钢中元素的作用 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类（Section 8, API RP-2A-WSD, 1994）： ①普通钢。含碳量小于或等于0.4%。最小屈服应力为280MPA。 ②高强度钢。碳含量为0.45%或更高。屈服应力在280MPA和360MPA之间。 ③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 0C~1200 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200~300 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，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 Al <0.1%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35MPa <1.5%时不降 Ni 影响小 增 减小 降 含量增加1%，抗拉强度增加34MPa，屈服点上升45MPa 稍增；改善钢的缺口韧性 Cu 影响小 影响小 稍增 稍降 增含量增加1%，抗拉强度增加55MPa，屈服点上升80MPa 0.5%时稍增， 含量高时降 Nb 急减 减小 小含量时增，大时减 显著增 稍增 1%时稍增 2 对钢材焊接性能的影响 合金元素在焊缝金属中的作用是非常复杂的，尤其在多种元素的情况下，其作用往往不是简单的叠加关系。下面简单叙述单一元素对焊缝金属性能的影响。 ① 碳的影响。碳是主要的强化元素，可显著提高各种低合金钢焊缝金属的抗拉强度，但随着含碳量的提高，使焊缝金属焊后的淬硬性增加，并降低了韧性，使焊缝热裂倾向性和焊接热影响区冷裂倾向性增大。因此在低合金钢焊缝中，碳含量高于0.09%，在抗拉强度和屈服点得到提高的同时，韧性则下降。碳的极限含量应控制在0.12%以下。 ② 锰的影响。在低碳（~0.1%）的焊缝金属中，锰的含量在2.2%以下在提高焊缝金属强度的同时降低了脆性转变温度。焊缝金属的碳含量达到0.2%时，锰对韧性也产生有利影响。锰的另一作用在于它能与硫结合形成硫化锰，并使焊缝金属中的硫部分进入溶渣，残留的硫化锰并不沉淀于晶界。在低合金钢自动埋弧焊缝中，锰的含量在0.6~1.8%范围内增高，缺口冲击韧性提高，当锰含量超过1.8%，韧性则降低。 锰在焊缝金属中的作用还取决于硅的含量。在低锰硅比下，焊缝内氧含量较高并使焊缝金属组织发生变化，使韧性明显下降。当Mn/Si比低于2%，特别是1%时，焊缝金属中还可观察到不同长度的裂纹。 ③ 硅的影响。焊缝金属中硅的主要作用是使焊接熔池金属脱氧，硅对低强度焊缝金属有轻微的强化作用。如硅含量从较低的含量逐渐增加，也能改善韧性。在埋弧焊缝中，0.15% ~ 0.3%的硅含量能使焊缝金属获得最高的缺口冲击韧度。气体保护焊焊缝，硅的含量应该控制才0.4%以下。 ④ 镍（Ni）的影响。镍是提高焊缝金属低温缺口韧性最需要的合金元素之一。提高镍含量是保证焊缝金属在较高的抗拉强度下获得韧性的有效手段。镍对高强度焊缝金属具有一定的强化作用。附加1%的镍，焊接金属的屈服点可提高20~50MPa。此外，镍对各种气体（包括氢），具有较高的溶解度，如焊条和焊剂中水分较高，则焊缝金属冲击韧性会出现较大的波动，因此含镍的焊心和焊丝焊接时，焊条和焊剂必须烘干。在低合金高强度钢焊缝中，镍含量的最佳范围是0.8%~1.6%。 ⑤ 铬的影响。铬能固溶于铁素提中而产生固溶强化效应，提高焊缝金属的抗拉强度和屈服点。铬于碳能化合成Cr7C3，能显著提高钢的抗氧化性能。在低合金结构钢焊缝中铬能提高强度、硬度和塑性，但含量超过0.8%，会使焊缝金属韧性明显下降。] ⑥ 钼的影响。钼在低合金钢焊缝中含量小于0.6%时，能提高强度和硬度，能细化晶粒，防止回火脆性和过热倾向，还能提高焊缝金属的塑性，减少产生裂纹的倾向。当钼含量超过0.6%时，会影响焊缝金属的塑性。在低合金耐热钢焊缝金属中，钼是保证高温强度不可缺少的元素。 ⑦ 铌（Nb）的的影响。铌在钢中能起细化晶粒和析出强化作用，还能使扩散氢很快逸出，有利于防止氢致裂纹。但是铌对低合金高强度钢焊缝金属的韧性可产生有害的影响，使Mn-Si系焊缝金属韧性下降。尤其是当针状铁素体少时，大大降低焊缝韧性，增加结晶裂纹的倾向。 因此，一般不在低合金高强度钢的焊接材料中加入铌。焊缝中的铌主要是由母材过渡进入的。如焊缝金属中含铌量不大于0.04%，不会使焊缝过于变脆。为防止焊缝金属中铌的有害作用，应尽量使晶粒细化和提高细针状铁素体的比例。 ⑧ 钒的影响。钒是显著的强化元素，能提高焊缝金属的屈服点和抗拉强度。在一定的含量范围内，能改善焊后状态焊缝金属的冲击韧性。但是当含钒的焊缝金属进行消除应力处理时，由于形成了共格碳化物而使韧性急剧下降，强度性能大大提高。应此，含钒的焊缝金属最好不作焊后消除应力处理。如必要作消除应力处理，则必须严格控制焊件在消除应力处理时的温度。为不使焊见的热处理工艺复杂化，焊缝金属中的钒含量应限制在0.08%一下。 ⑨ 钛的影响。钛也能显著地提高焊缝金属的抗拉强度，对改善塑性和韧性有利。但必须控制在一个适量的最佳范围内，钛过少不起作用，过多反而导致焊缝韧性大幅度下降。最合适的钛含量取决于强度水平和氧含量。如在中等强度焊缝金属中，最合适的钛含量的0.1%，而在高强度焊缝中，含钛0.015%的焊缝金属韧性最好。钛对低合金高强度钢焊缝金属冲击韧性有利影响是与焊缝金属中的氮结合，减少固溶氮的有害作用，声称TiN作为结晶核心，促使焊缝成为细晶粒组织，其脱氧作用，减少了焊缝中的焊氧量。其不利影响是强化铁素质，提高硬度，过多时可以晶界上析出TiC和TiN, 还可出现马氏体组织。 ⑩ 磷和硫的影响。众所周知，磷在低合金钢焊缝中与在钢中起相似作用，是增加冷脆性的有害元素，易产生焊接裂纹。焊缝金属中磷含量从0.01%提高到0.04%时，室温缺口冲击韧度从200J降低到20J。为保证焊缝金属具有足够的韧性，磷含量不应高于0.025%。硫会增加焊缝金属的热脆性，易使焊缝产生热裂纹和气孔，是有害杂质，其含量不应高于0.025%。 3 船舶与海洋工程用钢 船舶与海洋工程结构在运行和工作中必须承受风、浪、流、冰和气温变动，生物污染及海洋大气和海水的腐蚀。此外，海洋环境中经常发生海水冲刷、飓风、地震、台风和泥石流等极端现象，故在船舶与海洋工程结构用钢材中，提高钢材的耐腐蚀性对减轻结构重量和降低结构的建造成本具有重要意义。 通常为提高低合金钢的抗大气、耐海水腐蚀性能是向钢中加入合金元素来达到。合金元素对钢材腐蚀性能影响如下： ① Cr不但可显著改善钢材的抗海洋大气腐蚀能力，而且还能提高钢材的耐海水腐蚀性能。当Cr和Cu或Cr和Al配合使用时效果更好。当钢中含1%~2% Cr是可显著提高其抗大气的腐蚀能力，但含Cr多时（>5%），钢材点蚀很大。因此一般Cr含量〈2%， ② Ni 既能有效提高钢的抗大气腐蚀能力，而且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%。 ③ 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%） ④ 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。 ⑤ 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。当与Cr，Cu，Mo共存时耐海水腐蚀性能良好。 ⑥ Si和Cr共存，Si/Cr〉1.5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。 ⑦ 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，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5~8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