第三節(jié)　鋼材的組織、化學(xué)成分及其對(duì)鋼材性能的影響

鋼材的組織和化學(xué)成分對(duì)其性能影響甚大。

一、鋼材的組織及其對(duì)鋼材性能的影響

1.鋼材的晶體結(jié)構(gòu)

為了表明原子在空間排列的規(guī)律性，常常將構(gòu)成晶體的原子抽象為幾何點(diǎn)，稱之為陣點(diǎn)。由這些陣點(diǎn)有規(guī)則地周期性重復(fù)排列所形成的三維空間陳列稱為空間點(diǎn)陣。為了方便起見，人為地將陣點(diǎn)用直線連接起來形成空間格子，稱之為晶格。而晶格則是描述晶體結(jié)構(gòu)的最小單元。

鋼的晶格有兩種構(gòu)架，即體心立方晶格和面心立方晶格，前者是原子排列在一個(gè)正六面體的中心及各個(gè)頂點(diǎn)而構(gòu)成的空間格子，后者是原子排列在一個(gè)正六面體的各個(gè)頂點(diǎn)及六個(gè)面的中心而構(gòu)成的空間格子。鋼從液態(tài)變成固態(tài)時(shí)，隨著溫度的降低，其晶格將發(fā)生兩次轉(zhuǎn)變，即在大于1390℃以上的高溫時(shí)，形成體心立方晶格，稱為δ－Fe；溫度由1390℃降至910℃的中溫范圍時(shí)，則轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎骄Ц?，稱為γ－Fe，此時(shí)伴隨產(chǎn)生體積收縮；繼續(xù)降至910℃以下的低溫時(shí)，又轉(zhuǎn)變成體心立方晶格，稱為α－Fe，這時(shí)將產(chǎn)生體積膨脹。

晶體中原子完全為規(guī)則排列時(shí)，稱為理想晶體，而實(shí)際金屬并非理想結(jié)構(gòu)，往往存在多種缺陷。按照幾何特征，這些晶體缺陷可分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷三類：

（1）點(diǎn)缺陷——主要為空位、間隙原子，如圖2－10（a）。不論哪種點(diǎn)缺陷，均會(huì)造成晶格畸變，對(duì)鋼材的性能產(chǎn)生影響。例如屈服強(qiáng)度升高、電阻增大、高溫下的塑性變形和斷裂等，均與點(diǎn)缺陷的存在和運(yùn)動(dòng)有關(guān)。

（2）線缺陷——通常為各種類型的位錯(cuò)，位錯(cuò)是晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生某種有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象，其中最基本的為刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。圖2－10（b）所示為刃型位錯(cuò)。當(dāng)金屬中不含位錯(cuò)或位錯(cuò)密度越大，其強(qiáng)度越高。

（3）面缺陷——主要為晶界和亞晶界，是不同位向晶粒之間原子無規(guī)則排列的過渡層，如圖2－10（c）所示。晶界上的晶格畸變?cè)谑覝叵聦?duì)鋼材的塑性變形起著阻礙作用，在宏觀上表現(xiàn)為鋼材具有更高的強(qiáng)度和硬度，同時(shí)也使鋼材易于腐蝕和氧化。

圖2－10　晶格缺陷示意圖

2.鋼材的基本組織

鋼是以鐵（Fe）為主的鐵碳（C）合金，其中C含量雖很少，但對(duì)鋼材性能的影響非常大。液態(tài)時(shí)鐵和碳可以無限互溶，固態(tài)時(shí)根據(jù)含碳量的不同，碳可以溶解在鐵中形成固溶體，也可以與鐵形成化合物，或者形成機(jī)械混合物。鐵碳合金在固態(tài)下主要有以下幾種基本相：

（1）鐵素體——C溶于α－Fe中形成的間隙固溶體，常用F表示。由于α－Fe體心立方晶格的原子間空隙小，C在其中的溶解度也較小，室溫時(shí)含碳量為0.000　8%。鐵素體的力學(xué)性能與工業(yè)純鐵相近，塑性、韌性很好，但強(qiáng)度、硬度很低。

（2）奧氏體——C溶于γ－Fe中形成的間隙固溶體，常用A表示，其溶碳能力較強(qiáng)。奧氏體強(qiáng)度、硬度不高，但塑性好，在高溫下易于軋制成型。

（3）滲碳體——鐵和碳形成的金屬化合物Fe₃C，其含C量高達(dá)6.69%。滲碳體晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，硬度很高，但塑性和韌性幾乎為零，是鋼中的主要強(qiáng)化相。

（4）珠光體——鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，常用P表示。層狀結(jié)構(gòu)，塑性和韌性較好，強(qiáng)度較高。

（5）萊氏體——由奧氏體（珠光體）和滲碳體組成的機(jī)械混合物，常用Ld表示。其中滲碳體較多，脆性大，硬度高，塑性差。

圖2－11　碳素鋼基本組織相對(duì)含量與含碳量的關(guān)系

碳素鋼中各相的相對(duì)含量與其含碳量關(guān)系密切，見圖2－11。由圖可知，當(dāng)含C量小于0.8%時(shí)，鋼的基本組織由鐵素體和珠光體組成，其間隨著含C量提高，鐵素體逐漸減少而珠光體逐漸增多，鋼材的強(qiáng)度、硬度逐漸提高而塑性、韌性逐漸降低。

當(dāng)含C量為0.8%時(shí)，鋼的基本組織僅為珠光體。當(dāng)含C量大于0.8%時(shí)，鋼的基本組織由珠光體和滲碳體組成，此后隨含C量增加，珠光體逐漸減少而滲碳體相對(duì)漸增，從而使鋼的硬度逐漸增大，塑性和韌性減小，且強(qiáng)度下降。

建筑工程中所用的鋼材含碳量均在0.8%以下，既具有較高的強(qiáng)度，同時(shí)塑性、韌性也較好，可以很好地滿足工程技術(shù)要求。

二、鋼材的化學(xué)成分及其對(duì)鋼材性能的影響

鋼中除主要化學(xué)成分Fe以外，還含有少量的碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）、磷（P）、硫（S）、氧（O）、氮（N）、鈦（Ti）、釩（V）等元素，這些元素雖含量很少，但對(duì)鋼材性能的影響很大。

圖2－12　含碳量對(duì)碳素鋼性能的影響

σ_b—抗拉強(qiáng)度；α_k—沖擊韌性；

δ—伸長(zhǎng)率；ψ—斷面收縮率；HB—硬度

碳　碳是決定鋼材性能的最重要元素，其對(duì)鋼材機(jī)械力學(xué)性能的影響如圖2－12所示。當(dāng)鋼中含碳量在0.8%以下時(shí)，隨著含碳量的增加，鋼的強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性下降；但當(dāng)含碳量大于1.0%時(shí)，隨含碳量增加，鋼的強(qiáng)度反而下降，這是由于滲碳體呈網(wǎng)狀分布于珠光體晶界上，使鋼變脆所致。含碳量增加，還會(huì)使鋼的焊接性能變差（含碳量大于0.3%的鋼，可焊性顯著下降），冷脆性和時(shí)效敏感性增大，耐大氣銹蝕能力下降。一般工程用碳素鋼均為低碳鋼，即含碳量小于0.25%，工程用低合金鋼含碳量小于0.52%。

硅　硅在鋼中是有益元素，煉鋼過程中作為還原劑和脫氧劑。硅是我國鋼筋鋼的主加合金元素，可改善鋼筋的綜合力學(xué)性能，增加自然條件下的耐蝕性。通常碳素鋼中硅含量小于0.3%，低合金鋼硅含量小于1.8%。

錳　錳為有益元素，煉鋼時(shí)能起脫氧去硫作用，可消減硫所引起的熱脆性，使鋼材的熱加工性質(zhì)改善，同時(shí)能提高鋼材的強(qiáng)度和硬度。當(dāng)含錳小于1.0%時(shí)，對(duì)鋼的塑性和韌性影響不大。錳是我國低合金結(jié)構(gòu)鋼的主加合金元素，含量一般在1%～2%范圍內(nèi)，其主要作用是溶于鐵素體中，細(xì)化珠光體組織以改善其力學(xué)性能。當(dāng)含錳量達(dá)11%～14%時(shí)，稱為高錳鋼，具有極高的耐磨性。

磷　磷是鋼中很有害的元素之一。磷含量增加，鋼材的強(qiáng)度、硬度提高，塑性和韌性顯著下降。特別是溫度愈低，對(duì)塑性和韌性的影響愈大，從而顯著加大鋼材的冷脆性。磷也使鋼材可焊性顯著降低，但磷配合銅元素，可提高低合金高強(qiáng)度鋼的耐大氣腐蝕性能，但降低其冷沖壓性能；與硫、錳聯(lián)合使用，可改善鋼的切削性。建筑用鋼一般要求含磷小于0.045%。

硫　有害的元素之一，使鋼的可焊性降低，并產(chǎn)生熱脆現(xiàn)象。建筑鋼材要求硫含量應(yīng)小于0.045%。

氧　有害元素，主要存在于非金屬夾雜物中，少量溶于鐵素體內(nèi)。非金屬夾雜物降低了鋼的機(jī)械性能，特別是韌性。氧有促進(jìn)時(shí)效傾向的作用。氧化物所造成的低熔點(diǎn)亦使鋼的可焊性變差。通常要求鋼中含氧應(yīng)小于0.03%。

氮　氮具有不明顯的固溶強(qiáng)化及提高淬透性的作用，提高蠕變強(qiáng)度，但塑性特別是韌性顯著下降。表面滲氮，還可提高硬度和耐磨性，增加抗蝕性。在用鋁或鈦補(bǔ)充脫氧的鎮(zhèn)靜鋼中，氮主要以氮化鋁或氮化鈦等形式存在，這時(shí)可減少氮的不利影響，并細(xì)化晶粒，改善性能。故在鋁、鈮、釩等元素的配合下，氮可作為低合金鋼的合金元素使用。鋼中氮含量一般小于0.008%。

鈦　鈦是強(qiáng)脫氧劑，能細(xì)化晶粒，顯著提高鋼的強(qiáng)度，并可減少時(shí)效傾向，改善焊接性能。鈦是常用的微量合金元素。

釩　釩是優(yōu)良脫氧劑，固溶于鐵素體中，具有極強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，可減弱碳和氮的不利影響，細(xì)化晶粒，有效地提高強(qiáng)度和韌性，減小時(shí)效敏感性，但有增加焊接時(shí)的淬硬傾向?；蠎B(tài)存在的釩將降低鋼的淬透性，但會(huì)明顯提高其耐磨性。釩也是合金鋼常用的微量合金元素。