钢的晶体组织和化学成分及其影响

（1）钢的基本晶体组织及对钢材性能的影响

钢是一种多晶体材料。单晶体具有各向异性的特征，而多晶体则为各向同性。钢的宏观力学性能由其内部晶体结构和化学成分所决定。

1）纯铁的晶格类型

钢是铁和碳的合金晶体，其中铁元素是最基本的成分，在钢中起着决定作用。因此，认识钢的本质先从纯铁开始，再研究铁和碳的相互作用。

晶格是晶体结构中的最小单元，纯铁的晶格有两种类型，即体心立方晶格和面心立方晶格。前者是铁原子的排列在正六面体的中心及各个顶点而构成空间格子，后者是铁原子排列在正六面体的八个顶点及六个面的中心构成的空间格子，如图8.1所示。

随着温度的变化，纯铁内部的原子排列也会发生变化。在常温下，纯铁呈体心立方晶体构造，这种铁称为α-Fe，如图8.1（a）所示。在910~1 390℃的温度范围中呈面心立方晶格，如图8.1（b）所示。

图8.1　晶格构造

2）钢的基本晶体组织

由于铁原子和碳原子的结合方式不同而形成不同形态的聚合体，称作晶体组织；在显微镜下能观察到它们的微观形貌图像，故也称为显微组织。

铁原子和碳原子之间的结合有三种基本形式：固溶体、化合物和二者的机械混合物。碳素钢在常温下形成的基本晶体组织有如下几种：

①铁素体

铁素体是碳溶于α-Fe晶格中的固溶体。它仍保持纯铁的晶格。由于α-Fe体心立方晶格的原子空隙很小，故溶碳能力较差，常温下最大能溶入0.006%的碳，基本上是纯铁。因此，铁素体的强度、硬度低，但塑性和韧性很好。

②渗碳体

渗碳体是铁和碳的化合物（Fe3C），其含碳量高达6.67%，其晶体结构复杂，性质硬脆，塑性差，抗拉强度低。(www.xing528.com)

③珠光体

珠光体是铁素体和渗碳体组成的机械混合物，含碳量0.8%，为层状结构。其中铁素体与渗碳体相间分布，二者既不互溶，也不化合，各自保持原有的晶格和性质，并有珍珠似的光泽。珠光体塑性好，强度和硬度高。

土木工程中所用的钢材，含碳量均在0.8%以下，其基本晶体组织是由铁素体和珠光体组成，而无渗碳体。所以，钢材具有较高的强度，同时塑性和韧性也较好，从而能满足工程的要求。

（2）化学成分对钢性能的影响

钢中除主要成分铁外，还含有少量的碳（C）、硅、锰、磷、硫、氧、氮、钛、钒等元素，含量虽少，但对钢的性能影响很大，分述如下：

①碳。碳主要以碳化物形式存在于钢中，是决定钢材性能的主要元素。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硅。硅是在炼钢时为脱氧而加入的。当钢中含硅量小于1.0%时，能显著提高钢的强度，而对塑性及韧性没有明显影响。硅是我国钢筋用钢的主加合金元素。

③锰。锰是炼钢时为脱氧去硫而加入的。锰能消减硫和氟引起的热脆性，改善热加工性。当含锰量为0.8%~1.0%时，可显著提高钢的强度和硬度，几乎不降低钢的塑性和韧性。锰为我国低合金钢的主加合金元素。

④磷。磷是钢中有害杂质，从炼铁原料中带入，其最大危害是使钢的冷脆性显著增加，低温下的冲击韧性下降，可焊性降低。

⑤硫。硫是很有害的杂质，从炼铁原料中带入，能使钢的热脆性显著提高，热加工性和可焊性明显降低。

⑥氧。氧是钢中有害杂质，主要存在于非金属夹杂物内，少量溶于铁素体中。非金属夹杂物能使钢的机械性能下降，特别是热脆性增加，韧性下降。氧还有促进时效倾向的作用。氧化物所造成的低熔点使钢的可焊性变差。

⑦氮。氮主要嵌溶于铁素体中，也可呈化合物形式存在。氮对钢性质的影响与碳、磷相似，使钢的强度提高，塑性及韧性显著下降。氮还可加剧钢的时效敏感性和冷脆性，降低可焊性。

⑧钛。钛是强脱氧剂，能细化晶粒，显著提高强度和改善韧性。钛还能减少时效倾向，改善可焊性。

⑨钒。钒是弱脱氧剂，钒加入钢中可减弱碳和氮的不利影响，能细化晶粒，有效地提高强度，减小时效敏感性，但有增加焊接时的淬硬倾向。