論金屬材料四要素關系在實驗分析中的應用

● 山西省產品質量監督檢驗研究院 廖雅倩

論金屬材料四要素關系在實驗分析中的應用

● 山西省產品質量監督檢驗研究院 廖雅倩

金屬材料的四個基本要素是：化學成分、組織結構、合成加工、性能。金屬材料的化學成分、組織結構是影響其性能的直接因素，通過合成加工改變組織結構從而影響其性能。對金屬材料進行實驗室分析，其分析數據與結果并不是獨立存在的，而是有一定的關聯性。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，研究其質量性能，討論金屬材料四要素關系在實驗分析中的應用。

金屬材料 化學成分 性能 實驗分析

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

圖1 金屬材料四要素關系圖

金屬材料的物理、化學、力學性能都是化學成分和組織結構的體現，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，這種性質使它便于加工成用于電導或受力的線材。

化學成分對性能的影響

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構的變化，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。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力作用下產生裂紋，使焊接件在焊縫處產生熱裂紋。在焊接時產生的SO2氣體，還使焊縫產生氣孔和縮松。

磷是有害的雜質元素，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。

組織結構對性能的影響

金屬組織結構的狀態直接決定了金屬材料的性能。從組織結構看，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晶過程，獲得優良的組織結構，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，主要有金屬鑄造、壓力加工成型技術、粉末冶金技術、焊接技術、熱處理技術等。金屬材料在合成加工過程中引起組織結構的變化，從而對材料的性能產生影響。如鑄造過程產生的疏松、孔洞、成分偏析等缺陷，將降低材料的力學性能；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部組織結構，以改善鋼的性能。通過適當的熱處理可以顯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，其分析數據與結果并不是獨立存在的，而是有一定的關聯性。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，研究其質量性能，討論金屬材料四要素關系在實驗分析中的應用。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.室溫拉伸力學性能實驗

依據國家強制性標準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，應力-應變曲線如圖4所示，其力學性能標準要求與實驗數據如表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 室溫拉伸實驗應力-應變曲線

表2 力學性能的標準要求與實驗數據 單位：MPa

從實驗數據可以看出，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，該鋼筋力學性能不滿足要求。

2.化學成分分析實驗

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

圖5 金相組織（500X）

表3 化學成分的標準要求與實驗數據 單位：%

從表3中可以看出，化學成分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，在應力作用下產生裂紋，容易斷裂，它使鋼的強度、硬度顯著降低。實驗結果中化學成分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，力學性能降低。

4.合成加工工藝的分析

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