建筑结构——钢结构对材料的要求

硅：是一种脱氧剂。在低合金钢中，一般含量为 0.12％～0.13％，它可以提高钢的强度，同时对塑性、 冷弯性能、冲击韧性及可焊性没有显著的不利影响。
钒：钒作为一种合金元素加人钢中，可以提高钢材 的抗锈性能，同时不会显著降低钢材的塑性。
硫和磷：这些是有害元素。硫能使钢的塑性及冲击 韧性降低，并使钢材在高温时出现裂纹，称为“热脆” 现象。这对热加工不利。磷使钢材在低温下冲击韧性降 低很多，称为“冷脆”现象。这对低温下工作的结构不 利。硫和磷一般作为杂质，其含量均应严格控制。
经历这样一个过程后，焊缝区金属的力 学性能是否会发生变化，是否还能满足结构 设计要求，是钢材可焊性研究的课题 。
1C1.2.2 影响钢材性能的主要因素
1 . 化学成分的影响 钢结构的主要钢材是碳素钢和低合金钢。 钢的主要成分是铁(Fe)。 碳素钢中铁的含量占99％以上，此外尚含有碳(C)、 锰(Mn)、硅(si)。 有害元素：硫(S)、磷(P)、氮(N)、氧(O)等。 低合金钢中，除铁(Fe)、碳(C)元素外，冶炼时还特 意加入少量合金元素，如锰(Mn)、硅(si）、钒(V)、 铜(Cu)、铬(Cr)、钼(M。)等。
碳：钢材中含碳量增加会使钢材的屈服点与抗拉 强度提高，但降低了伸长率与冲击韧性；同时，钢材 的抗腐蚀性能、疲劳强度和冷弯性能也都明显下降， 可焊性降低，易发生低温脆断，所以在标准中规定了 各类钢材含碳量的范围。
锰：在碳素钢中锰是一种脱氧剂，因此它常以杂 质的形式留在钢中。我国低合金结构钢中加有合金元 素锰，一般为0．3％～0．8％。它能提高钢材强度， 但又不会过多地降低塑性和冲击韧性。此外锰还能与 硫生成硫化锰，从而消除钢材的热脆性和冷脆性。
• 5 . 残余应力的影响
型钢及钢板热轧成材后，一般放置在堆场 自然冷却，后冷却部分受拉，先冷却部分 受压。这种作用和反作用最后导致截面内 形成自相平衡的内应力，称为热残余应力。 残余应力将使钢材抗冲击断裂能力及抗疲 劳破坏能力降低。尤其是低丑下受冲击荷 载的结构，残余应力存在更容易引起脆性 断裂。
工后钢材硬化的影响，防止钢材变脆。
4 . 温度的影响
温度升高，钢材强度(ƒu、ƒy)及弹性模 量降低，但在200'C以内钢材性能变化不大， 超过200℃，尤其是在430～540℃之间，ƒu 及ƒy急剧下降，到600℃时，强度很低不能 继续承载。
《钢结构规范)规定钢结构表面温度超过 150℃就要采取隔热防护措施。
钢材在250℃附近，ƒu有局部提高，ƒy也有回升 现象，这时塑性相应降低，刚材性能转脆。由于在 这个温度下．钢材表面氧化膜显蓝色，故称蓝脆。 在蓝脆温度区加工刚材,可能引起裂纹．故应尽力避 免在这个温度区进行热加工。
在负温度范围，随温度下降，ƒu和ƒy增加，但 塑性变形能力减小，冲击韧性降低。即钢材在低温 下变脆。钢材低温变脆的情况可由冲击韧度试验来 评定。经过大量的试验统计，可以找到钢材冲击韧 性与温度变化的关系。
半镇静钢的性能介于镇静钢与沸腾钢之间 。
镇静钢所用脱氧剂除锰以外，还用脱氧能力较强的硅。 因而脱氧充分，同时脱氧过程中产生很多热量，使钢液冷 却缓慢，气体容易逸出，浇注时没有沸腾现象，钢锭模内 钢液表面平静。镇静钢结晶构造细密、杂质气泡少、偏析 程度低，因而塑性、冲击韧性及可焊性比沸腾钢好，同时 冷脆及时效敏感性也低，但镇静钢工艺较为复杂，成本较 高。
4 . 冲击韧性
韧性是指钢材抵抗冲击或振动荷载的 能力，其衡量指标常用冲击韧度。
对承受动力荷载的结构或构件有很大的局限性， 为保证结构承受动力荷载的安全，就必 须要求钢材有较好的韧性。
5 . 可焊性
钢材在焊接过程中，焊缝及附近的金属 要经历升温、熔化、冷却及凝固的过程。这 与一个复杂的金属冶炼过程类似。
特殊镇静钢是在用锰和硅脱氧之后，再加钼或钛进行 补充脱氧，其性能得到明显改善，尤其是可焊性显著提高
3 . 钢材的时效硬化和冷作硬化
时效硬化:轧制的钢材，常有一些碳和氮的化合物， 以固体的形式存在纯铁体的结晶体中。它们在晶 体中的存在不稳定，随时间的增长，将逐渐地从 晶体中析出来，进入晶体群之间的间层，对纯铁 体的塑性变形起着遏制作用，使钢材的强度提高， 塑性减小。这种现象叫时效硬化.
2．钢材塑性性能的指标
(1)伸长率 (2)收缩率
建筑用的钢材不仅要求较高的强度，而且要求塑性 好，以便调整局部应力，提高结构抗脆断的能力。
3 . 冷弯试验
冷弯试验又称为弯曲试验。冷弯试验一方面可以检验 钢材能否适应构件加工制作过程中的冷作工艺，另一方面 还可暴露出钢材的内部缺陷(如颗粒组织、结晶状况、夹 杂物分布和夹层情况，内部微观裂纹气泡等)，还可进一 步检验钢材的塑性及可焊性。
1C1．2 钢结构对材料的要求
(1)具有较高的强度 (2)具有较高的塑性、韧性及耐疲劳性能 (3)具有良好的工艺性
1C1.2.1 建筑钢材的主要性能
1 . 强度 图19-1为低碳钢的一次拉伸应力—应变曲线。
(1)屈服点 (2)抗拉强度
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图19-1 低碳钢的一次拉伸应力—应变曲线
氧和氮：氧和氮是钢材冶炼过程中留在钢中的杂质， 它们均是有害元素，氧与硫相似，氮与磷相似。
2 . 冶炼、浇注、轧制过程及热处理的影响
根据脱氧程度不同，钢材分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢及特殊镇静 钢。
沸腾钢是以脱氧能力较弱的锰作为脱氧剂，由于脱氧不够充分，在浇 注过程中，有大量气体逸出，钢液表面剧烈沸腾(故称为沸腾钢)。沸腾钢 注锭时冷却快．钢液中的气体(氧、氟、氢等)来不及逸出，在钢中形成气 泡。同时沸腾钢结晶构造粗细不匀、偏析严重，常有夹层，塑性、韧性 及可焊性相对较差，但沸腾钢生产工艺简单、成本低。
冷作硬化: 钢材在弹性变形阶段，若多次间歇重复加载并不影
响钢材的性能，因为弹性变形是可以恢复的。但在弹性 和塑性变形范围内，间歇重复加载将使弹性变形区扩大。
冷作硬化虽然能提高钢材的强度，但消耗了钢材的 塑性，使钢材的脆性增加了。在普通的由热轧型钢和钢 板组成的钢结构中，不利用冷作硬化来提高钢材强度； 对于直接承受动荷载的结构，还要求采取措施消除冷加