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影响福建建筑钢材性质的内部因素

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影响福建建筑钢材性质的内部因素

发布日期:2018-05-19 作者:福建建筑钢材 点击:

影响福建建筑钢材性质的内部因素:

纯铁(铁单质)在不同温度下具有不同的晶体结构。高温下液态纯铁的原子处于杂乱无序的状态。

当温度降至大约1535℃时,铁水中结晶析出δ-Fe。该晶体的最小重复单元(晶胞)为体心立方体结构(Body-Centered Cube,简称BCC,即原子分别位于立方体的8个顶点和中心)。

继续降温到大约1390℃,体心立方体结构的δ-Fe晶体转变成面心立方体结构(Face-Centered Cube,简称FCC,即原子分别位于立方体的8个顶点和6个面的中心)的γ-Fe晶体。

温度进一步降低至大约910℃,面心立方体结构的γ-Fe晶体又转变成体心立方体结构的α-Fe晶体。

我们知道,钢是铁和碳的合金。碳元素搅和进来之后,事情变得复杂了。

简而言之,常温下微量的碳元素在铁基体中主要以三种形态存在。它们分别是:

固溶体指以铁为溶剂、碳为溶质形成的“固态溶液”。铁保持原有的晶体结构,碳溶解其中。常温下,碳溶解于α-Fe中形成铁素体(Ferrite)。

高温下(高于723℃),碳溶解于γ-Fe中形成奥氏体(Austenite)。奥氏体和铁素体的强度和硬度低,塑性和韧性好。处于红热状态的碳钢通常含有奥氏体,因此容易轧制成材。

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化合物即铁与碳的化学结合——碳化铁(Fe3C),也称为渗碳体(Cementite),其晶体结构复杂,具有塑性很差(几乎为零)、抗拉强度很低、硬脆及耐磨等特点。

机械混合物由上述固溶物和化合物混合而成,常温时呈鲜艳的光泽,故而得名为珠光体(Pearlite)。珠光体的强度较高,塑性和韧性介于铁素体和渗碳体之间。   

铁素体、珠光体和渗碳体都是钢材的组织成分。它们的相对含量随

钢材含碳量和温度的变化而变化。钢材的相图即充分反映了这一事实。

相图(phase diagrams):用来表示材料相的状态和温度及成分关系的综合图谱。

钢材的相图中,建筑钢材(含碳量通常不超过1%)仅占据左下角青色虚线框的一小块而已。由此可见,建筑钢材主要组织成分是铁素体和珠光体。

换言之,影响钢材性质的内因,包括了铁素体和珠光体的性质和相对比例。

世间任何事都不可能完美无缺,材料(物质)的微观世界也一样。

钢材的晶体结构中存在的各种点、线、面、体缺陷。

弗仑克尔缺陷(Frenkel defect 或 Frenkel disorder,也叫弗伦克尔对, Frenkel pair)是指晶体结构中由于原先占据一个格点的原子(或离子)离开格点位置,成为间隙原子(或离子),并在其原先占据的格点处留下一个空位的点缺陷(point defects)。

缺陷的影响具有两面性,可能有利也可能有害于钢材的宏观性能。例如,钢材实际强度远低于理论强度的根本原因就在于其这些缺陷的存在;钢材经冷加工后强度提高、塑性降低,也是由于缺陷发生变化所致。

可见,钢材的微观结构和组织随其化学组成而改变,最终对宏观性质产生影响。一起来看含碳量对碳素钢材基本力学性能的影响。

从这个案例中,我们得知:

当含碳量低于0.8%时,随着含碳量的增大,珠光体增多,铁素体减少,钢材的强度、硬度随之提高,延性(或塑性、冲击韧性)则下降。

当含碳量为0。8%时,铁素体基本消失,组织成分全部变成珠光体,此时钢材的强度最高。

当碳素钢材的含碳量超过0.8%,随着含碳量的增大,珠光体减少,渗碳体出现并增多,钢材的强度随之降低,硬度继续提高,延性继续降低。

可见,0.8%的含碳量是强度随含碳量发生变化的“分水岭”。

建筑钢材在保证强度的同时,更重要的是良好的塑性和韧性,因此其含碳量不得太高。

可见,像人体需要依靠微量元素(trace elements 或 minor elements)维持正常的生命活动一样,钢材中的微量元素也是不可或缺的。

钢材和人体的微量元素,犹如皇冠上的顶钻那般稀有而珍贵,虽然体量很小,但作用和地位是关键而不可或缺的。

当然,既然是微量元素,它们的含量切不可过头,否则产生的影响适得其反。

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