论金属材料四要素关系在实验分析中的应用

● 山西省产品质量监督检验研究院 廖雅倩

论金属材料四要素关系在实验分析中的应用

● 山西省产品质量监督检验研究院 廖雅倩

金属材料的四个基本要素是：化学成分、组织结构、合成加工、性能。金属材料的化学成分、组织结构是影响其性能的直接因素，通过合成加工改变组织结构从而影响其性能。对金属材料进行实验室分析，其分析数据与结果并不是独立存在的，而是有一定的关联性。本文针对建筑中使用广泛的钢筋混凝土用热轧带肋钢筋（牌号HRB400/公称直径Φ12mm）进行实验室分析，研究其质量性能，讨论金属材料四要素关系在实验分析中的应用。

金属材料 化学成分 性能 实验分析

金属材料的四个基本要素是：化学成分、组织结构、合成加工、性能（包括物理性能、力学性能和化学性能）。金属材料的化学成分、组织结构是影响其性能的直接因素，通过合成加工改变组织结构从而影响其性能；另一方面，通过改变化学成分也会改变其组织结构从而影响其性能。这四个要素构成了图1所示的关系。其中组织结构是核心，性能是研究工作的落脚点、出发点和目标，一切对金属材料的研究都是为了提高其性能，以适应工业生产要求。

图1 金属材料四要素关系图

金属材料的物理、化学、力学性能都是化学成分和组织结构的体现，它们决定着金属材料的使用范围。如金属具有良好的延展性，这种性质使它便于加工成用于电导或受力的线材。

化学成分对性能的影响

碳在钢中起着非常重要的作用，影响着钢的机械性能。碳在钢中一般以铁碳合金的形式存在，如铁素体、渗碳体等。含碳量的多少，不仅引起铁素体和渗碳体相对量的变化，而且可以引起组织结构的变化，从而影响性能。如低碳钢中碳含量低，形成铁素体较多，塑性韧性好，但切削加工时容易粘刀、不易折断，影响表面粗糙度，因此切屑加工性能不好。高碳钢中，碳含量高，形成渗碳体多，硬度较高，严重磨损刀具，切削性能差。中碳钢中，铁素体和渗碳体的比例适中，硬度和塑性也比较适中，其切削加工性能较好。

锰和硅是炼钢过程中必须加入的脱氧剂，用以去除溶于钢液中的氧。锰对碳钢的机械性能有良好影响，它能提高钢的强度和硬度，当含锰量不高于0．8%时，可以稍微提高或不降低钢的塑性和韧性。碳钢中的含硅量一般小于0．5%，它也是钢中的有益元素，能显著提高钢的强度和硬度，但含量较高时，将使钢的塑性和韧性下降。

硫是钢中的有害元素，它是在炼钢时由矿石和燃料带到钢中来的杂质。最大危害是引起钢在热加工时开裂。含硫量高时，会使钢铸件在铸造应力作用下产生裂纹，使焊接件在焊缝处产生热裂纹。在焊接时产生的SO2气体，还使焊缝产生气孔和缩松。

磷是有害的杂质元素，它是由矿石和生铁等炼钢原料带入的，磷使钢的强度、硬度显著提高，但剧烈地降低钢的韧性，尤其是低温韧性。

组织结构对性能的影响

金属组织结构的状态直接决定了金属材料的性能。从组织结构看，金属的晶粒越细，金属材料的强度和硬度越高。细化晶粒不但可以提高材料的强度，同时还可以改善材料的塑性和韧性。所以研究和控制金属的结晶过程，获得优良的组织结构，成为提高金属性能的一个重要手段。

合成加工对性能的影响

金属材料的合成加工技术，主要有金属铸造、压力加工成型技术、粉末冶金技术、焊接技术、热处理技术等。金属材料在合成加工过程中引起组织结构的变化，从而对材料的性能产生影响。如铸造过程产生的疏松、孔洞、成分偏析等缺陷，将降低材料的力学性能；而压力加工过程中由于位错密度的增加引起的加工硬化，将使材料的强度、硬度提高，而塑性、韧性降低。热处理目的是改变钢的内部组织结构，以改善钢的性能。通过适当的热处理可以显著提高钢的机械性能，延长机器零件的使用寿命。

金属材料四要素关系的实验室分析、研究与讨论

对金属材料进行实验室分析，其分析数据与结果并不是独立存在的，而是有一定的关联性。本文针对建筑中使用广泛的钢筋混凝土用热轧带肋钢筋（牌号HRB400/公称直径Φ12mm）进行实验室分析，研究其质量性能，讨论金属材料四要素关系在实验分析中的应用。实验分析项目及其所用主要仪器如表1所示。

表1 实验分析项目及其所用主要仪器

1.室温拉伸力学性能实验

依据国家强制性标准GB 1499．2-2007《钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋》对该热轧带肋钢筋进行室温拉伸力学性能实验。切取两根钢筋制成试样如图2所示，在室温下进行拉伸实验，断后试样如图3所示，应力-应变曲线如图4所示，其力学性能标准要求与实验数据如表2所示。

图2 室温拉伸实验试样：牌号HRB400/公称直径Φ12mm

图3 室温拉伸实验断后试样

图4 室温拉伸实验应力-应变曲线

表2 力学性能的标准要求与实验数据 单位：MPa

从实验数据可以看出，该热轧带肋钢筋样品的屈服强度和抗拉强度均不符合标准要求，该钢筋力学性能不满足要求。

2.化学成分分析实验

对该热轧带肋钢筋进行化学成分分析实验，标准GB 1499．2-2007《钢筋混凝土用钢 第2部分：热轧带肋钢筋》中规定了化学成分含量的要求，其化学成分的标准要求与实验数据如表3所示。

图5 金相组织（500X）

表3 化学成分的标准要求与实验数据 单位：%

从表3中可以看出，化学成分S的含量高于标准值。硫是钢中的有害元素，最大危害是引起钢在热加工时开裂，在应力作用下产生裂纹，容易断裂，它使钢的强度、硬度显著降低。实验结果中化学成分Mn的含量很低，锰的加入能提高钢的强度和硬度，所以锰的含量太低不利于提高机械性能。

3.金相组织分析实验

该热轧带肋钢筋金相组织为：块状及网状铁素体+珠光体+部分索氏体（见图5）。

通过金相组织分析，可以看出该热轧带肋钢筋的金相组织中存在大量块状铁素体及网状铁素体，这些缺陷组织的存在使得强度下降，脆性增大，力学性能降低。

4.合成加工工艺的分析

合理应用并精确控制的合成加工工艺是减少缺陷组织的关键。在加工过程中控制压力、温度、速度等关键控制点使得加工工艺更加完善，获得符合要求的组织结构，从而使钢的性能满足要求。