一、化学成分
建筑钢结构用钢,不论是碳素结构钢或低合金结构钢,都是含碳量小于0.25%的铁碳合金,其中铁是最基本的元素,约占化学成分的98%或更高数值,但影响钢材材质的却是含量仅为百分之几的其他元素,包括有碳、各种合金元素和杂质元素,它们对钢材材质的影响有正负两方面作用,既有增加强度功能,同时往往对钢材的塑性、韧性有不利影响,只有少量的合金元素,其负面效应甚微。
碳素结构钢,常规的化学成分分析是指碳、硅、锰、硫、磷(n、S、P)五元素。其中碳是形成钢材强度的主要元素,并直接影响钢材的可焊性,随着含碳量的增加,钢材的硬度和耐磨性、屈服点和抗拉强度都将提高,但塑性和韧性,尤其是负温冲击韧性下降很多,冷弯性能明显下降,可焊性恶化,因此钢结构选用钢材的含碳量不宜太高,一般不应超过0.22%,对于焊接结构的钢材,更须控制含碳量和碳当量硅(Si)通常作为脱氧剂加人普通碳素钢中,用以治炼质量较高的镇静钢.适量的硅对钢材的塑性、冲击韧性、冷弯及可焊性均无显著的不良影响。一般镇静锅的含硅量为0.10%~0.30%,半镇静钢的含硅量为0.05%~0.10%,而沸腾钢的含硅量只有痕迹(不大于0.07%)。
锰(Mn)是一种弱脱氧剂,适当的含锰量可以有效地增加钢材的强度、硬度和耐磨性,同时又能消除硫、氧对钢材的热脆影响,但若含量过高,冷裂放形成倾向将成为主要问题,所以含锰量有上限限制.
我国碳素结构钢的含锰量范固为0.25%-0.80%,钢材成品的允许偏差是+0.05%和-0.03%硫(S)和磷(P)在碳素结构钢中都属于杂质,是有害元素。硫的存在可能导致钢材的热脆现象,同时硫又是钢中偏析最严重的杂质之一,片状硫化物的夹液存在,常常是钢板产生层状撕裂的原因,因此,质量愈好的钢材对含硫量控制愈严格,一殷情况,含硫量应小于0.05%,要求最严格的可低于0.008%。磷的存在虽可提尚钢材的强度和抗腐蚀性能,但会严重降低钢材的塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性,特在低温时,使钢材变得很脆(冷脆性)。磷亦是一个易于偏析的元素,比硫的偏析还严重,因此磷的含量也必须严格限制,不应超过0.045%。但值得一提的是,当铜、磷两元素在钢中共有时,其弊端会相互抵消,再适当降低含碳量(C≤0.12%)后,其强度、韧性、可焊性等均有较好实现,铜磷钢是在国内外现在都已得到公认的耐候钢系列之一,其含磷量可高达0.07%~0.15%。低合金结构钢中的合金元素以锰(Mn)、钒(V)、铌(Nb)、钛(T)和铬(Cr)、镍(Ni)等为主。钒、铌、钛等元素全属添加元素,都能明显提高钢材强度,细化晶粒改善可焊性。
镍和铬属于残余元素,是来自废钢中的合金元素,都是不锈钢的主要元素,能提高强度淬硬性、耐性等综合性能,但对可焊性不利。为改善低合金结构钢的性能,尚允许加入少量钼(Mo)和稀土(RE)元素,可改善其综合性能作为常用脱氧剂成分的铝元素,既能脱氧又能脱氮,并有细化晶粒、提高韧性、减小时效倾向性的功能。国家标准中要求,当将铝元素视为细化品粒元素时,则钢的化学成分中酸溶铝含量不小于0.015%或全铝含量不小于0.20%.
二、冶炼、轧制过程
建筑结构钢主要由氧气转炉和平炉来冶炼,电炉由于生产成本高,适用于冶炼质量高要求的钢号。从化学成分波动的范围及其平均值结果来看,平炉钢和氧气转炉钢是很接近的,可以认为这两种方法冶炼的钢,在化学成分和各项性能上基本相同,所以国家标准中都明确规定“除非需方有特殊要求,冶炼方法一般由供方选择。”钢在冶炼过程中生成有氧化铁及其固溶体等杂质,均会增加钢的热脆性,使钢的轧制性能变坏,在冶炼快结束时,钢水中含氧量较高(约在0.02%~0.07%之间),浇铸前需对钢水进行脱氧,使之与氧化铁反应生成氧化物后随钢渣排出。由于所用脱氧方法、脱氧剂的种类和数量不同,最终脱氧效果也差别很大,形成有镇静钢、半镇静钢和沸腾钢的区别。
沸腾钢一般用锰脱氧,在钢水中加入锰铁时,由于锰是弱脱氧剂,脱氧不充分,钢水中氧化铁和碳作用形成一氧化碳和氧、氮等气体从钢中逸出,钢水剧烈沸腾故称为沸腾钢。沸腾钢铸锭时,氧、氮等气体来不及逸出面被包围在钢锭中,使钢材构造和晶粒不匀,含有较多的氧化物夹杂,其化学元素偏析程度亦较大,增加了钢材的时效敏感性和冷脆性。
镇静钢一般用硅为脱氧剂,对质量要求高的钢,尚可在用硅脱氧后再用铝或钛进行补充脱氧。硅的脱氧能力较强,铝和钛则更强,硅的脱氧能力是锰的5.2倍,而铝的脱氧能力是锰的90倍,当在钢水中投入锰和适量的硅作脱氧剂,钢水中氧化铁绝大部分被还原,很少能再和碳化合析出一氧化碳气体,同时脱氧还原过程放出大量热量,使钢锭冷却级慢,钢中有害气体容易逸出,浇铸时钢水表面平静,称之为镇静钢。镇静钢组织致密气泡少,偏析程度小,含非金属夹杂物亦较少。镇静钢具有较高的冲击韧性、较小的时效敏感性和冷脆性。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间的钢称为半镇静钢。它是用较少的硅进行脱氧,脱氧剂的用量约为镇静钢的1/2~1/3。半镇静钢的性能大大地优于沸腾钢,其强度和塑性完全符合标准要求,纵向轧制钢材的均匀性不次于镇静钢。但影响半镇静钢材质的因素比较复杂,需要有相当成熟的操作经验。当对钢材的夹杂限制很严时,还可采用如真空处理一类的炉外精炼的方法。真空处理是将钢水处于真空环境中,其所含氧、氢、氮等均能很快逸出,而且还不像脱氧剂那样形成渣。
钢锭的热轧过程不仅改变钢的外形及尺寸,也改变了钢的内部组织及其性能。热轧过程始于120~1300℃高温,终止于900~1000℃c在压力作用下,钢锭中的小气泡、裂纹等缺陷会焊合起末,使金属组织更致密。轧制过程破坏钢锭的铸造组织、细化品粒并消除显徽组织缺陷,显然,轧制钢材比铸钢具有更高的力学性能。轧制型材规格愈小,一般来说强度愈高,而几塑性及冲击韧性也比较好,这是因为小型材的轧制压缩比大的缘故。如轧制时压缩比过小,成品厚度较大,停轧温度过高,则在随后的冷却过程中会形成降低强度和塑性的金相组织;如停轧温度过低,将增加钢的冷脆倾向,并由于形成带状组织而破坏钢的各向同性的性质。
为了保证钢材的质量,必要时,在轧制过程中应控制轧制温度、压下量和冷却速度提供在“控轧”状态下的供货状况。否则,则可采用热处埋后供货以改善质量。但一般性的建筑结构用钢,很少需要如此工艺
三、热处理
钢的热处理就是将钢在固态范围内施以不同的加热、保温和冷却,藉以改变其性能的种工艺。根据加热和冷却方法的不同,热处理可分为很多种类,与建筑钢结构(包括其所用钢材)有关的大致有以下几种
(1)退火处理:退火种类很多,大体上可分为重结晶退火和低温退火两类。重结晶退火是将钢加热到相变临界点以上30~50℃,保温一段时间,然后缓慢冷却(随炉冷却、坑冷、灰冷)到500℃以下后,在空气中冷却。退火是一种时间漫长的热处理工艺,其目的是细化晶粒、降低硬度、提高塑性、消除组织缺陷和改善力学性能等。低温退火是将钢加热到相变临界点以下(500~650℃),保温一段时间后缓冷到300-200℃以下出炉,钢在这个过程中无组织变化,消除内应力的处理即属低温退火。
(2)正火处理:将钢加热到临界点(AC3)以上30~50℃,保温一段时间,进行完全奥氏体化,然后在空气中冷却。正火与退火的加热条件相同,只是冷却条件不同,正火在空气中冷却速度要快于回火,故正火钢有较高的强度和硬度,甚至有较大的塑性和韧性正火的目的是细化晶粒、消除缺陷、改善性能,故对于碳素结构钢、低合金结构钢均可以正火处理状态交货。
(3)淬火处理:将钢材加热到相变临界点以上(一般为900℃以上),保温一段时间然后在水或油等冷却介质中快速冷却,使奥氏体组织转变为马氏体,得到高硬度、高强度,但需要随后的回火处理,以获得良好的综合力学性能。
(4)回火处理:将淬火钢重新加热到相变临界点以下的预定温度,保温预定时间,然后冷却。这种操作称为回火处理,其日的是减小淬火生成的内应力、促使金相组织获得充分的转变,减小淬火钢的脆性。淬火钢回火后的力学性能,取决于回火温度和时间,可依据需要分别选择低温回火(150~200℃)、中温回火(300-500℃)和高温回火(500650℃)。钢材的淬火加高温回火的综合操作称为调质,调质处理可让钢材获得强度、塑性和韧性都较好的综合性能。对于高强度钢材,如现行国家标准《低合金高强度结构钢》中的Q420、Q460的C、D、E级钢,其交货状态中包括有淬火加回火的状态,《焊接结构用耐候钢》标准中Q460NH也可有淬火加回火状态交货。其他强度级别一般只是热轧、控轧或正火处理状态
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