二、鋼結構的材料
(一)鋼材的主要機械性能指標
鋼結構在使用過程中要受到各種形式的作用，這就要求鋼材必須具有抵抗各種作用而不產生過大變形和不會引起破壞的能力。鋼材在各種作用下所表現(xiàn)出的各種特征，如彈性、塑性、強度，稱為鋼材的機械性能。鋼材的主要機械性能指標有五項，即抗拉強度、伸長率、屈服強度，冷彎性能和沖擊韌性，這都是通過試驗得到的。
鋼材的單向均勻受拉應力應變曲線提供了前三項機械性能指標?？估瓘姸?用符號f表示)是鋼材的一項強度指標，它反映鋼材受拉時所能承受的極限應力，是檢驗鋼材質量的重要指標；當以鋼材屈服強度作為靜力強度計算依據(jù)時，抗拉強度成為結構的安全儲備。伸長率(用符號δ5或δ10表示)是衡量鋼材在靜荷載作用下塑性性能的指標。屈服強度(也稱屈服點，用符號fy表示)是鋼結構設汁中靜力強度計算的依據(jù)，它是衡量鋼材的承載能力及確定鋼材抗拉、抗壓、抗彎強度設計值的一項重要指標。通過冷彎試驗得到對鋼材性能要求的第四項指標——冷彎性能，它是衡量鋼材的塑性性能和檢驗鋼材質量優(yōu)劣的一個綜合指標、通過沖擊試驗得到對鋼材性能要求的第五項指標——沖擊韌性，它是衡量鋼材抵抗可能因低溫、應力集中、動力荷載作用而導致脆性斷裂能力的一項指標。滿足沖擊韌性的要求是個比較嚴格的指標，實際上只有經濟承受較大、使用較頻繁的動力荷載的結構，特別是焊接結構，才需要有沖擊韌性的保證。
(二)影響鋼材機械性能的主要因素
鋼結構有性質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，且僅在構件中的應力達到抗拉強度后才發(fā)生。由于塑性破壞前有明顯的預兆，能及時發(fā)現(xiàn)而采取補救措施，因此，實際上結構是極少發(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，構件截面上的平均應力比較低(低于屈服點)。由于脆性破壞前無任何預兆，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，應特別注意導致鋼材變脆的因素。
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。
普通碳素結構鋼中，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，但鋼結構中，特別是焊接結構，并不采用含碳量高的鋼材?，F(xiàn)行《鋼結構設計規(guī)范》(GB 50017--2003)(本節(jié)以下簡稱《鋼結構規(guī)范》)推薦的鋼材，在焊接結構中，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、硫和氧的含量應嚴格加以限制(均不超過0．05％)。
錳和硅是有益的雜質元素，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
我國目前鋼結構用的鋼，主要是由平爐和氧氣轉爐冶煉而成的。這兩種冶煉方法的鋼，質量大體相當。
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，材質好，但成本較高；半鎮(zhèn)靜鋼脫氧程序、質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，質量，但成本也。
3．應力集中
當構件截面的完整性遭到破壞，如開孔、截面改變等，構件截面的應力分布不再保持均勻，在截面缺陷處的附近產生高峰應力，而截面其他部分應力則較低，這種現(xiàn)象稱為應力集中(圖11-82)。應力集中是導致鋼材發(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，應力集中越嚴重，引起脆性破壞的危險性就越大。因此，在結構設計中應使截面的構造合理。如截面必須改變時，要平緩過渡。構件制造和施工時，應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，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，鋼結構不宜在該溫度范圍內加工。溫度達到500—6000C時，強度幾乎為零。因此，當結構表面經常受較高的輻射熱(150℃以上)時，應采取隔熱措施，如加擋板或設循環(huán)水管等，加以保護。為提高鋼結構耐火時間，可在構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構，應選擇耐低溫性能比較好的鋼材，如鎮(zhèn)靜鋼，低合金結構鋼，
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(也稱應變硬化)是指鋼材在間歇重復荷載作用下，鋼材的彈性區(qū)擴大，屈服點提高，而塑性和沖擊韌性下降。鋼結構設計中，不考慮硬化后強度提高的有利影響，相反，對重要的結構或構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)的金屬經過高溫和冷卻的過程，金屬內部組織發(fā)生了變化，使鋼材變脆變硬。同時，焊接還會產生焊接缺陷和焊接應力，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，同時也要在設計、制造和使用上注意消除促使鋼材向脆性轉變的因素。
(一)鋼材的主要機械性能指標
鋼結構在使用過程中要受到各種形式的作用，這就要求鋼材必須具有抵抗各種作用而不產生過大變形和不會引起破壞的能力。鋼材在各種作用下所表現(xiàn)出的各種特征，如彈性、塑性、強度，稱為鋼材的機械性能。鋼材的主要機械性能指標有五項，即抗拉強度、伸長率、屈服強度，冷彎性能和沖擊韌性，這都是通過試驗得到的。
鋼材的單向均勻受拉應力應變曲線提供了前三項機械性能指標?？估瓘姸?用符號f表示)是鋼材的一項強度指標，它反映鋼材受拉時所能承受的極限應力，是檢驗鋼材質量的重要指標；當以鋼材屈服強度作為靜力強度計算依據(jù)時，抗拉強度成為結構的安全儲備。伸長率(用符號δ5或δ10表示)是衡量鋼材在靜荷載作用下塑性性能的指標。屈服強度(也稱屈服點，用符號fy表示)是鋼結構設汁中靜力強度計算的依據(jù)，它是衡量鋼材的承載能力及確定鋼材抗拉、抗壓、抗彎強度設計值的一項重要指標。通過冷彎試驗得到對鋼材性能要求的第四項指標——冷彎性能，它是衡量鋼材的塑性性能和檢驗鋼材質量優(yōu)劣的一個綜合指標、通過沖擊試驗得到對鋼材性能要求的第五項指標——沖擊韌性，它是衡量鋼材抵抗可能因低溫、應力集中、動力荷載作用而導致脆性斷裂能力的一項指標。滿足沖擊韌性的要求是個比較嚴格的指標，實際上只有經濟承受較大、使用較頻繁的動力荷載的結構，特別是焊接結構，才需要有沖擊韌性的保證。
(二)影響鋼材機械性能的主要因素
鋼結構有性質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，且僅在構件中的應力達到抗拉強度后才發(fā)生。由于塑性破壞前有明顯的預兆，能及時發(fā)現(xiàn)而采取補救措施，因此，實際上結構是極少發(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，構件截面上的平均應力比較低(低于屈服點)。由于脆性破壞前無任何預兆，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，應特別注意導致鋼材變脆的因素。
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。
普通碳素結構鋼中，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，但鋼結構中，特別是焊接結構，并不采用含碳量高的鋼材?，F(xiàn)行《鋼結構設計規(guī)范》(GB 50017--2003)(本節(jié)以下簡稱《鋼結構規(guī)范》)推薦的鋼材，在焊接結構中，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、硫和氧的含量應嚴格加以限制(均不超過0．05％)。
錳和硅是有益的雜質元素，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
我國目前鋼結構用的鋼，主要是由平爐和氧氣轉爐冶煉而成的。這兩種冶煉方法的鋼，質量大體相當。
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，材質好，但成本較高；半鎮(zhèn)靜鋼脫氧程序、質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，質量，但成本也。
3．應力集中
當構件截面的完整性遭到破壞，如開孔、截面改變等，構件截面的應力分布不再保持均勻，在截面缺陷處的附近產生高峰應力，而截面其他部分應力則較低，這種現(xiàn)象稱為應力集中(圖11-82)。應力集中是導致鋼材發(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，應力集中越嚴重，引起脆性破壞的危險性就越大。因此，在結構設計中應使截面的構造合理。如截面必須改變時，要平緩過渡。構件制造和施工時，應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，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，鋼結構不宜在該溫度范圍內加工。溫度達到500—6000C時，強度幾乎為零。因此，當結構表面經常受較高的輻射熱(150℃以上)時，應采取隔熱措施，如加擋板或設循環(huán)水管等，加以保護。為提高鋼結構耐火時間，可在構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構，應選擇耐低溫性能比較好的鋼材，如鎮(zhèn)靜鋼，低合金結構鋼，
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(也稱應變硬化)是指鋼材在間歇重復荷載作用下，鋼材的彈性區(qū)擴大，屈服點提高，而塑性和沖擊韌性下降。鋼結構設計中，不考慮硬化后強度提高的有利影響，相反，對重要的結構或構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)的金屬經過高溫和冷卻的過程，金屬內部組織發(fā)生了變化，使鋼材變脆變硬。同時，焊接還會產生焊接缺陷和焊接應力，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，同時也要在設計、制造和使用上注意消除促使鋼材向脆性轉變的因素。