原 超

(山西安信建設(shè)工程檢測有限公司，山西 晉城 048000)

1 建筑鋼材使用現(xiàn)狀

建筑鋼材是建筑的骨架，不同的鋼材性能對建筑的品質(zhì)有著不同的影響，而鋼材中不同化學(xué)元素含量對鋼材的力學(xué)性能起著至關(guān)重要的作用。我國建筑鋼材按金相組織分類主要有：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼等。普通碳素結(jié)構(gòu)鋼其含碳量在0.25%以下，中碳鋼其碳素含量在0.25%～0.6%，高碳鋼碳素含量大于0.6%，其中，以Q195、Q215、Q235等在建筑領(lǐng)域使用較多。低合金結(jié)構(gòu)鋼是指合金成分總量在5%以下的合金結(jié)構(gòu)鋼。這種鋼的含碳量與低碳鋼相似，主要靠少量合金元素進(jìn)行強(qiáng)化、改善韌性和可焊性。

2 鋼材中元素分析方法

2.1 對實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行定性分析

鋼材中化學(xué)元素對鋼材的性能有著至關(guān)重要的影響，可以通過光學(xué)顯微鏡分析、掃描電子顯微鏡分析、投射電子顯微鏡分析、室溫拉伸試驗(yàn)、X射線衍射分析、拉曼光譜分析等方法對樣品材料進(jìn)行定性觀測分析。本文主要通過投射電子顯微鏡對鋼材中化學(xué)元素進(jìn)行分析。

透射式電子顯微鏡，是以波長極短的電子束作為照明源，用電磁透鏡聚焦成像的一種高分辨率、高放大倍率的電子光學(xué)儀器[1]。可用來觀察分析樣品的超微結(jié)構(gòu)。透射電鏡技術(shù)最早應(yīng)用于醫(yī)學(xué)方面，主要觀察一些病理切片，從而進(jìn)行病理變化分析[2]。隨著現(xiàn)在科技的發(fā)展，透射電鏡廣泛的用于材料中化學(xué)元素的檢測。目前透射電子顯微鏡可以看到小于0.2 μm的細(xì)微結(jié)構(gòu)。

本次實(shí)驗(yàn)選用的是德國蔡司Libra200型高分辨透射電子顯微鏡，對建筑中常用的低合金結(jié)構(gòu)鋼Q345進(jìn)行分析。首先，對樣品進(jìn)行拉伸處理，對拉伸變形后的樣品截取距離斷口10 mm范圍的試樣，將試樣通過SiC金相砂紙研磨至100 μm左右，放置于圓形沖樣器上，沖壓成直徑為Φ3 mm的圓片狀樣品，將樣品繼續(xù)通過SiC金相砂紙研磨至50 μm，后通過雙噴電解減薄設(shè)備對處理好的樣品進(jìn)行減薄處理。所用的電解雙噴液為10%HClO4+90%C2H5OH溶液，減薄電壓為30 V，處理前利用液氮將電解液溫度降至-20 ℃，利用投射電鏡可以觀察拉伸樣品變形前、后的顯微組織、變形亞結(jié)構(gòu)和通過選區(qū)電子衍射分析組織中的析出相的種類等。

2.2 對實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行定量分析

對材料中的元素進(jìn)行化學(xué)檢測主要是通過原子吸收法、分光分度法、化學(xué)分析法等。本文選用ICP光譜法對實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行分析檢測，ICP法具有準(zhǔn)確度、高檢出限低以及線性范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于鋼材中元素檢測。

檢測前對樣品進(jìn)行預(yù)處理，對照標(biāo)準(zhǔn)將各類試劑進(jìn)行稀釋處理，得到相應(yīng)濃度的標(biāo)準(zhǔn)使用溶液，后用硝酸對標(biāo)準(zhǔn)使用溶液進(jìn)行酸化處理。處理好后通過等離子檢測儀對樣品進(jìn)行檢測，通過儀器數(shù)據(jù)庫選取相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)譜線，通過光譜信背比確定最佳功率條件。確定好條件后在儀器穩(wěn)定工況下對樣品進(jìn)行檢測，以多點(diǎn)方式繪制檢測曲線。

3 不同元素對鋼材性能的影響

本實(shí)驗(yàn)選取6種不同性能的鋼材進(jìn)行分析對照，其主要由Fe、Mn、Al、C四種元素組成。其中，6種實(shí)驗(yàn)鋼分為2組，第一組中Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)都為20%，Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8%，C質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.25%、0.35%、0.45%。第二組中C質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%，Al質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.5%，Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為10.0%、13.0%、16.0%。分別對兩組實(shí)驗(yàn)鋼材進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

3.1 碳元素對鋼組織的影響

分別將C質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.25%、0.35%、0.45%的鋼材料標(biāo)注為C1、C2、C3。對其研磨拋光后在4%的硝酸酒精中化學(xué)刻蝕45 s，通過透射電鏡進(jìn)行觀察，如圖1～圖3。

圖1 C1鋼材料的組織形貌

圖2 C2鋼材料的組織形貌

圖3 C3鋼材料的組織形貌

從圖1～圖3中可以看出，C1鋼鐵素體條帶明顯比較粗大，且所占區(qū)域面積大于奧氏體，奧氏體條帶的分布不是很均勻，而且奧氏體的晶界明顯，晶粒尺寸相對較小，并伴隨著少量的孿晶組織。隨著含碳量增加，其C2中奧氏體和鐵素體分布均勻，奧氏體晶粒增大，其孿生晶體叫C1也有一定增加。隨著含C量繼續(xù)增加C3中鐵素體減少，奧氏體增加明顯。相較于C1和C2鐵素體體積變得細(xì)長，奧氏體晶粒較大。

3.2 碳、錳含量對鋼材料延伸率的影響

將C1、C2、C3鋼材在800 ℃固溶處理5 min后室溫拉伸，拉伸所采用的應(yīng)變速率為1.67×10-3s-1。

從圖4中可以看出，隨著碳元素占比逐漸增加，其延伸率也逐步增大，這是由于，碳含量增加可以促進(jìn)晶粒的再結(jié)晶和生長，而且奧氏體比鐵素體具有更好的形變能力，碳含量增加使奧氏體占比更大，從而增加的奧氏體提高了實(shí)驗(yàn)鋼材的塑性形變能力[3-5]。

從圖5中可以看出，隨著錳元素占比的增加，延伸率逐漸降低，這是因?yàn)?，在析出過程中逆變奧氏體合金含量不足，在室溫中不能穩(wěn)定存在變?yōu)轳R氏體，馬氏體塑性較差，大大降低了實(shí)驗(yàn)鋼的延伸率[5]。

圖4 C元素占比和延伸率的關(guān)系

圖5 Mn元素占比和延伸率的關(guān)系

3.3 碳含量對鋼材料強(qiáng)度的影響

所選條件與3.1相同，對實(shí)驗(yàn)鋼材進(jìn)行強(qiáng)度測試。

從第33頁圖6中可以看出，隨著碳元素占比增加，實(shí)驗(yàn)鋼材的最高拉伸強(qiáng)度隨之增加。因?yàn)?，隨著碳元素增加，鋼材中有著更多的奧氏體，且奧氏體晶粒在一定范圍內(nèi)增大，晶界面積開始增大，晶界強(qiáng)化作用增強(qiáng)，并且可以更早的結(jié)晶和再結(jié)晶，這樣可以在一定范圍內(nèi)提升鋼材料的強(qiáng)度。

從第33頁圖7中可以看出，隨著錳元素占比的增加，實(shí)驗(yàn)鋼材的最高拉伸強(qiáng)度隨之減小。主要原因?yàn)?，錳元素可以使奧氏體組織冷卻后在室溫中穩(wěn)定存在，奧氏體缺乏分解析出相，析出的強(qiáng)化作用消失。且錳含量增加增大了奧氏體的體積分?jǐn)?shù)，其相對碳含量隨之降低，促進(jìn)兩相組織生長，晶界面積減少，強(qiáng)化作用增強(qiáng)。

圖6 C元素占比和最高拉伸強(qiáng)度關(guān)系

圖7 Mn元素占比和最高拉伸強(qiáng)度關(guān)系

3.4 碳、錳含量對鋼材料密度的影響

利用Sartorius BP211D電子分析天平分別測量實(shí)驗(yàn)鋼在空氣與水中的質(zhì)量。利用式(1)～式(3)計(jì)算出相應(yīng)的密度。

ρ測V=M空g

(1)

ρ水V=(M空-M水)g

(2)

ρ測=M空ρ水/(M空-M水)

(3)

其中，ρ測為實(shí)驗(yàn)用鋼密度，kg/m3；M空為實(shí)驗(yàn)鋼在空氣中的質(zhì)量，kg；M水為實(shí)驗(yàn)在水中的質(zhì)量，kg；ρ水為水的密度，kg/m3；g為重力系數(shù)，取9.8 N/kg。

將測得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)代入公式中，計(jì)算出設(shè)計(jì)的兩類輕質(zhì)鋼的密度。

從圖8～圖9中可以看出，隨著碳元素增加，實(shí)驗(yàn)鋼的密度隨之降低，密度下降最低為13.5%，最高為14.7%。隨著錳元素增加，實(shí)驗(yàn)鋼的密度隨著降低，但降低幅度較小，最低8.5%，最高10.3%，說明添加碳元素對鋼材的輕量化有著一定的作用。

圖8 C元素占比和密度關(guān)系

圖9 Mn元素占比和密度關(guān)系

4 結(jié)論

本文通過實(shí)驗(yàn)得出鋼材料隨著碳元素在一定范圍內(nèi)增加其延伸性、強(qiáng)度隨之增加，密度降低，可以提高鋼材的力學(xué)性能。表明碳元素可以促進(jìn)奧氏體的形成，穩(wěn)定奧氏體。鋼材隨著錳元素在一定范圍內(nèi)增加其延伸率、強(qiáng)度、密度都隨之降低。錳元素在鋼材中可以擴(kuò)大奧氏體相區(qū)，穩(wěn)定奧氏體組織，提高鋼材的錯(cuò)能層。本文對建筑鋼材的設(shè)計(jì)制造有一定的參考意義。