原 超

(山西安信建设工程检测有限公司，山西 晋城 048000)

1 建筑钢材使用现状

建筑钢材是建筑的骨架，不同的钢材性能对建筑的品质有着不同的影响，而钢材中不同化学元素含量对钢材的力学性能起着至关重要的作用。我国建筑钢材按金相组织分类主要有：普通碳素结构钢、低合金结构钢等。普通碳素结构钢其含碳量在0.25%以下，中碳钢其碳素含量在0.25%～0.6%，高碳钢碳素含量大于0.6%，其中，以Q195、Q215、Q235等在建筑领域使用较多。低合金结构钢是指合金成分总量在5%以下的合金结构钢。这种钢的含碳量与低碳钢相似，主要靠少量合金元素进行强化、改善韧性和可焊性。

2 钢材中元素分析方法

2.1 对实验样品进行定性分析

钢材中化学元素对钢材的性能有着至关重要的影响，可以通过光学显微镜分析、扫描电子显微镜分析、投射电子显微镜分析、室温拉伸试验、X射线衍射分析、拉曼光谱分析等方法对样品材料进行定性观测分析。本文主要通过投射电子显微镜对钢材中化学元素进行分析。

透射式电子显微镜，是以波长极短的电子束作为照明源，用电磁透镜聚焦成像的一种高分辨率、高放大倍率的电子光学仪器[1]。可用来观察分析样品的超微结构。透射电镜技术最早应用于医学方面，主要观察一些病理切片，从而进行病理变化分析[2]。随着现在科技的发展，透射电镜广泛的用于材料中化学元素的检测。目前透射电子显微镜可以看到小于0.2 μm的细微结构。

本次实验选用的是德国蔡司Libra200型高分辨透射电子显微镜，对建筑中常用的低合金结构钢Q345进行分析。首先，对样品进行拉伸处理，对拉伸变形后的样品截取距离断口10 mm范围的试样，将试样通过SiC金相砂纸研磨至100 μm左右，放置于圆形冲样器上，冲压成直径为Φ3 mm的圆片状样品，将样品继续通过SiC金相砂纸研磨至50 μm，后通过双喷电解减薄设备对处理好的样品进行减薄处理。所用的电解双喷液为10%HClO4+90%C2H5OH溶液，减薄电压为30 V，处理前利用液氮将电解液温度降至-20 ℃，利用投射电镜可以观察拉伸样品变形前、后的显微组织、变形亚结构和通过选区电子衍射分析组织中的析出相的种类等。

2.2 对实验样品进行定量分析

对材料中的元素进行化学检测主要是通过原子吸收法、分光分度法、化学分析法等。本文选用ICP光谱法对实验样品进行分析检测，ICP法具有准确度、高检出限低以及线性范围宽等优点，广泛用于钢材中元素检测。

检测前对样品进行预处理，对照标准将各类试剂进行稀释处理，得到相应浓度的标准使用溶液，后用硝酸对标准使用溶液进行酸化处理。处理好后通过等离子检测仪对样品进行检测，通过仪器数据库选取相应标准谱线，通过光谱信背比确定最佳功率条件。确定好条件后在仪器稳定工况下对样品进行检测，以多点方式绘制检测曲线。

3 不同元素对钢材性能的影响

本实验选取6种不同性能的钢材进行分析对照，其主要由Fe、Mn、Al、C四种元素组成。其中，6种实验钢分为2组，第一组中Mn质量分数都为20%，Al质量分数为8%，C质量分数分别为0.25%、0.35%、0.45%。第二组中C质量分数为0.25%，Al质量分数为5.5%，Mn质量分数分别为10.0%、13.0%、16.0%。分别对两组实验钢材进行实验。

3.1 碳元素对钢组织的影响

分别将C质量分数为0.25%、0.35%、0.45%的钢材料标注为C1、C2、C3。对其研磨抛光后在4%的硝酸酒精中化学刻蚀45 s，通过透射电镜进行观察，如图1～图3。

图1 C1钢材料的组织形貌

图2 C2钢材料的组织形貌

图3 C3钢材料的组织形貌

从图1～图3中可以看出，C1钢铁素体条带明显比较粗大，且所占区域面积大于奥氏体，奥氏体条带的分布不是很均匀，而且奥氏体的晶界明显，晶粒尺寸相对较小，并伴随着少量的孪晶组织。随着含碳量增加，其C2中奥氏体和铁素体分布均匀，奥氏体晶粒增大，其孪生晶体叫C1也有一定增加。随着含C量继续增加C3中铁素体减少，奥氏体增加明显。相较于C1和C2铁素体体积变得细长，奥氏体晶粒较大。

3.2 碳、锰含量对钢材料延伸率的影响

将C1、C2、C3钢材在800 ℃固溶处理5 min后室温拉伸，拉伸所采用的应变速率为1.67×10-3s-1。

从图4中可以看出，随着碳元素占比逐渐增加，其延伸率也逐步增大，这是由于，碳含量增加可以促进晶粒的再结晶和生长，而且奥氏体比铁素体具有更好的形变能力，碳含量增加使奥氏体占比更大，从而增加的奥氏体提高了实验钢材的塑性形变能力[3-5]。

从图5中可以看出，随着锰元素占比的增加，延伸率逐渐降低，这是因为，在析出过程中逆变奥氏体合金含量不足，在室温中不能稳定存在变为马氏体，马氏体塑性较差，大大降低了实验钢的延伸率[5]。

图4 C元素占比和延伸率的关系

图5 Mn元素占比和延伸率的关系

3.3 碳含量对钢材料强度的影响

所选条件与3.1相同，对实验钢材进行强度测试。

从第33页图6中可以看出，随着碳元素占比增加，实验钢材的最高拉伸强度随之增加。因为，随着碳元素增加，钢材中有着更多的奥氏体，且奥氏体晶粒在一定范围内增大，晶界面积开始增大，晶界强化作用增强，并且可以更早的结晶和再结晶，这样可以在一定范围内提升钢材料的强度。

从第33页图7中可以看出，随着锰元素占比的增加，实验钢材的最高拉伸强度随之减小。主要原因为，锰元素可以使奥氏体组织冷却后在室温中稳定存在，奥氏体缺乏分解析出相，析出的强化作用消失。且锰含量增加增大了奥氏体的体积分数，其相对碳含量随之降低，促进两相组织生长，晶界面积减少，强化作用增强。

图6 C元素占比和最高拉伸强度关系

图7 Mn元素占比和最高拉伸强度关系

3.4 碳、锰含量对钢材料密度的影响

利用Sartorius BP211D电子分析天平分别测量实验钢在空气与水中的质量。利用式(1)～式(3)计算出相应的密度。

ρ测V=M空g

(1)

ρ水V=(M空-M水)g

(2)

ρ测=M空ρ水/(M空-M水)

(3)

其中，ρ测为实验用钢密度，kg/m3；M空为实验钢在空气中的质量，kg；M水为实验在水中的质量，kg；ρ水为水的密度，kg/m3；g为重力系数，取9.8 N/kg。

将测得的试验数据代入公式中，计算出设计的两类轻质钢的密度。

从图8～图9中可以看出，随着碳元素增加，实验钢的密度随之降低，密度下降最低为13.5%，最高为14.7%。随着锰元素增加，实验钢的密度随着降低，但降低幅度较小，最低8.5%，最高10.3%，说明添加碳元素对钢材的轻量化有着一定的作用。

图8 C元素占比和密度关系

图9 Mn元素占比和密度关系

4 结论

本文通过实验得出钢材料随着碳元素在一定范围内增加其延伸性、强度随之增加，密度降低，可以提高钢材的力学性能。表明碳元素可以促进奥氏体的形成，稳定奥氏体。钢材随着锰元素在一定范围内增加其延伸率、强度、密度都随之降低。锰元素在钢材中可以扩大奥氏体相区，稳定奥氏体组织，提高钢材的错能层。本文对建筑钢材的设计制造有一定的参考意义。