含 量≤0. 30 %)和镍(含量≤ 0. 70%)而成。钒的增加进一步保证了沉淀强 化作用和细化晶粒的作用。铬是固溶强化元素，并能增加钢中珠光体 的相对含量，少量的Cr对钢的塑性无明显的影响。镍也是固溶强化元 素，对一般非热处理强化钢，加入镍可提高强度而基本不降低塑性和 韧性。
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6. 1热轧及正火钢的焊接
• 热轧及正火钢包括热轧钢和正火钢。正火钢中的含钥钢需在“正火+ 回火”条件下才能保证良好的塑性和韧性。因此，正火钢又可分为在 正火状态下使用和“正火+回火”状态下使用的两类。
低合金高强度钢的焊接工艺
低合金高强度钢的焊接工艺1）焊接方法的选择低合金高强度钢可采用焊条电弧焊、熔化极气体保护焊、埋弧焊、钨极氩弧焊、气电立焊、电渣焊等所有常用的熔焊及压焊方法焊接。
具体选用何种焊接方法取决于所焊产品的结构、板厚、堆性能的要求及生产条件等。
其中焊条电弧焊、埋弧焊、实心焊丝及药芯焊丝气体保护电弧焊是常用的焊接方法。
对于氢致裂纹敏感性较强的低合金高强度钢的焊接，无论采用那种焊接工艺，都应采取低氢的工艺措施。
厚度大于100mm低合金高强度钢结构的环形和长直线焊缝，常常采用单丝或双丝载间隙埋弧焊。
当采用高热输入的焊接工艺方法，如电渣焊、气电立焊及多丝埋弧焊焊接低合金高强度钢时，在使用前应对焊缝金属和热影响区的韧性能够满足使用要求。
2）焊接材料的选择低合金高强度钢焊接材料的选择首先应保证焊缝金属的强度、塑性、韧性达到产品的技术要求，同时还应该考虑抗裂性及焊接生产效率等。
由于低合金高强度氢致裂纹敏感性较强，因此，选择焊接材料时应优先采用低氢焊条和碱度适中的埋弧焊焊剂。
焊条、焊剂使用前应按制造厂或工艺规程规定进行烘干。
为了保证焊接接头具有与母材相当的冲击韧性，正火钢与控轧控冷钢焊接材料优先选用高韧性焊材，配以正确的焊接工艺以保证焊缝金属和热影响区具有优良的冲击韧性。
3）焊接热输入的控制焊接热输入的变化将改变焊接冷却速度，从而影响焊缝金属及热影响区的组织组成，并最终影响焊接接头的力学性能及抗裂性。
屈服强度不超过500MPa的低合金高强度钢焊缝金属，如能获得细小均匀针状铁素体组织，其焊缝金属则具有优良的强韧性。
而针状铁素体组织的形成需要控制焊接冷却速度。
因此为了确保焊缝金属的韧性，不宜采用过大的焊接热输入。
焊接操作上尽量不用横向摆动和挑弧焊接，推荐采用多层窄焊道焊接。
热输入对焊接热影响区的抗裂性及韧性也有显著的影响。
低合金高强度热影响区组织的脆化或软化都与焊接冷却速度有关。
由于低合金高强度钢的强度及板厚范围都较宽，合金体系及合金含量差别较大，焊接时钢材的状态各不相同，很难对焊接热输入作出统一的规定。
工程机械中的低合金高强钢焊接技术
荐 资料 ， 过 工 艺试 验 ， 定 相应 的预 热制 度 是 否 通 确 可靠 、 合适 。 间 温度 一般 以不低 于 预热 温度 最 低 层 要求 温度 ， 但不 高于 ２ ５ｏ 为宜 。 ２ Ｃ
值 ， 留有适 当的裕 量 ； 必须 综合 考虑 韧性 、 再 但 塑性
和强度 ， 时为了提高焊缝 的塑性可适当降低焊缝 的 有 设计强度 指标 。 若焊缝 金属强度过 高 ， 将导致焊 缝韧
］程 机械 广泛 使用 低合 金高强 钢 ， 大的益 处 最 在 于其焊接结构 具备很 高的强度 ， 同时减 轻 了 自重 。 为 了最 大 限 度地 减 轻 自重 ， 般 焊 缝 按 等 强 度 设 一
计 ， 此 ， 程 机 械 焊 接 低 合 金 高 强 钢 时 ， 接 材 料 因 工 焊 可以按 如下原则 选择 。
专 讨 题论
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第０ ４卷
些 高强 钢 ， 如瑞 典钢 铁 奥克 隆得 有 限公 司（Ｓ Ｂ ＳＡ ）
巨 Ｄ］ ∞ 、 丑】 ∞ 、 Ｉ（ ｊ ∞ Ｄ 回、 Ｌ ｘ１０ ０ ＷＥ Ｄ０ １ ０等 。
接材 料 ， 市场 上 较 多的 推荐进 口焊接 材料 （ 目前 ， 国
产 化 焊接 材料 用量 有所 提高 ， 如正 在批 量使 用 的有
ＨＳ ７ 、 － ０ 效 果均较 好）但 成本较 高 。 － ０Ｊ ７ ， Ｓ ，
在高 强钢使 用 过程 中 ， 现 ｏ ≤６ ０ＭＰ 发 ｒ ０ ａ的钢 材， 其冷 裂 纹 敏 感 性 不 大 ， 应 较 大热 输 人 焊 接 ； 适 而 ≥７ ０ＭＰ ０ ａ的钢 材 ， 裂纹 敏 感 性大 。 不适 冷 且 应大 热输入 焊接 。 ＳＡ Ｓ Ｂ焊接 资料 为其钢 材 的应用 提供 了较 全面 的焊 接信 息 ， １ Ｓ Ａ 表 是 Ｓ Ｂ所 推 荐 的各 级强 度低 合 金高强 钢 ‰ 的冷 却时 问。
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一、钢的分类
低合金高强钢
低合金钢
(按用途)
珠光体耐热钢
低合金特殊用钢 低温钢 低合金耐蚀钢
二、低合金高强钢的分类
低合金高强钢
(按屈服强度级别 和热处理状态)
热轧及正火钢 σs=294～490MPa 低碳调质钢 σs=441～980MPa 中碳调质钢 σs=880～1176MPa
三、低合金高强钢的性能
3. 中碳调质钢
中碳调质钢
热处理 淬火+ 高温回火
屈服强度/ MPa 880～1176
含碳量
wc=0.22～ 0.45wt%
特点
淬透性大， 焊接性差
四、典型低碳调质钢主要成分
C
Mn
Si
Ni
Cr
Mo
V
N
S
P
14Mn 0.14 1.41 0.30
-
MoVN
-
0.47 0.13 0.015 0.025 0.012
2. 低碳调质钢
低碳调 质钢
热处理 淬火+高温回火
屈服强度/ MPa 441～980
含碳量 要求wc≤0.22wt%，实 际上都在0.18wt%以下
三、低合金高强钢的性能
2. 低碳调质钢
将钢加热到临界点Ac3或(亚共析钢)或Ac1 (过共析 钢)以上一定温度，保温一定时间，然后以大于临界淬 火速度的速度冷却，使过冷奥氏体转变为马氏体(或贝 氏体)组织的热处理工艺称为淬火。
五、低碳调质钢焊接性分析
粗晶脆化
被加热到1200℃以上的过热区，晶粒明显长大。 脆性断裂应力σ和晶粒直径d的关系为：
0 B(d )1/ 2
式中σ0-实验温度下单晶体的屈服强度； B-常数。
五、低碳调质钢焊接性分析
M-A组元脆化
某些低合金钢的焊接热影响区处于中温上贝氏体 的转变区间，出现含碳很低的铁素体，并且逐渐扩大， 而碳大部分富集到被铁素体包围的岛状奥氏体中去。 随后这些高碳的奥氏体转变为高碳马氏体和残余奥氏 体的混合物，称为M-A组元(martensite-austenite constituent)。
五、低碳调质钢焊接性分析
<四> 层状撕裂 母材中杂质限制比较严格，层状撕裂倾向较小。
五、低碳调质钢焊接性分析
<五> 接头脆化
接头脆化
粗晶脆化 沉淀相脆化 M-A组元脆化 热应变时效脆化 氢脆
五、低碳调质钢焊接性分析
<五> 接头脆化 钢中含有较多固氮元素，不容易产生热应变脆化。 会产生过热区的粗晶脆化、M-A组元脆化。
焊接冷裂纹形成的三大要素
淬硬组织 氢 拘束应力
1. 含有多种提高淬透性的合金元素，淬透倾向大，本 应有很大的裂纹倾向；
2. 含碳量低→Ms点高 ↑
该温度下冷速慢→自回火→冷裂倾向小
五、低碳调质钢焊接性分析
<三> 再热裂纹
促进再热裂纹形成的元素 Cr，Mo，Cu，V，Nb，Ti，B
具有一定再热裂纹倾向
三、低合金高强钢的性能
2. 低碳调质钢
将淬火钢在A1以下温度加热，使其转变为稳定的 回火组织，并以适当的方式冷却到室温的热处理工艺 称为回火。
低温回火 150～250℃ 回火马氏体 回火 中温回火 350～500℃ 回火屈氏体
高温回火 500～650℃ 回火索氏体
三、低合金高强钢的性能
2. 低碳调质钢
接头脆化
√
接头软化
√
五、低碳调质钢焊接性分析
使用焊接性
常规力学性能 低温韧性 抗脆断性能 高温蠕变性能 疲劳性能
耐腐蚀性能 耐磨性能
……
五、低碳调质钢焊接性分析
<一> 热裂纹
低熔共晶
焊接热裂纹形成的两大要素
含碳量低 S、P控制严格
应力 低碳调质钢热裂倾向低
含Mn量高
五、低碳调质钢焊接性分析
<二> 冷裂纹
调质钢热影响区的硬度分布
A-焊前淬火+低温回火；B-焊前淬火+高温回火；C-焊前退火 1-淬火区；2-部分淬火区；3回火区
六、低碳调质钢焊接工艺
确定原则
从焊接性分析过程可知，低碳调质钢焊接时主要要注意：
马氏体转变时冷却速度不能太快 800℃～ 500 ℃冷却速度大于产生脆性M-A组元的临界
速度 尽量减小热输入
M-A组元降低韧性的原因为：奥氏体增碳后，易 于形成孪晶马氏体，夹杂于贝氏体、铁素体板条之间， 并在晶界上产生显微裂纹，沿M-A组元扩展，引起脆 化。
五、低碳调质钢焊接性分析
M-A组元脆化
冷却时间t8/5对M-A组元数量的影响
五、低碳调质钢焊接性分析
<六> 接头软化
加热温度在 母材回火温度至 相变温度之间的 区域发生软化。
金属学与热处理定义： 淬火+高温回火→调质
焊接界定义： 淬火+回火→调质
三、低合金高强钢的性能
2. 低碳调质钢
低碳调质钢
高强度结构钢 σb=600～800MPa 14MnMoNbB 高强度耐磨钢σb=1000～1300MPa HQ100 高强度高韧性钢 σb=600～800MPa 12Ni3CrMoV
低合金高强钢的焊接
哈尔滨工业大学 刘爱国
一、钢的分类
工业用钢的分类方法很多，可以按化学成分、 性能、品质、用途、内部组织等进行分类。
结构钢
按用途分
工具钢 特殊性能钢 专业用钢
一、钢的分类
按化学成分分
碳钢 合金钢
低碳钢 wc<0.25wt% 中碳钢 wc=0.25～0.6wt% 高碳钢 wc>0.6wt%
六、低碳调质钢焊接工艺
600MPa钢(HQ60)的焊接为例
1. 焊接方法
手工电弧焊、埋弧焊、钨极氩弧焊、熔化极氩弧 焊均可。
六、低碳调质钢焊接工艺
2. 焊接材料
焊后通常不进行热处理，因此要求焊缝金属的力 学性能应接近母材，即采用“等强原则”。特殊情况 下，可以采用低强匹配。
钢号 HQ60
焊条 E6015H
HQ60 0.09 0.90 0.20 0.30 ≤0.30 0.08 0.03～ - ≤ 0.025 ≤0.030
～
～
～
～
～ 0.08
0.16 1.50 0.60 0.60
0.20
五、低碳调质钢焊接性分析
工艺焊接性
冶金缺陷 性能变化
夹杂
气孔 裂纹
热裂纹
√
冷裂纹
√
再热裂纹 √
应力腐蚀裂纹
层状撕裂 √
三、低合金高强钢的性能
1.热轧及正火钢 价格便宜，综合力学性能较好。
热处理
热轧钢 钢锭加热1300℃， 热轧，空冷
正火钢 钢板再加热900 ℃ ， 空冷
屈服强度/ MPa 294～343
343～490
合金系 C-Mn、Mn-Si
C-Mn、Mn-Si系，添加 碳、氮化物形成元素
三、低合金高强钢的性能