化学成分及其对钢材性能的影响

第三节　钢材的组织、化学成分及其对钢材性能的影响

钢材的组织和化学成分对其性能影响甚大。

一、钢材的组织及其对钢材性能的影响

1.钢材的晶体结构

为了表明原子在空间排列的规律性，常常将构成晶体的原子抽象为几何点，称之为阵点。由这些阵点有规则地周期性重复排列所形成的三维空间陈列称为空间点阵。为了方便起见，人为地将阵点用直线连接起来形成空间格子，称之为晶格。而晶格则是描述晶体结构的最小单元。

钢的晶格有两种构架，即体心立方晶格和面心立方晶格，前者是原子排列在一个正六面体的中心及各个顶点而构成的空间格子，后者是原子排列在一个正六面体的各个顶点及六个面的中心而构成的空间格子。钢从液态变成固态时，随着温度的降低，其晶格将发生两次转变，即在大于1390℃以上的高温时，形成体心立方晶格，称为δ－Fe；温度由1390℃降至910℃的中温范围时，则转变为面心立方晶格，称为γ－Fe，此时伴随产生体积收缩；继续降至910℃以下的低温时，又转变成体心立方晶格，称为α－Fe，这时将产生体积膨胀。

晶体中原子完全为规则排列时，称为理想晶体，而实际金属并非理想结构，往往存在多种缺陷。按照几何特征，这些晶体缺陷可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类：

（1）点缺陷——主要为空位、间隙原子，如图2－10（a）。不论哪种点缺陷，均会造成晶格畸变，对钢材的性能产生影响。例如屈服强度升高、电阻增大、高温下的塑性变形和断裂等，均与点缺陷的存在和运动有关。

（2）线缺陷——通常为各种类型的位错，位错是晶体中某处有一列或若干列原子发生某种有规律的错排现象，其中最基本的为刃型位错和螺型位错。图2－10（b）所示为刃型位错。当金属中不含位错或位错密度越大，其强度越高。

（3）面缺陷——主要为晶界和亚晶界，是不同位向晶粒之间原子无规则排列的过渡层，如图2－10（c）所示。晶界上的晶格畸变在室温下对钢材的塑性变形起着阻碍作用，在宏观上表现为钢材具有更高的强度和硬度，同时也使钢材易于腐蚀和氧化。

图2－10　晶格缺陷示意图

2.钢材的基本组织

钢是以铁（Fe）为主的铁碳（C）合金，其中C含量虽很少，但对钢材性能的影响非常大。液态时铁和碳可以无限互溶，固态时根据含碳量的不同，碳可以溶解在铁中形成固溶体，也可以与铁形成化合物，或者形成机械混合物。铁碳合金在固态下主要有以下几种基本相：

（1）铁素体——C溶于α－Fe中形成的间隙固溶体，常用F表示。由于α－Fe体心立方晶格的原子间空隙小，C在其中的溶解度也较小，室温时含碳量为0.000　8%。铁素体的力学性能与工业纯铁相近，塑性、韧性很好，但强度、硬度很低。

（2）奥氏体——C溶于γ－Fe中形成的间隙固溶体，常用A表示，其溶碳能力较强。奥氏体强度、硬度不高，但塑性好，在高温下易于轧制成型。

（3）渗碳体——铁和碳形成的金属化合物Fe₃C，其含C量高达6.69%。渗碳体晶体结构复杂，硬度很高，但塑性和韧性几乎为零，是钢中的主要强化相。

（4）珠光体——铁素体和渗碳体的机械混合物，常用P表示。层状结构，塑性和韧性较好，强度较高。

（5）莱氏体——由奥氏体（珠光体）和渗碳体组成的机械混合物，常用Ld表示。其中渗碳体较多，脆性大，硬度高，塑性差。

图2－11　碳素钢基本组织相对含量与含碳量的关系

碳素钢中各相的相对含量与其含碳量关系密切，见图2－11。由图可知，当含C量小于0.8%时，钢的基本组织由铁素体和珠光体组成，其间随着含C量提高，铁素体逐渐减少而珠光体逐渐增多，钢材的强度、硬度逐渐提高而塑性、韧性逐渐降低。

当含C量为0.8%时，钢的基本组织仅为珠光体。当含C量大于0.8%时，钢的基本组织由珠光体和渗碳体组成，此后随含C量增加，珠光体逐渐减少而渗碳体相对渐增，从而使钢的硬度逐渐增大，塑性和韧性减小，且强度下降。

建筑工程中所用的钢材含碳量均在0.8%以下，既具有较高的强度，同时塑性、韧性也较好，可以很好地满足工程技术要求。

二、钢材的化学成分及其对钢材性能的影响

钢中除主要化学成分Fe以外，还含有少量的碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、磷（P）、硫（S）、氧（O）、氮（N）、钛（Ti）、钒（V）等元素，这些元素虽含量很少，但对钢材性能的影响很大。

图2－12　含碳量对碳素钢性能的影响

σ_b—抗拉强度；α_k—冲击韧性；

δ—伸长率；ψ—断面收缩率；HB—硬度

碳　碳是决定钢材性能的最重要元素，其对钢材机械力学性能的影响如图2－12所示。当钢中含碳量在0.8%以下时，随着含碳量的增加，钢的强度和硬度提高，塑性和韧性下降；但当含碳量大于1.0%时，随含碳量增加，钢的强度反而下降，这是由于渗碳体呈网状分布于珠光体晶界上，使钢变脆所致。含碳量增加，还会使钢的焊接性能变差（含碳量大于0.3%的钢，可焊性显著下降），冷脆性和时效敏感性增大，耐大气锈蚀能力下降。一般工程用碳素钢均为低碳钢，即含碳量小于0.25%，工程用低合金钢含碳量小于0.52%。

硅　硅在钢中是有益元素，炼钢过程中作为还原剂和脱氧剂。硅是我国钢筋钢的主加合金元素，可改善钢筋的综合力学性能，增加自然条件下的耐蚀性。通常碳素钢中硅含量小于0.3%，低合金钢硅含量小于1.8%。

锰　锰为有益元素，炼钢时能起脱氧去硫作用，可消减硫所引起的热脆性，使钢材的热加工性质改善，同时能提高钢材的强度和硬度。当含锰小于1.0%时，对钢的塑性和韧性影响不大。锰是我国低合金结构钢的主加合金元素，含量一般在1%～2%范围内，其主要作用是溶于铁素体中，细化珠光体组织以改善其力学性能。当含锰量达11%～14%时，称为高锰钢，具有极高的耐磨性。

磷　磷是钢中很有害的元素之一。磷含量增加，钢材的强度、硬度提高，塑性和韧性显著下降。特别是温度愈低，对塑性和韧性的影响愈大，从而显著加大钢材的冷脆性。磷也使钢材可焊性显著降低，但磷配合铜元素，可提高低合金高强度钢的耐大气腐蚀性能，但降低其冷冲压性能；与硫、锰联合使用，可改善钢的切削性。建筑用钢一般要求含磷小于0.045%。

硫　有害的元素之一，使钢的可焊性降低，并产生热脆现象。建筑钢材要求硫含量应小于0.045%。

氧　有害元素，主要存在于非金属夹杂物中，少量溶于铁素体内。非金属夹杂物降低了钢的机械性能，特别是韧性。氧有促进时效倾向的作用。氧化物所造成的低熔点亦使钢的可焊性变差。通常要求钢中含氧应小于0.03%。

氮　氮具有不明显的固溶强化及提高淬透性的作用，提高蠕变强度，但塑性特别是韧性显著下降。表面渗氮，还可提高硬度和耐磨性，增加抗蚀性。在用铝或钛补充脱氧的镇静钢中，氮主要以氮化铝或氮化钛等形式存在，这时可减少氮的不利影响，并细化晶粒，改善性能。故在铝、铌、钒等元素的配合下，氮可作为低合金钢的合金元素使用。钢中氮含量一般小于0.008%。

钛　钛是强脱氧剂，能细化晶粒，显著提高钢的强度，并可减少时效倾向，改善焊接性能。钛是常用的微量合金元素。

钒　钒是优良脱氧剂，固溶于铁素体中，具有极强的固溶强化作用，可减弱碳和氮的不利影响，细化晶粒，有效地提高强度和韧性，减小时效敏感性，但有增加焊接时的淬硬倾向。化合态存在的钒将降低钢的淬透性，但会明显提高其耐磨性。钒也是合金钢常用的微量合金元素。