2.2 影响钢材性能的因素

决定钢材性能的主要因素是钢材的化学成分及其微观结构（microstructure），与钢材的冶炼、浇铸、轧制等工艺过程也有密切的关系。此外钢结构的加工、构造、尺寸、受力状态及其所处的环境温度等都是影响钢材性能的重要因素。

2.2.1 化学成分的影响

钢的主要化学成分是铁（在普通碳素钢中约占 99%），此外还有碳、锰、硅等有利元素以及硫、磷、氧、氮等有害元素。在合金钢中还添加钒、铌、钛等元素，这些元素含量虽少，但对钢材的性能却有很大的影响。

（1）碳（C）

碳含量直接影响钢材的强度、塑性、韧性和可焊性。随着碳含量的增加，钢材的抗拉强度和屈服点提高，但其塑性、韧性和冷弯性能，特别是低温冲击韧性降低，可焊性也变差。因此钢结构的钢材碳含量不能过高。

（2）锰（Mn）、硅（Si）

锰和硅都能提高钢材的强度而又不过多降低钢材的塑性和韧性，是对钢材有益的元素。锰、硅都可作为脱氧剂，锰还能消除硫对钢的热脆影响。但锰、硅都会使钢材的可焊性降低，硅还会降低钢材的抗锈蚀性，故应限制含量。

（3）硫（S）、磷（P）

硫和磷在钢材中是两种十分有害的元素。硫与铁化合生成硫化铁，散布在纯铁体的间层中，使钢材的塑性、韧性、可焊性降低，高温时，硫使钢变脆，称为“热脆”。磷的有害作用主要是使钢在低温时韧性降低并容易产生脆性破坏，称为“冷脆”，在高温时也使塑性变差。

（4）氧（O）、氮（N）、氢（H）

氧、氮是在炼钢时进入钢液的有害元素。氧的作用和硫相同而且更甚，增加了钢的热脆性；氮的作用类似于磷，能显著降低钢材的塑性、韧性并增大其冷脆性。氢在低温时使钢材呈脆性破坏，产生“氢脆”现象。

各种结构钢、合金钢的化学成分及含量可查阅相关手册。

2.2.2 冶炼、浇铸、轧制的影响

（1）冶炼

我国目前钢结构用钢主要是平炉和氧气转炉冶炼而成的，这两种冶炼方法炼制的钢质量大体相当。侧吹碱性转炉法炼制的钢质量较差，产量不多，现已不用于承重钢结构中。电炉钢质量精良，但成本高，电耗大，钢结构中一般也不用。转炉钢、平炉钢、电炉钢的性能比较见表2.2。

（2）脱氧方法

钢在炼钢炉中或盛钢罐中用锰、硅、铝作为脱氧剂进行脱氧（deoxidize）。其中锰的脱氧能力最弱，它们之间的脱氧能力比为锰∶硅∶铝= 1 ∶ 5 ∶ 90。按脱氧程度或方法不同而分为沸腾钢（代号为F）、镇静钢（代号为Z）和特殊镇静钢（代号为TZ），镇静钢和特殊镇静钢的代号可以省去。

1）沸腾钢

仅用弱脱氧剂锰铁进行脱氧时，钢液中仍保留有相当多的氧化铁，与其中的碳化合生成一氧化碳等气体大量逸出，致使钢液剧烈沸腾，故称沸腾钢。这种钢铸锭时气体不能全部逸出，易形成气泡包在钢锭内，还使硫、磷等杂质分布不匀，出现局部富集的所谓“偏析”现象。沸腾钢质量不均匀，轧制时易使产生分层，降低钢材、特别是厚钢板的抗层状撕裂的能力。

2）镇静钢

在熔炼钢液中加入适量的强氧化剂硅和锰等进行彻底脱氧，钢液在钢模内平静地逐渐冷却而不发生沸腾现象，故称镇静钢。由于镇静钢的冷却速度慢，气体较易逸出，因而质量优良且均匀，组织致密，杂质少，偏析小，性能比沸腾钢好，但工艺复杂，冷却后钢锭头部缩凹而需要切除的部分较多。

3）特殊镇静钢

脱氧程度比镇静钢要求还高，通常是用硅脱氧后再用铝补充脱氧，形成更为细密的晶粒结构。我国钢结构中的Q235-D钢以及桥梁用钢等属此类钢。

（3）轧制

轧制（rolling）钢材是把钢锭加热到 1 200~ 1 300℃高温时进行，这时钢具有较好的热塑性和焊合性，利用轧钢机压力的作用，可使钢锭中的小气泡、裂纹和质地较疏松部分焊合密实，消除组织缺陷和细化钢的晶粒。因此，轧制钢比铸钢质量好，压缩比越大，钢材的力学性能越好。此外，由于轧辊的压延作用，钢材顺轧辊轧制方向的性能比横向的性能好。

2.2.3 残余应力的影响

热轧型钢中的残余应力（remaining stress）是因不均匀冷却而产生的。热轧型钢冷却时其边缘、尖角及薄细部位因与空气接触多而冷却快，先冷却部位常形成强劲的约束（constraint），阻止后冷却部位的自由收缩，从而使后冷却部位受拉，形成自相平衡的复杂的残余应力分布。此后钢材的调直和加工（剪切、气割、焊接等）还将改变这种分布。构件承受荷载时，荷载引起的应力将与残余应力叠加（superposition），使构件有些部位提前达到屈服并发展塑性变形，使截面的弹性区域减少。因此残余应力将降低构件的刚度（stiffness）和稳定性，而对构件的强度不产生影响。此外，残余应力尤其是焊接残余应力常使钢材处于二维或三维复杂应力状态下，将降低其抗冲击断裂和抗疲劳破坏的能力。

2.2.4 温度的影响

（1）温度升高

钢材的强度和弹性模量的总趋势是降低的，但在 150℃以下时变化不大。当温度在 250℃时，钢材的抗拉强度有较大的提高，但塑性、韧性变差，此时的破坏为脆性破坏，称为“蓝脆”。当温度超过 300℃时，其强度和弹性模量开始显著下降，而塑性开始显著增大，钢材产生徐变。达到 600℃时，强度几乎为零。

（2）温度降低

温度下降到负温时，钢材的强度虽有提高，但塑性和韧性降低、脆性增加，出现脆性转变温度。以韧性指标为例（图 2.7），反弯点对应的温度 T ₀ 即为脆性转变温度。

选用钢材时应使结构所处的环境温度高于脆性转变温度的下限值 T ₁ ,且在环境温度下具有足够的冲击韧性值。

2.2.5 钢材硬化的影响

（1）冷作硬化

所谓冷作，就是钢材在常温下冷加工（拉、拔、弯、冲切、剪切等）的过程。

钢材在弹性范围内重复加、卸荷载一般不会改变钢材的性能。但当加载到强化区间卸载后，钢材的塑性变形不能恢复。再次加载时，钢材的屈服强度提高，弹性范围增加，但塑性和伸长率降低。这一性质称为冷作硬化（stiffening）。

（2）时效硬化

钢材随存放时间延长，会出现屈服强度提高，弹性范围增加，伸长率降低，这一性质称为时效（effectiveness for a given period of time）硬化。这是因为随着时间的推移，钢材化学成分中的氮和碳逐渐析出，形成了自由的氮化物和碳化物，它们能起到阻止纯铁体晶粒间的滑移，约束塑性发展，从而提高钢材的强度，降低塑性。

人工加载让钢试件先产生 10%左右的塑性变形，然后加热至 250℃，并保温 1 h后自然冷却（cooling），这一方法能加速时效进程，称为人工时效。可利用人工时效方法对重要结构的钢材进行时效处理，以便测试钢材时效后的冲击韧性。

2.2.6 应力集中的影响

在构件截面发生变化的区域，截面应力分布并不均匀，突变处（如缺口等）将产生局部高峰应力，这种因截面尺寸显著变化而引起应力局部增大的现象称为应力集中（stress concentra tion）。分析表明：应力集中产生的高峰应力区附近总是存在平面或三维应力场，使钢材性能变脆而引发脆性破坏。

钢结构中的应力集中的现象不可避免，但只要在设计和施工时注意采取合理的构件形状和构造措施，使截面的变化平缓过渡，就能降低应力集中的影响。另外，在常温下承受静力荷载作用的钢结构，由于建筑钢材的塑性较好，当应力在局部达到屈服应力后，钢材的塑性变形使应力重分布，应力分布不均匀现象也会趋于平缓。因此，只要符合设计与施工规范的有关规定，计算时可不考虑应力集中的影响。 0TQiL78zbVWJ1Jk14bTJraWDlIrk0d1JgkCxYbS5tmiwn6Xaf2X7DHVbaPj0QqHn