浅谈各种因素对钢材性能的影响
摘要：随着我国国民经济的不断发展和科学技术的进步，钢结构具有的强度高、重量轻、良好的加工性能和焊接性能和很好的可重复使用性，使得钢结构在我国的应用范围也在不断扩大。为了确保结构质量和安全，这些钢材应具有较高的强度、塑形和韧性，以及良好的加工性能。因此，了解各种因素对钢材性能的影响就显得尤为重要。
关键词：化学成分冶金工艺冷加工热处理温度
一、钢中常存元素对钢性能的影响
钢材中除了主要化学成分铁（ Fe）以外，还含有少量的碳（ C）、硅（ Si）、锰（ Mn）、磷（ P）、硫（ S）、氧（ O）、氮（ N）、钛（ Ti）、钒（ V）等元素，这些元素虽然含量少，但对钢材性能有很大影响：
1、碳（ C）
碳是钢中的主要元素，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，而延伸率下降，塑性、韧性降低；但当含碳量在 1.0%以上时，随着含碳量的增加，抗拉强度提高减缓，以致于随含 C 量增加而降低。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），碳钢的耐腐蚀性降低，焊接性能和冷加工（冲压、拉拔）性能变坏。
2、锰（ Mn）
锰是炼钢时用来脱氧去硫而存在于钢中的，是钢中的有益元素，锰在碳钢中的含量一般为 0.25-0.80%，在具有较高含 Mn 量的碳钢中， Mn 含量可以达到1.2%。锰具有很强的脱氧去硫能力，能消除或减轻氧、硫所引起的热脆性，也可以和 S 结合形成 MnS，从而在相当大程度上消除 S的有害影响，大大改善钢材的热加工性能，同时能提高钢材的强度和硬度。钢中的 Mn，除一部分形成夹杂物（硫化锰及锰的氧化物），其余部分溶于铁素体和渗碳体中。锰是我国低合金结构钢中的主要合金元素。Mn 对碳钢的力学性能有良好影响，它能提高钢材的硬度、强度和耐磨性，在 Mn 含量不高时，可稍提高或不降低钢的面缩率和冲击韧性，在碳钢的 Mn 含量范围内，每增加0.1%Mn ，大约使热轧钢材的抗拉强度增加 7.8-12.7 兆牛 /米 2，使屈服点提高 7.8-9.8 兆牛/米 2，伸长率减小0.4%。
3、硅（ Si）
硅是一种脱氧剂，脱氧作用比 Mn 还强，在钢中的含量≤ 0.50%。Si 能增大钢液的流动性，碳钢中每增加 0.1%的 Si，可使热轧钢材的抗拉强度提高约7.8-8.8 兆牛 /米 2，屈服点提高约 3.9-4.9 兆牛 /米 2，伸长率下降约 0.5%，面缩率和冲击韧性下降不明显，但是 Si 含量超过 0.8-1.0%时，则引起面缩率下降，特别是冲击韧性显著降低。 Si 以硅酸存在于钢中，对钢丝拉拔是有害的。
4、硫（ S）
一般来说，硫是有害元素，它主要来自生铁原料、炼钢时加入的矿石和燃料产物中的SO2，炼钢时难以除尽。硫以硫化物夹杂的形式存在于固态钢中。硫的最大危害是引起钢在热加工时开裂，即产生热脆，造成热脆的原因是由于硫的严重偏析。通过加入 Mn 来避免钢中形成 FeS，以防止热脆， Mn 比 Fe对 S 有较在的亲和力，所以钢液中 S 与 Mn 优先形成 MnS。硫通过形成硫化物夹杂而对钢的力学性能发生影响，增加钢中的含 S 量，使硫化物的含量增高，钢的范性和韧性将降低，同时钢材力学性能的方向性增大，钢的热加工性能变坏。硫对钢的焊接性能有不良影响，容易导致焊缝热裂，在焊接过程中， S 易于氧化生成SO2，造成焊缝中产生气孔和疏松。硫能提高钢材的切削加工性，这是 S 的有益作用，所以在制造要求表面粗糙度较细而强度要求不十分严格的零件时，可采用含 S 高的易切削钢。
5、磷（ P）
一般说来， P 是有害杂质元素，它来自于矿石和生铁等炼钢原料，炼钢时难以除尽。随着磷含量的增加，钢材的强度、屈强比、硬度均提高，而塑性和韧性显著降低。特别是温度愈低，对塑性和韧性的影响愈大，显著加大钢材的冷脆性，P 的有害影响主要在此。 P能提高切削性能和抗蚀性，故在易切削钢中可适当增加 P 含量。磷也使钢材的可焊性显著降低。但磷可提高钢材的耐磨性和耐蚀性，故在低合金钢中可配合其他元素作为合金元素使用。
6、氧（ O）
氧是钢中的有害元素。氧在钢中的溶解度很小，在钢中，氧几乎全部以氧化物的形式存在，至于形成什么样的氧化物是由所加入的脱氧元素的种类和数量而
定，钢种各种氧化物的总量随着钢中含氧量增加而增加，含氧量对钢力学性能的影响夹杂对力学性能的影响实质上也就是氧化物夹杂对力学性能的影响，总的来说，随钢中含氧量增加，钢材的强度有所提高，但钢的范性、韧性降低，氧化物夹杂使钢的耐腐蚀性、耐磨性降低，可焊性变差，使冷冲压性、锻造加工性及切削加工性变坏。氧的存在会造成钢材的热脆性。
7、氮（ N）
钢中的 N 来自于炉料，也来自于炉气中。氮对钢材性能的影响与碳、磷相似。N 引起碳钢的淬火时效和形变时效，从而对碳钢的性能产生影响。由于 N 的时效作用，钢的硬度、强度升高，范性和韧性降低，可焊性变差，冷脆性加剧对于普通低合金钢来说，时效现象是有害的，因而 N 是有害元素。氮在铝、铌、钒等元素的配合下可以减少其不利影响，改善钢材性能，可作为低合金钢的合金元素使用。向钢中加入足够数量的 Al，使之除与 O 结合外，还有有相当数量的 Al 溶解在固溶体中，通过热轧后的缓冷或 700-800℃保温，能与 N 结合形成 AlN，减弱或完全消除在较低温度发生的时效现象。
8、铝（ Al）
是作为脱氧剂加入钢中。碳钢中 Al 的含量一般小于 0.10%，加入钢中的 Al 部分与 O形成 Al2O3 或含有的各种夹杂物，部分溶于固态铁中随加热或冷却条件的不同，形成 AlN ，可阻止奥氏体晶粒的长大。
9、钛（ Ti）
钛是强脱氧剂。钛能显著提高强度，改善韧性、可焊性，但稍降低塑性。钛是常用的微量合金元素。
10、钒（ V）
钒是弱脱氧剂。钒加入钢中可减弱碳和氮的不利影响，有效地提高强度，但有时也会增加焊接淬硬倾向，钒也是常用的微量合金元素。
11、其它杂质元素
常见的有 Ni、Cr、Cu 等，由废钢和矿石带入，一般控制在 0.3%以下。 Cu 对抗腐蚀有良好作用， Cr 提高钢的淬透性、抗腐蚀稳定性和抗氧化性。
二、冶金工艺
1、根据冶炼炉种的不同，可形成电炉钢、平炉钢和氧气转炉钢。
电炉钢质量最好，但成本高，一般不采用；平炉钢和氧气转炉钢二者质量大体相当，所以已无必要强调炉种的影响。
2、钢的脱氧程度不同，可分为几种钢， a.沸腾钢 ;b.半镇静钢 ;c.镇静钢 ;d.特殊镇静钢 .
①沸腾钢脱氧不完全的钢。一般仅用脱氧能力较低的脱氧剂锰铁进行脱氧，钢液中含氧(FeO)量较高，当钢液注入钢锭模后，由于碳氧反应产生大量的气体(CO)从钢液中溢出，钢液在钢锭模内产生沸腾现象，沸腾钢因此而得名。沸腾钢表皮纯净、表面质量好，加工性能好；另外，没有集中缩孔，钢的成材率高，脱氧剂消耗少，成本低。缺点是钢中杂质多，化学成分不均匀，冷脆和时效倾向较严重。
②镇静钢脱氧完全的钢。先用锰铁脱氧，而后用硅铁或铝进行补充脱氧，钢液含氧量低,当浇入钢锭模后，表面平静，无碳氧反应的沸腾现象，镇静钢因此而得名。镇静钢钢质纯净，化学成分均匀，各部分性能均匀，焊接性能和塑性都比较好，常用来制造重要的机件。缺点是表面质量较差，有集中缩孔，成本高。
③半镇静钢脱氧程度介于镇静钢与沸腾钢之间，质量与性能也介于二者之间。
④特殊镇静钢特殊镇静钢是在用 Si 脱氧之后再用 Al 补充脱氧，比镇静钢脱氧程度更充分彻底的钢，故称为特殊镇静钢，其低温冲击韧性更高，代号为“ TZ”。特殊镇静钢的质量最好，适用于特别重要的结构工程。
三、冷加工硬化和时效硬化
随着时间的增长，纯铁体中残留的碳、氧固溶物质逐步析出，形成自由的碳化物或氧化物微粒，约束纯铁体的塑性变形，此为时效。时效将提高钢材的强度，降低塑性、韧性。时效的过程可从几天到几十年。钢材在冷加工（常温加工）过程中由于产生塑性变形，从而提高钢材的屈服点，同时降低塑性和韧性的现象称为冷作硬化。
四、热处理对钢材的性能的影响
热处理是将金属工件放在一定的介质中加热到适宜的温度，并在此温度中保持一定时间后，又以不同速度冷却的一种工艺方法。钢铁整体热处理大致有退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。
1、退火
退火的目的在于降低金属材料的硬度，提高塑性，以利切削加工，减少残余应力，提高组织和成分的均匀化。退火的工艺种类很多，如完全退火、扩散退火、不完全退火、等温退火、球化退火、去应力退火、在结晶退火等。退火能降低钢的硬度，提高塑性，细化晶粒，消除因铸、锻、焊引起的组织缺陷，均匀钢的组织及成分，消除钢中的内应力和加工硬化。
2、正火
将钢材或钢件加热到临界点 Ac3 或 Acm 以上的适当温度保持一定时间后在空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。正火主要是提高低碳钢的力学性能，改善切削加工型，细化晶粒，消除组织缺陷，为后道热处理做好组织准备等。对于大型铸、锻件和钢材，正火可以细化晶粒。低碳钢正火后可
以获得细片状珠光体，使硬度提高，改善可加工性。
3、淬火
淬火是将钢奥氏体化后以适当的冷却速度冷却，使工件在横截面内全部或一定的范围内发解到固溶体中，然后快生马氏体等不稳定组织结构转变的热处理工艺。淬火可以大幅度提高钢的强度和硬度。
4、回火
回火是将经过淬火的工件加热到临界点 Ac1 以下的适当温度保持一定时间，随后用符合要求的方法冷却，以获得所需要的组织和性能的热处理工艺；回火也分为低温回火、中文回火、高温回火以及多次回火等。回火目的是消除钢件在淬火时说产生的应力，使钢在具有高的硬度和耐磨性外，并具有说需要的塑性和韧性等。一般的，回火温度越高，强度和硬度就会越低，但是塑性也越高了。
五、温度对钢材性能的影响
1.“蓝脆”现象
一般在 200 度以内钢材的性能变化不大，但在 250 度左右钢材的抗拉强度有所提高，而塑性 .冲击韧性变差，钢材变脆，钢材在此温度范围内破坏时常呈脆性破坏特征，成为“蓝脆”（表面氧化呈兰色）。
温度超过 300℃以后，屈服点和极限强度明显下降，达到 600℃时强度几乎等于零。
2. 低温冷脆
当温度从常温开始下降时，钢材的强度稍有提高，但脆性倾向变大，塑性和冲击韧性下降，当温度下降到某一数值时，钢材的冲击韧性突然显著下降，使钢材产生脆性端裂，该现象叫低温冷脆。
六、应力集中和残余应力
钢结构构件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化、内部缺陷等使一些区域产生局部高峰应力，此谓应力集中现象。应力集中越严重，钢材塑性越差。残余应力是由于钢材在加工过程中温度不均匀冷却产生的，是一种自相平衡的应力，它不影响构件的静力强度，但降低了构件的刚度和稳定性。七、总结
从以上介绍来看，影响钢材在一定条件下出现破坏的因素有很多种，如钢材的化学成分和组织结构等；钢材的外在因素，如焊接加工引起的应力集中和低温影响等。因此，为了防止钢材脆性破坏的发生，应在钢结构的设计、制造和使用过程方面加强防范。