各種因素對鋼材性能的影響
一、化學成分
建築鋼結構用鋼,不論是碳素結構鋼或低合金結構鋼,都是含碳量小於0.25%的鐵碳合金,其中鐵是最基本的元素,約佔化學成分的98%或更高數值,但影響鋼材材質的卻是含量僅為百分之幾的其他元素,包括有碳、各種合金元素和雜質元素,它們對鋼材材質的影響有正負兩方面作用,既有增加強度功能,同時往往對鋼材的塑性、韌性有不利影響,只有少量的合金元素,其負面效應甚微。
碳素結構鋼,常規的化學成分分析是指碳、硅、錳、硫、磷(n、S、P)五元素。其中碳是形成鋼材強度的主要元素,並直接影響鋼材的可焊性,隨著含碳量的增加,鋼材的硬度和耐磨性、屈服點和抗拉強度都將提高,但塑性和韌性,尤其是負溫衝擊韌性下降很多,冷彎性能明顯下降,可焊性惡化,因此鋼結構選用鋼材的含碳量不宜太高,一般不應超過0.22%,對於焊接結構的鋼材,更須控制含碳量和碳當量硅(Si)通常作為脫氧劑加人普通碳素鋼中,用以治煉質量較高的鎮靜鋼.適量的硅對鋼材的塑性、衝擊韌性、冷彎及可焊性均無顯著的不良影響。一般鎮靜鍋的含硅量為0.10%~0.30%,半鎮靜鋼的含硅量為0.05%~0.10%,而沸騰鋼的含硅量只有痕迹(不大於0.07%)。
錳(Mn)是一種弱脫氧劑,適當的含錳量可以有效地增加鋼材的強度、硬度和耐磨性,同時又能消除硫、氧對鋼材的熱脆影響,但若含量過高,冷裂放形成傾向將成為主要問題,所以含錳量有上限限制.
我國碳素結構鋼的含錳量范固為0.25%-0.80%,鋼材成品的允許偏差是+0.05%和-0.03%硫(S)和磷(P)在碳素結構鋼中都屬於雜質,是有害元素。硫的存在可能導致鋼材的熱脆現象,同時硫又是鋼中偏析最嚴重的雜質之一,片狀硫化物的夾液存在,常常是鋼板產生層狀撕裂的原因,因此,質量愈好的鋼材對含硫量控制愈嚴格,一殷情況,含硫量應小於0.05%,要求最嚴格的可低於0.008%。磷的存在雖可提尚鋼材的強度和抗腐蝕性能,但會嚴重降低鋼材的塑性、衝擊韌性、冷彎性能和可焊性,特在低溫時,使鋼材變得很脆(冷脆性)。磷亦是一個易於偏析的元素,比硫的偏析還嚴重,因此磷的含量也必須嚴格限制,不應超過0.045%。但值得一提的是,當銅、磷兩元素在鋼中共有時,其弊端會相互抵消,再適當降低含碳量(C≤0.12%)後,其強度、韌性、可焊性等均有較好實現,銅磷鋼是在國內外現在都已得到公認的耐候鋼系列之一,其含磷量可高達0.07%~0.15%。低合金結構鋼中的合金元素以錳(Mn)、釩(V)、鈮(Nb)、鈦(T)和鉻(Cr)、鎳(Ni)等為主。釩、鈮、鈦等元素全屬添加元素,都能明顯提高鋼材強度,細化晶粒改善可焊性。
鎳和鉻屬於殘餘元素,是來自廢鋼中的合金元素,都是不鏽鋼的主要元素,能提高強度淬硬性、耐性等綜合性能,但對可焊性不利。為改善低合金結構鋼的性能,尚允許加入少量鉬(Mo)和稀土(RE)元素,可改善其綜合性能作為常用脫氧劑成分的鋁元素,既能脫氧又能脫氮,並有細化晶粒、提高韌性、減小時效傾向性的功能。國家標準中要求,當將鋁元素視為細化品粒元素時,則鋼的化學成分中酸溶鋁含量不小於0.015%或全鋁含量不小於0.20%.
二、冶煉、軋制過程
建築結構鋼主要由氧氣轉爐和平爐來冶煉,電爐由於生產成本高,適用於冶煉質量高要求的鋼號。從化學成分波動的範圍及其平均值結果來看,平爐鋼和氧氣轉爐鋼是很接近的,可以認為這兩種方法冶煉的鋼,在化學成分和各項性能上基本相同,所以國家標準中都明確規定「除非需方有特殊要求,冶煉方法一般由供方選擇。」鋼在冶煉過程中生成有氧化鐵及其固溶體等雜質,均會增加鋼的熱脆性,使鋼的軋制性能變壞,在冶煉快結束時,鋼水中含氧量較高(約在0.02%~0.07%之間),澆鑄前需對鋼水進行脫氧,使之與氧化鐵反應生成氧化物後隨鋼渣排出。由於所用脫氧方法、脫氧劑的種類和數量不同,最終脫氧效果也差別很大,形成有鎮靜鋼、半鎮靜鋼和沸騰鋼的區別。
沸騰鋼一般用錳脫氧,在鋼水中加入錳鐵時,由於錳是弱脫氧劑,脫氧不充分,鋼水中氧化鐵和碳作用形成一氧化碳和氧、氮等氣體從鋼中逸出,鋼水劇烈沸騰故稱為沸騰鋼。沸騰鋼鑄錠時,氧、氮等氣體來不及逸出面被包圍在鋼錠中,使鋼材構造和晶粒不勻,含有較多的氧化物夾雜,其化學元素偏析程度亦較大,增加了鋼材的時效敏感性和冷脆性。
鎮靜鋼一般用硅為脫氧劑,對質量要求高的鋼,尚可在用硅脫氧後再用鋁或鈦進行補充脫氧。硅的脫氧能力較強,鋁和鈦則更強,硅的脫氧能力是錳的5.2倍,而鋁的脫氧能力是錳的90倍,當在鋼水中投入錳和適量的硅作脫氧劑,鋼水中氧化鐵絕大部分被還原,很少能再和碳化合析出一氧化碳氣體,同時脫氧還原過程放出大量熱量,使鋼錠冷卻級慢,鋼中有害氣體容易逸出,澆鑄時鋼水表面平靜,稱之為鎮靜鋼。鎮靜鋼組織緻密氣泡少,偏析程度小,含非金屬夾雜物亦較少。鎮靜鋼具有較高的衝擊韌性、較小的時效敏感性和冷脆性。脫氧程度介於沸騰鋼和鎮靜鋼之間的鋼稱為半鎮靜鋼。它是用較少的硅進行脫氧,脫氧劑的用量約為鎮靜鋼的1/2~1/3。半鎮靜鋼的性能大大地優於沸騰鋼,其強度和塑性完全符合標準要求,縱向軋制鋼材的均勻性不次於鎮靜鋼。但影響半鎮靜鋼材質的因素比較複雜,需要有相當成熟的操作經驗。當對鋼材的夾雜限制很嚴時,還可採用如真空處理一類的爐外精鍊的方法。真空處理是將鋼水處於真空環境中,其所含氧、氫、氮等均能很快逸出,而且還不像脫氧劑那樣形成渣。
鋼錠的熱軋過程不僅改變鋼的外形及尺寸,也改變了鋼的內部組織及其性能。熱軋過程始於120~1300℃高溫,終止於900~1000℃c在壓力作用下,鋼錠中的小氣泡、裂紋等缺陷會焊合起末,使金屬組織更緻密。軋制過程破壞鋼錠的鑄造組織、細化品粒並消除顯徽組織缺陷,顯然,軋制鋼材比鑄鋼具有更高的力學性能。軋制型材規格愈小,一般來說強度愈高,而幾塑性及衝擊韌性也比較好,這是因為小型材的軋制壓縮比大的緣故。如軋制時壓縮比過小,成品厚度較大,停軋溫度過高,則在隨後的冷卻過程中會形成降低強度和塑性的金相組織;如停軋溫度過低,將增加鋼的冷脆傾向,並由於形成帶狀組織而破壞鋼的各向同性的性質。
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三、熱處理
鋼的熱處理就是將鋼在固態範圍內施以不同的加熱、保溫和冷卻,藉以改變其性能的種工藝。根據加熱和冷卻方法的不同,熱處理可分為很多種類,與建築鋼結構(包括其所用鋼材)有關的大致有以下幾種
(1)退火處理:退火種類很多,大體上可分為重結晶退火和低溫退火兩類。重結晶退火是將鋼加熱到相變臨界點以上30~50℃,保溫一段時間,然後緩慢冷卻(隨爐冷卻、坑冷、灰冷)到500℃以下後,在空氣中冷卻。退火是一種時間漫長的熱處理工藝,其目的是細化晶粒、降低硬度、提高塑性、消除組織缺陷和改善力學性能等。低溫退火是將鋼加熱到相變臨界點以下(500~650℃),保溫一段時間後緩冷到300-200℃以下出爐,鋼在這個過程中無組織變化,消除內應力的處理即屬低溫退火。
(2)正火處理:將鋼加熱到臨界點(AC3)以上30~50℃,保溫一段時間,進行完全奧氏體化,然後在空氣中冷卻。正火與退火的加熱條件相同,只是冷卻條件不同,正火在空氣中冷卻速度要快於回火,故正火鋼有較高的強度和硬度,甚至有較大的塑性和韌性正火的目的是細化晶粒、消除缺陷、改善性能,故對於碳素結構鋼、低合金結構鋼均可以正火處理狀態交貨。
(3)淬火處理:將鋼材加熱到相變臨界點以上(一般為900℃以上),保溫一段時間然後在水或油等冷卻介質中快速冷卻,使奧氏體組織轉變為馬氏體,得到高硬度、高強度,但需要隨後的回火處理,以獲得良好的綜合力學性能。
(4)回火處理:將淬火鋼重新加熱到相變臨界點以下的預定溫度,保溫預定時間,然後冷卻。這種操作稱為回火處理,其日的是減小淬火生成的內應力、促使金相組織獲得充分的轉變,減小淬火鋼的脆性。淬火鋼回火後的力學性能,取決於回火溫度和時間,可依據需要分別選擇低溫回火(150~200℃)、中溫回火(300-500℃)和高溫回火(500650℃)。鋼材的淬火加高溫回火的綜合操作稱為調質,調質處理可讓鋼材獲得強度、塑性和韌性都較好的綜合性能。對於高強度鋼材,如現行國家標準《低合金高強度結構鋼》中的Q420、Q460的C、D、E級鋼,其交貨狀態中包括有淬火加回火的狀態,《焊接結構用耐候鋼》標準中Q460NH也可有淬火加回火狀態交貨。其他強度級別一般只是熱軋、控軋或正火處理狀態
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