钢材组成对性能有何影响

1.钢材的组成

钢是铁碳合金，除铁、碳外，由于原料、燃料、冶炼过程等因素使钢材中存在大量的其他元素，如硅、氧、硫、磷、氮等，合金钢是为了改性而有意加入一些元素，如锰、硅、钒、钛等。

钢材中铁和碳原子结合有三种基本形式：固溶体、化合物和机械混合物。固溶体是以铁为溶剂，碳为溶质所形成的固体溶液，铁保持原来的晶格，碳溶解其中；化合物是Fe、C化合成化合物（Fe₃C），其晶格与原来的晶格不同；机械混合物是由上述固溶体与化合物混合而成。所谓钢的组织就是由上述的单一结合形式或多种形式构成的，具有一定形态的聚合体。钢材的基本组织有铁素体、渗碳体和珠光体三种。

（1）铁素体是碳在铁中的固溶体，由于原子之间的空隙很小，对碳的溶解度也很小，接近于纯铁，因此它赋予钢材以良好的延展性、塑性和韧性，但强度、硬度很低。

（2）渗碳体是铁和碳组成的化合物Fe₃C，含碳量达6.67%，性质硬而脆，是碳钢的主要强度组分。

（3）珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，其强度较高，塑性和韧性介于上述两者之间。

三种基本组织的成分及力学性质见表7-2。

表7-2 三种基本组织的成分及力学性质

当C含量为0.8%时全部具有珠光体的钢称为共析钢；当C含量低于0.8%时的钢称为亚共析钢；当C含量高于0.8%时的钢称为过共析钢。建筑钢材都是亚共析钢。钢材共析、含碳量与组织成分的关系见表7-3。

表7-3 钢材共析、含碳量与组织成分的关系

2.化学成分对钢材性质的影响

（1）碳。碳是决定钢材性质的主要元素。

含碳量对热轧碳素钢性质的影响如图7-7所示。随着含碳量的增加，钢材的强度和硬度相应提高，而塑性和韧性相应降低。当含碳量超过1%时，钢材的极限强度开始下降。此外，含碳量过高还会增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气腐蚀性和可焊性。(www.xing528.com)

（2）磷、硫。磷与碳相似，能使钢的屈服点和抗拉强度提高，

图7-7 含碳量对热轧碳素钢性质的影响

σ_b—抗拉强度 a_k—冲击韧性 HB—硬度 δ—伸长率 ϕ—断面收缩率

塑性和韧性下降，显著增加钢的冷脆性，磷的偏析较严重，焊接时焊缝容易产生冷裂纹，所以磷是降低钢材可焊性的元素之一。因此在碳钢中，磷的含量有严格的限制，但在合金钢中，磷可改善钢材的抗大气腐蚀性，也可作为合金元素。

硫在钢材中以FeS形式存在，FeS是一种低熔点化合物，当钢材在红热状态下进行加工或焊接时，FeS已熔化，使钢的内部产生裂纹，这种在高温下产生裂纹的特性称为热脆性。热脆性大大降低了钢的热加工性和可焊性。此外，硫偏析较严重，降低了冲击韧性、疲劳强度和抗腐蚀性，因此在碳钢中，也要严格限制硫含量。

（3）氧、氮。氧和氮都能部分溶于铁素体中，大部分以化合物形式存在。这些非金属夹杂物，降低了钢材的力学性能，特别是严重降低了钢的韧性，并能促进时效，降低可焊性，所以在钢材中氧和氮都有严格的限制。

（4）硅、锰。硅和锰是在炼钢时为了脱氧去硫而有意加入的元素。由于硅与氧的结合能力很大，因而能夺取氧化铁中的氧形成二氧化硅进入钢渣中，其余大部分硅溶于铁素体中，当含量较低时（＜1%），可提高钢的强度，对塑性、韧性影响不大。锰对氧和硫的结合力分别大于铁对氧和硫的结合力，因此锰能使有害的FeO、FeS分别形成MnO、MnS而进入钢渣中，其余的锰溶于铁素体中，使晶格歪扭阻止滑移变形，显著地提高了钢的强度。

总之，化学元素对钢材性能有着显著的影响，因此在钢材标准中都对主要元素的含量加以规定。化学元素对钢材性能的影响见表7-4。

表7-4 化学元素对钢材性能的影响

（续）

注：本表中↑表示提高，↑↑表示显著提高；↓表示降低，↓↓表示显著降低。