各种因素对钢材性能的影响

2.5 各种因素对钢材性能的影响

一．化学成分

普通碳素钢中Fe占99%，其他杂质元素占1%；普通低合金钢中有＜5%的合金元素。

碳（C）：钢材强度的主要来源，但是随其含量增加，强度增加，塑性、冷弯性能、冲击性能、疲劳强度降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。

一般控制在0.22%以下，在0.2以下时，可焊性良好。

硫（S）：热脆性。有害元素，引起热脆和分层。不得超过0.05%。

磷（P）：冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。不得超过0.045%。

锰（Mn）：合金元素。弱脱氧剂。与S形成MnS，（熔点为1600℃），可以消除一部分S的有害作用。

硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。，可细化精粒，提高强度，且不影响其它性能，但过量会恶化焊接性和抗锈性。

钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。

氧（O）：有害杂质。

氮（N）：有害杂质。

碳当量(carbon equivalent )

把钢中合金元素的含量按其对某种性能(如焊接性、铸造工艺性等)的作用换算成碳的相当含量。

C eq=C+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Cu+Ni)/15

二．冶金缺陷

常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹等。

1.偏析：金属结晶后化学成分分布不均匀的现象。主要是硫、磷偏析，其

后果是偏析区钢材的塑性、韧性、可焊性变坏。

2.非金属夹杂：指钢材中的非金属化合物，如硫化物、氧化物，他们使钢

材性能变脆。

3. 裂纹：钢材中存在的微观裂纹。

4. 气泡：浇铸时由FeO 和C 作用所生成的CO 气体不能充分逸出而滞留在

钢锭那形成的微小空洞。

5. 分层：浇铸时的非金属夹杂在轧制后可能造成钢材的分层。

三．构造缺陷

a)

N

σ应力集中现象

x

y

b)

(σ )

σx max

c)

N

试件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变时，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处有高峰应力——应力集中。

结果：塑性降低，脆性增加。

应力集中对σ－ε关系的影响

σ

3000

200100600500400700

原因：不正确的设计（构造不合理）、制造（不光滑）及使用（在构件上乱打火等）。

变形滞圈

σ

变形速度对σ-ε

关系的影响

210140

280

σ

四．加荷速度

1. 加荷速度高，钢材屈服点提高，呈脆性。因此，

1）．材性试验要求缓慢加载 2）．要考虑动荷载对结构的不利影响 2. 循环荷载的影响

钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤，产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏——疲劳破坏。

五．钢材的硬化

y

f f

p

σ

后的塑性区

的塑性区

y

f σ

冷作硬化——当荷载超过材料比例极限卸载后，出现残余变形，再次加载则比例

极限（或屈服点）提高的现象，也称“应变硬化”。（主观的）

时效硬化——随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。 （客观的）

应变时效——钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易析出。即冷作硬化的同时

可以加速时效硬化，因此也称“人工时效”。

六．温度的影响 1．正温范围 100℃以内 对钢材性能无影响；

100℃以上

随温度升高，总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大 250℃左右

抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性增加——兰脆现象，该温度区段称为“兰脆区”。

250～350℃ 产生徐变现象。

600℃左右 弹性模量趋于零，承载能力几乎完全丧失。

2．负温范围

温度对钢材机械性能的影响400

f 、f /M P a ，E /k M P a 100

-100

0100200

300

500300u 200y

400600低温对钢材冲击韧性的影响

500600C

t / °0

10

C

t / °

δ50302040/﹪

60

当温度低于常温时，钢材的脆性倾向随温度降低而增加。

1T ～2T 之间温度转变脆性区，A kv 急剧下降。而且不同的钢材其脆性转变区

温度不同，必须通过试验确定。使用温度必须高于1T ，但不一定高于2T （浪费）。

七．厚度、直径的影响

钢材要经过轧制最后成型。一般为热轧，即钢锭在1200－13000C 经轧机轧制成型。经过轧机压力的作用，使钢材的晶粒变得细密均匀，内部的裂纹和气泡得以焊合。所以，钢材轧制得越薄，其强度、塑性和韧性就越好。

钢材的分组尺寸（mm ）

八．残余应力的影响（第三章详述）

残余应力和残余变形影响构件的受力和使用，并且是形成各种焊接裂纹的因素之一。