碳素结构钢,常规的化学成分分析及焊接方法！

1、化学成分

建筑钢结构用钢，无论是碳素结构钢还是低合金结构钢，都是含碳量小于0.25%的铁碳合金。 铁是最基本的元素，约占化学成分的98%或更高。 但影响钢材质的是其他含量只有百分之几的元素，包括碳、各种合金元素和杂质元素。 它们对钢材的影响既有积极的作用，也有消极的影响。 它们具有增强体力的作用。 同时，往往对钢材的塑性和韧性产生不利影响。 由于仅含有少量合金元素，其负面影响很小。

碳素结构钢，常规化学成分分析是指碳、硅、锰、硫、磷（n、S、P）五种元素。 其中碳是形成钢强度的主要元素，直接影响钢的焊接性。 随着含碳量的增加，钢的硬度、耐磨性、屈服点和抗拉强度都会提高，但塑性和韧性，特别是负温冲击韧性下降很多，冷弯性能显着下降，焊接性下降恶化。 因此，钢结构选用的钢材含碳量不宜过高，一般不宜超过0.22%。 对于焊接结构用钢，必须控制碳含量。 普通碳钢中通常添加适量的碳和碳当量硅（Si）作为脱氧剂，以制造更高质量的镇静钢。 适量的硅影响钢的塑性、冲击韧性、冷弯性能和焊接性能。 无明显不良反应。 一般镇静锅含硅量为0.10%~0.30%，半镇静钢含硅量为0.05%~0.10%，沸腾钢含硅量仅为微量（不超过0.07%）。

锰（Mn）是一种弱脱氧剂。 适当的锰含量可以有效提高钢的强度、硬度和耐磨性，同时消除硫、氧对钢的热脆影响。 但如果含量太高，冷裂倾向就会成为主要问题，因此锰含量有一个上限。

我国碳素结构钢含锰范围为0.25%-0.80%，成品钢材允许偏差为+0.05%和-0.03%。 硫（S）和磷（P）是碳结构钢中的杂质。 都是有害元素。 硫的存在可能导致钢的热脆化。 同时，硫是钢中最严重的杂质之一。 片状硫化物中液体夹杂物的存在常常是钢板层状撕裂的原因。 因此，质量越好。 钢材中硫含量控制越严格，硫含量应低于0.05%，最严格的要求可低于0.008%。 磷的存在虽然可以提高钢的强度和耐蚀性，但会严重降低钢的塑性、冲击韧性、冷弯性能和焊接性，特别是在低温下，使钢变得非常脆（冷脆性）。 磷也是一种容易发生偏析的元素，其偏析比硫的偏析更为严重。 因此，磷含量也必须严格限制，不得超过0.045%。 但值得一提的是，当铜和磷在钢中共用时，它们的缺点会相互抵消。 适当降低碳含量（C≤0.12%）后，其强度、韧性、焊接性等会更好。 这很容易实现。 铜磷钢是国内外公认的耐候钢系列之一。 其磷含量可高达0.07%~0.15%。 低合金结构钢中的合金元素主要有锰（Mn）、钒（V）、铌（Nb）、钛（T）、铬（Cr）、镍（Ni）等元素。钛和钛都是添加元素，可以显着提高钢的强度，细化晶粒，改善焊接性。

镍和铬是残留元素，是废钢中的合金元素。 它们都是不锈钢的主要元素。 它们可以提高强度、淬透性和电阻等综合性能，但不利于焊接性。 为了提高低合金结构钢的性能，仍允许添加少量的钼（Mo）和稀土（RE）元素，可改善其综合性能。 铝元素是常用的脱氧剂成分，既能脱氧又能脱氮，并具有细化晶粒、提高韧性、减少时效倾向的作用。 国家标准要求，当铝作为细化晶粒元素时，钢的化学成分中酸溶铝含量不得低于0.015%或总铝含量不得低于0.20%。

2、冶炼、轧制工艺

建筑结构钢主要采用氧气转炉和平炉冶炼。 由于生产成本较高，电炉适合冶炼质量要求较高的钢种。 从化学成分波动范围及其平均结果来看，平炉钢和氧气转炉钢非常接近。 可以认为，这两种方法冶炼的钢在化学成分和各种性能上基本相同，因此国家标准中明确规定“除非需方有特殊要求，冶炼方法一般由供方选择。 ” 钢材在冶炼过程中产生氧化铁及其固溶体等杂质，会增加钢材的热脆性，改变钢材的轧制性能。 不好的是，冶炼末期，钢水中氧含量较高（约0.02%~0.07%）。 钢水在浇注前需进行脱氧，使其与氧化铁反应生成氧化物，然后随钢渣排出。 由于脱氧方法和所用脱氧剂的种类和用量不同，最终的脱氧效果也相差很大，从而产生镇静钢、半镇静钢和沸腾钢的区别。

沸腾钢一般用锰脱氧。 当钢水中加入锰铁时，由于锰是弱脱氧剂，脱氧不充分，钢水中的氧化铁与碳反应生成一氧化碳和氧、氮等气体从钢中逸出，引起钢水沸腾猛烈地。 因此称为沸腾钢。 钢锭沸腾时，氧、氮等气体来不及逸出，被包围在钢锭内，使钢的组织和晶粒不均匀，含有较多的氧化物夹杂物，化学元素偏析程度也较大，增加了钢的组织和晶粒。钢的时效敏感性和冷脆性。

镇静钢一般采用硅作为脱氧剂。 对于质量要求较高的钢，可在硅脱氧后采用铝或钛进行补充脱氧。 硅的脱氧能力很强，铝和钛的脱氧能力更强。 硅的脱氧能力是锰的5.2倍，而铝的脱氧能力是锰的90倍。 当钢水中加入锰和适量的硅作为脱氧剂时，钢水中的大部分氧化铁被还原，很少与碳结合而析出一氧化碳气体。 同时，脱氧还原过程释放大量热量，使钢锭冷却减慢，钢中有害气体容易逸出。 浇注时钢水表面平静，称为镇静钢。 镇静钢组织致密，气泡少，偏析少，非金属夹杂物少。 镇静钢具有较高的冲击韧性、较低的时效敏感性和冷脆性。 脱氧程度介于煮水钢和镇静钢之间的钢称为半镇静钢。 脱氧用硅量少，脱氧剂用量约为镇静钢的1/2~1/3。 半镇静钢的性能大大优于沸腾钢。 其强度和塑性完全满足标准要求。 纵轧钢的均匀性不亚于镇静钢。 但影响半镇静钢材质的因素比较复杂，需要相当成熟的操作经验。 当钢中夹杂物限制很严格时，也可采用真空处理等炉外精炼方法。 真空处理是将钢水置于真空环境中，其中所含的氧、氢、氮等能迅速逸出，并且不会像脱氧剂那样形成熔渣。

钢锭的热轧过程不仅改变钢材的形状和尺寸，而且改变钢材的内部组织和性能。 热轧过程在120~1300℃的高温下开始，在900~1000℃结束。 在压力的作用下，钢锭中的小气泡、裂纹等缺陷会被焊接在一起，使金属组织更加致密。 轧制过程破坏了钢锭的铸造组织，细化了晶粒，消除了结构缺陷。 显然，轧制钢比铸钢具有更高的机械性能。 一般来说，轧制型材的规格越小，强度越高，塑性和冲击韧性也越好。 这是因为小型材的轧制压缩比较大。 如果轧制时压缩比太小，成品厚度大，轧制停止温度太高，在随后的冷却过程中会形成降低强度和塑性的金相组织； 如果轧制停止温度太低，钢材的冷度会增加。 它往往很脆，并且由于形成带状结构而破坏钢的各向同性性能。

为了保证钢材质量，必要时，在轧制过程中应控制轧制温度、压下量和冷却速度，提供“控轧”状态下的供给条件。 否则，可经热处理后交货，以提高质量。但一般建筑结构用钢材很少需要这样的工序。

3、热处理

钢的热处理是对固态的钢进行不同的加热、保温和冷却以改变其性能的过程。根据加热和冷却方法的不同，热处理可分为多种类型。 与建筑钢结构有关的（包括所用钢材）大致如下：

(1)退火处理：退火的种类很多，大致可分为再结晶退火和低温退火两大类。 再结晶退火是将钢加热到相变临界点以上30~50℃，保温一段时间，然后缓慢冷却（炉冷、坑冷、灰冷）至500℃以下，然后将其在空气中冷却。 退火是一种长时间的热处理工艺，其目的是细化晶粒，降低硬度，提高塑性，消除组织缺陷，提高机械性能。 低温退火是将钢加热到相变临界点（500~650℃）以下，保温一段时间后缓慢冷却至300~200℃以下出炉。 钢材在此过程中没有组织变化，消除内应力的处理被认为是低温处理。 退火。

（2）正火处理：将钢加热到临界点（AC3）以上30~50℃，保温一段时间，完成奥氏体化，然后在空气中冷却。 正火和退火的加热条件相同，但冷却条件不同。 正火在空气中的冷却速度比回火快，因此正火钢具有更高的强度和硬度，甚至有更大的塑性和韧性。 目的是细化晶粒、消除缺陷、提高性能。 因此，碳素结构钢和低合金结构钢可以正火状态交货。

(3)淬火处理：将钢加热到相变临界点以上(一般在900℃以上)，保温一段时间，然后在水或油等冷却介质中快速冷却，使奥氏体组织转变转变为马氏体以获得高硬度和高强度，但需要后续回火处理以获得良好的综合机械性能。

(4)回火处理：将淬火后的钢材重新加热到相变临界点以下预定温度，保温预定时间，然后冷却。 这种操作称为回火处理，其目的是减少淬火产生的内应力，促进金相组织充分转变，降低淬火钢的脆性。 淬火钢回火后的机械性能取决于回火温度和时间。 根据需要可以选择低温回火（150~200℃）、中温回火（300~500℃）、高温回火（500~650℃）。 对钢材进行淬火和高温回火的综合操作称为淬火和回火。 调质处理使钢材获得较好的强度、塑性、韧性等综合性能。 对于高强度钢，如现行国家标准《低合金高强度结构钢》中的Q420、Q460 C、D、E级钢，交货状态包括调质，《建筑用耐候钢》 《钢》标准中的《焊接结构》Q460NH也可以调质状态交货。其他强度级别一般仅热轧、控轧或正火状态。