論金屬材料四要素關(guān)系在實驗分析中的應(yīng)用

● 山西省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院 廖雅倩

論金屬材料四要素關(guān)系在實驗分析中的應(yīng)用

● 山西省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院 廖雅倩

金屬材料的四個基本要素是：化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、合成加工、性能。金屬材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)是影響其性能的直接因素，通過合成加工改變組織結(jié)構(gòu)從而影響其性能。對金屬材料進行實驗室分析，其分析數(shù)據(jù)與結(jié)果并不是獨立存在的，而是有一定的關(guān)聯(lián)性。本文針對建筑中使用廣泛的鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋（牌號HRB400/公稱直徑Φ12mm）進行實驗室分析，研究其質(zhì)量性能，討論金屬材料四要素關(guān)系在實驗分析中的應(yīng)用。

金屬材料 化學(xué)成分 性能 實驗分析

金屬材料的四個基本要素是：化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)、合成加工、性能（包括物理性能、力學(xué)性能和化學(xué)性能）。金屬材料的化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)是影響其性能的直接因素，通過合成加工改變組織結(jié)構(gòu)從而影響其性能；另一方面，通過改變化學(xué)成分也會改變其組織結(jié)構(gòu)從而影響其性能。這四個要素構(gòu)成了圖1所示的關(guān)系。其中組織結(jié)構(gòu)是核心，性能是研究工作的落腳點、出發(fā)點和目標，一切對金屬材料的研究都是為了提高其性能，以適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)要求。

圖1 金屬材料四要素關(guān)系圖

金屬材料的物理、化學(xué)、力學(xué)性能都是化學(xué)成分和組織結(jié)構(gòu)的體現(xiàn)，它們決定著金屬材料的使用范圍。如金屬具有良好的延展性，這種性質(zhì)使它便于加工成用于電導(dǎo)或受力的線材。

化學(xué)成分對性能的影響

碳在鋼中起著非常重要的作用，影響著鋼的機械性能。碳在鋼中一般以鐵碳合金的形式存在，如鐵素體、滲碳體等。含碳量的多少，不僅引起鐵素體和滲碳體相對量的變化，而且可以引起組織結(jié)構(gòu)的變化，從而影響性能。如低碳鋼中碳含量低，形成鐵素體較多，塑性韌性好，但切削加工時容易粘刀、不易折斷，影響表面粗糙度，因此切屑加工性能不好。高碳鋼中，碳含量高，形成滲碳體多，硬度較高，嚴重磨損刀具，切削性能差。中碳鋼中，鐵素體和滲碳體的比例適中，硬度和塑性也比較適中，其切削加工性能較好。

錳和硅是煉鋼過程中必須加入的脫氧劑，用以去除溶于鋼液中的氧。錳對碳鋼的機械性能有良好影響，它能提高鋼的強度和硬度，當(dāng)含錳量不高于0．8%時，可以稍微提高或不降低鋼的塑性和韌性。碳鋼中的含硅量一般小于0．5%，它也是鋼中的有益元素，能顯著提高鋼的強度和硬度，但含量較高時，將使鋼的塑性和韌性下降。

硫是鋼中的有害元素，它是在煉鋼時由礦石和燃料帶到鋼中來的雜質(zhì)。最大危害是引起鋼在熱加工時開裂。含硫量高時，會使鋼鑄件在鑄造應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋，使焊接件在焊縫處產(chǎn)生熱裂紋。在焊接時產(chǎn)生的SO2氣體，還使焊縫產(chǎn)生氣孔和縮松。

磷是有害的雜質(zhì)元素，它是由礦石和生鐵等煉鋼原料帶入的，磷使鋼的強度、硬度顯著提高，但劇烈地降低鋼的韌性，尤其是低溫韌性。

組織結(jié)構(gòu)對性能的影響

金屬組織結(jié)構(gòu)的狀態(tài)直接決定了金屬材料的性能。從組織結(jié)構(gòu)看，金屬的晶粒越細，金屬材料的強度和硬度越高。細化晶粒不但可以提高材料的強度，同時還可以改善材料的塑性和韌性。所以研究和控制金屬的結(jié)晶過程，獲得優(yōu)良的組織結(jié)構(gòu)，成為提高金屬性能的一個重要手段。

合成加工對性能的影響

金屬材料的合成加工技術(shù)，主要有金屬鑄造、壓力加工成型技術(shù)、粉末冶金技術(shù)、焊接技術(shù)、熱處理技術(shù)等。金屬材料在合成加工過程中引起組織結(jié)構(gòu)的變化，從而對材料的性能產(chǎn)生影響。如鑄造過程產(chǎn)生的疏松、孔洞、成分偏析等缺陷，將降低材料的力學(xué)性能；而壓力加工過程中由于位錯密度的增加引起的加工硬化，將使材料的強度、硬度提高，而塑性、韌性降低。熱處理目的是改變鋼的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)，以改善鋼的性能。通過適當(dāng)?shù)臒崽幚砜梢燥@著提高鋼的機械性能，延長機器零件的使用壽命。

金屬材料四要素關(guān)系的實驗室分析、研究與討論

對金屬材料進行實驗室分析，其分析數(shù)據(jù)與結(jié)果并不是獨立存在的，而是有一定的關(guān)聯(lián)性。本文針對建筑中使用廣泛的鋼筋混凝土用熱軋帶肋鋼筋（牌號HRB400/公稱直徑Φ12mm）進行實驗室分析，研究其質(zhì)量性能，討論金屬材料四要素關(guān)系在實驗分析中的應(yīng)用。實驗分析項目及其所用主要儀器如表1所示。

表1 實驗分析項目及其所用主要儀器

1.室溫拉伸力學(xué)性能實驗

依據(jù)國家強制性標準GB 1499．2-2007《鋼筋混凝土用鋼第2部分：熱軋帶肋鋼筋》對該熱軋帶肋鋼筋進行室溫拉伸力學(xué)性能實驗。切取兩根鋼筋制成試樣如圖2所示，在室溫下進行拉伸實驗，斷后試樣如圖3所示，應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖4所示，其力學(xué)性能標準要求與實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

圖2 室溫拉伸實驗試樣：牌號HRB400/公稱直徑Φ12mm

圖3 室溫拉伸實驗斷后試樣

圖4 室溫拉伸實驗應(yīng)力-應(yīng)變曲線

表2 力學(xué)性能的標準要求與實驗數(shù)據(jù) 單位：MPa

從實驗數(shù)據(jù)可以看出，該熱軋帶肋鋼筋樣品的屈服強度和抗拉強度均不符合標準要求，該鋼筋力學(xué)性能不滿足要求。

2.化學(xué)成分分析實驗

對該熱軋帶肋鋼筋進行化學(xué)成分分析實驗，標準GB 1499．2-2007《鋼筋混凝土用鋼 第2部分：熱軋帶肋鋼筋》中規(guī)定了化學(xué)成分含量的要求，其化學(xué)成分的標準要求與實驗數(shù)據(jù)如表3所示。

圖5 金相組織（500X）

表3 化學(xué)成分的標準要求與實驗數(shù)據(jù) 單位：%

從表3中可以看出，化學(xué)成分S的含量高于標準值。硫是鋼中的有害元素，最大危害是引起鋼在熱加工時開裂，在應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋，容易斷裂，它使鋼的強度、硬度顯著降低。實驗結(jié)果中化學(xué)成分Mn的含量很低，錳的加入能提高鋼的強度和硬度，所以錳的含量太低不利于提高機械性能。

3.金相組織分析實驗

該熱軋帶肋鋼筋金相組織為：塊狀及網(wǎng)狀鐵素體+珠光體+部分索氏體（見圖5）。

通過金相組織分析，可以看出該熱軋帶肋鋼筋的金相組織中存在大量塊狀鐵素體及網(wǎng)狀鐵素體，這些缺陷組織的存在使得強度下降，脆性增大，力學(xué)性能降低。

4.合成加工工藝的分析

合理應(yīng)用并精確控制的合成加工工藝是減少缺陷組織的關(guān)鍵。在加工過程中控制壓力、溫度、速度等關(guān)鍵控制點使得加工工藝更加完善，獲得符合要求的組織結(jié)構(gòu)，從而使鋼的性能滿足要求。