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钢材的化学成分对性能的影响

文章出处:未知 人气:发表时间:2020-04-03
  (一)钢材的化学成分
 
  1、碳
 
  碳是决定钢材性能的主要元素。碳对钢材性能的影响如图7—5所示。
 
  •随着含碳量的增加,钢材的强度和硬度相应提高,而塑性和韧性相应降低。当含碳量超过1%时,钢材的极限强度开始下降。此外,含碳量过高还会增加钢的冷脆性和时效敏感性,降低抗大气腐蚀性和可焊性。
 
  •2、硅、锰
  硅和锰是在炼钢是为了脱氧去硫而有意加入的元素。由于硅与氧的结合能力很大,因而能夺取氧化铁中的氧形成二氧化硅进入钢渣中,其余大部分硅溶于铁素体中,当含量较低时(小于1%),可提高钢材的强度,对塑性、韧性影响不大。锰对氧和硫的结合力分别大于铁对氧和硫的结合力,因此锰能使有害的FeS、FeO分别形成MnS、MnO而进入钢渣中,其余的锰溶于铁素体中,使晶格歪扭阻止滑移变形,显著地提高了钢材的强度。
 
  •3、磷、硫
 
  磷与碳相似,能使钢的屈服点和抗拉强度提高,塑性和韧性下降,显著增加钢的冷脆性,磷的偏析较严重,焊接时焊缝容易产生冷裂纹,所以磷是降低钢材可焊性的元素之一。因此在碳钢中,磷的含量有严格的限制,但在合金钢中,磷可改善钢材的抗大气腐蚀性,也可作为合金元素。
 
  硫在钢材中以FeS形式存在,硫化铁是一种低熔点化合物,当钢材在红热状态下进行加工或焊接时,硫化铁已经熔化,使钢的内部产生裂纹,这种在高温下产生裂纹的特性称为热脆性。热脆性大大降低钢材的热加工性和可焊性。此外,硫偏析较严重,降低了冲击任性、疲劳强度和抗腐蚀性,因此在碳钢中,硫也是严格控制的含量。
 
  •4、氧、氮
 
  氧、氮都能部分溶于铁素体中,大部分已化合物形式存在,这些非金属夹杂物,降低了钢材的力学性能,特别是严重降低了钢的韧性,并能促进时效,降低可焊性,所以在钢材中氧和氮都有严格的限制。
 
  •(二)钢材的防锈蚀
 
  钢材表面与周围环境接触,在一定条件下,可发生作用而使钢材表面腐蚀。腐蚀不仅造成钢材受力截面减小,表面不平整导致应力集中,降低了钢材的承载能力;还会使疲劳强度大为降低,尤其是显著降低钢材的冲击韧性,使钢材脆断。混凝土中的钢筋腐蚀后,产生体积膨胀,使混凝土顺筋开裂。因此为了确保钢材不产生腐蚀,必须采取防腐措施。
 
  •钢筋腐蚀的原因
 
  根据钢材表面与周围介质的不同作用,一般把腐蚀分为下列两种。
 
  1、化学腐蚀
 
  由非电解质溶液或各种干燥介质(如O2、CO2、SO2、Cl2等)所引起的一种纯化学性质的腐蚀,无电流产生。这种腐蚀多数是氧化作用,在钢材的表面形成疏松的氧化物,在干燥的环境下进展很缓慢,但在温度和湿度较高的条件下,这种腐蚀进展很快。
 
  •电化学腐蚀
 
  钢材与电解质溶液相接触产生电流,形成原电池而发生的腐蚀称电化学腐蚀。钢材中含有铁素体、渗碳体、非金属夹杂物等,这些成分的电极电位不同,即活泼性不同,在电解质存在时,很容易形成原电池的两个极。钢材与潮湿介质空气、水、土壤接触时,表面覆盖一层水膜,水中溶有来至空气的各种离子,便形成了电解质。首先钢中的铁素体失去电子即Fe→Fe2++2e成为阳极,渗碳体成为阴极。在酸性电解质中H+得到电子变成氢气跑掉;在中性介质中,由于氧的还原作用使水中含有OH—,随之生成不溶于水的Fe(OH)2;进一步氧化成Fe(OH)3及其脱水产物Fe2O3,即红褐色铁锈的主要成分。
 
  钢材腐蚀的防止
 
  •防止钢材腐蚀的方法有三种:
 
  1、保护膜法
 
  用保护模使钢材与周围介质隔离,从而避免或减缓外界腐蚀性介质对钢材的破坏作用。例如在钢材的表面喷刷涂料、搪瓷、塑料等或以金属镀层作为保护膜,如锌、锡、铬等。
 
  •2、电化学保护法
 
  无电流保护法是在钢铁结构上接一块较钢铁更为活泼的金属如锌、镁,因为锌、镁比钢铁的电位低,所以锌、镁成为腐蚀电池的阳极遭到破坏(牺牲阳极),而钢铁结构得到保护。这种方法对于那些不容易或不能覆盖保护层的地方,如蒸汽锅炉、轮船外壳、地下管道、港口结构、道桥建筑等。
 
  •外加电流保护法是在钢铁结构附近,安放一些废钢铁或其他难熔金属,如高硅铁及铅银合金等,将外加直流电源的负极接在被保护的钢铁结构上,正极接在难熔的金属上,通电后者难熔金属成为阳极而被腐蚀,钢铁结构成为阴极得到保护。
 
  •3、合金化
 
  在碳钢中加入能提高抗腐蚀能力的合金元素,如镍、铬、钛、铜等制成不同的合金钢。
 
  防止混凝土中钢筋的腐蚀可以采用上述的方法,但最经济有效的方法使提高混凝土的密实度和碱度。并保证钢筋有足够的保护层厚度。
 
  •在水泥水化的产物中,由1/5左右的氢氧化钙产生,介质的PH值达到13左右,使钢筋的表面产生钝化膜,因此混凝土中的钢筋是不易生锈的。但大气中的CO2以扩散方式进入混凝土中,与氢氧化钙作用而使混凝土中性化。当PH值降低到11.5以下时钝化膜可能破坏,使钢材表面成活化状态,此时若具备潮湿和供氧条件,钢筋表面积开始发生电化学腐蚀作用,由于铁锈的体积比钢大2~4倍,这可导致混凝土顺筋开裂。由于二氧化碳是以扩散方式进入混凝土内部进行碳化的,所以提高混凝土的密实度就十分有效地减缓了碳化过程。
 
  因为Cl—有破坏钝化膜的作用,因此在配制钢筋混凝土时还应限制氯盐的使用量。

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