化學成分、生產過程對鋼結構性能的影響

摘要：文章分別說明了各種化學成分以及生產過程對鋼結構性能的不程度的影響。

關鍵詞：化學成分；生產過程；鋼結構；性能

1、化學成分的影響

鋼材的化學成分直接影響鋼的組織結構，從而影響鋼材的力學性能。

結構用鋼的基本元素是鐵（Fe），約占99%，此外還有其他元素。其中有益的有碳（c）、硅（si）和錳（Mn）等，有時還加入合金元素，如釩（V）等，其總量不超過1.5%，故結構用鋼稱為低碳鋼或低合金鋼。有害元素有硫（S）、磷（P）、氧（0）、氮（N）等。它在冶煉中不易除盡，其總量不超過1‰。

（1）碳。在普通碳素鋼中，碳是除鐵以外最主要的元素，它直接影響鋼材的強度、塑性、韌性和可焊性等。碳和鐵合成滲碳體及純鐵體的混合物一珠光體，純鐵體較柔軟，滲碳體和珠光體較堅硬。因此，碳的含量提高，鋼材的屈服點和抗拉強度提高，但塑性和韌性、特別是低溫沖擊韌性下降。同時，鋼材的可焊性、耐腐蝕性能、疲勞強度和冷彎性能也明顯下降。因此結構用鋼的含碳量不宜太高，一般不超過0.22%，在焊接結構中則應低于0.2%。

（3）硅。硅作為很強的脫氧劑加入鋼中，用以制成質量較高的鎮靜鋼。硅有使鐵液在冷卻時形成無數結晶中心的作用，因而使純鐵體的晶粒變為細小而均勻。適量的硅可以使鋼材強度大為提高，而對塑性、沖擊韌性、冷彎性能及可焊性均無明顯不良影響。一般鎮靜鋼的含硅量為0.10%～0.3%，硅含量過大（達1%左右，則會降低鋼材的塑性、沖擊韌性、抗銹性和可焊性。

（3）錳。錳是一種弱脫氧劑。適量的錳含量可以有效地提高鋼材強度，消除硫、氧對鋼材的熱脆影響，改善鋼材的熱加工性能，并能改善鋼材的冷脆傾向，而又不顯著降低鋼材的塑性和沖擊韌性。錳是我國低合金鋼的主要合金元素，含量一般為1.2%～1.6%。

（4）釩。釩可提高鋼材的強度，細化晶粒，提高淬硬性，但有時有硬化作用。它是添加合金成分，能提高鋼材強度和抗銹蝕性能，而不顯著降低塑性。

（5）硫。硫是一種有害元素。硫與鐵的化合物為硫化鐵，散布在純鐵體晶粒間層中，使鋼材的塑性、沖擊韌性、疲勞強度和抗銹性等大大降低。因此，鋼材中應嚴格控制含硫量，一般不超過0.05%.在焊接結構中不超過0.045%。

（6）磷。磷也是一種有害元素。磷和純鐵體結成不穩定的固熔體，有增大純鐵體晶粒的害處。因此，磷的含量也應嚴格控制，一般不超過0.050%，在焊接結構中不超過0.045%。

但是，磷在鋼材中的強化作用是十分顯著的，有時也利用它的這一強化作用來提高鋼材的強度。

（7）氧和氮。氧和氮也是有害元素。它們容易從鐵液中逸出，故含量甚少。

2、鋼材生產過程的影響

結構用鋼需經過冶煉、澆鑄、軋制和矯正等工序才能成材，多道工序對鋼材的材性都有—定影響。現分敘如下：

（1）冶煉。冶煉過程主要是控制鋼材的化學成分。從化學成分波動的范圍及其平均值分析結果來看，平爐鋼和頂吹氧氣轉爐鋼是很接近的。對于直接影響鋼材力學性能和內在質量的碳、錳、硫、磷含量也無明顯的差別。因此，二者冶煉的鋼材質量較好。但是，氧氣轉爐鋼具有投資少、建廠快、生產效率高、原料適應性大等優點，已成為煉鋼工業發展的主要方向。

（2）澆鑄。鋼液出爐后，先放在盛鋼液的鋼罐內，再鑄成鋼錠。由于析出的氧和鐵化合成氧化鐵，它將以雜質的形式混雜在鋼內，從而降低鋼材的力學性能，且在軋制時易產生裂縫而造成廢品。排除氧化鐵的方法是向盛鋼液的鋼罐內投入脫氧劑。根據脫氧程度的不同，鋼可分為沸騰鋼、半沸騰鋼、鎮靜鋼和特殊鎮靜鋼。

沸騰鋼是錳作為脫氧劑，由于錳的脫氧能力較差，不能充分脫氧。鎮靜鋼是硅作為主要脫氧劑，硅的脫氧能力很強，它是錳脫氧能力的5倍。鎮靜鋼的屈服點高于沸騰鋼，在煉鋼工藝相同的條件下，約高40N/mm²。Q235鎮靜鋼的屈服點最高達330N/mm²，波動范圍在284～300N/mm²。之間。鎮靜鋼與沸騰鋼相比，還具有沖擊韌性較高，冷彎性能、可焊性和抗銹蝕性較好，時效敏感性較小等優點。

半鎮靜鋼脫氧程度是介于沸騰鋼和鎮靜鋼之問，其性能也介于二者之間。

特殊鎮靜鋼是在采用錳和硅脫氧之后，再用鋁或鈦進行補充脫氧，不僅進一步減少鋼中有害氧化物，并把氮化合成非常細小的氮化鋁或氮化鈦，能明顯改善各種力學性能，提高鋼材的可焊性。

（3）軋制，軋制是將鋼錠熱軋成鋼板和型鋼。它不僅改變鋼的形狀及尺寸，而且改善了，鋼材的內部組織，從而改善了鋼材的力學性能。此外，鋼材的軋制可以細化鋼的晶粒，消除顯微組織的缺陷。

鋼材的力學性能與軋制方向有關，沿軋制方向比垂直軋制方向強度高，因此，鋼材在_定程度上不再是各向同性體，鋼板拉力試驗的試件應垂直于軋制方向切、取。

實踐證明，軋制的鋼材愈小（愈薄），其強度也愈高，塑性和沖擊韌性也愈好。

經過軋制的鋼材，由于其內部的非金屬夾雜物被壓成薄片，在較厚的鋼板中會出現分層（夾層）現象，分層使鋼材沿厚度受拉的性能大大降低。對于厚鋼板（3>40mm）還需進行z方向的材性試驗，避免在焊接或z向受力時出現層狀撕裂。

鋼材經熱軋后，由于不均勻冷卻會產生殘余應力，一般在冷卻較慢處產生拉應力，冷卻早的地方產生壓應力。