合金元素对低碳钢力学性能的影响

【摘 要】本文通过数理统计分析方法分析了合金元素对力学性能的影响，通过相关系数分析得出合金元素与性能的相关显著性，通过t检验分析了Cr变化对性能影响。

【关键词】合金元素；数理统计；t检验；相关系数

钢的化学成分是影响热轧材最终组织性能的基本因素，合理的成分设计是生产优良钢铁产品的基础.从材料学的角度来看，钢的性能取决于材料加工最终状态的微观组织及其精细结构，而组织结构无疑又依赖钢的化学成分、生产流程和工艺参数.按照钢的性能要求来进行钢的合金成分设计已经广为应用。本文通过数理统计方法分析了化学成分变化前后，成品性能的影响。

1 合金元素作用

碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量超过0.23%时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。碳是决定钢材性能的最重要元素。硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，硅量增加，会降低钢的焊接性能。锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30-0.50%。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能。磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。镍（Ni）：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。钒（V）：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。

铜（Cu）：铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆。铝（Al）：铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。氮（N）：氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。氮对钢材性能的影响与碳、磷相似，随着氮含量的增加，可使钢材的强度提高，塑性特别是韧性显著降低，可焊性变差，冷脆性加剧。氮在铝、铌、钒等元素的配合下可以减少其不利影响，改善钢材性能，可作为低合金钢的合金元素使用。

2 研究对象

本文的研究对象为唐钢冷轧薄板厂生产的低碳冷轧钢板DC01， 主要成为范围见表1

3 分析结果

数理统计是一门研究广泛存在于自然界和人类社会的随机现象规律性的科学[3]。20世纪30年代美国科学家休哈特以及道奇和罗米格，通过研究首先把数理统计引入到质量管理领域，他们相继提出了统计过程控制理论（SPC） 、统计抽样检验原理和抽样表。人们运用数理统计的分析方法掌握规律，从而预防不合格品的产生；通过数理统计分析方法，分析影响钢材产品质量的主要影响因素，包括化学成分、生产工艺等，逐步提高最终产品质量。本文利用数理统计方法分析化学元素对性能的影响，尤其是铬元素对性能的影响。

由表3可见，Cr、Ni、Cu、P与抗拉强度、屈服强度的相关系数较大，相关关系较为明显；Cr、Ni、Cu与A80的相关系数为负值，说明随其含量增加，但相关系数绝对值较小，线性关系不明显。

4 结论

（1）利用t检验方法分析了Cr元素对性能的影响，使抗拉强度和屈服强度有一定的上升，延伸率变化不明显。

（2）通过相关系数分析，Cr、Ni、Cu、P与抗拉强度、屈服强度的相关系数较大，相关关系较为明显，与延伸率相关不明显。

参考文献：

[1]崔忠圻，金属学与热处理，机械工业出版社，2000.

[2]合金结构钢手册.中国工业出版社，1971.

[3]曹宏燕.冶金材料分析方法与应用[M].冶金分析 北京：冶金工业出版社，2008.

[4]马永昌 李兰群.分析数据平均值与标准值t检验方法的应用与比较.河北冶金 2010（2）.