钢材的化学成分对性能的影响

（一）钢材的化学成分

1、碳
碳是决定钢材性能的主要元素。碳对钢材性能的影响如图7—5所示。

?随着含碳量的增加，钢材的强度和硬度相应提高，而塑性和韧性相应降低。当含碳量超过1%时，钢材的极限强度开始下降。此外，含碳量过高还会增加钢的冷脆性和时效敏感性，降低抗大气腐蚀性和可焊性。

?2、硅、锰
硅和锰是在炼钢是为了脱氧去硫而有意加入的元素。由于硅与氧的结合能力很大，因而能夺取氧化铁中的氧形成二氧化硅进入钢渣中，其余大部分硅溶于铁素体中，当含量较低时（小于1%），可提高钢材的强度，对塑性、韧性影响不大。锰对氧和硫的结合力分别大于铁对氧和硫的结合力，因此锰能使有害的FeS、FeO分别形成MnS、MnO而进入钢渣中，其余的锰溶于铁素体中，使晶格歪扭阻止滑移变形，显著地提高了钢材的强度。

?3、磷、硫
磷与碳相似，能使钢的屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下降，显著增加钢的冷脆性，磷的偏析较严重，焊接时焊缝容易产生冷裂纹，所以磷是降低钢材可焊性的元素之一。因此在碳钢中，磷的含量有严格的限制，但在合金钢中，磷可改善钢材的抗大气腐蚀性，也可作为合金元素。
硫在钢材中以FeS形式存在，硫化铁是一种低熔点化合物，当钢材在红热状态下进行加工或焊接时，硫化铁已经熔化，使钢的内部产生裂纹，这种在高温下产生裂纹的特性称为热脆性。热脆性大大降低钢材的热加工性和可焊性。此外，硫偏析较严重，降低了冲击任性、疲劳强度和抗腐蚀性，因此在碳钢中，硫也是严格控制的含量。

?4、氧、氮
氧、氮都能部分溶于铁素体中，大部分已化合物形式存在，这些非金属夹杂物，降低了钢材的力学性能，特别是严重降低了钢的韧性，并能促进时效，降低可焊性，所以在钢材中氧和氮都有严格的限制。

?（二）钢材的防锈蚀

钢材表面与周围环境接触，在一定条件下，可发生作用而使钢材表面腐蚀。腐蚀不仅造成钢材受力截面减小，表面不平整导致应力集中，降低了钢材的承载能力；还会使疲劳强度大为降低，尤其是显著降低钢材的冲击韧性，使钢材脆断。混凝土中的钢筋腐蚀后，产生体积膨胀，使混凝土顺筋开裂。因此为了确保钢材不产生腐蚀，必须采取防腐措施。

?钢筋腐蚀的原因
根据钢材表面与周围介质的不同作用，一般把腐蚀分为下列两种。

1、化学腐蚀
由非电解质溶液或各种干燥介质（如O2、CO2、SO2、Cl2等）所引起的一种纯化学性质的腐蚀，无电流产生。这种腐蚀多数是氧化作用，在钢材的表面形成疏松的氧化物，在干燥的环境下进展很缓慢，但在温度和湿度较高的条件下，这种腐蚀进展很快。

?电化学腐蚀
钢材与电解质溶液相接触产生电流，形成原电池而发生的腐蚀称电化学腐蚀。钢材中含有铁素体、渗碳体、非金属夹杂物等，这些成分的电极电位不同，即活泼性不同，在电解质存在时，很容易形成原电池的两个极。钢材与潮湿介质空气、水、土壤接触时，表面覆盖一层水膜，水中溶有来至空气的各种离子，便形成了电解质。首先钢中的铁素体失去电子即Fe→Fe2+ +2e 成为阳极，渗碳体成为阴极。在酸性电解质中H+得到电子变成氢气跑掉；在中性介质中，由于氧的还原作用使水中含有OH—，随之生成不溶于水的Fe（OH）2；进一步氧化成Fe（OH）3及其脱水产物Fe2O3 ，即红褐色铁锈的主要成分。

钢材腐蚀的防止
?防止钢材腐蚀的方法有三种：

1、保护膜法
用保护模使钢材与周围介质隔离，从而避免或减缓外界腐蚀性介质对钢材的破坏作用。例如在钢材的表面喷刷涂料、搪瓷、塑料等或以金属镀层作为保护膜，如锌、锡、铬等。

?2、电化学保护法
无电流保护法是在钢铁结构上接一块较钢铁更为活泼的金属如锌、镁，因为锌、镁比钢铁的电位低，所以锌、镁成为腐蚀电池的阳极遭到破坏（牺牲阳极），而钢铁结构得到保护。这种方法对于那些不容易或不能覆盖保护层的地方，如蒸汽锅炉、轮船外壳、地下管道、港口结构、道桥建筑等。
?外加电流保护法是在钢铁结构附近，安放一些废钢铁或其他难熔金属，如高硅铁及铅银合金等，将外加直流电源的负极接在被保护的钢铁结构上，正极接在难熔的金属上，通电后者难熔金属成为阳极而被腐蚀，钢铁结构成为阴极得到保护。

?3、合金化
在碳钢中加入能提高抗腐蚀能力的合金元素，如镍、铬、钛、铜等制成不同的合金钢。
防止混凝土中钢筋的腐蚀可以采用上述的方法，但最经济有效的方法使提高混凝土的密实度和碱度。并保证钢筋有足够的保护层厚度。
?在水泥水化的产物中，由1/5左右的氢氧化钙产生，介质的PH值达到13左右，使钢筋的表面产生钝化膜，因此混凝土中的钢筋是不易生锈的。但大气中的CO2以扩散方式进入混凝土中，与氢氧化钙作用而使混凝土中性化。当PH值降低到11.5以下时钝化膜可能破坏，使钢材表面成活化状态，此时若具备潮湿和供氧条件，钢筋表面积开始发生电化学腐蚀作用，由于铁锈的体积比钢大2~4倍，这可导致混凝土顺筋开裂。由于二氧化碳是以扩散方式进入混凝土内部进行碳化的，所以提高混凝土的密实度就十分有效地减缓了碳化过程。
因为Cl—有破坏钝化膜的作用，因此在配制钢筋混凝土时还应限制氯盐的使用量。