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1、钢材中的合金与杂质含量对其性能的影响钢材替换的进一步讨论工业纯铁的塑性很好，但强度很低，一般不能满足实际需要。通常加入Si、Mn等合金钢元素改善钢材性能，以满足实际要求。另外，钢材在冶炼的过程中不可避免的含有C，S，P等杂质元素。它们的存在，对钢材的性能也有很大影响。1 对钢材力学性能的影响1.1 杂质的影响1.1.1 碳的影响碳与铁可以形成一系列化合物：Fe3C，Fe2C，FeC等。碳能提高钢材的强度和硬度，但会降低钢材的塑性。碳含量增加0.1%，钢材的抗拉强度可提高70MPa，屈服点提高28 MPa。含碳量大于6.67%的合金脆性大，不具有实际使用价值。海洋工程用钢根据碳的含量一般可分为三
2、类（Section 8, API RP-2A-WSD, 1994）：普通钢。含碳量小于或等于0.4%。最小屈服应力为280MPA。高强度钢。碳含量为0.45%或更高。屈服应力在280MPA和360MPA之间。对于屈服应力大于360MPA的超高强度钢要限制使用。1.1.2 硫的影响硫通常以FeS的形式存在于钢材中。FeS塑性差，熔点低。钢水结晶时FeS分布于晶界周围。在800 0C1200 0C时，轧制或铸造会导致晶界开裂，此现象即通常所说的钢的热脆现象。若钢材中有Mn，则可形成高熔点的MnS（1600 0C）。钢水在结晶时，MnS呈颗粒分布于晶内，这样就可以大大降低硫的危害。作为有害杂质，钢材
3、中的硫含量通常限制在0.04%。 1.1.3 磷的影响钢材中的磷能全部溶于中，使其在室温下的强度升高，塑性降低，产生冷脆现象。除上述有害方面外，磷对钢材有很高的强化作用。磷提高钢材的屈服强度比镍高10倍，比锰高5倍，比铬高5倍，比铜高2.5倍，比硅高2倍，比钛高1.7倍。磷提高钢材的极限强度比镍高6倍，比锰高5倍，比铬高3倍，比铜高1.1倍，比硅高1.3倍，比钛稍低。此外，磷、铜共存可大大提高抗腐蚀性。针对磷使钢脆化，冲击韧性降低，生产中一般把磷控制在0.12%以下。钢中加如铝、钛细化晶粒，这样既可消除冷脆，又能提高钢的塑性和韧性。传统上把磷含量控制在0.04%。而我国针对磷的有害和有益两方面
4、作用研究出一系列含磷量为0.07%0.15%的磷钢。1.1.4 氮的影响氮在中的溶解能力差，在200300 0C加热过程中常呈氮化合物析出（时效现象），使钢的强度极限升高，塑性下降，这种现象称为钢的兰脆。除氮的有效方法是在钢中加入铝中进行脱氮处理，是氮固定在氮化铝（AlN）中，这样就消除了产生时效的可能。1.1.5 氧的影响炼钢的过程就是氧化过程，氧化钢中的杂质调整钢中各元素的含量。在氧化的过程中，钢中的一部分氧化成FeO。氧主要以FeO的形式存在于钢中。钢中由于FeO的存在，致使其强度、塑性下降。一般脱氧程度差的沸腾钢比镇静钢具有更大的时效倾向。通常使用锰钢、硅钢或铝进行脱氧。1.1.6 氢
5、的影响氢在中的溶解能力差，在中的溶解能力大。在钢水的结晶过程中，如果冷却速度太快，氢来不及扩散到金属外部而只能聚集在晶体的缺陷处（空位，滑移线，晶界）。聚集的氢将产生很大的压力，是钢材内部出现裂纹（所谓白点）。对于合金钢，氢的影响尤其显著。1.2 合金元素的影响最常见的合金元素有Mn(0.08%)、Si(0.5%)、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Al等。它们对钢材性能的影响见下表：合金元素的影响元素晶粒大小过热的可能性淬透性退火、正火淬火的温度强度和硬度塑性C增增降增降Mn稍增稍增增降含量增加1%，抗拉强度增加90MPa，屈服点上升82MPa。低碳钢中1%C不降，高碳钢中降Si低含量时减小，
6、2%时增大影响小增增含量增加1%，抗拉强度增加10MPa，屈服点上升55MPa。降；含量超过0.5%，对冲击韧性不利。Mo减小影响小急增增增6%时增大Al0.1%时减小显著减小影响小显著增增小含量时增Co影响小影响小减小影响小稍增降Ti减小减小减小增含量增加0.01%，抗拉强度增加5MPa，屈服点上升7.5MPa。稍增V显著减小显著减小急增增含量增加0.1%，抗拉强度增加30MPa，屈服点上升35MPa。增W减小减小增增增1%时稍增Cr减小稍减小增增含量增加1%，抗拉强度增加10MPa，屈服点上升35MPa5%），钢材点蚀很大。因此一般Cr含量2%， Ni 既能有效提高钢的抗大气腐蚀能力，而且
7、还能提高钢材的耐海水腐蚀性能。当Ni 与 Cr，C u，P共同使用抗腐蚀效果更好，但不如Cr。一般Ni含量1%可有效提高耐大气腐蚀，含量为2%时在大气中的腐蚀速度可减慢50%。 中Cu含量为0.1%0.2%可使腐蚀速度显著减小，含量增加到0.25%可使钢的耐海洋大气腐蚀能力提高一倍多。Cu和P配合对海水中和飞溅区效果更好。但含量过高效果不大。（一般含量应该=0.5%） P通常使钢材产生低温脆性，是一种有害元素。但钢中含0.06%0.15% P可提高钢材的耐大气及海水腐蚀性能。 Al能在钢表面形成致密的Al2O3保护膜，从而提高钢材的耐大气及海水腐蚀性能，钢中含Al 0.2%可有效提高耐大气腐蚀
8、。当与Cr，Cu，Mo共存时耐海水腐蚀性能良好。 Si和Cr共存，Si/Cr1.5时，可在钢材表面形成以硅酸盐为主的保护膜，能提高钢材的耐孔腐蚀能力。Si可作为钢材抗大气腐蚀的有效元素也，也可作为耐海水腐蚀的辅助元素。在海水全浸区，Si 与 Al配合使用效果更好。 Mo与Cr，Cu，Zr，Nb，Ti等配合使用能形成难溶性金属盐，从而抑制了阳极反应并增强了锈层的致密性和附着性，因此提高了钢材的耐大气及海水腐蚀性能。3.1 耐大气腐蚀用钢根据具体情况，我国开发了Mn-Cu系和Cu-P系耐大气腐蚀用钢，如10CrMoAl，15NiCuP等。钢中含铜不但能提高起耐腐蚀性能而且还能提高刚才对油漆的吸附力
9、，因此在有涂层时可进一步延长其使用寿命。美国的Cr-Cu-P钢是最早开发的一种耐大气腐蚀用钢，起成分为=0.12% C，0.25%-0.75% Si，0.25%-0.5% Mn，0.07-0.15% P，=0.05% S，0.25-0.55% Cu，0.3-1.25% Cr，=0.65% Ni。这种钢的耐腐蚀性能是普通碳素钢的58倍。此外，美国开发了Cr-Cu-V钢，这类钢能在其表面形成一层致密而且附着力强的锈层防止腐蚀的进一步发展，因此可在无保护层的条件下使用，涂漆时涂层与钢材的吸着力较强，耐腐蚀性能可进一步提高。法国则开发了Cr-Al耐大气腐蚀用钢。3.2 耐海水腐蚀用钢为了提高钢材的耐海
10、水腐蚀用钢，在全浸区使用的钢加Al。在飞溅区使用的钢均加Cu，此外再辅助加入一些P、Si、Mo、Ni等。我国开发的耐海水腐蚀用钢有：10MnPNbXt、10CrMoAl、15NiCuP。美国在1967年开发了名为MariNer的耐海水腐蚀用钢（Ni-Cu-P）。这种钢在海水飞溅区具有优良的耐腐蚀性能，同时点蚀也较轻，但在海水全浸区耐腐蚀性比碳素钢强不了多少。这种钢含较多P，低温冲击韧性不好，故主要用于钢板和钢管桩。3.3 抗层状撕裂用钢（也称Z向钢）海洋平台上一些结构截面积较大，结构上存在较多的T型、十字型接头（如导管架接点）等，构件厚度方向（Z向）承受拉应力。这些结构如果采用一般含硫量的钢材制造，在夹角焊接情况下，常常在其厚度方向出现难以修补的剥离性焊接裂纹，成为层状撕裂。国际焊接学会第九委员会的调查结果表明：层状撕裂与钢材的含硫量有很大关系，几乎所有层状撕裂事故都发生在含硫量0.02%的钢材上。此外，层状撕裂还与钢材的含氢量、Al2O3、SiO2的含量有关。3.4 不预热焊接无裂纹高强度钢这类钢含碳量低，具有良好的塑性和冲击韧性；焊接碳当量低，具有良好的焊接性能；锰碳比（Mn/C）高，能有效的消除硫的危害作用。因此，在海洋平台的关键部位联合采用抗层状撕裂用钢和抗裂纹钢，可获得比一般钢好的多的塑性和耐疲劳的焊接接头。6