(二)影響鋼材機械性能的主要因素
鋼結(jié)構(gòu)有性質(zhì)完全不同的兩種破壞形式，即塑性破壞和脆性破壞。塑性破壞的主要特征是具有較大的、明顯可見的塑性變形，且僅在構(gòu)件中的應(yīng)力達到抗拉強度后才發(fā)生。由于塑性破壞前有明顯的預(yù)兆，能及時發(fā)現(xiàn)而采取補救措施，因此，實際上結(jié)構(gòu)是極少發(fā)生塑性破壞的：脆性破壞的特征是破壞前的塑性變形很小，甚至沒有塑性變形，構(gòu)件截面上的平均應(yīng)力比較低(低于屈服點)。由于脆性破壞前無任何預(yù)兆，無法及時察覺予以補救，所以危險性極大。討論影響鋼材機械性能的因素時，應(yīng)特別注意導(dǎo)致鋼材變脆的因素。
1．化學成分的影響
碳素鋼中，鐵元素含量約占99％左右，其他元素有碳，磷、氮、硫、氧、錳、硅等，它們的總和約占1％左右。低合金鋼中，除上述元素外，還有合金元素，其含量小于或等于5％，盡管碳和其他元素含量很小，但對鋼材的機械性能卻有著極大的影響。
普通碳素結(jié)構(gòu)鋼中，碳是除鐵以外的最主要元素。隨著含碳量的增加，鋼材的強度提高，塑性，沖擊韌性下降，冷彎性能、可焊性和抗銹蝕性能變差。因此，雖然碳是鋼材獲得足夠強度的主要元素，但鋼結(jié)構(gòu)中，特別是焊接結(jié)構(gòu)，并不采用含碳量高的鋼材。現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50017--2003)(本節(jié)以下簡稱《鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》)推薦的鋼材，在焊接結(jié)構(gòu)中，含碳量一般控制在0.12％—0.2％之間。
磷、氮、硫和氧是有害的雜質(zhì)元素；隨著磷、氮含量的增加，鋼材的強度提高，塑性、沖擊韌性嚴重下降，特別是在溫度較低時促使鋼材變脆(稱冷脆)，磷還會降低鋼的可焊性：硫和氧的含量增加會降低鋼材的熱加工性能，并降低鋼材的塑性、沖擊韌性。硫還會降低鋼材的可焊性和抗銹蝕性能：所以，對磷、氮、硫和氧的含量應(yīng)嚴格加以限制(均不超過0．05％)。
錳和硅是有益的雜質(zhì)元素，能起到脫氧的作用，當含量適中時，能提高鋼材的強度而對塑性和沖擊韌性無明顯影響：
2．冶煉、澆注的影響
我國目前鋼結(jié)構(gòu)用的鋼，主要是由平爐和氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉而成的。這兩種冶煉方法的鋼，質(zhì)量大體相當。
鋼材冶煉后按澆鑄方法(也稱脫氧方法)的不同而分為沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。沸騰鋼采用錳鐵作脫氧劑，脫氧不完全，鋼材質(zhì)量較差，但成本低；鎮(zhèn)靜鋼用錳鐵加硅或鋁脫氧，脫氧較徹底，材質(zhì)好，但成本較高；半鎮(zhèn)靜鋼脫氧程序、質(zhì)量和成本介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間；特殊鎮(zhèn)靜鋼的脫氧程序比鎮(zhèn)靜鋼更高，質(zhì)量，但成本也。
3．應(yīng)力集中
當構(gòu)件截面的完整性遭到破壞，如開孔、截面改變等，構(gòu)件截面的應(yīng)力分布不再保持均勻，在截面缺陷處的附近產(chǎn)生高峰應(yīng)力，而截面其他部分應(yīng)力則較低，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中(圖11-82)。應(yīng)力集中是導(dǎo)致鋼材發(fā)生脆性破壞的主要因素之一。試驗表明，截面改變越突然、尖銳程度越大的地方，應(yīng)力集中越嚴重，引起脆性破壞的危險性就越大。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)使截面的構(gòu)造合理。如截面必須改變時，要平緩過渡。構(gòu)件制造和施工時，應(yīng)盡可能防止造成刻槽等缺陷。
4．溫度的影響
鋼材在正溫范圍內(nèi)，約在1000C以上時，隨著溫度的升高，鋼材的強度降低，塑性增大。在2500C左右，鋼材的抗拉強度有所提高，而塑性下降，這種現(xiàn)象稱為冷脆現(xiàn)象，鋼結(jié)構(gòu)不宜在該溫度范圍內(nèi)加工。溫度達到500—6000C時，強度幾乎為零。因此，當結(jié)構(gòu)表面經(jīng)常受較高的輻射熱(150℃以上)時，應(yīng)采取隔熱措施，如加擋板或設(shè)循環(huán)水管等，加以保護。為提高鋼結(jié)構(gòu)耐火時間，可在構(gòu)件上按需要涂不同厚度的防火涂料。當溫度低于常溫時，隨著溫度的下降，鋼材的強度有所提高，而塑性和沖擊韌性下降，當溫度下降到某一負溫值時，鋼材的塑性和沖擊韌性急劇降低，這種現(xiàn)象稱為鋼材的低溫冷脆現(xiàn)象(簡稱冷脆)。因此，處于低溫條件下的結(jié)構(gòu)，應(yīng)選擇耐低溫性能比較好的鋼材，如鎮(zhèn)靜鋼，低合金結(jié)構(gòu)鋼，
5．鋼材的硬化
鋼材的硬化包括時效硬化和冷作硬化。時效硬化是指高溫時溶化于鐵中的少量氮和碳，隨時間的增長逐漸從固溶體中析出，形成氮化物或碳化物，對鋼材的塑性變形起遏制作用，從而使鋼材強度提高、塑性和沖擊韌性下降。冷作硬化(也稱應(yīng)變硬化)是指鋼材在間歇重復(fù)荷載作用下，鋼材的彈性區(qū)擴大，屈服點提高，而塑性和沖擊韌性下降。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不考慮硬化后強度提高的有利影響，相反，對重要的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件要考慮硬化后塑性和沖擊韌性下降的不利影響。
6．焊接
焊接連接時。由于焊縫及其附近的高溫區(qū)的金屬經(jīng)過高溫和冷卻的過程，金屬內(nèi)部組織發(fā)生了變化，使鋼材變脆變硬。同時，焊接還會產(chǎn)生焊接缺陷和焊接應(yīng)力，也是促使鋼材發(fā)生脆性破壞的因素。
大量的脆性破壞事故說明，事故的發(fā)生經(jīng)常是幾種因素的綜合。根據(jù)具體情況正確選用鋼材是從根本上防止脆性破壞的辦法，同時也要在設(shè)計、制造和使用上注意消除促使鋼材向脆性轉(zhuǎn)變的因素。
鋼結(jié)構(gòu)有性質(zhì)完全不同的兩種破壞形式，即塑性破壞和脆性破壞。塑性破壞的主要特征是具有較大的、明顯可見的塑性變形，且僅在構(gòu)件中的應(yīng)力達到抗拉強度后才發(fā)生。由于塑性破壞前有明顯的預(yù)兆，能及時發(fā)現(xiàn)而采取補救措施，因此，實際上結(jié)構(gòu)是極少發(fā)生塑性破壞的：脆性破壞的特征是破壞前的塑性變形很小，甚至沒有塑性變形，構(gòu)件截面上的平均應(yīng)力比較低(低于屈服點)。由于脆性破壞前無任何預(yù)兆，無法及時察覺予以補救，所以危險性極大。討論影響鋼材機械性能的因素時，應(yīng)特別注意導(dǎo)致鋼材變脆的因素。
1．化學成分的影響
碳素鋼中，鐵元素含量約占99％左右，其他元素有碳，磷、氮、硫、氧、錳、硅等，它們的總和約占1％左右。低合金鋼中，除上述元素外，還有合金元素，其含量小于或等于5％，盡管碳和其他元素含量很小，但對鋼材的機械性能卻有著極大的影響。
普通碳素結(jié)構(gòu)鋼中，碳是除鐵以外的最主要元素。隨著含碳量的增加，鋼材的強度提高，塑性，沖擊韌性下降，冷彎性能、可焊性和抗銹蝕性能變差。因此，雖然碳是鋼材獲得足夠強度的主要元素，但鋼結(jié)構(gòu)中，特別是焊接結(jié)構(gòu)，并不采用含碳量高的鋼材。現(xiàn)行《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50017--2003)(本節(jié)以下簡稱《鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》)推薦的鋼材，在焊接結(jié)構(gòu)中，含碳量一般控制在0.12％—0.2％之間。
磷、氮、硫和氧是有害的雜質(zhì)元素；隨著磷、氮含量的增加，鋼材的強度提高，塑性、沖擊韌性嚴重下降，特別是在溫度較低時促使鋼材變脆(稱冷脆)，磷還會降低鋼的可焊性：硫和氧的含量增加會降低鋼材的熱加工性能，并降低鋼材的塑性、沖擊韌性。硫還會降低鋼材的可焊性和抗銹蝕性能：所以，對磷、氮、硫和氧的含量應(yīng)嚴格加以限制(均不超過0．05％)。
錳和硅是有益的雜質(zhì)元素，能起到脫氧的作用，當含量適中時，能提高鋼材的強度而對塑性和沖擊韌性無明顯影響：
2．冶煉、澆注的影響
我國目前鋼結(jié)構(gòu)用的鋼，主要是由平爐和氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉而成的。這兩種冶煉方法的鋼，質(zhì)量大體相當。
鋼材冶煉后按澆鑄方法(也稱脫氧方法)的不同而分為沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。沸騰鋼采用錳鐵作脫氧劑，脫氧不完全，鋼材質(zhì)量較差，但成本低；鎮(zhèn)靜鋼用錳鐵加硅或鋁脫氧，脫氧較徹底，材質(zhì)好，但成本較高；半鎮(zhèn)靜鋼脫氧程序、質(zhì)量和成本介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間；特殊鎮(zhèn)靜鋼的脫氧程序比鎮(zhèn)靜鋼更高，質(zhì)量，但成本也。
3．應(yīng)力集中
當構(gòu)件截面的完整性遭到破壞，如開孔、截面改變等，構(gòu)件截面的應(yīng)力分布不再保持均勻，在截面缺陷處的附近產(chǎn)生高峰應(yīng)力，而截面其他部分應(yīng)力則較低，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中(圖11-82)。應(yīng)力集中是導(dǎo)致鋼材發(fā)生脆性破壞的主要因素之一。試驗表明，截面改變越突然、尖銳程度越大的地方，應(yīng)力集中越嚴重，引起脆性破壞的危險性就越大。因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)使截面的構(gòu)造合理。如截面必須改變時，要平緩過渡。構(gòu)件制造和施工時，應(yīng)盡可能防止造成刻槽等缺陷。
4．溫度的影響
鋼材在正溫范圍內(nèi)，約在1000C以上時，隨著溫度的升高，鋼材的強度降低，塑性增大。在2500C左右，鋼材的抗拉強度有所提高，而塑性下降，這種現(xiàn)象稱為冷脆現(xiàn)象，鋼結(jié)構(gòu)不宜在該溫度范圍內(nèi)加工。溫度達到500—6000C時，強度幾乎為零。因此，當結(jié)構(gòu)表面經(jīng)常受較高的輻射熱(150℃以上)時，應(yīng)采取隔熱措施，如加擋板或設(shè)循環(huán)水管等，加以保護。為提高鋼結(jié)構(gòu)耐火時間，可在構(gòu)件上按需要涂不同厚度的防火涂料。當溫度低于常溫時，隨著溫度的下降，鋼材的強度有所提高，而塑性和沖擊韌性下降，當溫度下降到某一負溫值時，鋼材的塑性和沖擊韌性急劇降低，這種現(xiàn)象稱為鋼材的低溫冷脆現(xiàn)象(簡稱冷脆)。因此，處于低溫條件下的結(jié)構(gòu)，應(yīng)選擇耐低溫性能比較好的鋼材，如鎮(zhèn)靜鋼，低合金結(jié)構(gòu)鋼，
5．鋼材的硬化
鋼材的硬化包括時效硬化和冷作硬化。時效硬化是指高溫時溶化于鐵中的少量氮和碳，隨時間的增長逐漸從固溶體中析出，形成氮化物或碳化物，對鋼材的塑性變形起遏制作用，從而使鋼材強度提高、塑性和沖擊韌性下降。冷作硬化(也稱應(yīng)變硬化)是指鋼材在間歇重復(fù)荷載作用下，鋼材的彈性區(qū)擴大，屈服點提高，而塑性和沖擊韌性下降。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中，不考慮硬化后強度提高的有利影響，相反，對重要的結(jié)構(gòu)或構(gòu)件要考慮硬化后塑性和沖擊韌性下降的不利影響。
6．焊接
焊接連接時。由于焊縫及其附近的高溫區(qū)的金屬經(jīng)過高溫和冷卻的過程，金屬內(nèi)部組織發(fā)生了變化，使鋼材變脆變硬。同時，焊接還會產(chǎn)生焊接缺陷和焊接應(yīng)力，也是促使鋼材發(fā)生脆性破壞的因素。
大量的脆性破壞事故說明，事故的發(fā)生經(jīng)常是幾種因素的綜合。根據(jù)具體情況正確選用鋼材是從根本上防止脆性破壞的辦法，同時也要在設(shè)計、制造和使用上注意消除促使鋼材向脆性轉(zhuǎn)變的因素。