不同化學(xué)元素對建筑鋼材性能影響分析

張 鑫

（青海省建筑建材科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，青海 西寧 810008）

熱軋制帶肋鋼筋作為混凝土建筑結(jié)構(gòu)中最主要的增強(qiáng)材料，在整體建筑中承擔(dān)著高周和低周的疲勞效應(yīng)。隨著社會發(fā)展對建筑鋼材的需求急速增加，按高標(biāo)準(zhǔn)三級以上的螺紋鋼材產(chǎn)量僅為28萬噸，在優(yōu)質(zhì)鋼材中的占比偏少。并且為整合建筑行業(yè)的爛尾和低品質(zhì)樓區(qū)現(xiàn)象，在混凝土鋼材設(shè)計規(guī)范中明確指出，需要對強(qiáng)度在400MPa以下的熱軋制帶肋鋼筋進(jìn)行淘汰。在優(yōu)質(zhì)煤炭和礦石的使用中，原有鋼材的原料供應(yīng)逐漸制約我國鋼鐵制造業(yè)的發(fā)展，在不考慮其他因素條件下，如何增強(qiáng)滿足條件的軋制鋼材是現(xiàn)階段需要解決的重要問題。在以美國為首的發(fā)達(dá)國家已經(jīng)完成合金鋼材的生產(chǎn)和應(yīng)用，其通過不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的化學(xué)元素，在發(fā)生固溶反應(yīng)的階段對鋼材的結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生不同形態(tài)的影響，從而改變鋼材的整體性能。本文在選擇現(xiàn)有軋制工藝條件下，研究不同化學(xué)元素對建筑鋼材性能的影響，發(fā)揮出不同等級元素的沉淀效果，生產(chǎn)具有最優(yōu)性能力學(xué)的工程材料[1]。

1 實驗準(zhǔn)備

1.1 設(shè)備選取

采用鋼材測定硬度儀器和光學(xué)顯微鏡，通過終端軋制工藝后的冷卻鋼材測定化學(xué)成分，在其表面純粹表層和中間過渡層，分別對鐵素體和奧氏體進(jìn)行顯微組織測量。利用LABSPARK1400直讀光譜儀和ICP-MS光譜質(zhì)譜儀器， ON-3500氧氮氫分析儀分別對不同溫度下軋制工藝下的鋼材進(jìn)行組織性能測定，比較相同工藝下化學(xué)元素對建筑鋼材的性能影響狀況。為制定合理的鋼材制作工藝提供有利條件。在熱機(jī)制的研究中主要對直線切割機(jī)進(jìn)行采取，并且在光學(xué)顯微鏡和掃描儀等設(shè)備下完成此次實驗。

1.2 原料和成分設(shè)計

實驗選取的材料以標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)不銹鋼材料為基礎(chǔ)，在二次加料的過程中對各類合金進(jìn)行配料冶煉，每組材料的添加標(biāo)準(zhǔn)為鉻含量不能超過30%，鎳含量不能超過5%，銅含量設(shè)定為3.5%，其次碳和磷的含量均小于0.05%[2-4]。原料均為工業(yè)純鐵和金屬樣板以及微碳鉻鐵。稀土可以減少鋼材中雜物的數(shù)量，能夠控制雜物的形態(tài)分布，以此改善實驗鋼材的力學(xué)性能，對固溶晶粒中在源稀土粒子增加含量，促使其能夠引起晶體的畸變，使鐵素體和奧氏體晶粒中的內(nèi)容物密度錯位。

2 實驗過程

2.1 工藝選擇

在軋制過程中，連續(xù)加熱鋼材，試樣溫度從200℃開始，依次增加至800℃、1000℃、1200℃和1450℃五個不同層級的保溫序列，并且在淬火加工時，保證每個試樣樣品的尺寸保持在45mm×45mm×45mm大小的正方體。在每次升溫過程中，對熱模機(jī)中的樣品進(jìn)行8分鐘的冷卻，隨之按照10s每次的變形速度進(jìn)行軋制變形，進(jìn)而通過自回火控制完成制品的冷卻和回縮。制備完畢后，利用金剛石對制品進(jìn)行拋光，直到試樣表面完全平整沒有劃痕，用酒精清洗晾干鐵塊試樣，同時，在待觀察的組織中，加入防腐試劑（氧化銅8g、鹽酸和水各1200ml）。

2.2 樣品制備

在對合金材料的入爐前進(jìn)行水分的烘干處理，打磨掉所有料皮，保證材料表面的清潔，在同等大小的合金材料尺寸裁剪下，對大塊的合金材料進(jìn)行切割，分成兩部分進(jìn)行進(jìn)爐軋制。在裝料過程中，按照設(shè)定的順序完成純鐵和純鎳的直加入，每次加料時，注意上松下緊，保證干鍋狀態(tài)下預(yù)熱材料的鋪墊。按照選擇工藝進(jìn)行三組樣品的制備，每組合金材料的具體組成成分如下表1所示。

表1 合金原料化學(xué)成分（%）

根據(jù)各類合金材料的化學(xué)成分，剔除冶煉過程中的氧化量，并且分別對各類元素的熱加工回收率進(jìn)行有效控制，保證每個梯度內(nèi)實驗鋼種保持足夠成分的鐵元素和固氮元素。

3 實驗結(jié)果分析

3.1 化學(xué)成分測定

實驗鋼材中的基礎(chǔ)化學(xué)成分直接采用直讀光譜儀進(jìn)行分析，包括稀土Ce和N的含量，在測試樣品的鋼板上選擇不同位置進(jìn)行切割。每個位置的切割線采取15mm×15mm×15mm的尺寸進(jìn)行組織觀察，利用砂質(zhì)進(jìn)行鋼塊氧化層的鐵皮打磨，盡量還原鐵塊表面的光亮度，保證其鋼塊表面不存留任何雜物。不同部位選取潔凈鐵屑重量選擇約為1.5g，每次打磨分為粗磨和細(xì)磨兩個部分，其中粗磨時，選用15#-600#型號的砂質(zhì)進(jìn)行依次沿邊打磨，通過600#以上的砂質(zhì)進(jìn)行輕力度修整。在顯微鏡自帶的能譜分析儀中進(jìn)行夾帶化學(xué)成分的分析，1號樣品中僅存在稀土Ce0.042%，2號樣品中含有0.56%的Ti元素，3號樣品包含兩種成分，分別為0.052%的Ce和0.54%的Ti。根據(jù)以上樣品中的化學(xué)元素含量，對制備的鋼材進(jìn)行室溫環(huán)境下拉伸應(yīng)力檢測。

3.2 拉伸應(yīng)力分析

在室溫條件下不銹鋼鋼材中奧氏體和鐵素體的硬度值會產(chǎn)生不同影響，造成拉伸應(yīng)力的變化，利用固溶處理的方式檢測處理后每組樣品中奧氏體的鐵素體的不同含量。在進(jìn)行四次熔爐后，每組樣品的奧氏體組織均比鐵素體的硬度大，表明在添加稀土微量元素后能夠均勻和細(xì)化鋼體的晶粒尺寸，對細(xì)化晶粒在一定程度上產(chǎn)生強(qiáng)化。在以上不同含量的樣品中，對外在荷載進(jìn)行彈性變形測試，在外加荷載逐漸上升期間，試樣發(fā)生回彈，表示其可以承受的最大應(yīng)力值，隨之應(yīng)力減少，試樣產(chǎn)生縮頸發(fā)生斷裂，下圖1為三組樣品在不同應(yīng)變能力情況中，承擔(dān)的應(yīng)力值變化曲線。

圖1 應(yīng)力拉伸變化曲線

根據(jù)圖中數(shù)據(jù)可知樣品3的應(yīng)力曲線高于樣品1和樣品2 ，其抗拉強(qiáng)度分別高出了90MPa和145MPa，說明在鋼材中加入Ti和Ce可以明顯提高其強(qiáng)度。在完成拉伸應(yīng)力檢測后，本文測量斷裂切口的形態(tài)，分析不同化學(xué)成分對端口內(nèi)韌窩的排列影響，其中孔洞越大說明鋼材內(nèi)雜物分布的數(shù)量越多，孔洞均勻且較小的排列表明，該鋼材內(nèi)基本不存在雜物，其整體的可塑性較強(qiáng)，顯微鏡觀測到的三組斷口如圖2所示。

圖2 拉伸斷口形態(tài)樣貌

根據(jù)圖中內(nèi)容可知，樣品1含有0.042% 的Ce，在其斷口處的韌窩數(shù)量較少，且分布均勻，能夠?qū)鞆?qiáng)度產(chǎn)生較大影響，極少存在雜物，但是可塑性不強(qiáng)。樣品2僅含有0.56%的Ti元素，出現(xiàn)的端口韌窩較大較深其拉伸強(qiáng)度提升并不大。樣品3中沒有較大孔深存在，所有分布的孔洞均有序排列，說明稀土Ce和Ti元素的共同作用對鋼材的拉伸性能提升的作用更大。

4 結(jié)語

本文從選擇多個檢測設(shè)備的統(tǒng)一調(diào)配下，通過加熱和冷卻兩次軋制工藝進(jìn)行鋼材樣本的制備，在測定不同樣品中化學(xué)元素的含量后，完成應(yīng)力拉伸的實驗測試。實驗結(jié)果表明：單一的對鋼材中加入稀土元素或者Ti元素只能強(qiáng)化其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，無法提高其可塑性。在稀土元素和Ti元素含量分別為0.052%和0.54%時，樣品承擔(dān)的應(yīng)力值最高，且形成的斷口韌窩分布均勻，沒有產(chǎn)生雜質(zhì)。但是在研究過程中，沒有考慮冷卻模式下化學(xué)元素的集聚效果，無法作出鋼材性能的兼顧狀態(tài)下的準(zhǔn)確判斷，得出的結(jié)果具有一定的偏差性。在后續(xù)研究中會綜合考慮軋制過程中，不同化學(xué)元素的自身變化情況，選擇最適宜的加工熱度和冷卻時間，為提高鋼材的性能提供更有利的指導(dǎo)理論。