化工建设工程金属材料成分研究

摘要：在现代化工建设工程中，金属材料从出厂到投入使用通常需要进行若干次严格的成分分析。这是因为金属材料的成分直接影响其性能，并将直接关系到建设工程的最终质量。本文主要分析化工建设工程中金属材料各主要成分的影响以及分析方法，以便更好地开展金属材料成分的研究及检验检测工作。

关键词：化工建设；金属材料；化学元素

1化工建设工程中的金属材料分类

1.1黑色金属

能够被利用到现代化工建设工程当中的黑色金属的数量是非常多的，这其中主要包含压力容器钢、高速工具钢、合金工具钢、耐候钢、轴承钢、碳素钢、低合金钢和不锈钢等。现代主要应用的结构材料包含碳素钢，用于普通流体钢管和常压容器钢板等方面；低合金钢则主要被应用在受压紧固件方面；而耐热钢则主要会被应用在高温环境下的各种设备连接当中[1]。

1.2有色金属

有色金属主要包含钛合金、铸造铝、铸造锌合金、纯铝、锌白铜、青铜、纯铜以及黄铜等，应用比较普遍的是各种合金，主要被应用在现代腐蚀性管道的建设当中；而铝合金则具备良好的抗污染能力，通常会被应用在各种耐酸罐的制作过程中；钛合金则通常会被制造管道以及各种反应容器。

2常见化学元素对金属材料性能的影响

2.1碳元素

碳是金属材料中的主要成分之一，它直接影响材料强度、硬度、塑性、韧性及淬透性、耐磨性和焊接性，是区别铁与钢，决定钢号、品级的主要标志。随着含碳量的增加，钢材的屈服强度和抗拉强度提高，但塑性、冷弯性能和冲击韧性，特别是低温冲击韧性降低。当含碳量超过0.23%时，钢的焊接性能变差，因此用于焊接的低合金结构钢含碳量一般不超过0.22%。含碳量过高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢极易锈蚀。在现代化工建设工程中，铸钢作为不可或缺的步骤，对于碳元素的需要也是极高的，虽然使用到的比例相对较少，仅仅只有2%左右，但是这比例微小的碳元素却使得钢结构的稳定性显著增强[2]。

2.2硅元素

硅元素是金属材料中常见的化学元素，硅在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中。适量的硅能提高钢材的强度和硬度，且对其塑性、冷弯性能、冲击韧性和焊接性能无明显的不良影响。硅也能提高钢的退火、正火和淬火温度，降低碳在铁素体中的扩散速度，从而增加钢的回火稳定性。硅与钢液中的氧有较强的化合作用，能细化钢中的纯铁晶粒并使其散布均匀。与此同时，通过将硅元素、铬元素和钨元素等的有效熔合，也能够极为有效地提升钢结构的抗高温抗氧化能力。但需要重点关注的是，伴随硅元素含量的增加，钢结构的焊接性能将会随之降低，因此这就要求相关工作者能够科学合理地调整硅元素的比例[3]。

2.3锰元素

锰元素可以说是炼钢过程中性能最为优秀的脱氧剂和脱硫剂。碳素钢中的锰元素多为冶炼钢铁过程中作为脱氧剂和脱硫剂而有意加入，含量通常在0.30%~0.50%的范围之内。锰元素能与钢中的硫元素在高温下化合成熔点很高的Mns可消减硫在钢中的不良影响，减少钢材热加工时因硫而产生裂纹的“热脆”现象。在碳素钢中加入0.70%以上的锰元素时则算作锰钢，较一般锰量的钢不但有较高的韧性，且有更高的强度和硬度，提高钢的淬透性，切实有效地改善并优化钢的热加工性能。所以在常见的化工建设工程中，技术人员通常会应用大量含有锰元素的钢材，用于优化钢结构性能。当然需要明确的是，锰元素和硅元素相同，过量的锰会使钢材变脆并降低其塑性，减弱其抗腐蚀能力，也会给焊接工作带来一定程度的负面影响。

2.4硫元素

在固态下，硫在钢铁中的溶解度极小，而是以FeS的形态存在。由于FeS的塑性较差，使得含硫较多的钢材脆性较大，而且FeS与Fe会形成低熔点的共晶体分布在奥氏体的晶界上。当钢材在约1150~1200℃进行热压力加工时，晶界上的共晶体溶化，晶粒间的结合被破坏，使钢材在加工过程中沿晶界开裂，降低钢材的延展性和韧性，在锻造和轧制时产生裂纹，这种现象称为热脆性。另一方面，硫对金属材料的焊接性能也不利，它不但导致焊缝产生裂纹，还会在焊接过程中产生SO2气体，使焊缝产生气孔。硫还会降低钢材的耐腐蚀性，所以硫元素通常被认为是钢材中的有害物质。一般来讲，如果是在质量优异的冶钢过程中，硫元素的含量应该被控制在0.045%以下，优质钢要求小于0.040%。

2.5磷元素

磷是非碳化物形成元素，磷可全部溶于铁素体，具有强烈的固溶强化作用，使钢的强度和硬度增加，但塑性及韧性显著下降，特别是这种脆化现象在低温下更为严重，故称为冷脆。磷在结晶过程中容易产生晶内偏析，使局部含磷量偏高，从而在局部发生冷脆。冷脆对在高寒地带和其它低温条件下工作的结构件具有严重的危害性。因此，磷通常也被认为是有害元素，其含量必须严格控制在0.045%以下，优质钢要求更低一些。

2.6铬元素

铬是耐磨材料的基本元素之一，是不锈钢和耐热钢的重要合金元素。铬元素的主要作用是提高钢材的强度、硬度和耐磨性，同时固溶强化基体，细化组织，显著改善钢材的抗氧化作用，增加其抗腐蚀能力。铬和铁能够形成连续固溶体，与碳形成多种化合物，铬的复杂碳化物对于钢材的性能有着显著的影响，特别是提高钢的耐磨性。通过对铬元素的应用，可以极为有效地促进钢结构的耐磨性能以及强度的提升，同时也能够增强其抗氧化能力以及抗腐蚀能力，其效果非常显著。

3金属成分分析方法和仪器设备

3.1针对于金属成分的物理分析方法

现在应用比较普遍的光谱分析仪主要包含X射线荧光光谱仪及直读光谱仪两种。其中直读光谱仪是一类原子发射光谱，可以在试验室当中检测各种不同种类的合金元素，同时针对性地进行定性分析。在现场分析的过程中可以将其视作半定量分析法。X射线荧光光谱仪同样也是一类原子发射光谱仪，其与直读光谱仪的发射方式是存在本质上的差异的，直读光谱仪需要通过高压放电的方式激发出来，而X射线则主要通过X光管来进行激发，同时二者的接收元件也存在差异。X射线的检测元素范围和精准度都要比直读光谱仪更小，但是从使用角度来讲，X射线设备更为小巧，通常能够被设计为便于携带的手持式，以满足不同检测环境的需求。

3.2金属成分的化学分析法

结合抽样标准的实际要求来看，如果利用的分析方法是化学元素分析法，那么对于金属屑的重量的要求是较多的，为更为精准有效地判定金属材料的实际化学成分，试验室通常会通过容量法、重量法和滴定法等方法进行分析，常规的分析方法虽然可以应用，但实际的开展流程是较为复杂的，并且往往需要经历较长的试验周期，所以在实际开展分析工作的过程中有必要针对性地应用高速分析仪器，以此来提升工作质量和工作效率。

4结语

综上所述，在金属材料成分分析的实际过程中，有必要选择能够满足试验需求的设备和方法，科学合理地调控元素结构，以此来满足实际化工建设需求。

参考文献：

[1]张兰芳，李力，黄维蓉.材料与化工硕士专业学位研究生教学案例库建设探讨[J].化工时刊，2020,34(09):44-45.

[2]尚华雯.上海国际化工新材料创新中心正式启动建设[J].上海化工，2020,45(01):7.

[3]刘毅，许继琴，杨丹萍.宁波化工新材料产业创新中心建设的对策建议[J].宁波经济（三江论坛），2019(05):10-12.

作者：黄欣 单位：天津津滨石化设备有限公司