超高强度钢的结构与性能研究进展
新型超高强钢突破2000MPa强度极限
Ｉ
匿洄
￡ ＷＳ
度， 每平方毫 米可承受 超过 ３ ０ ０ ｋ ｇ 压力 ， 并具超 高耐磨性 及变形 能力 。 领 导 该 研 究 计 划 的 香 港 城 市 大 学 副 校 长 兼机 械 工程 学 讲 座 教 授 吕坚 表 示 ： “ 这 种 材 料 具有 很 大 的 应 用潜 力 ，性 能， 病 人可 因此 避 免 进 行 第 ２ 次手 术 以取 出零 件 。 同时 ， 镁 是 对 身体 有 益 的 元
密度 纳米析 出强化 的超高 强马 氏体 时效钢 。 新 的超高强 钢不但成 本 降低 ， 而且 抗 拉 强度达 到 ２ ２ ０ ０ ＭＰ ａ ， 同时塑性不 低于 ８ ％， 大幅度提 高 了高强钢铁 材料 的综合
性能。
匕 京 钢铁 研究 总 院董 瀚教 授表 示 ， 钢铁 材料 的性 能极 限化研 究是 近年 来 的 研 究 热点 ， 强度 极 限化更是 业 内一直 追求 的梦想 。 业 内普 遍认 为 ， 进一 步提 高钢 铁 强度 与韧性 是 非常 困难 的。 吕昭平 团 队的这一 原创 性成果 创新 纳米 析 出的合
大化 的反 应条 件 及周 期性 变 化。 实验 上， 基于 镧 系元 素相 同条 件 下硼 酸熔 融反 应 中周 期性 变化 的认 识 ， 将 可生
成２ 种 不 同晶格结 构 的镧 系元 素 以相
关， 成 功开 发了 高性 能变形 镁合金 材 料及相 关的 大直 径锭坯 半连 续铸 造技术 和
料 工程实 验室都 时禹研究 员及合作 者 利用第一性 原理密 度泛 函理 论等手段
对 镧系元 素硼酸化 反应 的不 同产物 进
行 了电子 结构与反 应热力学 的理论研 究。 发 现 同一种 镧 系元 素发 生不 同 类
浅谈建筑结构高强度钢材力学性能
浅谈建筑结构高强度钢材力学性能摘要：高强度钢材钢结构强度的力学性能，决定了建筑结构的性能，有效使用钢结构的性能和发挥作用，能够促进建筑的经济效益。
目前人们对建筑的性能要求相比以往提出了更高的要求，所以必须要确保钢材具有足够的性能，以及通过了解钢材的性能特征，在设计中发挥钢材的性能优势。
由于钢材的生产工艺提高，在要求未变的情况下，对钢材的使用有了很大的限制，未能充分发挥钢材的性能和作用。
对钢材的力学性能研究，分析钢材的力学性能与钢结构之间的关系，当前对钢材要求上的限制及优化钢材的使用。
关键词：建筑结构；高强度钢材；力学性能；研究；展望高强度钢材是在微合金化和热机械轧制技术下生产的具有刚强度的钢材，这类钢材的延展性很强、韧性极高，在建筑中有十分重要的作用。
随着目前钢结构性能的提升，能够有效提升建筑物的经济效益和环保效益。
不仅能够保证钢结构的安全性，而且能够保证更大的使用空间，通过充分发挥钢结构的全部性能，能够提升建筑物的工程成本，降低建筑物的能耗，从而降低工程建设所需要的碳排放。
我国目前在很多工程中都使用了高强度钢结构，虽然积累了大量的使用经验，但是由于钢材性能得变化，在力学性能和受力性能上也和过去有了很大的区别。
所以，需要对钢材的使用进行进一步的完善，充分发挥钢材的作用。
1高强度结构钢材加工生产的方法目前主要有两种方式来提高钢材的强度，一种是通过香气中加入碳、锰等元素改善合金成分，虽然能很容易提升刚才的强度，但也会导致钢材的加工性能降低，尤其是钢材的可焊性。
其次是热处理技术，通过热处理能够改善钢材的微观机构，比如改变晶粒大小从而改善钢材的性能，热处理的有点在于通过将钢材加工成细晶粒的结构，能够让刚才的强度更高，有更强的韧性，同时在其他的性能上也没有太多改变。
新型高强度结构钢材主要使用合金和细化晶粒共同处理的方式。
钢材生产经过了正火轧制、淬火回火、热机械轧制的三个主要阶段，轧制工艺和热处理工艺有了很大的转变。
超高强度钢
超高强度钢现在已发展成为应用范围很广的一类重要钢种，如已经大量应用于火箭发动机外壳、飞机起落架、防弹钢板等性能有特殊要求的领域。
随着洁净化、微合金和控轧控冷等先进冶金技术在钢铁企业的逐步推广和应用，钢材的品质得到了大幅度提高，发达国家正在研制相当于目前常用钢材抗拉强度数倍的超高强度钢。
这种钢具有超细化、超洁净、超均质的组织和成分的特征，以及超高强度和超高韧性的特点。
超高强度钢与普通结构钢的强度的界限目前尚无统一规定，习惯上是将室温抗拉强度超过1,400MPa、屈服强度大于1,200MPa 的钢称为超高强度钢。
超高强度钢除了要求其高的抗拉强度外，还要求具有一定塑性和韧性、尽可能小的缺口敏感性、高的疲劳强度、一定的抗蚀性、良好的工艺性能、符合资源情况及价格低廉等。
超高强度钢现在已发展成为应用范围很广的一类重要钢种，如已经大量应用于火箭发动机外壳、飞机起落架、防弹钢板等性能有特殊要求的领域，而且其使用范围正在不断地扩大到建筑、机械制造、车辆和其它军事装备上。
因此，超高强度钢不仅是钢铁材料研究的重要方向，而且具有广阔的应用和发展前景。
超高强度钢的发展超高强度合金钢是为满足某些特殊要求发展起来的，按其物理冶金学特点，超高强度钢大体可以分为低合金超高强度钢、二次硬化超高强度钢和马氏体时效钢。
典型的低合金超高强度钢是AISI 4340 和D6AC；典型的二次硬化型中，合金超高强度钢是HY180 和AF1410，由于马氏体时效钢属高合金钢，在这里将不拟述及。
1.低合金超高强度钢低合金超高强度钢大多是AISI 4130、4140、4330 或4340的改进型钢种。
AISI 4340 是最早出现的低合金超高强度钢，它于1950年开始研究，并于1955年开始用于飞机起落架。
通过淬火和低温回火处理，AISI 4130、4140、4330 或4340钢的抗拉强度均可超过1,500MPa，而且缺口冲击韧性较高。
为了抑制低合金超高强度钢回火脆性，1952年美国国际镍公司开发了300M。
高强钢焊接工艺及接头组织与性能研究
高强钢焊接工艺及接头组织与性能研究摘要高强钢具有高强度、高韧性的优点，被广泛用在液压支架、汽车车壳上。
本文从焊接工艺、焊接接头组织、力学性能等特点对国内外高强钢焊接方面的研究成果进行了综述，得出高强钢焊接接头各个区域的组织与性能不同，在不同焊接规范下相同区域的金相组织基本相似，熔合区因组织不均匀为最薄弱环节，指出防止高强钢热影响区的脆性破坏以及提高钢的韧性是今后高强钢焊接研究的重点。
关键词：高强钢，焊接工艺，组织，力学性能Study on Welding Process and Microstructure and Propertyof High Strength SteelAbstractHigh strength steel with high strength, high toughness advantages, are widely used in hydraulic support, car shell. From aspects of welding process, joint microstructure and mechanical properties of high strength steel welding, the research results of the high strength steel welding at home and abroad were summarized. It indicates that the microstructure and mechanical properties of high strength steel weld joints are different in different regions, while the metallographic structures of the same region are basically similar under different welding parameters, the fusion zone is the weakest area due to the inhomogeneous microstructure. It is pointed out that to prevent the heat affected zone ( HAZ ) from brittle failure and to improve the toughness of the HAZ are the focus of future research on high strength steel welding．Key words：High strength steel, Welding process, organization, Mechanical properties目录摘要 (I)Abstract (II)前言 (1)1. 高强钢的发展状况 (2)1.1 高强钢的生产与发展 (2)1.2 高强钢的性能与分类 (2)1.3 高强钢的应用前景 (5)2. 高强钢焊接研究现状 (6)2.1 激光焊接 (6)2.2 气体保护焊 (7)2.3 电阻点焊 (7)3. 高强钢焊接工艺 (8)4. 高强钢焊接接头组织与性能研究 (9)4.1 焊接接头组织分析 (9)4.2 焊接接头力学性能分析 (10)5. 结语 (10)参考文献 (11)前言高强钢作为21世纪新一代钢铁材料，具有高强度和良好的塑韧性等力学性能，为现代制造业开启了新的发展空间。
高强度钢结构力学性能分析
高强度钢结构力学性能分析高强度钢材料被广泛应用于各种工程领域，如建筑、桥梁、汽车、航空航天等，其优异的力学性能使其成为许多工程项目中的理想选择。
本文旨在对高强度钢结构的力学性能进行分析，探讨其应力应变关系、强度和刚度等方面的特点。
首先，高强度钢材的力学性能主要体现在其材料的强度和刚度方面。
高强度钢的强度指材料所能承受的最大应力，通常用屈服强度和抗拉强度来表示。
屈服强度指在材料发生塑性变形前所能承受的最大应力，而抗拉强度则指在材料发生破坏前所能承受的最大应力。
相比之下，高强度钢的强度远高于传统钢材，因此在工程实践中可以使用更小的截面尺寸，从而减轻了结构的重量。
其次，高强度钢的刚度也是其特点之一。
刚度反映了材料对外力的抵抗能力，一般用弹性模量来衡量。
高强度钢的弹性模量通常较高，可以更好地抵抗变形和挠度，从而确保结构的稳定性和工作效果。
此外，高强度钢的刚度使其在大跨度桥梁等工程项目中得到广泛应用，能够有效避免结构的共振和震动，提高整体的安全性和稳定性。
除了强度和刚度，高强度钢材的应力应变关系也是力学性能分析的重要内容。
应力应变关系是描述材料受力时应变与应力之间的关系。
对于高强度钢来说，其应力应变关系呈现出明显的线性弹性行为，在小应变范围内，应力与应变成正比。
这种线性弹性行为使得高强度钢在受力时具有较高的回弹性和可塑性，能够充分发挥其力学性能，减少结构的应力集中和变形。
在实际工程应用中，高强度钢结构的力学性能分析还需要考虑其疲劳性能和冲击性能。
疲劳性能是指材料在长期重复应力加载下的抗疲劳性能，冲击性能则是指材料在急剧加载下的抗冲击性能。
高强度钢的疲劳性能较好，能够在长期重复应力作用下保持较高的强度和刚度，从而延长了结构的使用寿命。
高强度钢材的冲击性能也较好，能够在受到冲击载荷时迅速吸收和分散能量，减少结构的损坏和破坏。
综上所述，高强度钢结构具有优异的力学性能，包括高强度、高刚度、良好的应力应变关系、较好的疲劳性能和冲击性能等。
焊接热输入对890MPa高强钢热影响区组织和性能研究
焊接热输入对890MPa高强钢热影响区组织和性能研究摘要利用Gleeble-3500热模拟试验机进行890MPa高强钢不同焊接热循环的热模拟试验，研究了焊接热输入对焊接热影响区粗晶区组织、显微硬度与和冲击韧性及其变化规律。
结果表明，一次热循环后，随着线能量的增加，热影响区的最大硬度随之减小，冲击韧性先是下降然后增加，组织主要由贝氏体和马氏体的混合组织，且随着热输入的增加，粗晶区的组织也出现长大的趋势，且贝氏体的含量有所增加。
经历峰值温度为800°C二次热循环后的韧性基本保持不变，但HAZ的最大硬度明显减小，其组织表现为晶间析出铁素体和晶粒内部的贝氏体和马氏体由于过热而产生分解的现象。
关键词高强钢；焊接热输入；焊接热影响区；冲击韧度；显微组织1 引言采用淬火-回火工艺制造的低合金高强钢因其优良的强韧性匹配、高的强度/质量比被广泛应用于采矿设备、工程机械和压力容器等结构的制造。
然而，这类钢在焊接时，受热循环作用后热影响区(HAZ)的组织和性能均会发生较大的变化，从而对实际的加工产生极为不利的影响。
低合金高强钢热影响区的组织和性能主要由焊接热循环决定，而焊接热循环决定于焊接热输入。
对于淬火-回火低合金钢，在焊接热输入的作用下，靠近熔合区的母材被加热到较高的温度，组织发生明显的变化[1]。
在加热过程中，基体组织会转变为奥氏体，高的峰值温度导致奥氏体晶粒粗化，形成粗晶区，基体组织中的原始析出物会溶解或者粗化。
在冷却过程中，奥氏体组织转变成马氏体、铁素体或贝氏体组织以及可能产生新的析出物[2-4]。
因此，研究焊接热输入对淬火-回火高强钢热影响区组织性能的影响对提高接头性能具有重要义。
此外，对于大厚度的高强度钢，在实际焊接过程中，焊接热影响区将经历多次热循环作用。
二次热循环对热影响区的组织和性能影响也成为了当前对这类材料焊接的重点内容[5-7]。
本文通过对890MPa级高强钢进行焊接热模拟试验，探讨不同焊接热输入下该钢焊接热影响区组织和韧性的变化规律，以及多道焊时二次热循环对HAZ的组织、硬度和冲击韧性的影响，对制定合理的焊接工艺具有重要作用，为今后的工程应用奠定基础。
高强度汽车大梁钢800L组织和性能研究
高强度钢材钢框架屈曲约束支撑结构抗震性能与设计方法研究
。
02
复杂环境因素影响
地震作用是一个复杂的环境因素，涉及到多种不确定性因素，如地震强
度、震源深度、场地条件等，需要进一步深入研究这些因素对屈曲约束
支撑结构抗震性能的影响。
03
精细化设计方法
目前对于高强度钢材钢框架屈曲约束支撑结构的抗震设计方法尚不够精
细化，需要进一步发展基于性能的设计方法，考虑材料非线性、几何非
研究结果可以为高强度钢材钢 框架屈曲约束支撑结构的抗震 设计和应用提供理论依据和实 践指导。
同时，研究成果也可以为其他 类似结构的抗震设计和研究提 供参考和借鉴。
02
国内外研究现状及发展趋势
国内外研究现状
国内研究
国内对高强度钢材钢框架屈曲约束支撑结构的研究尚处于初 步阶段，主要集中在材料的力学性能、构造细节和设计方法 等方面。目前，国内的研究成果主要集中在一些学术论文和 专利中。
框架结构模型建立
模型设计
根据实际工程需求和试验条件，建立高强度钢材钢框架屈 曲约束支撑结构模型，考虑材料性能、几何非线性、支撑 类型和数量等因素。
几何非线性
考虑结构模型的几何非线性，如梁柱弯曲和剪切变形等， 以精确模拟结构的真实行为。
材料性能
考虑高强度钢材的力学性能，如弹性模量、屈服强度和抗 拉强度等，以及可能的材料缺陷和损伤。
优化算法选择及参数确定
优化算法
采用混合遗传算法和模拟退火算法进行优化。混合遗传算法结合了遗传算法和模 拟退火算法的优点，能够处理复杂的约束优化问题。模拟退火算法通过引入退火 过程，避免陷入局部最优解。
参数确定
包括群体大小、交叉概率、变异概率、退火温度等。通过试验和经验选择合适的 参数，以获得良好的优化效果。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
低合金中碳马氏体超强化钢
• 40CrNiMo（AISI4340钢），美国于20世纪40年代中期研制 成功，经淬火和低温回火后，抗拉强度约为1900MPa。在 50年代初，在这种钢的基础上添加1.6%的Si和0.1%的V， 制熔炼降低 钢中杂质元素含量，改善钢的横向塑性和韧性，由于钢中 合金元素含量较低，成本低，生产工艺简单，广泛用于飞 机大梁、起落架、发动机轴，高强度螺栓，固体火箭发动 机壳体和化工高压容器等。 • 70年代，美国在300M基础上降C增Si,改善韧性，发展成 HP310钢；在马氏体时效钢的基础上研究成AF1410钢，抗 拉强度为1660MPa,断裂韧度达3900MPa。
• 从基体组织看，具备高位错密度的马氏体组织，要有足够的强化相析 出，一般要加入Mo元素，强化相多，细小弥散，可加入少量Ti。从成 分来看，一般为低碳马氏体不锈钢，可以提高耐蚀性，焊接性能。 • 马氏体时效不锈钢是由低碳马氏体相变强化和时效强化两种强化效应 叠加的高强度不锈钢,是20世纪60年代后期发展起来的新钢类 • 1961，美国Carpenter Technology Co.不含钴的Custom 450、 Custom455 及X-15、X-23。同期AM363、Almar326、In736、PH13-8Mo、 UnimarCR
• 1946年carnagic Illinors公司，第一个发现stainless w不锈钢。 • 1948年，armco steel公司开发了17-4PH和17-7PH,1965年开发了155PH，1968年通过降低cr含量，增加Ni含量研发强度更高的PH13-8Mo 马氏体沉淀硬化不锈钢。 • Martin等人于1997和2003年获得custom465和custom475的专利。 • 近年来，出现了强度超过1900MPa的超高强钢Ferriums53和F863钢
超高强度马氏体时效钢的发展
• 18Ni，20Ni和25Ni，以18Ni系制造最为容易且应用最为广泛 • 20世纪60年代初由国际镍公司(INCO)首先开发出来的。1961~ 1962年间该公司Decker 等人发现,在Fe-Ni马氏体合金中同时加 入Co、Mo可使马氏体时效硬化效果大大提高,并通过调整Co、Mo、 Ti含量得18Ni系马氏体时效钢。 • 到了70年代,日本因开发浓缩铀离心机,对马氏体时效钢进行了 系统、深入的研究。 • 进入80年代以来,作为战略元素Co的资源短缺、价格不断上涨, 无钴马氏体时效钢的研制始于美国,国际镍公司(INCO) 与钨钒 高速工具钢公司(Vasco) 合作, 开发了T-250无钴马氏体时效钢。 • 在20世纪60年代后期又开发了马氏体时效不锈钢。
中合金中碳二次沉淀硬化型超高强度钢
• 热作模具钢的改型钢，典型钢种有4Cr5MoSiV钢。这类钢的含碳量约 0.4%，合金元素总含量约8%, 奥氏体化后空冷，获得马氏体组织。这 类钢的特点是回火稳定性高,在500℃左右条件下使用，仍有较高的强 度，一般用于制造飞机发动机零件。 • 稀土硅铁合金对4Cr5MoSiV钢组织和性能的影响
• 高Co-Ni高强度钢从最初的提高碳来增加强度（HP9-4-X系列），到降 碳增钴提高强度和韧性（AF1410），到现在发展的G99， Aermet100,0.2AF1410又回到了以提高碳提高强度，碳含量现在为 0.2%-0.26%，基体由韧性良好的板条状马氏体转变为韧性较差的片状 马氏体，碳含量达到了极限，现在追求的是Cr+Mo和碳的最佳配比， 最希望同时出现碳化物和金属间化合物。第二个方向是通过调整钢的 成分控制逆转变奥氏体的稳定性。利用奥氏体的相变韧化提高钢的韧 性在TRIP 钢和部分奥氏体不锈钢中获得了很大成功。
• (1) 降低钢中气体、夹杂物和有害元素含量,改进马氏体时效不锈钢 组织结构的均匀性, 提高现有钢种的强、韧性以及耐蚀性。 • (2) 进一步研究晶粒超细化工艺。通过改善合金化、控制轧制及形变 热处理, 在析出强化的同时, 充分发挥形变、相变和细晶强化的综合 作用,提高钢的综合力学性能。 • (3) 开发R0.2\1200 MPa 耐海水腐蚀马氏体时效不锈钢, 提高铬、钼 等耐腐蚀元素的含量, 进一步改善马氏体时效不锈钢的耐腐蚀性能。 • (4) 无钴超高强度( Rb \1800 MPa) 马氏体时效不锈钢的开发及强韧 化机理研究。 • (5) 进一步研究高度弥散金属间化合物的形貌、组分、结构以及残留 奥氏体的数量形貌、分布状态对马氏体时效不锈钢性能的影响。 • (6) 稀土元素在马氏体时效不锈钢中作用机理研究。
• 高合金中碳Ni—Co型超高强度钢，是在具有高韧性、低脆性转变温度 的9%Ni型低温钢的基础上发展起来的。在9%Ni钢中添加钻是为了提高 钢的Ms（马氏体转变）温度，减少钢中的残余奥氏体，同时，钻在镍 钢中起固溶强化作用，还通过加钻来获得钢的自回火特性，从而使这 类钢具有优良的焊接性能。碳在这类钢中起强化作用。钢中还含有少 量铬和钼，以便在回火时产生弥散强化效应。主要牌号有HP9-4-25， HP9-4-30，HP9-4-45以及改型的AF1410（0.16%C-10%Ni-14%Co-1%Mo2%Cr-0.05%V）等。这类钢综合力学性能高。抗应力腐蚀性好，具有 良好的工艺性能和焊接性能，广泛用于航空、航天和潜艇亮体等产品 上。
• • • • •
马氏体时效钢的发展趋向为: (1) 生产超纯净马氏体时效钢, 改进马氏体时效钢组织结构的均匀性; ( 2) 进一步研究晶粒超细化工艺; ( 3) 无钴超高强度马氏体时效钢开发及强韧化机理研究; ( 4) 高度弥散金属间化合物的形貌、组分、结构以及残留奥氏体的 数量、形貌、分布状态对马氏体时效钢性能的影响; • ( 5) 稀土元素在马氏体时效钢中作用机理研究。