不同化學元素對建筑鋼材性能影響分析

原 超

(山西安信建設工程檢測有限公司，山西 晉城 048000)

1 建筑鋼材使用現狀

建筑鋼材是建筑的骨架，不同的鋼材性能對建筑的品質有著不同的影響，而鋼材中不同化學元素含量對鋼材的力學性能起著至關重要的作用。我國建筑鋼材按金相組織分類主要有：普通碳素結構鋼、低合金結構鋼等。普通碳素結構鋼其含碳量在0.25%以下，中碳鋼其碳素含量在0.25%～0.6%，高碳鋼碳素含量大于0.6%，其中，以Q195、Q215、Q235等在建筑領域使用較多。低合金結構鋼是指合金成分總量在5%以下的合金結構鋼。這種鋼的含碳量與低碳鋼相似，主要靠少量合金元素進行強化、改善韌性和可焊性。

2 鋼材中元素分析方法

2.1 對實驗樣品進行定性分析

鋼材中化學元素對鋼材的性能有著至關重要的影響，可以通過光學顯微鏡分析、掃描電子顯微鏡分析、投射電子顯微鏡分析、室溫拉伸試驗、X射線衍射分析、拉曼光譜分析等方法對樣品材料進行定性觀測分析。本文主要通過投射電子顯微鏡對鋼材中化學元素進行分析。

透射式電子顯微鏡，是以波長極短的電子束作為照明源，用電磁透鏡聚焦成像的一種高分辨率、高放大倍率的電子光學儀器[1]。可用來觀察分析樣品的超微結構。透射電鏡技術最早應用于醫學方面，主要觀察一些病理切片，從而進行病理變化分析[2]。隨著現在科技的發展，透射電鏡廣泛的用于材料中化學元素的檢測。目前透射電子顯微鏡可以看到小于0.2 μm的細微結構。

本次實驗選用的是德國蔡司Libra200型高分辨透射電子顯微鏡，對建筑中常用的低合金結構鋼Q345進行分析。首先，對樣品進行拉伸處理，對拉伸變形后的樣品截取距離斷口10 mm范圍的試樣，將試樣通過SiC金相砂紙研磨至100 μm左右，放置于圓形沖樣器上，沖壓成直徑為Φ3 mm的圓片狀樣品，將樣品繼續通過SiC金相砂紙研磨至50 μm，后通過雙噴電解減薄設備對處理好的樣品進行減薄處理。所用的電解雙噴液為10%HClO4+90%C2H5OH溶液，減薄電壓為30 V，處理前利用液氮將電解液溫度降至-20 ℃，利用投射電鏡可以觀察拉伸樣品變形前、后的顯微組織、變形亞結構和通過選區電子衍射分析組織中的析出相的種類等。

2.2 對實驗樣品進行定量分析

對材料中的元素進行化學檢測主要是通過原子吸收法、分光分度法、化學分析法等。本文選用ICP光譜法對實驗樣品進行分析檢測，ICP法具有準確度、高檢出限低以及線性范圍寬等優點，廣泛用于鋼材中元素檢測。

檢測前對樣品進行預處理，對照標準將各類試劑進行稀釋處理，得到相應濃度的標準使用溶液，后用硝酸對標準使用溶液進行酸化處理。處理好后通過等離子檢測儀對樣品進行檢測，通過儀器數據庫選取相應標準譜線，通過光譜信背比確定最佳功率條件。確定好條件后在儀器穩定工況下對樣品進行檢測，以多點方式繪制檢測曲線。

3 不同元素對鋼材性能的影響

本實驗選取6種不同性能的鋼材進行分析對照，其主要由Fe、Mn、Al、C四種元素組成。其中，6種實驗鋼分為2組，第一組中Mn質量分數都為20%，Al質量分數為8%，C質量分數分別為0.25%、0.35%、0.45%。第二組中C質量分數為0.25%，Al質量分數為5.5%，Mn質量分數分別為10.0%、13.0%、16.0%。分別對兩組實驗鋼材進行實驗。

3.1 碳元素對鋼組織的影響

分別將C質量分數為0.25%、0.35%、0.45%的鋼材料標注為C1、C2、C3。對其研磨拋光后在4%的硝酸酒精中化學刻蝕45 s，通過透射電鏡進行觀察，如圖1～圖3。

圖1 C1鋼材料的組織形貌

圖2 C2鋼材料的組織形貌

圖3 C3鋼材料的組織形貌

從圖1～圖3中可以看出，C1鋼鐵素體條帶明顯比較粗大，且所占區域面積大于奧氏體，奧氏體條帶的分布不是很均勻，而且奧氏體的晶界明顯，晶粒尺寸相對較小，并伴隨著少量的孿晶組織。隨著含碳量增加，其C2中奧氏體和鐵素體分布均勻，奧氏體晶粒增大，其孿生晶體叫C1也有一定增加。隨著含C量繼續增加C3中鐵素體減少，奧氏體增加明顯。相較于C1和C2鐵素體體積變得細長，奧氏體晶粒較大。

3.2 碳、錳含量對鋼材料延伸率的影響

將C1、C2、C3鋼材在800 ℃固溶處理5 min后室溫拉伸，拉伸所采用的應變速率為1.67×10-3s-1。

從圖4中可以看出，隨著碳元素占比逐漸增加，其延伸率也逐步增大，這是由于，碳含量增加可以促進晶粒的再結晶和生長，而且奧氏體比鐵素體具有更好的形變能力，碳含量增加使奧氏體占比更大，從而增加的奧氏體提高了實驗鋼材的塑性形變能力[3-5]。

從圖5中可以看出，隨著錳元素占比的增加，延伸率逐漸降低，這是因為，在析出過程中逆變奧氏體合金含量不足，在室溫中不能穩定存在變為馬氏體，馬氏體塑性較差，大大降低了實驗鋼的延伸率[5]。

圖4 C元素占比和延伸率的關系

圖5 Mn元素占比和延伸率的關系

3.3 碳含量對鋼材料強度的影響

所選條件與3.1相同，對實驗鋼材進行強度測試。

從第33頁圖6中可以看出，隨著碳元素占比增加，實驗鋼材的最高拉伸強度隨之增加。因為，隨著碳元素增加，鋼材中有著更多的奧氏體，且奧氏體晶粒在一定范圍內增大，晶界面積開始增大，晶界強化作用增強，并且可以更早的結晶和再結晶，這樣可以在一定范圍內提升鋼材料的強度。

從第33頁圖7中可以看出，隨著錳元素占比的增加，實驗鋼材的最高拉伸強度隨之減小。主要原因為，錳元素可以使奧氏體組織冷卻后在室溫中穩定存在，奧氏體缺乏分解析出相，析出的強化作用消失。且錳含量增加增大了奧氏體的體積分數，其相對碳含量隨之降低，促進兩相組織生長，晶界面積減少，強化作用增強。

圖6 C元素占比和最高拉伸強度關系

圖7 Mn元素占比和最高拉伸強度關系

3.4 碳、錳含量對鋼材料密度的影響

利用Sartorius BP211D電子分析天平分別測量實驗鋼在空氣與水中的質量。利用式(1)～式(3)計算出相應的密度。

ρ測V=M空g

(1)

ρ水V=(M空-M水)g

(2)

ρ測=M空ρ水/(M空-M水)

(3)

其中，ρ測為實驗用鋼密度，kg/m3；M空為實驗鋼在空氣中的質量，kg；M水為實驗在水中的質量，kg；ρ水為水的密度，kg/m3；g為重力系數，取9.8 N/kg。

將測得的試驗數據代入公式中，計算出設計的兩類輕質鋼的密度。

從圖8～圖9中可以看出，隨著碳元素增加，實驗鋼的密度隨之降低，密度下降最低為13.5%，最高為14.7%。隨著錳元素增加，實驗鋼的密度隨著降低，但降低幅度較小，最低8.5%，最高10.3%，說明添加碳元素對鋼材的輕量化有著一定的作用。

圖8 C元素占比和密度關系

圖9 Mn元素占比和密度關系

4 結論

本文通過實驗得出鋼材料隨著碳元素在一定范圍內增加其延伸性、強度隨之增加，密度降低，可以提高鋼材的力學性能。表明碳元素可以促進奧氏體的形成，穩定奧氏體。鋼材隨著錳元素在一定范圍內增加其延伸率、強度、密度都隨之降低。錳元素在鋼材中可以擴大奧氏體相區，穩定奧氏體組織，提高鋼材的錯能層。本文對建筑鋼材的設計制造有一定的參考意義。