建筑钢材性能受化学元素影响：判定结果

任务目标

1.能够描述建筑钢材的主要化学成分。

2.能够判定建筑钢材主要化学成分对建筑钢材性能的影响。

基本知识

建筑钢材中铁是最基本的元素，约占化学成分的98%或更高，其冶炼的过程是把熔融的生铁进行氧化，使碳含量降低到预定的范围，其他杂质降低到允许范围。在冶炼过程中，由于氧化作用时部分铁被氧化，钢在熔炼过程中不可避免有部分氧化铁残留在钢水中，降低了钢的质量。因此，在炼钢后期精炼时，需在炉内或钢包中加入脱氧剂[锰（Mn）、硅（Si）、铝（Al）、钛（Ti）]进行脱氧处理，使氧化铁还原为金属铁。因此，钢材由于原料、燃料、冶炼过程等因素，使其含有大量的除铁外的其他元素，如硅、硫、磷、氧等，而合金钢为了改性也会有意加入一些元素，如锰、硅、矾、钛等，这些元素虽然含量少，但对钢材性能有着不同的影响。

1.碳元素

碳是仅次于铁的主要元素，它直接影响钢材的强度、塑性、韧性和焊接性能等。当钢中含碳量在0.8%以下时，随着含碳量的增加，钢材的强度和硬度提高，而塑性和韧性降低；但当含碳量在1.0%以上时，随着含碳量的增加，钢材的强度反而下降。随着含碳量的增加，钢材的焊接性能变差（含碳量大于0.3%的钢材，可焊性显著下降），冷脆性和时效敏感性增大，耐大气锈蚀性下降。

2.磷元素和硫元素

通常磷和硫是有害元素，其中，磷是钢中难去除的有害杂质，会引起钢的冷脆性增加并损坏钢的焊接性能。造成“冷脆”的原因是磷会形成硬脆化合物Fe2P。另外，磷能提高切削性能和抗蚀性，故在易切削或耐候钢中可适当增加磷含量。硫主要来自炼钢原料，炼钢时难以除尽。硫在钢中是以硫化物夹杂形式存在，对钢的塑性、韧性、焊接性能、厚度方向性能、疲劳性能和耐腐蚀性都有不利影响。其中危害最大是与铁生成FeS，并形成Fe·FeS二元低熔点共晶体，造成钢在800℃～1 200℃时变脆而易于开裂，即产生热脆性。

3.氧元素和氮元素

氧是有害杂质元素，在钢中氧几乎全部以氧化物的形式存在，钢中各种氧化物的总量随着含氧量增加而增加，这些氧化物杂质对钢材力学性能等各方面均有不利的影响。氮对钢材性能的影响与碳、磷相似，随着氮含量的增加，可使钢材的强度显著提高，塑性特别是韧性也显著降低，可焊性变差，冷脆性加剧；同时，增加时效倾向及冷脆性和热脆性，损坏钢的焊接性能及冷弯性能。因此，应该尽量减小和限制钢中的含氮量。一般规定氮含量应不高于0.018%。

4.硅元素和锰元素

硅是一种脱氧剂，其脱氧作用比锰强，是钢中的有益元素。硅含量较低时，能提高钢材的强度，而对塑性和韧性无明显影响，但是当硅含量超过0.8%时，则塑性下降，特别是冲击韧性显著降低。锰是作为脱氧除硫的元素加入钢中的，是钢中的有益元素。锰具有很强的脱氧去硫能力，它可以和硫结合形MnS，从而在相当大程度上消除硫的有害影响，显著改善钢材的热加工性能。

5.铝、钛、铌元素

铝能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能；钛是强脱氧剂，它能使钢的内部组织致密，细化晶粒；铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。

任务准备

计算机、演示文稿等。(www.xing528.com)

任务组织

（1）五人一组，其中一名学员担任组长，负责组织其余学员在日常生活、学习中，通过网络下载或拍照收集不同建筑钢材的图片。

（2）每组按照各自收集的不同建筑钢材的图片，介绍、讲解其主要化学成分，并判定相关化学成分对建筑钢材相关性能的影响。

（3）每组完成后，其他组同学对其进行点评和补充。

注意事项

（1）主讲人注意着装、语言组织与表达、体态表达。

（2）注意组员之间的团队协作与沟通。

（3）鼓励团队构思创意、自主创新，在遇到问题时可以打破常规，寻求解决问题的新路径。

（4）注意在能力训练过程中追求精益求精，培养工匠精神。

微课：钢材化学成分及其对钢材性能的影响

任务训练流程

实训项目：化学元素对建筑钢材性能影响的判定

问题情景

建筑钢材中碳元素对建筑钢材性能的影响有哪些？

当含碳量低于0.8%时，随着含碳量的增加，钢的抗拉强度和硬度提高，而塑性及韧性降低。