影响力学性能的因素

影响力学性能的因素

一、化学成分

钢的基本元素为铁（Fe），普通碳素钢中占99%，此外还有碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）等杂质元素，及硫（S）、磷（P）等有害元素，这些总含量约1%，但对钢材力学性能却有很大影响。

碳（C）

碳是除铁以外最主要的元素。碳含量增加，使钢材强度提高，塑性、韧性，特别是低温冲击韧性下降，同时耐腐蚀性、疲劳强度和冷弯性能也显著下降，恶化钢材可焊性，增加低温脆断的危险性。一般建筑用钢要求碳含量在0.22%以下，焊接结构中应限制在0.20%以下。

硅（Si）

硅作为脱氧剂加入普通碳素钢的。适量的硅可提高钢材的强度，而对塑性、冲击韧性、冷弯性能及可焊性无显著的不良影响。

一般镇静钢的含硅量为0.10%～0.30%，含量过高（达1%）会降低钢材塑性、冲击韧性、抗锈性和可焊性。

锰（Mn）

锰是一种弱脱氧剂。适量的锰可有效提高钢材强度，消除硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢材热加工性能，并改善钢材的冷脆倾向，同时不显著降低钢材的塑性、冲击韧性。

普通碳素钢中锰的含量约为0.3%～0.8%。含量过高（达1.0%～1.5%以上）使钢材变脆变硬，并降低钢材的抗锈性和可焊性。

硫（S）

硫属于有害元素。硫引起钢材热脆，降低钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈性等。一般建筑用钢含硫量要求不超过0.055%，在焊接结构中应不超过0.050%。

磷（P）

磷也属于有害元素。磷虽可提高强度、抗锈性，但严重降低塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性，尤其低温时发生冷脆。

含量需严格控制，一般不超过0.050%，焊接结构中不超过0.045%。

为改善钢材力学性能，可适量增加锰、硅含量，还可掺入一定数量的铬、镍、铜、钒、钛、铌等合金元素，炼成合金钢。钢结构常用合金钢中合金元素含量较少，属于低合金钢

二、冶金工艺

冶炼炉种的影响：

主要有三种冶炼方法，形成电炉钢、平炉钢和氧气转炉钢。

电炉钢质量最好，但成本高，一般不采用；平炉钢和氧气转炉钢二者质量大体相当，所以已无必要强调炉种的影响。

钢的脱氧

因为脱氧程度的不同，形成沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢。

沸腾钢是采用弱脱氧剂进行脱氧，浇注钢锭时，有氧、氮和一氧化碳气体从钢水中逸出，形成钢水的沸腾现象，故称“沸腾钢”。

沸腾钢的时效、韧性、可焊性较差，容易发生时效和变脆，但产量较高、成本较低；

镇静钢是在钢水中加入Si、Mn等进行彻底脱氧，过程中钢水冷却慢，状态平静，故称之“镇静钢”。镇静钢性能最好，但产量较低，成本较高。

半镇静介于镇静钢和沸腾钢之间。

特殊镇静钢是在用Si脱氧之后再用Al补充脱氧，所得钢材的低温冲击韧性更高。

三、冷加工硬化和时效硬化

随着时间的增长，纯铁体中残留的碳、氧固溶物质逐步析出，形成自由的碳化物或氧化物微粒，约束纯铁体的塑性变形，此为时效。时效将提高钢材的强度，降低塑性、韧性。时效的过程可从几天到几十年。

钢材在冷加工（常温加工）过程中由于产生塑性变形，从而提高钢材的屈服点，同时降低塑性和韧性的现象称为冷作硬化。

四、温度

温度不超过200℃，钢材的性能备有很大的变化。达250℃附近时，钢材抗拉强度略有提高，而塑性、韧性均下降，此时加工有可能产生裂缝。因钢材表面氧化膜呈蓝色，称“蓝脆现象”。温度超过300℃以后，屈服点和极限强度明显下降，达到600℃时强度几乎等于零。

温度从常温下降到一定值，钢材的冲击韧性突然急剧下降，试件断口属脆性破坏，这种现象称为冷脆现象。钢材由韧性状态向脆性状态转变的温度叫冷脆转变温度。

五、应力集中和残余应力

钢结构构件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化、内部缺陷等使一些区

域产生局部高峰应力，此谓应力集中现象。应力集中越严重，钢材塑性越差。

钢材的化学成分及其对钢材性能的影响(B)

硫:是钢中很有害的元素。硫的存在会加大钢材的热脆性，降低钢材的各种机械性能，也使钢材的可焊性、冲击韧性、耐疲劳性和抗腐蚀性等均降低。

氧:是钢中的有害元素。随着氧含量的增加，钢材的强度有所提高，但塑性特别是韧性显著降低，可焊性变差。氧的存在会造成钢材的热脆性。

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。

钛:是强脱氧剂。钛能显著提高强度，改善韧性、可焊性，但稍降低塑性。钛是常用的微量合金元素。

钒:是弱脱氧剂。钒加入钢中可减弱碳和氮的不利影响，有效地提高强度，但有时也会增加焊接淬硬倾向，钒也是常用的微量合金元素。