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％。