影响钢材力学性能的主要因素有哪些?

(1)化学成分的影响钢材是由各种化学成分组成的，其基本元素为铁(Fe)，碳素结构钢中铁占99%，碳和其他元素仅占1%，但对钢材的性能有着决定性的影响。普通低合金钢中还含有低于5%的合金元素。

1)碳(C)是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素，是形成钢材强度的主要来源，随着含碳量的增加，钢材强度提高，而塑性和韧性、尤其是低温冲击韧度下降，同时焊接性、抗腐蚀性、冷弯性能明显降低。因此结构用钢的含碳量一般不应超过0.22%，对焊接结构应低于0.2%。

2)硫(S)是一种有害元素，可降低钢材的塑性、韧性、可焊接性和抗锈蚀性等，在高温时使钢材变脆，即热脆。因此，钢材中硫的含量不得超过0.05%，在焊接结构中不超过0.045%。

3)磷(P)也是一种有害元素，虽然磷的存在能提高钢材的强度和抗锈蚀性，但它严重降低了钢材的塑性、韧性、焊接性和冷弯性能等，特别是在低温时使钢材变脆，即冷脆。钢材中磷的含量一般不得超过0. 045%。磷在钢材中的强化作用十分显著，有些国家生产高磷钢，含磷量最高可达0.08% ~0.12%，出此引起的不利影响通过降低含碳量来弥补。

4)氧(0)和氦(N)都是钢材的有害杂质，氧的作用与硫类似，使钢材产生热脆，一般要求其含量小于0. 05%;而氮的作用与磷类似，使钢材产生冷脆，一般要求其含量小丁于0. 008%。由于氧、氮容易在冶炼过程中逸出，且根据需要进行不同程度的脱氰处理，其含量-般不会超过极限含量。

5)锰(Mn)是一种弱脱氧剂，适量的锰含量可以有效地提高钢材的强度，又能消除硫.氧对钢材的热脆影响，而不显著降低钢材的塑性和韧性。但含量过高将使钢材变脆，降低钢材的抗锈蚀性和焊接性。锰在碳素结构钢中的含最为0.3% -0. 8%，在低合金钢中一般为1.0% ~1. 6%。

6)硅(Si)是一种强脱氧剂，适量的硅可提高钢材的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和焊接性无明显不良影响，但硅含量过大(达1%左右)时，会降低钢材的塑性、韧性、抗锈蚀性和焊接性。硅在碳素结构钢中的含量不应超过0.3%，在低合金钢中的含量为0.2%~0.55%。

为改善钢材的性能，可掺人一定数量的其他元素，如铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni)、铜(Cu)、钛(Ti)、钒(V)等。

(2)加工工艺对钢材性能的影响

1)冶炼。目前我国结构性钢主要由平炉和氧气顶吹转炉来冶炼，二者冶炼出的钢材质量基本相局，都较好。

为排除钢液中的氧元素，浇铸前要向钢液中投人脱氧剂，按脱氧程度的不同，形成沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。

沸腾钢是以锰作为脱氧剂，因脱氧不充分，钢水出现剧烈沸腾现象而得名。因沸腾钢含有较多的氧、氮等元素，其塑性、韧性和焊接性较差，容易发生时效和变脆。但沸腾钢成品率高，成本较低，质量能满足一般承重结构的要求，因而应用广泛。

镇静钢除了加锰以外，还加强脱氧剂硅，脱氧比较充分。镇静钢具有较高的冲击韧度，较小的时效敏感性和冷脆性，冷弯性能、焊接性和抗锈蚀性较好等优点。但成品率低，成本较高。

半镇静钢的脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，其性能也介于二者之间。

特殊镇静钢是指用锰和硅脱氧之后，再用铝等进行补充脱氧，能明显改善钢材的各项力学性能。

2)冶金缺陷。常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹及分层等。偏析是指钢中化学成分分布不均匀，特别是硫、磷偏析严重恶化钢材的性能;非金属夹杂是指钢中含有硫化物、氧化物等杂质;气孔是由于氧化铁与碳作用生成的一氧化碳不能充分逸出而形成的，这些缺陷都将降低钢材的性能。非金属夹杂物在轧制后会造成钢材的分层，使钢材沿厚度受拉的可靠性能大大降低。

3)轧制。钢的轧制是在高温(1200 ~1300C)和压力作用下将钢锭热轧成钢板或型钢。轧制使钢锭中的小气孔、裂纹等缺陷焊合起来，使金属组织更加致密，从而改善了钢材的力学性能。-般来说，轧制的钢材愈小(愈薄)，其强度愈高，塑性和冲击韧度也就愈好。由此规范对钢材按厚度和直径进行分组。

热轧的钢材由于不均匀冷却会产生残余应力,一般在冷却较慢处会产生拉应力，早冷却处产生压应力(图3-1)。

4)热处理。钢的热处理就是将钢在固态范围内施以不同的加热、保温和冷却，以改变其性能的一种工艺,根据加热和冷却方法的不同，建筑结构钢的热处理主要有:退火处理、正火处理、淬火处理、回火处理。热处理可改善钢的组织和性能，消除残余应力。淬火加高温回火的综合操作称为调质处理，可让钢材获得强度、塑性和韧性都较好的综合性能。

(3)钢材的硬化硬化有时效硬化和冷作硬化两种。

时效硬化是指钢材随时间的增长，钢材强度(屈服点和抗拉强度)提高，塑性降低、特别是冲击韧度大大降低的现象(图3-2)。时效硬化的过程一般很长。为了测定钢材时效后的冲击韧度，常采用人工快速时效方法，即先使钢材产生10%左右的塑性变形，再加热至250℃左右并保温1h,然后在空气中冷却。

冷作硬化是指当钢材冷加工(剪、冲、拉、弯等)超过其屈服强度卸载后,出现残余塑性变形，再次加载时弹性极限(或屈服点)提高的现象(图3.3)。

冷作硬化降低了钢材的塑性和冲击韧度，增加了出现脆性破坏的可能性。

(4)温度的影响钢材的性能随温度而有所变化。在0以上，总的趋势是温度升高，钢材强度、弹性模量降低，变形增大(图3-4)。 200℃以内时，钢材性能基本不变;在430~540℃之间强度急剧下降; 600℃时强度很低，不能承担荷载。但在250℃左右时，钢材出现抗拉强度提高，冲击韧度下降的蓝脆现象，

应避免钢材在蓝脆温度范围内进行热加工，否则可能引起热裂纹;当温度在260~ 320℃时，在应力保持不变的情况下，钢材以缓慢的速度继续变形，此种现象称为徐变。

在0℃以下，总的趋势是温度降低，钢材强度略有提高，塑性、韧性降低而变脆。特别是当温度下降到某一值时，钢材的冲击韧度突然急剧下降(图3-5),试件发生脆性破坏，这种现象称为低温冷脆现象。由图3-5可见，随着温度的降低Cy值下降很快，钢材由塑性破坏转变为脆性破坏，但是这个转变是在一个温度区间T2内完成的，此温度区间称为钢材的脆性温度转变区，此区间内曲线的反弯点对应的温度T。称为转变温度。T1与T2是根据大量的统计数据;才能确定的。在结构设计中要避免完全的脆性破坏，结构所处的温度就应大于T1，但不要求必须大于T2，因为那样做虽然非常安全，但浪费材料。

(5)复杂应力状态钢材在单向应力作用下，当应力达到屈服点f,时，钢材即进人塑性状态。但在复杂应力(二向或三向应力)作用下，钢材的屈服不能以某个方向的应力达到fy判别，而应按材料力学中的第四强度理论用折算应力σ,与钢材单向应力下的f,比较来判别。当σ≤fy时，钢材处于弹性状态;σx >fy钢材处于塑性状态。

(6)应力集中的影响在钢结构构件中不可避免地存在着孔洞、槽口、凹角、形状变化和内部缺陷等，此时，轴心受力构件在截面变化处应力不再保持均匀分布，而是在一些区域产生局部高峰应力，在另外一些区域则应力降低，形成应力集中现象(图3-6)。更严重的是，靠近高峰应力的区域总是存在着同号平面或立体应力场，因而促使钢材变脆。

高峰应力σmax与净截面的平均应力σo之比称为应力集中系数，构件形状变化愈急剧，应力集中系数愈大，变脆的倾向也愈严重，如圆形孔洞边应力集中系数为3，而矩形孔洞边应力集中系数为4。在-般情况下由于结构钢材的塑性较好，当内力增大时，应力分布不均匀的现象会逐渐平缓。故受静荷载作用的构件在常温下工作时，只要符合规范规定的有关要求，计算时可不考虑应力集中的影响。但在低温下或动力荷载作用下的结构，应力集中的不利影响将十分突出,往往是引起脆性破坏的根源，设计时应采取措施避免或减小应力集中。

(7)反复荷载作用当钢材反复应力低于屈服强度，即材料处于弹性阶段时，次数不多的反复荷载作用对钢材的性能没有影响，也不存在残余应变，但如果循环次数达到一定数值以后，钢材会发生突然的脆性破坏，即高周疲劳破坏，简称疲劳破坏，如吊车梁破坏。

当钢材反复应力高于屈服强度，即材料处于弹塑性阶段时，反复荷载会使钢材的残余应变逐渐增长，最后产生的破坏称为低周疲劳破坏，如地震作用下的结构破坏。钢材在受拉产生塑性变形后，卸载并反向加载使钢材受压，则钢材的抗压屈服强度会降低，这种现象称为包辛格( Bauschinger )效应(图3-7)。应力—应变曲线所形成的滞回环(滞回曲线)的面积代表荷载循环一次单位体积的钢材，所吸收的能量。

从以上论述中，我们看到有许多因素会使钢材产生脆性破坏，因此，在钢结构设计、施工和使用中，应根除或碱少使钢材产生脆性破坏的因索，才能保证结构的安全。