化学元素对钢结构特性的影响

化学元素对钢材性能的影响

    钢是含碳量小于2％的铁碳合金，碳大于2％时则为铸铁。钢结构所用的钢材主要为碳素钢中的低碳钢和普通低合金钢。

    碳素结构钢由纯铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占99％，碳及杂质元素约占l％。低合金结构钢中，除上述元素外还加入少量合金元素，后者总量通常不超过3％。碳及其他元素虽然所占比重不大，但对钢材性能却有重要影响。

    1)基本元素

    ①铁(Fe)：铁是钢材中最基本的元素，钢中铁元素含量一般超过97％。对于碳素钢而言，其铁素体的晶粒越细，钢的性能越好。

    ②碳(C)：碳是形成钢材强度的主要成分，是仅次于铁的主要元素。碳的含量提高，则钢材强度提高，但同时钢材的塑性、韧性、冷弯性能、可焊性及抗锈蚀能力 下降。按碳的含量区分，小于0．25％的为低碳钢，大于0．25％而小于0．6％的为中碳钢，大于0．6％的为高碳钢。钢结构用钢的含碳量一般不大于 0．22％，焊接结构为了有良好的可焊性，含碳量应不大于0．2％。所以，建筑钢结构用的钢材基本上都是低碳钢。

    2)有益元素

    ①锰(Nn)：锰能显著提高钢材的强度而不过多地降低塑性和冲击韧性。锰有脱氧作用，是弱脱氧剂。锰还能消除硫对钢材的热脆影响。碳素钢中锰是有益的杂 质，在低合金钢中它是合金元素。我国碳素钢中锰的含量在0．3％～0．8％，低合金钢在1．0％～1．7％。但锰会使钢材的可焊性降低，故应限制其含量。

    ②硅(si)：硅有比锰更强的脱氧作用，是强脱氧剂。硅能使钢材的粒度变细，适量控制可提高强度而不显著影响塑性、韧性、冷弯性及可焊性。硅的含量在碳素镇静钢中为0．12％一0．3％，低合金钢中为0．2％～0．55％，过量时则会恶化可焊性及抗锈蚀性。

    ③钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti)：钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢都含有这三种元素，作为锰以外的合金元素，既可提高钢材强度，又能保持良好的塑性、韧性。

    ④铝(灿)、铬(cr)、镍(Ni)：铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅能进一步减少钢材中的有害氧化物，而且能细化晶粒。低合金钢的C，D及E级都 规定铝含量不低于0．015％，以保证必要的低温韧性。铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390钢和Q420钢。

    3)有害元素

    ①硫(s)：硫属于杂质，能生成易于熔化的硫化铁，当热加工及焊接使温度达800～1 000℃时，可能出现裂纹，称为热脆。硫还能降低钢的冲击韧性，同时影响疲劳性能与抗锈蚀性能。因此，对硫的含量必须严加控制，一般不得超过 0．045％～0．05％，有特殊要求时，更要严格控制。

    ②磷(P)：磷既是有害元素也是能利用的合金元素。它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。在高温时也能使钢塑性降低。其含量一般控制在0．045％以内，质量等级较高的钢则含量更少。磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。

    ③氧(0)和氮(N)：氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈，一般要求其含量小于0．05％。氮能使钢冷脆，与磷作用类似，一般要求其含量小于0．08％。