钢材的化学成分及分类

金属材料种类很多，通常把金属分为黑色金属和有色金属两大类。黑色金属——指铁、锰、铬及它们的合金，如生铁、铁合金、铸铁、钢、金属锰、金属铬等。有色金属——除黑色金属外的金属和合金，如铜、铝、锡、铅、锌以及黄铜、青铜、白铜、铝合金和轴承合金等。另外，在工业上还采用镍、钼、钴、钒、钨、钛等金属作合金化元素，以改善金属性能，其中钨、钴多用于硬质合金的制造。钢是以铁为主要元素、含碳量一般在2%以下，并含有其他元素的材料。目前在钢材中常用的合金元素有：有益合金元素：铬(Cr)，锰(Mn)，镍(Ni)，硅(Si)，铝（Al），钒(V)，钛(Ti)和稀土元素(Re)等。有害元素：磷（P），硫（S）,氮（N），氧（O）,氢（H）等。有益合金元素铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。有益合金元素锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30－0.50%。较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能有益合金元素镍(Ni)：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。有益合金元素硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，但硅量增加，会降低钢的焊接性能。什么是屈服点呢？拉伸性能冲击性能疲劳性能硬度力学性能将低碳钢（软钢）制成标准试件，放在万能实验机上进行拉伸试验，可以绘出下图所示的应力——应变关系曲线。4个4---4个阶段、4个指标、4个性能、4个意义低碳钢受拉至拉断，经历了四个阶段；弹性阶段（O→A）屈服阶段（A→B）强化阶段（B→C）颈缩阶段（C→D）意义：弹性模量反映钢材抵抗弹性变形的能力，是钢材在受力条件下计算结构变形的重要指标。E=σ/ε,E——弹性模量，单位（MPa）б——弹性极限，即A点对应的应力ε——应变特点：OA段是一条直线，应力和应变成正比，当撤去外力应变消失，说明此变形是弹性变形。◆意义：钢材受力大于屈服点后，会出现较大的塑性变形，已不能满足使用要求，因此屈服强度是设计中钢材强度取值的依据，是工程结构计算中重要的参数。◆A→B：应力、应变不在成正比关系，开始出现塑性变形。应力增长滞后于应变的增长。钢材似乎不能承受外力而屈服。◆σs屈服强度，与B下点（此点较稳定，易测定）对应的应力。◆设计时一般以σs作为强度取值的依据。对屈服现象不明显的钢材，规定以0.2％残余变形时的应力σ0.2作为屈服强度。◆特点：经过塑性变形后，钢材内部组织中的晶格发生了畸变，阻止了晶格进一步滑移，钢材得到强化，所以钢材抵抗塑性变形的能力又重新提高。бb：抗拉强度，对应于最高点C的应力值。◆意义:1、屈强比=бs/бb：屈强比越小，其结构安全可靠程度越高，但屈服比过小，又说明钢材强度的利用率偏低造成钢材的浪费。《规范》规定：бb实测/бS实测≥1.25,бS实测/fyk≤1.32、即将拉断时所能承受的最大拉力3、即将断裂时所能承受的最大应力◆应用：工地现场调直、冷加工（如冷拉，冷拔或冷轧）◆特点：抵抗变形的能力明显降低，变形迅速发展，应力逐渐下降，试件被拉长，在有杂质或缺陷处断面急剧缩小，直至断裂。伸长率：图中当曲线到达Ｄ点后，试件薄弱处急剧缩小，塑性变形迅速增加，产生“颈缩现象”而断裂。量出拉断后标距部分的长度Ll，标距的伸长值与原始标距L0的百分率称为伸长率。即δ=(L1-L0)/L0×100%伸长率表征了钢材的塑性变形能力。有益合金元素铝(Al)：铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。有益合金元素钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。有益合金元素钛(Ti)：钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低冷脆性，改善焊接性能。有害元素磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。有害元素硫（S）：硫使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。但在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。有害元素氮(N):氮虽能提高钢的强度，但会使钢材的塑性特别韧性显著下降，氮还会加剧钢材的时效敏感性和冷脆性，使可焊性变差。经过冷加工的钢材在常温下放置，随着时间延长，钢材呈现出强度提高，而塑形和冲击韧性下降的现象称为钢材的时效。所谓时效敏感性：因时效作用导致钢材性能改变的程度。一般，钢材的机械强度提高，而塑性和韧性降低。什么是时效敏感性呢？有害元素氧（O）：氧在钢材中大都以氧化物的形式存在，使钢材的强度、塑性和韧性下降。氧的存在还使钢材的热塑性增加，焊接性能变差。有害元素氢（H）：氢以原子的状态溶于钢材中，会产生圆圈状的断裂面，即白点使钢材性能变差。有白点的钢材一般不能用于结构工程。化学成分碳素钢合金钢低合金钢（合金元素总含量小于５％）中合金钢（合金元素总含量为５％～10％）高合金钢（合金元素总含量大于10％）。低碳钢（含碳量小于0.25％）中碳钢（含碳量为0.25％～0.60％）高碳钢（含碳量大于0.60％）脱氧成度沸腾钢F镇静钢Z半镇静钢b特殊镇静钢TZ有害杂质炼钢时仅加入锰铁进行脱氧，则脱氧不完全。这种钢水浇入锭模时，会有大量的ＣＯ气体从钢水中外逸，引起钢水呈沸腾状，故称沸腾钢，代号为“Ｆ“。沸腾钢组织不够致密，成分不太均匀，硫、磷等杂质偏析较严重，故质量较差。但因其成本低、产量高，故被广泛用于一般建筑工程。炼钢时采用锰铁、硅铁和铝锭等作脱氧剂，脱氧完全，且同时能起去硫作用。这种钢水铸锭时能平静地充满锭模并冷却凝固，故称镇静钢，代号为“Ｚ”。镇静钢虽成本较高，但其组织致密，成分均匀，性能稳定，故质量好。适用于预应力混凝土等重要的结构工程。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，为质量较好的钢，其代号为“ｂ”。比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢，故其质量最好，适用于特别重要的结构工程，代号为“TZ”。普通刚优质钢高级优质钢特级优质钢磷含量不大于0.045％；硫含量不大于0.050%。磷含量不大于0.035%；硫含量不大于0.035%。磷含量不大于0.025%；硫含量不大于0.015%。磷含量不大于0.025%；硫含量不大于0.015%。