1.2　新型工程結構用鋼及其發展

工程結構用鋼是指專門用來制造各種工程結構的一大類鋼種，它廣泛用于國防、化工、石油、電力、車輛、造船、建筑等領域，如制造橋梁、船體、油井或礦井架、鋼軌、高壓容器、管道和建筑鋼結構等工程結構件，故又稱為工程構件用鋼或簡稱構件鋼。在鋼總產量中工程結構用鋼約占90％，其成本低、用量大，通常在熱軋空冷狀態下使用。

1.2.1　工程結構用鋼的工作條件與性能要求

一般說來，工程結構件的工作特點是不作相對運動，承受長期靜載荷，有一定使用溫度要求，如有的（如鍋爐）使用溫度可達250℃以上，有的則在寒冷（-40～-30℃）條件下工作、長期承受低溫作用；通常在野外（如橋梁）或海水（如船舶）條件下使用，承受大氣或海水的侵蝕作用。此類工程構件常見的失效形式主要有變形、斷裂以及遭受腐蝕等。因此構件用鋼應滿足以下使用性能要求。

（1）良好的加工工藝性能

通常工程構件的主要生產過程有冷塑性變形和焊接兩個方面。所以工程結構用鋼必須相應地具有良好的冷（熱）成形工藝性和可焊性。在構件用鋼的設計和選材上首先需要滿足這兩方面的要求。

（2）高強度與良好塑韌性

為使構件在長期靜載下結構穩定，不易產生彈性變形、更不允許產生塑性變形與斷裂，要求工程結構用鋼要有大的彈性模量，以保證剛度；高的強度，以減輕結構自重、節約鋼材和減少能耗；高的塑韌性，以免斷裂和塑性變形；同時還應具有低的韌脆轉變溫度TK。

（3）良好的耐大氣和海水腐蝕性

保證工程構件在大氣或海水等腐蝕性工況下長期穩定工作。

總之，工程結構用鋼應在保證工藝性能的前提下，達到其高強度高韌性等力學性能。這是與其他鋼種不同之處。同時又要有低的成本。據此可將其分為三類，即碳素結構鋼、低合金結構鋼和微合金化低碳高強度鋼。

1.2.2　鐵素體-珠光體工程結構鋼

由于此類鋼服役時的顯微組織是鐵素體-珠光體，故稱為鐵素體-珠光體鋼。它是工程結構鋼中最主要、用量最大的一類鋼，其組織系由片層狀的珠光體+多邊形鐵素體組成，珠光體占10％～25％、鐵素體占75％～90％，包括碳素結構鋼、高強度低合金鋼和微合金化高強度低合金鋼。

（1）碳素結構鋼與高性能細晶碳素結構鋼

①碳素工程結構鋼　這類鋼大部分用作鋼結構，少量用作機器零件。由于其易于冶煉、工藝性能好、價格低廉，雖含有較多有害雜質元素和非金屬夾雜物，但在力學性能上一般能滿足普通工程構件及機器零件的要求，所以工程上用量很大，約占鋼總產量的70％～80％。它通常均軋制成鋼板或各種型材供應，一般不經熱處理強化。根據國標GB/T700—2006，將普碳鋼分為Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五類。

碳素工程結構鋼大部分以熱軋成品供貨，少部分以冷軋成品供貨，如冷沖壓薄板鋼、冷拔鋼管、冷拉鋼絲等。冷沖壓薄板鋼主要用于制造厚度在4mm以下的各種冷沖壓構件，如車身、駕駛室、各種儀器及機器的外殼等。用于冷軋的鋼有08F、08Al、06Ti等，冷軋成板后經再結晶退火，最后施以1％～3％平整變形，以消除上、下屈服點，保證深沖要求。

②高性能的細晶碳素結構　鋼隨著經濟建設的持續快速發展，對鋼材的需求量猛增，各行業都要求開發高強度、長壽命的鋼材。我國于2001年啟動了973計劃“500MPa碳素鋼先進工業化制造技術”課題，研究的主要目標是在保證有良好塑韌性基礎上，使原鋼材強度提高1倍，其技術思路是以細化鋼材的晶粒和組織為核心，同時提高鋼的潔凈度，并改善鋼的均勻性。確定在現有工業生產條件下生產出以C、Mn為主要成分的500MPa級細晶鋼，逐步代替該強度級別的低合金高強度鋼。用Q235普碳鋼，通過較低溫度的TMCP技術，利用形變誘導鐵素體相變機制使鐵素體晶粒細化至3～5μm，強度提高1倍以上。現已在300～500MPa級系列細晶鋼生產中獲得實際應用。其用于生產卡車、轎車、農用車等的底盤縱梁、橫梁、車橋等沖壓件，使用效果良好，已實現了工業化生產。又如，首鋼生產的Ⅲ級螺紋鋼筋，已成功應用于國家大劇院、西直門交通樞紐等國家重點工程建設。細晶粒碳素結構鋼在建筑、造船、橋梁、容器、工程機械等方面，有著廣闊的應用前景。

（2）低合金高強度鋼與微合金化低碳高強度鋼

①低合金高強度鋼（普低鋼，HSLA鋼）　鋼鐵材料80％以上是低碳鋼。在低碳鋼中，利用添加少量合金元素（wMe總量<5％，一般<3％）使鋼在軋制或正火狀態下的屈服強度超過275MPa的一類低合金鋼，稱為低合金高強度鋼（簡稱普低鋼，亦稱HSLA鋼）。

低合金高強度鋼是為適應大型工程結構（如大型橋梁、大型壓力容器及船舶等）減輕結構重量，提高使用的可靠性及節材的需要而發展起來的。這是一類高效節能、用途廣泛、用量很大的一類鋼。其強度尤其是屈服強度大大高于碳含量相同的普碳鋼。如最常用的普碳鋼Q235與低合金高強度鋼Q345（16Mn，其碳含量相同）相比（如表1-3所示）。

a.化學成分特點

低碳　碳的質量分數一般<0.2％，主要是為獲得較好的塑韌性，焊接性能。隨鋼中碳含量增加，鋼的強度會增加，但卻使其塑韌性下降、成形困難，而且在焊接過程中易引起嚴重的變形、開裂。而且隨碳含量增加，鋼中珠光體含量也相應增加，珠光體由于有大量脆性片狀滲碳體，因而有較高的TK，如含0.3％C的鋼材TK在50℃左右，而含0.1％的鋼材TK則降至-50℃左右。因此HSLA鋼的碳含量一般限制在0.2％以下。

主加元素Mn　其固溶強化效果較好。由于Mn能降低鋼的Ar1溫度，降低奧氏體向珠光體轉變溫度范圍并減緩其轉變速度，因此表現出細化珠光體和鐵素體的作用。晶粒細化既可使鋼的屈服強度升高，又可使TK下降，有利于鋼的韌性提高。但應注意Mn的含量應控制在2％以內。此外，Mn的加入可使鐵碳相圖中的S點左移，基體中珠光體數量增多，因而在相同的碳含量下，隨鐵素體量減少，珠光體增多，使鋼的強度不斷提高。

輔加元素Al、V、Ti、Nb及Cu、P、Cr、Ni、RE等　加入Al形成AlN的細小質點，細化晶粒，既可提高強度，又可降低TK。由于Nb、V、Ti在鋼中能形成細小彌散的碳化物、氮化物和碳氮化物起著阻止奧氏體晶粒長大同時又具有很強的析出強化作用。加入一定量的Cu和P，Cu元素沉積在鋼表面，具有正電位，成為附加陰極，使鋼在很小的陽極電流下達到鈍化狀態。P在鋼中可起到固溶強化的作用，也可提高耐蝕性能。Ni和Cr都能促進鋼的鈍化，減少電化學腐蝕。加入微量RE，可脫硫去氣，凈化鋼材，并改善夾雜物的形態與分布，從而改善鋼的力學性能和工藝性能。

總之，HSLA鋼合金化的思路是：低碳，以Mn為基礎，適當加入Al、V、Ti、Nb、Cu、P、Cr、Ni、RE等元素。

b.典型牌號簡介　其典型牌號Q345（16Mn）和Q420（15MnVN），一般采用正火作為最終熱處理狀態。

Q345（16Mn）鋼　屬于屈服點為345MPa級，有較高的強度，良好的塑性和低溫韌性以及焊接性，是我國這類鋼中產量最多、用量極廣的鋼種。其中，Mn（1.2％～1.6％）起著固溶強化的作用，錳降低A3溫度，增大鋼的奧氏體過冷能力，細化F晶粒，降低鋼的冷脆性和TK溫度。16Mn鋼廣泛用于生產鋼筋和建筑鋼結構，也應用于多種專用鋼，如主跨度160m的橋梁、容器、造船等用鋼（而Q235建造的主跨度128m的武漢長江大橋）。

Q420（15MnVN）鋼　屈服點則屬于440MPa級別，鋼中加入微量V起細化晶粒和沉淀強化作用，微量N（≤0.022％）以形成穩定的VN，比VC更有效地起細化晶粒和沉淀強化作用。它是為適應建筑和橋梁工程而開發的鋼種，如主跨度216m的九江長江大橋。

多年來低合金結構鋼發展迅速，在生產和科研上取得一系列重要成果，相繼開發了一系列新型工程結構用鋼。

②微合金化低碳高強度鋼

a.成分與強韌化特點　其成分特點：低碳，高Mn并加入微量合金元素V、Ti、Nb、Zr、Cr、Ni、Mo及RE等。常用碳含量范圍wC=0.12％～0.14％，甚至降至wC=0.03％～0.05％。其另一個特點是微量合金元素的復合加入，復合量范圍一般控制在0.01％～0.1％之間（質量分數）。微量合金元素對鋼的組織性能影響如下：

抑制奧氏體形變再結晶　在熱加工過程中，通過應變誘導析出Nb、Ti、V的氮化物，使其沉淀在晶界、亞晶界和位錯上，起釘扎作用，有效地阻止奧氏體再結晶的晶界和位錯運動，抑制再結晶過程的進行。在高溫區，Nb以固溶原子對晶界遷移的拖拽作用為主；在低溫奧氏體區，以應變誘導析出的Nb（C，N）粒子的釘扎晶界作用為主。Nb、Ti、V對形變再結晶溫度的影響如圖1-3所示。Nb在阻止形變奧氏體的回復和再結晶方面作用最強，Ti次之，V較弱。

細晶強化（阻止奧氏體晶粒長大）　在鍛造和軋制過程中，一方面加熱時奧氏體晶粒會自發長大；另一方面，每一道次再結晶后晶粒就會長大。通過加Nb、Ti形成了Nb（C，N）或TiN（它們在高溫下非常穩定），其彌散分布對控制高溫下的晶粒長大有強烈的抑制作用。其中，微量Nb（wNb<0.06％）形成的Nb（C，N）在1250℃時也未完全溶于奧氏體，而在1150℃以下又有部分Nb重新以Nb（C，N）析出，因而阻止奧氏體晶粒長大作用的溫度可達1150℃。微量Ti（wTi<0.02％）以TiN形式從高溫固態鋼中析出，呈彌散分布，對阻止奧氏體晶粒長大很有效。Nb、Ti、V對正火態的低合金鋼的晶粒度的影響如圖1-4所示，Nb最有效，Ti次之，V則基本上不起細化晶粒的作用。

沉淀強化　Nb和Ti的碳化物和氮化物有足夠低的固溶度和高的穩定性，V只有在氮化物中才起作用。一般微合金化鋼中的沉淀強化作用主要是低溫下析出的Nb（C，N）和VC。微合金元素Nb、Ti、V對鋼的屈服強度的影響如圖1-5所示。當wNb≤0.04％時，細化晶粒造成屈服強度的增量ΔσG>沉淀強化引起的增量Δσph；wNb≥0.04％時，Δσph增量大大增加，而ΔσG保持不變。V引起沉淀強化使鋼的屈服強度增量Δσph最顯著，而Ti的作用處于Nb和V之間。

改變鋼的顯微組織　Nb、Ti、V等合金的碳化物和氮化物隨奧氏體溫度升高有一定的溶解量，如Nb（C，N）在1150℃時溶于奧氏體的Nb約為0.03％，而V（C，N）更易溶于奧氏體。在軋制加熱時，溶于奧氏體的微合金元素提高了過冷奧氏體的穩定性，降低了發生先共析鐵素體和珠光體的溫度范圍，低溫下形成的先共析鐵素體和珠光體組織更細小，并使相間沉淀Nb（C，N）的粒子更細小。

必須指出，上述方法均采用控制軋制、控制冷卻和控制沉淀，因為它是微合金化低碳高強度鋼獲得高強韌性的基礎。

b.冶金工藝特點。

積極引入冶煉新技術　控制夾雜物形態，提高冶金質量。鋼中夾雜物最理想的形態是呈球狀，最壞的是共晶體的棒狀物。由于爐外冶煉新技術的發展，如鋼液真空處理、鋼包精煉等，能很好地脫氣和脫硫，生產高質量的純凈鋼。

采用先進的控制軋制與控制冷卻技術　微合金化必須與控制軋制、控制冷卻相結合，才能發揮其強韌化作用（見圖1-6）。首先，在高溫再結晶區的變形，使粗大奧氏體晶粒經多道次變形和再結晶而得到細化，但此時由奧氏體轉變而來的鐵素體晶粒仍較粗大；繼而在較低溫度下的未再結晶區的變形，其發生在緊靠Ar3以上的溫度范圍，此時在伸長而未再結晶的奧氏體內形成變形帶，鐵素體在變形帶和奧氏體晶界上形核，從而形成細小晶粒的鐵素體組織；然后在低溫下（奧氏體-鐵素體）兩相區的變形，此時鐵素體也發生變形，產生位錯亞結構，在隨后的冷卻過程中未再結晶的奧氏體轉變為等軸的細小鐵素體晶粒，鐵素體中的亞結構得以保留。應說明，控制冷卻是在奧氏體相變的溫度區間進行某種程度的快速冷卻，它使相變組織比單純控制軋制更加微細化，獲得更高的強度。

c.應用特點。微合金化低合金高強度鋼汽車零部件可減輕車身重量、減少油耗。目前，寶鋼、武鋼、攀鋼、本鋼生產的超級鋼板已供應一汽、東風汽車及其他汽車廠。寶鋼生產的400MPa超級鋼用于一汽集團卡車底盤發動機前置橫梁，各項性能指標全部滿足要求，且噸鋼成本較原來可節省200～300元。卡車縱梁是關鍵承重件，500MPa級超級鋼在這方面的應用經濟效益更加明顯。目前我國采用超級鋼生產的汽車梁已經裝在10多萬輛卡車上。

在現有設備條件下，我國科技工作者實現了將碳素鋼和低碳微合金化鋼的組織（鐵素體，F）尺寸細化至幾微米，實現了將其強度翻番的目標。例如，我國研制的超細晶普碳鋼Q235鋼筋的最小晶粒尺寸可以達到4μm以下，屈服強度可達460MPa以上，而正常軋制的Q235鋼的屈服強度僅為235MPa。

首鋼生產的超級鋼筋用于國家大劇院、北京西直門交通樞紐及朝陽中央商務區，并且出口新加坡。低成本高強度的超級鋼棒材將為建筑業提供有力的支撐。

（3）低合金高強度鋼的發展趨勢

低合金高強度鋼的主要發展方向有以下幾個方面。

①低碳和超低碳　隨碳含量的降低，能顯著提高HSLA鋼韌性和改善焊接性。由于現代冶金技術的提高，使鋼中的碳含量降低到<0.06％甚至<0.02％得到保證，這可顯著提高鋼的焊接性、韌性和成形性等。因此，低碳和超低碳是今后HSLA鋼發展的一個重要方向。

②高純凈化　凈化鋼中的有害雜質，可改善鋼的韌性和提高其綜合性能。隨著冶金技術的發展，鐵水預處理、轉爐煉鋼和鋼水精煉等先進技術已普遍應用，這些先進的冶煉新技術能使鋼中S、P、H、O、N等雜質大大降低，顯著提高了鋼的純凈度，因此現代HSLA鋼正逐步向高純凈化方向發展。

③微合金化　在低碳、超低碳和高純凈化基礎上，HSLA鋼普遍采用微合金化，微合金化技術已由單一合金元素（Nb、V、Ti等）發展到多元復合如Nb-V、Nb-Ti、V-Ti、Nb-Ti-B等，并配合先進的TMCP技術進一步提高鋼的綜合性能。

④采用先進的控制軋制和控制冷卻（TMCP）技術　通過TMCP，可調整奧氏體的原始組織晶粒大小，使轉變后的鐵素體晶粒盡可能細化，從而得到盡可能高的強度和最佳的塑韌性。現代TMCP技術已從原控制終軋溫度發展到奧氏體再結晶區控軋、奧氏體非再結晶區控軋和兩相區控軋工藝，軋后的控制冷卻工藝已有層流冷卻、水幕冷卻、霧化冷卻和穿水冷卻等。應用先進的在線TMCP工藝也是進一步提高現代HSLA鋼質量的重要發展方向。

⑤超細化晶粒　通過加大軋制變形、鐵素體的應變誘導析出、稍高于A3點的低溫軋制和采用合適的冷卻速度，可使鋼的鐵素體晶粒尺寸細化到微米級，可大幅度提高鋼的強度，普通碳素鋼的強度可由235MPa提高至400MPa，HSLA鋼的屈服強度可由400MPa提高至800MPa。因此，HSLA鋼的組織微細化亦是今后的發展方向。

⑥計算機控制和性能預報　隨著計算材料學的進步，使得材料的發展逐步由經驗走向定量化系統化。以前材料設計都是根據大量的統計結果，通過回歸分析建立經驗公式，然后據此組織生產和管理，這種方法精度很低，有一定局部性，一旦改變條件就不適用，因此缺乏普遍的指導意義。計算材料學是利用鋼鐵材料的基本冶金原理，通過計算機建立各種冶金模型，達到預測材料組織和性能的效果。近年來，物理冶金學已能準確把握鋼鐵材料內部產生的基本冶金現象并建立相應的冶金模型，通過預報材料的組織，就可使準確預測材料的性能成為可能。這樣可大大減少實驗研究工作和縮短研究時間，加速新產品的開發。目前，工業發達國家已經開發出鋼的組織和性能預測系統，并成功用于熱軋帶鋼在線生產系統。

1.2.3　低合金高強度鋼的發展——低碳貝氏體鋼、針狀鐵素體鋼、馬氏體鋼與雙相鋼

具有鐵素體-珠光體組織的高強度低合金鋼和微合金化高強度低合金鋼的屈服強度的極限，約460MPa。若要求更高強度和韌性的配合，就需考慮選擇其他類型組織的低合金鋼，其主要原理同樣亦是在微合金鋼的基礎上，通過在控軋控冷后調整成分或組織，從而獲得低碳貝氏體或馬氏體等組織來提高工程構件用鋼的強韌性。

（1）低碳貝氏體鋼

低碳貝氏體型鋼是通過向鋼中加入能顯著推遲珠光體轉變而對貝氏體轉變影響很小的元素（如在wMo0.5％+wB0.003％基本成分基礎上，加入Mn、Cr、V等元素），從而使大截面的構件在熱軋或正火后控制冷卻，利用貝氏體相變強化，直接獲得單一貝氏體組織。與原相同碳含量的F-P鋼相比，它具有更高的強度和良好的韌性，此時鋼的屈服強度可達490～780MPa。Mo和B對過冷奧氏體等溫轉變曲線的影響如圖1-7所示，可以看出>0.3％Mo能顯著推遲珠光體轉變，而微量的B（0.002％）在奧氏體晶界上有偏析作用，可有效地推遲鐵素體轉變，但對貝氏體轉變推遲較少。為進一步推遲先共析鐵素體和珠光體轉變，并使貝氏體轉變開始點下降，獲得下貝氏體組織，需再加入Mn、Cr、Ni等元素，與上貝氏體相比，下貝氏體有更高的強度和低的TK，如圖1-8所示。另外，通過微合金化，充分發揮Nb、Ti、V的細化晶粒和沉淀強化的作用，低碳貝氏體鋼的化學成分范圍為：wC=0.10％～0.20％，wMo=0.3％～0.6％，wMn=0.6％～1.6％，wB=0.001％～0.005％，wV=0.04％～0.10％，wNi或wTi=0.01％～0.06％，并常加0.4％～0.7％的Cr。我國已成功研制出的幾種低碳貝氏體鋼的化學成分與力學性能如表1-4所示。

14MnMoV和14MnMoVBRE鋼是我國發展的低碳貝氏體鋼，其屈服強度為490MPa級，用于制造容器的板材和其他鋼結構。當板厚<14mm時，在熱軋態即可得到貝氏體；板厚>14mm時需正火熱處理方可得到貝氏體，低碳貝氏體型鋼空冷后的組織通常是粒狀貝氏體（即貝氏體鐵素體條間存在細小的島狀馬氏體），所以需高溫回火以消除內應力。14MnMoVBRE鋼的焊接性能不好，厚板在焊前需預熱至150℃以上，單層板焊后可用工頻感應加熱以消除焊縫殘余應力。

為進一步提高鋼的室溫和低溫韌性，改善焊接性，又發展了超低碳B鋼，其碳含量可降低至0.02％，并加入0.01％的Ti，成為Mn-Mo-Nb-Ti-B超低碳B鋼。通過先進的TMCP技術，可得到高位錯密度的細小B組織，其可在0℃以下進行服役。

（2）針狀鐵素體型鋼

針狀鐵素體鋼（AF，Acicular Ferrite）是在低合金鋼的基礎上，當鋼中碳含量<0.06％時，添加適量的Mn、Mo、Nb等合金元素，形成一種具有高密度位錯亞結構的“針狀鐵素體”的鋼。它是為滿足北方嚴寒條件工作的大直徑石油和天然氣輸出管道用鋼需要而發展起來的，并通過軋制以獲良好強韌化效果。此類鋼的顯微組織是極細的低碳或超低碳的針狀鐵素體（屬于無碳化物貝氏體）片上分布著高位錯密度的細小亞結構+彌散的Nb（C，N）粒子沉淀。其通過合理的成分設計并采用先進的TMCP技術，在空冷過程中通過切變和擴散相變形成由位錯列陣和位錯胞組成的非等軸鐵素體，可以保證得到極細的晶粒和針狀鐵素體片，產生更高位錯密度的細小亞結構和更彌散的Nb（C，N）沉淀析出。其主要強化機制是：極細的貝氏體型鐵素體晶粒或板條、高的位錯密度、細小彌散分布的碳氮化物、固溶在貝氏體鐵素體中的碳等間隙原子的強化和固溶在鐵素體中合金元素的置換式固溶強化。

針狀F型鋼合金化的主要特點如下：①采用低碳或超低碳含量（wC0.04％～0.08％）；②主要用Mn、Mo、Nb等進行合金化；③對V、Si、N及S含量加以適當限制。其典型成分如wC≤0.06％、wMn1.6％～2.2％、wSi0.1％～0.4％、wMo0.25％～0.40％、wNb0.02％～0.10％、wAl約0.05％、wN≤0.01％、wS≤0.02％、wP≤0.02％。針狀F型鋼經TMCP后可使σs達490MPa以上，TK在-100℃以下。其性能特點是：高的強韌性，良好的低溫韌性和焊接性能，可用普通電弧焊焊接。因此此類鋼被稱為“21世紀的控軋鋼”，已成功應用于寒冷地帶輸送石油和天然氣的管線等場合。

創制針狀F型鋼的主要著眼點在于：通過軋制后冷卻時形成非平衡針狀F提供大量位錯亞結構，為以后K彌散析出創造條件，并保證原板成形時有較大加工硬化效應，以防強度降低；利用Nb（C、N）為強化相，使在軋后冷卻中及575～650℃時效時從F中彌散析出以造成彌散強化，可使σs提高70～140MPa，但又相應使TK提高約8～19℃，為此需采取相應補救措施；采用控制軋制細化晶粒，將終軋溫度降至740～780℃，并使在900℃以下形變量達65％以上，每道軋制后用噴霧快冷，以防K從A中析出，減弱時效強化效果。

（3）積極開發低碳馬氏體鋼

工程機械上對運動和低溫下使用的部件，要求有更高強度和良好焊接性，因而開發出低碳M鋼。所謂“低碳馬氏體鋼”系指低碳鋼或低碳合金鋼以經淬火+低溫回火處理后獲得的低碳馬氏體組織作為使用狀態的鋼。為使其得到好淬透性，防止發生先共析鐵素體和珠光體轉變，加入Mo、Nb、V、B及控制合理含量的Mn和Cr與之配合，Nb還可作細化晶粒的微合金元素起作用。常見的有BHS系列鋼種。其中BHS-1鋼的成分為wC0.10％，wMn1.80％，wMo0.45％，wNb0.05％。其生產工藝為鍛軋后空冷或直接淬火并自回火，鍛軋后空冷得B+M+F混合組織，其性能為：σ0.2828MPa，σb1049MPa，室溫AK96J，可用來制造汽車的輪臂托架。若直接淬火成低碳M，性能為σ0.2935MPa，σb1197MPa，室溫AK50J，-40℃下AK32J，缺口疲勞斷裂大于500kHz，可制造下操縱桿。

由此看來，低碳M鋼具有極高強度，好的低溫韌性和超群的疲勞性能，可保證部件的高質量和安全可靠。BHS鋼還用來生產車軸、轉向聯動節和拉桿等，也可用于冷鐓、冷拔及制作高強度緊固件。另一種Mn-Si-Mo-V-Nb系低碳Mn鋼，其屈服點860～1116MPa、室溫AK為46～75J。低碳Mn鋼具有高強度、高韌性和高疲勞強度，達到了合金調質鋼經調質熱處理后的性能水平，若采用鍛軋后直接淬火并自回火工藝，最能發揮其潛力。

低碳馬氏體鋼經淬火+低溫回后后，形成位錯板條馬氏體+板條相界殘余奧氏體薄膜+板條內部自回火或低溫回火析出的細小彌散的碳化物，可實現強度、韌性、塑性的最佳配合。其強化是綜合了固溶強化、位錯強化、細晶強化及第二相強化四種強化效果，因而強化作用十分顯著。常用的低碳馬氏體鋼的熱處理工藝和力學性能如表1-5所示。15MnVB、20SiMn2MoV、25SiMn2MoV等是我國研制的低碳馬氏體鋼，在生產上已獲得廣泛應用。低碳馬氏體鋼在礦山、汽車、石油、機車車輛、農業機械等制造工業得到廣泛的應用，在提高產品質量、減輕零件重量及降低成本等方面均有良好效果。

（4）發展低碳索氏體型鋼

采用低碳低合金鋼淬火獲得低碳馬氏體，然后進行高溫回火得到低碳回火索氏體組織，使鋼材具有更高的強度和良好的焊接性。為使鋼得到好的淬透性和回火穩定性，防止先共析鐵素體和珠光體轉變，此類鋼典型合金成分是美國的T-1型鋼，規定成分為wC0.1％～0.2％，wMn0.6％～1.0％，wSi0.15％～0.35％，wNi0.7％～1.0％，wCr0.4％～0.8％，wMo0.4％～0.6％，wV0.04％，wCu0.15％～0.5％，wB0.002％～0.006％。T-1型鋼板在不同狀態下的力學性能如表1-6所示。

低碳索氏體型鋼在重載車輛、橋梁、水輪機及艦艇等方面得到應用。生產這種鋼的主要困難是鋼材在淬火時容易變形，所以鋼板和型鋼必須在淬火機上進行淬火，而截面厚的鋼板不易完全淬透。

（5）發展雙相鋼

由于傳統的高強度低合金鋼對汽車壓力加工件來說，沒有具備足夠的冷成形性，因而需要改善傳統鋼強度-成形性的綜合性能以滿足汽車沖壓成形件的要求。而雙相鋼是通過對過冷奧氏體相變的有效控制以得到20％～30％馬氏體和80％～70％鐵素體組織的鋼種，其組織特征為馬氏體呈小島狀分布在鐵素體基體上。

雙相鋼的性能特點：①低屈服強度，一般應<350MPa；②鋼的應力-應變曲線是光滑連續的，無屈服平臺；③高的均勻伸長率和總伸長率；④高的加工硬化指數及高的塑性應變比。化學成分是獲得雙相鋼組織的技術關鍵，C、Si、Mn、Mo等合金元素對鋼雙相組織的控制、鋼板強度、塑性等影響較大。另外，生產工藝對第二相組織的相組成、性質和數量也有影響。根據生產工藝，雙相鋼可分為熱軋雙相鋼和退火雙相鋼兩大類，兩者有不同的合金化方案。

熱軋雙相鋼，是指在熱軋狀態下通過控制冷卻得到鐵素體+馬氏體的雙相組織。要求鋼在熱軋后從奧氏體狀態冷卻時，首先出現適量的多邊形鐵素體，其體積分數為70％～80％，然后未轉變的奧氏體有足夠的穩定性，避免產生珠光體和貝氏體，冷卻后轉變為馬氏體。這就要求從合金元素含量和風冷速度上來控制。其生產方式主要有兩種：①Si-Mn-Cr-Mo合金化系，采用普通的熱軋工藝進行生產；②Si-Mn-Cr系，1150～1250℃加熱，采用TMCP、870～925℃終軋，空冷至低溫635～455℃時卷取。一般熱軋沖壓雙相鋼的化學成分為：wC=0.04％～0.10％，wMn=0.8％～1.8％，wSi=0.9％～1.5％，wMo=0.3％～0.4％，wCr=0.4％～0.6％以及微合金元素V等。加入合金元素Si和極低C是為提高鋼的臨界點A3，促使形成所要求含量的多邊形先共析鐵素體；加入Mn、Mo、Cr是為防止卷取時剩余奧氏體轉變為主個體和貝氏體或最終冷至低溫轉變為馬氏體。

退火雙相鋼又稱熱處理雙相鋼，典型成分為wC0.055％-wMn1.4％-wSi1.2％鋼和wC0.1％-wMn1.5％-wCr0.8％鋼。其工藝是在鐵素體和奧氏體兩相區進行精軋后退火，然后空冷或快冷，即將型材急冷至Ms點以下卷取，得到鐵素體+馬氏體組織。為控制硫化物形態，可加入RE元素。當鋼長時間在鐵素體和奧氏體兩相區退火時，合金元素將在奧氏體和鐵素體之間重新分配，奧氏體形成元素如C、Mn等將富集于奧氏體，提高了奧氏體在過冷條件下的穩定性，抑制了珠光體轉變，在空冷條件下即能轉變成馬氏體，這時要控制退火溫度，以控制奧氏體量和奧氏體中合金元素的濃度及其穩定性。

雙相鋼首先是為了適應汽車用薄板沖壓成型時保持表面光潔，無呂德斯帶，并在少量變形后就提高了強度的需要；也用于冷鐓鋼、冷拔鋼、Ⅳ級螺紋鋼筋無縫鋼管、冷拉鋼絲、冷軋鋼帶等產品。如用于高速線材軋制生產散卷控制冷卻得到的雙相鋼絲用09Mn2Si、07Mn2SiV鋼；熱軋雙相冷鐓鋼棒用08SiMn2鋼；薄壁雙相無縫鋼管用07MnSi鋼等。