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        論金屬材料四要素關(guān)系在實驗分析中的應(yīng)用

        2015-12-22 07:56:46山西省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗研究院廖雅倩
        大眾標準化 2015年12期
        關(guān)鍵詞:金屬材料鐵素體力學(xué)性能

        ● 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?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。

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