化學(xué)元素對(duì)鋼結(jié)構(gòu)特性的影響
化學(xué)元素對(duì)鋼材性能的影響
鋼是含碳量小于2%的鐵碳合金,碳大于2%時(shí)則為鑄鐵。鋼結(jié)構(gòu)所用的鋼材主要為碳素鋼中的低碳鋼和普通低合金鋼。
碳素結(jié)構(gòu)鋼由純鐵、碳及雜質(zhì)元素組成,其中純鐵約占99%,碳及雜質(zhì)元素約占l%。低合金結(jié)構(gòu)鋼中,除上述元素外還加入少量合金元素,后者總量通常不超過3%。碳及其他元素雖然所占比重不大,但對(duì)鋼材性能卻有重要影響。
1)基本元素
①鐵(Fe):鐵是鋼材中最基本的元素,鋼中鐵元素含量一般超過97%。對(duì)于碳素鋼而言,其鐵素體的晶粒越細(xì),鋼的性能越好。
②碳(C):碳是形成鋼材強(qiáng)度的主要成分,是僅次于鐵的主要元素。碳的含量提高,則鋼材強(qiáng)度提高,但同時(shí)鋼材的塑性、韌性、冷彎性能、可焊性及抗銹蝕能力 下降。按碳的含量區(qū)分,小于0.25%的為低碳鋼,大于0.25%而小于0.6%的為中碳鋼,大于0.6%的為高碳鋼。鋼結(jié)構(gòu)用鋼的含碳量一般不大于 0.22%,焊接結(jié)構(gòu)為了有良好的可焊性,含碳量應(yīng)不大于0.2%。所以,建筑鋼結(jié)構(gòu)用的鋼材基本上都是低碳鋼。
2)有益元素
①錳(Nn):錳能顯著提高鋼材的強(qiáng)度而不過多地降低塑性和沖擊韌性。錳有脫氧作用,是弱脫氧劑。錳還能消除硫?qū)︿摬牡臒岽嘤绊。碳素鋼中錳是有益的雜 質(zhì),在低合金鋼中它是合金元素。我國(guó)碳素鋼中錳的含量在0.3%~0.8%,低合金鋼在1.0%~1.7%。但錳會(huì)使鋼材的可焊性降低,故應(yīng)限制其含量。
②硅(si):硅有比錳更強(qiáng)的脫氧作用,是強(qiáng)脫氧劑。硅能使鋼材的粒度變細(xì),適量控制可提高強(qiáng)度而不顯著影響塑性、韌性、冷彎性及可焊性。硅的含量在碳素鎮(zhèn)靜鋼中為0.12%一0.3%,低合金鋼中為0.2%~0.55%,過量時(shí)則會(huì)惡化可焊性及抗銹蝕性。
③釩(V)、鈮(Nb)、鈦(Ti):釩、鈮、鈦都能使鋼材晶粒細(xì)化。我國(guó)的低合金鋼都含有這三種元素,作為錳以外的合金元素,既可提高鋼材強(qiáng)度,又能保持良好的塑性、韌性。
④鋁(燦)、鉻(cr)、鎳(Ni):鋁是強(qiáng)脫氧劑,用鋁進(jìn)行補(bǔ)充脫氧,不僅能進(jìn)一步減少鋼材中的有害氧化物,而且能細(xì)化晶粒。低合金鋼的C,D及E級(jí)都 規(guī)定鋁含量不低于0.015%,以保證必要的低溫韌性。鉻和鎳是提高鋼材強(qiáng)度的合金元素,用于Q390鋼和Q420鋼。
3)有害元素
①硫(s):硫?qū)儆陔s質(zhì),能生成易于熔化的硫化鐵,當(dāng)熱加工及焊接使溫度達(dá)800~1 000℃時(shí),可能出現(xiàn)裂紋,稱為熱脆。硫還能降低鋼的沖擊韌性,同時(shí)影響疲勞性能與抗銹蝕性能。因此,對(duì)硫的含量必須嚴(yán)加控制,一般不得超過 0.045%~0.05%,有特殊要求時(shí),更要嚴(yán)格控制。
②磷(P):磷既是有害元素也是能利用的合金元素。它在低溫下使鋼變脆,這種現(xiàn)象稱為冷脆。在高溫時(shí)也能使鋼塑性降低。其含量一般控制在0.045%以內(nèi),質(zhì)量等級(jí)較高的鋼則含量更少。磷能提高鋼的強(qiáng)度和抗銹蝕能力。
③氧(0)和氮(N):氧能使鋼熱脆,其作用比硫劇烈,一般要求其含量小于0.05%。氮能使鋼冷脆,與磷作用類似,一般要求其含量小于0.08%。