低合金钢

中国钢产量已突破6亿吨，钢材数量不再是主要矛盾，钢材品种结构不合理的矛盾十分突出。当前行业的主要任务是努力提高产品的市场竞争力，站在可持发展的新起点上，把大力开发低合金钢列入发展战略的重要内容。许多普钢企业在钢材品种结构调整和编制科技发展规划中，已意识到低合金钢生产是提高产品技术含量和附加值的关键，对低合金钢开发中碰到的种种问题心中无数，一些科技管理干部觉得“成也低合金钢，败也低合金钢”，迫切要求对低合金钢有个全面的了解。

按国际标准，把钢区分为非合金钢和合金钢两大类，非合金钢是通常叫做碳素钢的一大钢类，钢中除了铁和碳以外，还含有炉料带入的少量合金元素Mn、Si、Al，杂质元素P、S及气体N、H、O等。合金钢则是为了获得某种物理、化学或力学特性而有意添加了一定量的合金元素Cr、Ni、Mo、V，并对杂质和有害元素加以控制的另一类钢。

原则上讲，合金钢分为低合金钢、中合金钢和高合金钢，顾名思义，以含有合金元素的总量来加以区分，总量低于3%称为低合金钢，5～10%为中合金钢，大于10%为高合金钢。在国内习惯上又将特殊质量的碳素钢和合金钢称为特殊钢，全国31家特钢企业专门生产这类钢，如优质碳素结构钢、合金结构钢、碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢、碳素弹簧钢、合金弹簧钢、轴承钢、不锈钢、耐热钢、电工钢，还包括高温合金、耐蚀合金和精密合金等等。在钢的分类上，近年虽努力向国际通用标准靠拢，但还有许多不同之处。

① 随着特钢向“特”、“精”、“高”发展，向深加工方向延伸，特钢的领域越来越窄。美国特钢协会将特钢定位在工模具钢、不锈钢、电工钢、高温合金和镍合金。日本把结构钢和高强度钢归并在特钢范畴。随着中国普钢企业的技术改造和工艺进步，特钢企业的产品领域也在缩小，1999年普钢厂已生产特钢产品总量的34%。

② 国外的低合金钢，实际上是我们所熟悉的低合金高强度钢，属于特殊钢范畴，在美国叫做高强度低合金钢（HSLA—Steel），俄罗斯及东欧各国称为低合金建筑钢，日本命名为高张力钢。而在国内，首先是把低合金钢划入了普钢范围，概念上的区别导致在产品质量上的差异。在名称上也几经变化，如低合金建筑钢、普通低合金钢、低合金结构钢，至1994年叫做低合金高强度结构钢（GB/T1591—94）。到目前为止，从发表的资料文献来看，低合金钢的名称仍然随着国家、企业和作者而异。

③ 低合金钢与碳素钢、低合金钢与合金钢之间，明确划出的概念是不存在的。在国外，50年代曾给低合金钢下过定义，总的意思是，凡是合金元素总量在3%以下，屈服强度在275Mpa以上，具有良好的可加工性和耐腐蚀性，以型、带、板、管等钢材形状，在热轧状态直接使用的软钢的替代品。当然，在技术发展进程中，低合金钢不论在合金含量、性能水平和交货状态，已经有了很大的变化。

在中国，低合金钢是一个更加笼统的钢类，钢材品种不仅含有低合金焊接高强度钢，还包容了低合金冲压钢、低合金耐腐蚀钢、低合金耐磨损钢、低合金低温钢、甚至还纳入了低、中碳含量的低合金建筑钢和中、高碳含量的低合金铁道轨钢。具有中国特色，但带来的一个问题是缺乏与国外统计数据的可比性。

低合金钢的出现可以追溯到19世纪的1870年，一种碳含量0.64～0.9%和铬含量0.54～0.68%、抗拉强度685Mpa、弹性极限410Mpa钢，第一次被采用于工程结构，建造了跨度158.5m的拱形桥梁。但这种钢不理想也是十分明显的，需要轧后热处理，难以机械加工，耐蚀性又不良。随后的1个多世纪的时间，世界各国不断探索，大体上可以把低合金钢区划为三个不同特征的发展阶段，在20世纪20年代以前，20～60年代及60年代以后。前两个阶段姑且合称为传统的低合金钢发展阶段，后一阶段可以称为现代低合金钢发展阶段（后面我们称它为微合金钢Microalloyed Steel）。

前一时期低合金钢的重大发展有三个标志：

① 由单一元素合金化向多元素合金化发展

1895年曾采用0.40～0.56%C和3.5%Ni的钢建造了俄国的“鹰”级驱逐舰，该钢的加工性比初期的铬钢要好得多，屈服强度在355Mpa。20世纪初还用8000多吨含镍的钢建造了跨度为448m的桥梁，美中不足的是这种钢的合金资源有限，成本又高。此后开发了1.25%Si的低合金钢，建造了横渡大西洋的船舶和跨度110m的桥梁，俄国利用铁铜混生矿源，曾开发了0.7～1.1%Cu的低合金钢用于造船、建桥，这种钢导电性好，抗腐蚀性优良。

长达30多年的生产和应用经验的积累，发现多元合金化的低合金钢综合性能更佳，经济上更划算，开发了二元合金化的Ni-Cr、Cr-Mn、Mn-V低合金钢，和三元复合合金化的Cr-Mn-V、Cr-Mn-Si、Mn-Cu-P等低合金钢。用途上也扩大到了锅炉、容器、建筑和铁塔等方面。20世纪20年代全世界的低合金钢产量达到200万吨。

② 赋予低合金钢的第一特征：低碳、可焊接

在工程结构广泛采用焊接技术之后，给低合金钢发展带来深远的影响。为减小焊接热影响区硬化和开裂、焊接接头延性恶化，把低合金钢的碳含量由0.6%降到0.4%，随后又降至0.2%，至60年代末再降至0.18%，提出了焊接碳当量的可焊性判据。为了获得高强度钢不断增高的强度需求，出现了两条发展途径，一个是提高合金含量，另一个是热处理手段，各有利弊，至今屈服强度高于600Mpa的钢仍采用热处理，E级和F级船板仍规定正火状态使用，再如铁路钢轨仍有合金化轨和全长淬火轨的两种生产方式。

③ 注意到钢的冷脆倾向性和时效敏感性

二次世界大战期间大量“自由”轮在运行中断裂及许多锅炉、容器的失效，注意到了钢冷脆倾向与钢的粗晶结构和有害元素P、S的含量有关，而钢的时效倾向是由钢中N所致，从而采取了降硫、铝细晶化和控制终轧温度等优化工艺。为了钢结构的安全使用和寿命，同时还开发了低温夏氏V型缺口冲击、温度梯度双重拉伸、零塑性转折落锤及BDWTT落锤撕裂等试验方法及制订了相应的断裂韧性判据。

20～60年代间，工业发达国家的低合金钢开发带来了经济的繁荣和现代化。据不完全统计，全世界成熟的低合金钢钢种牌号有2000余个，形成了5大合金成分系列：

⑴ 以德国St52钢为代表的C-Mn钢系列，日本的SM400、中国的16Mn属于这类钢。

⑵ 以美国Vanity钢为代表的Mn-V-（Ti）钢系列，构成了现代微合金化的先驱。

⑶ 美国的含P-Cu钢系列，代表钢种有Corten和Mariner钢，具有良好的耐大气和海水腐蚀性。

⑷ Ni-Cr-Mo-V钢系列，如美国开发的淬火回火状态T-1钢板成功用于压力容器的建造。

钢结构件的屈服点决定了结构所能承受的不发生永久变形的应力。典型碳素结构钢的最小屈服点为235MPa。而典型低合金高强度钢的最小屈服点为345MPa。因此，根据其屈服点的比例关系，低合金高强度钢的使用允许应力比碳素结构钢高1.4倍。与碳素结构钢相比，使用低合金高强度钢可以减小结构件的尺寸，使重量减轻。必须注意，对于可能出现弯曲的构件，其许用应力必须修正，以达到保证结构的坚固性。有时用低合金高强度钢取代碳素结构钢但不改变断面尺寸，其唯一的目的是在不增加重量的情况下而得到强度更高更耐久的结构。节约重量对运输车辆的结构是最重要的，这样就可以运输更重的重量和减少能量消耗。

经常通过加入少量的铌或钒、或钛来提高钢的强度。这些元素通过沉淀硬化很经济地达到强化的目的。为了各种目的加入的其他合金元素也能达到强化的目的。对于热轧薄板，严格控制热轧和卷取工艺可以达到所要求的均匀的强度。对于冷轧薄板，采用特殊的退火和平整工艺从而得到更高的强度，同时还可以保持良好的成形性能。

最新的发展是采用通过临界退火和快速冷却得到马氏体和铁素体二相显微组织（或双相显微组织）的低合金高强度钢。这种钢的薄板产品有极好的成形性能，屈服点一般为310～345MPa，通过汽车部件压力成形产生的应变，屈服点可以提高到550MPa或更高。

为了容易地和经济地进行热或冷加工以制成工程结构的各种部件，低台金高强度钢必需具有适当的成形性能。和碳素结构钢一样，低合金高强度钢一般可以进行这样的加工，以及如剪切、冲孔和机加工艺，虽然其屈服点高，即使成形操作变形相当剧烈也同样可以使用用于碳素结构钢成形的冷弯冲压机、拉拔机、压力机和其他设备，但是一些设备具需要修改。

低合金高强度钢和碳素结构钢的冷成形性能之间有固有的区别。首先，使低合金高强度钢产生一定量的永久变形比同样尺寸的碳素结构钢需要更大的力。第二，当低合金高强度钢成形时，对回弹应给出稍大些的允许量。

根据经验，除非对低合金高强度钢进行控制夹杂物形状的处理，否则在进行冷成形时必须使用比碳素结构钢更大的弯曲半径。

由于钢结构在制作加工过程中经常使用焊接工艺，因此对于这类用途的低合金高强度钢来说，能够采用在薄板和钢带这样的厚度情况下广泛使用的电弧焊工艺进行焊接是非常重要的，所制作的钢结构的焊缝应具有要求的强度和韧性也同样是非常重要的．这样才能经受住预定用途出现的最不利的条件。日前低合金高强度钢的发展与各种焊接工艺的发展足同步进行的，要特别注意确保这些钢能够具有适当的焊接性能。如果焊接操作得当，大部分低合金高强度钢是可以很好地进行焊接的。对于大型型钢和较高碳和锰含量的牌号，需要预热和（或）采用低氢焊条。对于某些低合金高强度钢无论厚度是多少，都应采用低氧焊条。对最小屈服点最高达约345MPa的低合金高强度钢进行气体保护熔化极电弧焊，采用低碳涂药焊条通常是合适的。对于最小屈服点高于约415MPa的钢和当对焊缝金属要求特殊的性能，如更高的耐腐蚀性能时，则通常需采用低合金钢焊条。对于埋弧焊、气体保护金属极电弧焊和药芯焊丝电弧焊，推荐采用与气体保护熔化极电弧焊所建议采用的焊条一样的充填金属的焊条。对于汽车工业用低合金高强度钢薄板，一般限制其碳含量不大于0.13%以得到良好的点焊性能。

当使用低合金高强度钢时，都是希望取其强度高的优点而用较薄的截面，这不仅仅是为了节省重量而且也是为了尽可能的经济。但是，必须要充分考虑腐蚀这一因素，钢材截面愈薄就愈应注意防腐。任何钢结构的防腐一般都是通过在适当准备的表面上涂防腐层并且对防腐层加以保护的方法来达到的。一些低合金高强度钢具有良好的耐大气腐蚀性能，其不仅可以提高防腐涂层的效果，而且在某些情况下采取适当的预防措施甚至还可以在不涂层的状态下暴露在大气中使用。没有任何一种材料同样耐耐有可能想像到的腐蚀条件，低合金高强度钢的耐大气腐蚀性能随对耐腐蚀起最大作用的合金元素的组台和含量而改变。提高耐大气腐蚀性能的元素是铜、磷、硅、铬、镍和钼。

一些低合金高强度钢的优良的耐大气腐蚀性能导致形成了建筑、桥梁等结构设计的新概念，即这些结构选用适当的低合金高强度钢的裸露构件来建造。在正常暴露在大气中的情况下，裸露的钢在大气腐蚀的最初几个月形成一种紧密的保护性氧化膜。有时建筑师选用裸露的钢结构是因为希望得到钢表面均匀的大气氧化的外观，而有时则是为了节省涂保护层以达到经济的目的。在裸露状态下使用这些低合金高强度钢，设计上必须考虑钢的表面不能长期是潮湿的，而且还应特别注意特殊的大气环境，以保证在此条件下钢的腐蚀速率是允许的。例如在强化学或工业烟气的条件下则显然是不适宜的。为了验证在某些环境下是否可以使用裸露的钢结构。需要对大气环境进行测定，甚至需要进行裸露试验。

低合金高强度钢牌号在设计上具有对其预期的结构用途来说相当好的缺口韧性。具体牌号的低合金高强度钢其缺口韧性的适用性，或是只根据已有的使用经验，或是结合缺口试样的冲击试验结果综合考虑。为了满足某些用途的极严格的要求，生产的一些低合金高强度钢具有极好的缺口韧性。例如，目前通常采用控制热轧技术生产用于制造焊接管线钢管的低台金高强度钢钢板，这种钢管需要符合有关标准对缺口韧性规定的要求。一些低台金高强度钢在正火状态下，结合选择的成分。在钢板厚度最大达到75mm时其塑性-脆性转变温度低于-60℃。一些牌号的低合金高强度荆在用于高速公路桥梁的主要拉力构件时，必需满足-12℃～-21℃冲击性能的要求。

50年代原冶金工业部钢铁研究院刘嘉禾为首的一批冶金学专家率先研制成功了16Mn钢和15MnTi钢，开创了中国低合金钢领域，在此基础上制定了命名为低合金高强度钢的第一个标准（YB13—58），列入12个钢种牌号。1963年易名为低合金结构钢（YB13—63），纳入的钢种牌号除Mn系列外，包括了结合中国富产资源所开发的V、Ti、Nb及稀土的低合金钢，并由此派生出了桥梁、造船、容器、汽车大梁、矿用等专用钢标准。其后修改的YB13—69，改为普通低合金钢（简称普低钢），强调“普通”的意思在说明生产低合金钢就像生产普通碳素钢一样，不需要特别的生产手段，简便容易，即可取得1吨顶1.3～1.5吨的经济效益，此后长达20年难以消除它的负面影响，至今全国行业钢材品种结构调整时，还往往注意到低合金钢高附加值的一面，而忽视了低合金钢的高技术含量一面。1988年升级为国标时（GB—1591—88），回归到了低合金结构钢的名称，1994年颁布的现行标准更名为低合金高强度结构钢，（GB/T1591—94），包括了屈服强度295—460Mpa 5个强度等级和A～E 5个质量等级，新标准的积极意义在于努力向国际规范靠拢。由于中国低合金钢基础研究日趋深入和生产规模日益扩大，在北京已连续召开了4届（1985、1990、1995及2000年）国际低合金高强度钢会议，无疑这是对中国低合金钢领域科技进步的肯定。

中国低合金钢发展历程可以划分为4个阶段：

1957～1969年

是低合金钢开发的初创阶段，第一个低合金钢16Mn钢与普碳钢相比，具有高强度、高韧性、抗冲击、耐腐蚀等特性，它的开发适应了各行业产品大型化、轻型化的趋势，采用16Mn钢所建造的的“东风”万吨轮，显示了节省钢材、节约能源和延长产品寿命的优越性。

1966年召开了全国规模的第一次低合金钢推广应用会议，在计划经济条件下宏观指导低合金钢的发展。当年低合金钢产量为141万吨，据不完全统计，研制钢号达345个，其中有54个钢号纳入了11个有关标准中。

1970～1974年

全力进行了钢种整顿工作，及时总结了开发中有益的经验，收集了大量的试验研究数据，合并和淘汰了一批无法组织批量生产或性能达不到预定指标的钢号，化费四年时间的钢种整顿工作是十分有益的，减少了开发盲目性和无序状态，完善了富有中国特色的低合金钢体系。

1975～1983年

中国低合金钢开发生产和应用等各方面存在的问题很多，积重难返，显示出了与客观需求的不适应，合金资源优势未能转化为产品优势，产品质量明显低于国外同类同级产品的实物水平，16Mn、20MnSi、U71Mn 3个钢号占低合金钢总产量90%以上。

1984～2000年

这是一个中国低合金钢的转型期，从“六五”至“九五”期间，基本上实现了4个转变。

⑴ 按国外先进标准生产低合金钢

⑵ 引进国外发展成熟的低合金钢钢号

⑶ 按国外低合金钢基础研究成果，改造中国原有的传统观念设计的低合金钢钢号

⑷ 跟上新型低合金高强度钢（微合金钢）的发展趋势。

中国低合金钢发展面貌有了极大的变化，大大缩小了与国外低合钢先进水平的差距。

自20世纪70年代以来，世界范围内低合金高强度钢的发展进入了一个全新时期，以控制轧制技术和微合金化的冶金学为基础，形成了现代低合金高强度钢即微合金化钢的新概念。进入80年代，一个涉及广泛工业领域和专用材料门类的品种开发，借助于冶金工艺技术方面的成就达到了顶峰。在钢的化学成分—工艺—组织—性能的四位一体的关系中，第一次突出了钢的组织和微观精细结构的主导地位，也表明低合金钢的基础研究已趋于成熟，以前所未有的新的概念进行合金设计。

⑴ 微合金化钢基础研究的新成就。

首先，对微合金化元素，尤其是Nb、V、Ti、及Al的溶解一析出行为的研究取得显著的成果，这些元素的碳化物和氮化物的形成及其数量、尺寸、分布取决于冷却过程的形变温度和形变量，而加热过程中碳、氮化物的存在及其特性表现在回火的二次硬化、正火的晶粒重结晶细化、焊接热循环作用下晶粒尺寸的控制3个主要方面。

其二、重视含Nb微合金化钢、Nb-V和Nb-Ti复合微合金钢的开发，据统计几乎占有近20年来新开发微合金化钢全部牌号的75%和微合金化钢总产量的60%。近几年注意到了微量Ti（≤0.015%）十分有益的作用，Ti的微处理不仅改变钢中硫化物的形态，而且TiO2或Ti2O3成为奥氏体晶内铁素体晶粒生核的质点，Nb-Ti复合微合金化构成超深冲汽车板IF钢的冶金基础，还显著改善了Nb钢连铸的裂纹敏感性。

其三，对低碳钢强化的Hall-Petch关系式进行了系统总结，对加速冷却原理作了更深入的研究。人们十分有兴趣采用分阶段加速冷却工艺的应用，前期加速冷却用于抑制铁素体转变，后期加速冷却目的在于控制中、低温产物的晶粒尺寸和精细结构的组成，从而达到在较宽范围内调整钢的强度和强度/韧性匹配。

350MPa级高强度钢：微合金化 热机械处理，机制为晶粒细化 析出强度。

500MPa级高强度钢：铁素铁 贝氏体、马氏体，强化机制为晶粒细化、并晶界强化和位错强化。

700MPa级高强度钢：淬火回火组织，机制为相变强化 析出强化。

⑵ 工艺技术的进步

顶底复吹转炉冶炼，钢的碳含量可控制在0.02～0.03%，精炼的应用可生产出碳含量在0.002～0.003%，杂质含量达到0.001%S、0.003%P、0.003%N，2～3ppm

焊接高强度钢焊接高强度钢，又叫做可焊接低合金高强度结构钢，是低合金高强度钢钢类的主体。它有三个基本属性：第一，较低的碳含量，有良好的焊接性。第二，屈服强度高于普通碳素钢，作为结构用材时，钢的屈服强度参与结构的强度设计。第三。以高强度为基础，根据用途的不同要求，具有不同的特性，如抗时效 、抗冲击、抗韧性撕裂，抗缺口敏感、耐火性等等。我国的焊接高强度钢的主要钢种牌号已纳入GB/T1591—94中，由此派生的低合金专用钢分类及标准：锅炉用钢 BG713—86，YBG741—87压力容器用钢 GB5681—85，GB6653—86，GB6654—86GB6655—86，GB6479—86，GB3513造船用钢 GB712—88汽车用钢 GB3273—82桥梁用钢 YB(T)60—81自行车用钢 GB3647—83，GB3696—83保证厚度方向性能钢 GB5313管材用钢 GB479—86，GB8162—87GB8163—87，YB231—70核能用钢舰船用钢兵器用钢等。焊接高强度钢的合金设计，放在第一位考虑的是钢的强度，强化机制包括固溶强化、析出强化、细晶强化、位错及亚结构强化、以及相变的组织强化。此5种强化机制的组合，可以生产出屈服强度由295MPa～880Mpa不同级别的焊接高强度钢，以及不同强度和韧性匹配的强韧钢等级。焊接性是焊接高强度钢的基本属性，要求在一定的焊接条件下，容易得到优良的焊缝及热影响区，具有与母材相当的力学性能和加工工艺性能。钢的化学成分对焊接性的影响从表2可见。提高焊接性能的有效措施是降低碳含量、降低P、S含量，选用适宜的合金元素。

评价焊接高强度钢的焊接性的基本方法，通常采用焊接碳当量Ceq和焊接裂纹敏感性指数Pcm。

(一)产量创历史最高水平。2013年1-6月，全国累计生产粗钢3.9亿吨，同比增长7.4%，增速较去年同期提高5.6个百分点。前6个月，粗钢日均产量215.4万吨，相当于年产粗钢7.86亿吨水平。其中，2月份达到历史最高的220.8万吨，3-6月份虽有回落，但仍保持在210万吨以上较高水平。分省区看，1-6月，河北、江苏两省粗钢产量同比分别增长6.8%和13.2%，两省合计新增产量占全国2694万吨增量的42.4%，另有山西、辽宁、河南和云南等省增产也在100万吨以上。分企业类型看，1-6月，重点大中型钢铁企业粗钢产量同比增长5.5%，低于全国平均增幅2个百分点，但仍有60%的增产来自重点大中型钢铁企业。(二)钢材价格低位运行。2013年1-6月，国内钢材市场整体表现低迷。随着粗钢产能大幅释放，市场供需陷入失衡状态，钢材价格步入下降通道，已弱势下跌4个多月。截止2013年7月26日，钢材价格指数降到100.48点，低于年初6.6点。钢铁工业协会重点统计的八个钢材品种价格比年初均有不同程度的下降，平均跌幅5.7%。分品种来看，占我国钢材产量比重较大的建筑用线材、螺纹钢价格跌幅分别达4.9%和6.7%，中厚板和热轧卷板价格跌幅分别达5.7%和9.7%。(三)钢材出口增长较快。国内钢材市场供需失衡刺激企业出口。1-6月，我国累计出口钢材3069万吨，同比增长12.6%;进口钢材683万吨，下降1.8%，进口钢坯和钢锭32万吨，增长50%。将坯材折合粗钢，累计净出口2506万吨，同比增长17.3%，占我国粗钢产量的6.4%。从出口价格看，1-6月出口棒线材均价624.3美元/吨，同比下降18%;板材835.2美元/吨，同比下降2.8%。(四)钢厂及社会库存高位运行。市场供需矛盾向流通领域蔓延，国内钢材库存延续上年末增长态势。3月15日达到历史最高的2252万吨，比上年最高点增加351万吨，其中建筑钢材库存1432万吨，占库存总量的63.6%。之后，随着季节性消费增加，库存逐渐回落，7月26日降至1540万吨。市场供大于求也推高钢厂库存，3月中旬重点企业钢材库存创历史记录，达到1451万吨，同比增长29.7%，6月下旬降至1268万吨，仍比年初增长29.9%，比2012年同期增长11.4%。(五)钢厂盈利水平逐月下滑。2013年上半年，冶金行业实现利润736.9亿元，同比增长13.7%，其中黑色金属冶炼和压延加工业实现利润454.4亿元，同比增长22.7%。1-5月份重点大中型钢铁企业的盈利状况远不如行业总体水平，并呈逐月下降态势，尽管实现利润增长34%，但也仅有28亿元，销售利润率为0.19%。5月当月，86家重点大中型钢铁企业仅实现利润1.5亿元，连续5个月环比下滑，其中34家亏损，亏损面高达40%。(六)钢铁行业固定资产投资增幅明显回落。2013年1-6月，钢铁行业固定资产投资3035亿元，同比增长4.3%，其中黑色金属冶炼及压延投资2356亿元，同比增长3.3%，比2012年同期回落6.1个百分点;黑色金属矿采选投资679亿元，同比增长7.8%，增速大幅回落15个百分点。