二、影響鋼材性能的主要因素
鋼的種類極多，依照用途不同而有不同的性能。用以建造鋼結(jié)構(gòu)的稱為結(jié)構(gòu)鋼，它必須同時具有較高的強度、塑性和韌性，還必須具有良好的加工性能，對焊接結(jié)構(gòu)還應(yīng)保證其可焊性（即在一定的焊接工藝條件下焊接后，焊縫金屬和近焊縫區(qū)的鋼材不產(chǎn)生裂紋，施焊后焊縫的力學性能不低于焊接母材的力學性能）。強度高，可減小結(jié)構(gòu)的截面積而節(jié)省鋼材。塑性、韌性好可保證結(jié)構(gòu)的安全，減少結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脆斷的危險性。結(jié)構(gòu)鋼主要有兩類，一是碳素結(jié)構(gòu)鋼中的低碳鋼，另一是低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼（合金成分低于 5 寫時稱為低合金鋼）。兩類鋼的現(xiàn)行國家標準分別是 《 碳素結(jié)構(gòu)鋼 》 （ GB / T700）和 《 低合金高強度’鋼結(jié)構(gòu)》 （ GB / T 1591 ）。
影響鋼材性能的因素較多，主要是鋼的化學成分的影響和生產(chǎn)過程不同的影響。
1 ．化學成分的影響
（1）碳素鋼主要是鐵和碳的合金。鋼因含碳量不同而區(qū)分為低碳鋼（ C < 0 . 25 % ）、中碳鋼（ C = 0 . 25 ％~0.60 % ）和高碳鋼（ C =0 . 60 ％~1 . 7 % ）。碳的含量愈高，鋼的強度也愈高，但其塑性、韌性和可焊性卻顯著降低，因而用作建造鋼結(jié)構(gòu)材料的只能是低碳鋼，要求 C ≤0 . 22 ％。對焊接結(jié)構(gòu)，為了使其有良好的可焊性，通常須限制 C ≤0 . 20 ％。用于鋼結(jié)構(gòu)時，我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范推薦采用國家標準《 碳素結(jié)構(gòu)鋼 》 中的 Q235 鋼（字母 Q 為屈服點的屈字漢語拼音的第一個字母， Q 后面的數(shù)字表示屈服點 N / mm2 ） ，此鋼的平均含碳量小于等于 0 . 18 % ，屈服點fy=235N / mm2 時，符合同時具有較大的強度、塑性和韌性的要求，可焊性也良好。
（2）為了得到較 Q235 鋼更高的強度，可在低碳鋼的基礎(chǔ)上冶煉時加入為提高鋼材強度的合金元素如錳、釩等，得到低合金鋼。加入適量的合金成分后，可提高強度又不損害塑性與韌性。這與碳素鋼依靠增加碳的含量而提高強度完全不同。我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中推薦采用的低合金鋼是國家標準中的 Q345 鋼、 Q390鋼和 Q420鋼三種。
（3）鋼中除鐵與碳及有意加入的合金元素之外，尚含有少量的其他元素如錳、硅、硫及磷等，此外，也還可能存在鋼冶煉過程中不易除盡的氧、氮和氫等。
錳對鋼是有益元素，是鋼液的弱脫氧劑。含適量的錳，可提高鋼的強度同時不影響鋼的塑性和沖擊韌性。在碳素鋼中其適宜的含量約在 0 . 3 ％~0 . 8 ％之間。在低合金鋼中，錳作為合金成分，其含量為 1 . 2 ％~1 . 6 ％。硅對鋼也是一種有益元素，是鋼液的強脫氧劑。鋼中含適量的硅，可提高鋼的強度而不影響其塑性、韌性和可焊性。在低碳鋼中其含量應(yīng)為 Si ≤0 . 30 寫，在低合金鋼中應(yīng)為 Si = 0 . 20 ％~0 . 55 ％。
硫和磷都是鋼中的有害雜質(zhì)。含硫量增大，會降低鋼的塑性、沖擊韌性、疲勞強度和抗銹性等；當對鋼材進行軋制等熱加工或電焊時，會使鋼內(nèi)形成微小裂紋，稱為“熱脆”。磷的存在雖可提高鋼的強度和抗銹性，但會降低鋼的塑性、沖擊韌性、冷彎性能和可焊性等。特別是磷能使鋼材在低溫時變脆，稱為“冷脆”。因此，規(guī)范中規(guī)定承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有硫和磷含量的合格保證。
氧、氮和氫也都是有害雜質(zhì)。氧與硫一樣會使鋼熱脆，氮則與磷相似會使鋼冷脆，氫能使鋼產(chǎn)生裂紋。
2 ．生產(chǎn)過程對鋼材性能的影響
生產(chǎn)過程的影響包括冶煉時的爐種、澆注前的脫氧和熱軋等的影響。
（ 1 ）冶煉爐種。我國目前鋼結(jié)構(gòu)用的鋼材，主要是由平爐和氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉而成，現(xiàn)在這兩種冶煉方法煉制的鋼的質(zhì)量大致相當，可以同樣看待。
（ 2 ）鋼的脫氧。鋼液中殘留氧，將使鋼材晶粒粗細不勻并發(fā)生熱脆。因此澆注鋼錠時在爐中或盛鋼桶中加入脫氧劑以消除氧，可大大改善鋼材的質(zhì)量。因脫氧程度不同，鋼可分成沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼四類。沸騰鋼采用錳作為脫氧劑，脫氧不完全，其沖擊韌性較低和脆性轉(zhuǎn)變溫度較高，抵抗冷脆性能差，抗疲勞性能也較鎮(zhèn)靜鋼為差，但沸騰鋼的強度和塑性（例如屈服點和伸長率）并不比鎮(zhèn)靜鋼低多少（特別是薄鋼板）。
鎮(zhèn)靜鋼除采用錳外另增加一定數(shù)量的硅作為脫氧劑，脫氧充分，因而材質(zhì)好，但成本高于沸騰鋼。
半鎮(zhèn)靜鋼的脫氧程度介于沸騰鋼與鎮(zhèn)靜鋼之間，故名半鎮(zhèn)靜鋼。鋼材的質(zhì)量比沸騰鋼好，價格則較鎮(zhèn)靜鋼便宜，但我國目前生產(chǎn)不是最多。
特殊鎮(zhèn)靜鋼采用硅脫氧后再用更強的脫氧劑鋁補充脫氧，因而脫氧徹底，質(zhì)量，其沖擊韌性特別是低溫沖擊韌性都較高。
目前因軋制鋼材的鋼坯推廣采用連續(xù)鑄錠法生產(chǎn)，鋼材必然為鎮(zhèn)靜鋼。因而鎮(zhèn)靜鋼的應(yīng)用已大大增多。
（ 3 ）鋼的軋制。我國的鋼材大都是熱軋型鋼和熱軋鋼板。鋼材熱軋成型，同時也可細化鋼的晶粒使組織緊密，原存在于鋼錠內(nèi)的一些微觀缺陷如小氣泡和裂紋等經(jīng)過多次輥軋而彌合，改進了鋼的質(zhì)量，如圖 6 -1 所示。因而薄型材和薄鋼板的屈服點和伸長率等就大于厚材，即鋼材的屈服點和伸長率隨厚度不同而變化。
上面簡單說明影響鋼材力學性能的主要因素，只是涉及鋼材在出鋼廠以前的有關(guān)因素。鋼材出鋼廠以后，在制造和使用時還會有許多因素影響鋼的力學性能，例如下面將介紹的鋼在冷加工時發(fā)生的應(yīng)變硬化和時效硬化。
3 ．鋼材的硬化
鋼材的硬化包括冷加工硬化（應(yīng)變硬化）和時效硬化。
鋼材經(jīng)冷拉、冷彎等冷加工而產(chǎn)生塑性變形，卸荷后重新加荷，可使鋼材的屈服點得到提高，但鋼材的塑性和韌性卻大大降低，這種現(xiàn)象稱為冷加工硬化或應(yīng)變硬化。在鋼結(jié)構(gòu)中由于對鋼材的塑性和韌性要求較高，因此一般不利用這現(xiàn)象以提高鋼材的屈服點。對鍋爐汽包、壓力容器等重要結(jié)構(gòu)，常需用熱處理方法來消除冷加工硬化的不利影響。重級工作制吊車梁截面的鋼板當用剪切邊時，也常需將剪切邊刨去 3 -5mm 以去掉出現(xiàn)冷加工硬化部分的鋼材。但在冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)中，將鋼板冷彎成型時，其轉(zhuǎn)角處鋼材屈服點的提高，在規(guī)范 GB 5 0018 中對此則有所考慮。
時效硬化是指隨時間的增長鋼材強度提高而塑性和沖擊韌性降低的現(xiàn)象。這也是一個對鋼結(jié)構(gòu)的不利因素。時效過程可長達幾年，但如在塑性變形后對鋼材加熱到 200 -300 ℃ ，可使時效在幾小時內(nèi)完成，這稱為人工時效。有些重要結(jié)構(gòu)常需進行人工時效，然后再測定其沖擊韌性，以保證鋼材長期具有較好的韌性。
鋼的種類極多，依照用途不同而有不同的性能。用以建造鋼結(jié)構(gòu)的稱為結(jié)構(gòu)鋼，它必須同時具有較高的強度、塑性和韌性，還必須具有良好的加工性能，對焊接結(jié)構(gòu)還應(yīng)保證其可焊性（即在一定的焊接工藝條件下焊接后，焊縫金屬和近焊縫區(qū)的鋼材不產(chǎn)生裂紋，施焊后焊縫的力學性能不低于焊接母材的力學性能）。強度高，可減小結(jié)構(gòu)的截面積而節(jié)省鋼材。塑性、韌性好可保證結(jié)構(gòu)的安全，減少結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脆斷的危險性。結(jié)構(gòu)鋼主要有兩類，一是碳素結(jié)構(gòu)鋼中的低碳鋼，另一是低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼（合金成分低于 5 寫時稱為低合金鋼）。兩類鋼的現(xiàn)行國家標準分別是 《 碳素結(jié)構(gòu)鋼 》 （ GB / T700）和 《 低合金高強度’鋼結(jié)構(gòu)》 （ GB / T 1591 ）。
影響鋼材性能的因素較多，主要是鋼的化學成分的影響和生產(chǎn)過程不同的影響。
1 ．化學成分的影響
（1）碳素鋼主要是鐵和碳的合金。鋼因含碳量不同而區(qū)分為低碳鋼（ C < 0 . 25 % ）、中碳鋼（ C = 0 . 25 ％~0.60 % ）和高碳鋼（ C =0 . 60 ％~1 . 7 % ）。碳的含量愈高，鋼的強度也愈高，但其塑性、韌性和可焊性卻顯著降低，因而用作建造鋼結(jié)構(gòu)材料的只能是低碳鋼，要求 C ≤0 . 22 ％。對焊接結(jié)構(gòu)，為了使其有良好的可焊性，通常須限制 C ≤0 . 20 ％。用于鋼結(jié)構(gòu)時，我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范推薦采用國家標準《 碳素結(jié)構(gòu)鋼 》 中的 Q235 鋼（字母 Q 為屈服點的屈字漢語拼音的第一個字母， Q 后面的數(shù)字表示屈服點 N / mm2 ） ，此鋼的平均含碳量小于等于 0 . 18 % ，屈服點fy=235N / mm2 時，符合同時具有較大的強度、塑性和韌性的要求，可焊性也良好。
（2）為了得到較 Q235 鋼更高的強度，可在低碳鋼的基礎(chǔ)上冶煉時加入為提高鋼材強度的合金元素如錳、釩等，得到低合金鋼。加入適量的合金成分后，可提高強度又不損害塑性與韌性。這與碳素鋼依靠增加碳的含量而提高強度完全不同。我國鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范中推薦采用的低合金鋼是國家標準中的 Q345 鋼、 Q390鋼和 Q420鋼三種。
（3）鋼中除鐵與碳及有意加入的合金元素之外，尚含有少量的其他元素如錳、硅、硫及磷等，此外，也還可能存在鋼冶煉過程中不易除盡的氧、氮和氫等。
錳對鋼是有益元素，是鋼液的弱脫氧劑。含適量的錳，可提高鋼的強度同時不影響鋼的塑性和沖擊韌性。在碳素鋼中其適宜的含量約在 0 . 3 ％~0 . 8 ％之間。在低合金鋼中，錳作為合金成分，其含量為 1 . 2 ％~1 . 6 ％。硅對鋼也是一種有益元素，是鋼液的強脫氧劑。鋼中含適量的硅，可提高鋼的強度而不影響其塑性、韌性和可焊性。在低碳鋼中其含量應(yīng)為 Si ≤0 . 30 寫，在低合金鋼中應(yīng)為 Si = 0 . 20 ％~0 . 55 ％。
硫和磷都是鋼中的有害雜質(zhì)。含硫量增大，會降低鋼的塑性、沖擊韌性、疲勞強度和抗銹性等；當對鋼材進行軋制等熱加工或電焊時，會使鋼內(nèi)形成微小裂紋，稱為“熱脆”。磷的存在雖可提高鋼的強度和抗銹性，但會降低鋼的塑性、沖擊韌性、冷彎性能和可焊性等。特別是磷能使鋼材在低溫時變脆，稱為“冷脆”。因此，規(guī)范中規(guī)定承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有硫和磷含量的合格保證。
氧、氮和氫也都是有害雜質(zhì)。氧與硫一樣會使鋼熱脆，氮則與磷相似會使鋼冷脆，氫能使鋼產(chǎn)生裂紋。
2 ．生產(chǎn)過程對鋼材性能的影響
生產(chǎn)過程的影響包括冶煉時的爐種、澆注前的脫氧和熱軋等的影響。
（ 1 ）冶煉爐種。我國目前鋼結(jié)構(gòu)用的鋼材，主要是由平爐和氧氣轉(zhuǎn)爐冶煉而成，現(xiàn)在這兩種冶煉方法煉制的鋼的質(zhì)量大致相當，可以同樣看待。
（ 2 ）鋼的脫氧。鋼液中殘留氧，將使鋼材晶粒粗細不勻并發(fā)生熱脆。因此澆注鋼錠時在爐中或盛鋼桶中加入脫氧劑以消除氧，可大大改善鋼材的質(zhì)量。因脫氧程度不同，鋼可分成沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼四類。沸騰鋼采用錳作為脫氧劑，脫氧不完全，其沖擊韌性較低和脆性轉(zhuǎn)變溫度較高，抵抗冷脆性能差，抗疲勞性能也較鎮(zhèn)靜鋼為差，但沸騰鋼的強度和塑性（例如屈服點和伸長率）并不比鎮(zhèn)靜鋼低多少（特別是薄鋼板）。
鎮(zhèn)靜鋼除采用錳外另增加一定數(shù)量的硅作為脫氧劑，脫氧充分，因而材質(zhì)好，但成本高于沸騰鋼。
半鎮(zhèn)靜鋼的脫氧程度介于沸騰鋼與鎮(zhèn)靜鋼之間，故名半鎮(zhèn)靜鋼。鋼材的質(zhì)量比沸騰鋼好，價格則較鎮(zhèn)靜鋼便宜，但我國目前生產(chǎn)不是最多。
特殊鎮(zhèn)靜鋼采用硅脫氧后再用更強的脫氧劑鋁補充脫氧，因而脫氧徹底，質(zhì)量，其沖擊韌性特別是低溫沖擊韌性都較高。
目前因軋制鋼材的鋼坯推廣采用連續(xù)鑄錠法生產(chǎn)，鋼材必然為鎮(zhèn)靜鋼。因而鎮(zhèn)靜鋼的應(yīng)用已大大增多。
（ 3 ）鋼的軋制。我國的鋼材大都是熱軋型鋼和熱軋鋼板。鋼材熱軋成型，同時也可細化鋼的晶粒使組織緊密，原存在于鋼錠內(nèi)的一些微觀缺陷如小氣泡和裂紋等經(jīng)過多次輥軋而彌合，改進了鋼的質(zhì)量，如圖 6 -1 所示。因而薄型材和薄鋼板的屈服點和伸長率等就大于厚材，即鋼材的屈服點和伸長率隨厚度不同而變化。
上面簡單說明影響鋼材力學性能的主要因素，只是涉及鋼材在出鋼廠以前的有關(guān)因素。鋼材出鋼廠以后，在制造和使用時還會有許多因素影響鋼的力學性能，例如下面將介紹的鋼在冷加工時發(fā)生的應(yīng)變硬化和時效硬化。
3 ．鋼材的硬化
鋼材的硬化包括冷加工硬化（應(yīng)變硬化）和時效硬化。
鋼材經(jīng)冷拉、冷彎等冷加工而產(chǎn)生塑性變形，卸荷后重新加荷，可使鋼材的屈服點得到提高，但鋼材的塑性和韌性卻大大降低，這種現(xiàn)象稱為冷加工硬化或應(yīng)變硬化。在鋼結(jié)構(gòu)中由于對鋼材的塑性和韌性要求較高，因此一般不利用這現(xiàn)象以提高鋼材的屈服點。對鍋爐汽包、壓力容器等重要結(jié)構(gòu)，常需用熱處理方法來消除冷加工硬化的不利影響。重級工作制吊車梁截面的鋼板當用剪切邊時，也常需將剪切邊刨去 3 -5mm 以去掉出現(xiàn)冷加工硬化部分的鋼材。但在冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)中，將鋼板冷彎成型時，其轉(zhuǎn)角處鋼材屈服點的提高，在規(guī)范 GB 5 0018 中對此則有所考慮。
時效硬化是指隨時間的增長鋼材強度提高而塑性和沖擊韌性降低的現(xiàn)象。這也是一個對鋼結(jié)構(gòu)的不利因素。時效過程可長達幾年，但如在塑性變形后對鋼材加熱到 200 -300 ℃ ，可使時效在幾小時內(nèi)完成，這稱為人工時效。有些重要結(jié)構(gòu)常需進行人工時效，然后再測定其沖擊韌性，以保證鋼材長期具有較好的韌性。