第2章 钢结构材料
2.2 钢材力学性能及影响因素
2.2.1 钢材的失效形式
两种损坏形式：
（1）塑性失效：是由于材料或构件发生过度变形，超出了材料或构件可能产生的应变能力而引起的，只有当构件的应力达到钢材的抗拉强度fu时才会发生。
（2）脆性破坏：脆性破坏前，塑性变形很小甚至不存在，计算应力可能小于钢材的屈服点fy，断裂从应力集中点开始，破坏前毫无征兆，破坏发生突然。
2.2.2钢材主要力学性能
(1)单轴拉伸试验曲线
根据钢材单轴拉伸性能曲线，在工程应用中，将钢材的性能视为理想弹塑性体，并将fy确定为钢材抗拉、抗压强度的标准值。
（2）钢材主要力学性能
a.强度：fy强度设计标准值，设计依据；fu钢材的最大承载强度，安全储备。
b.塑性——δ5(δ10)，钢承受塑性变形而不脆性断裂的能力，有利于内力的重新分配和吸收能量，是一项重要指标。
c.冷弯性能——90度、180度。冷加工时产生塑性变形时对开裂的敏感性，是判断钢材塑性和冶金质量的综合指标。
d.韧性——冲击韧性αk，即钢材在一定温度下塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，用来表征钢材承受动载荷的能力(动指标)，分为常温(20度)、零温(0度)、负温(-20度、-40度)三种。
e.焊接性——表征钢材焊接后具有良好的焊缝接头性能的能力——不产生裂纹，焊缝影响区的材料性能符合有关要求。
2.2.3影响钢材性能的主要因素
（1）化学成分的影响
基本成分是铁，占碳钢的99%，碳、硅、锰为杂质元素，硫、磷、氮、氧为冶炼过程中难以除去的有害元素。
碳：碳含量提高强度，降低塑性、韧性和焊接性。应控制在≤0.22%，焊接结构应控制在≤0.20%。
硅：适量的硅，对强度的提高，对其它方面影响不大，是有好处的，应控制在≤0.1~0.3%。
硅：适量的硅能提高强度，降低硫和氧的热脆性，改善热加工性能，而对其它性能影响不大，因此是有益的。
硫：随着含量增加，强度升高而塑性、韧性、冷弯性能和焊接性下降；在高温下，钢变脆——有热脆现象。
磷：使钢在低温下变脆-冷脆现象；其他影响与硫相同。
氧氮：氧和硫；氮和磷，控制含量≤0.008%；
（2）冶金和轧制的影响
冶金学方面的影响主要是脱氧方法：沸腾钢用Mn作脱氧剂，耗时短钢结构脆性断裂，价格便宜，质量较差；镇静钢用硅作脱氧剂，耗时长，价格昂贵，质量好。特殊镇静钢先用Si脱氧，然后再补充铝。
重复轧制，可以提高钢材的塑性，同时可以焊补钢材中的气孔、裂纹、疏松等缺陷钢结构脆性断裂，使金属晶体组织致密，细化晶粒，消除纤维组织缺陷，提高钢材的力学性能。
（3）冷作硬化和时效硬化
由于某种因素引起钢的强度升高、塑性和韧性下降、脆性增大的现象称为硬化。
钢材在冷加工（室温下进行弯曲、冲孔、剪切等加工）过程中，产生塑性变形，使钢材发生硬化，这种现象称为冷加工硬化。
钢中的碳和氮随着时间的流逝和温度的变化而形成碳化物和氮化物，使钢变脆的“老化”现象称为时效硬化。
（4）复杂应力及应力集中的影响
当钢材受到同号多向应力场作用时，一个方向的变形会受到另一个方向的制约，使钢材的强度提高，而塑性和韧性降低；不同号应力场作用则相反。
钢构件内部由于截面变化、孔洞、沟槽、裂纹等引起应力集中，实际应力集中表现为：局部应力增大，且多为同符号的应力场。
（5）残余应力的影响
钢材在轧制、焊接、切割等加工过程中，会在构件内部产生自平衡内力，残余应力虽然对构件强度没有影响，但对构件的变形（刚度）、疲劳、稳定承载能力等有不利影响（后续章节会详细介绍）。
（6）温度的影响
温度的影响一般可分为正温度影响和负温度影响两部分。
正温度效应
总体的影响规律是随着温度的升高，钢材的强度下降，而塑性和韧性上升，这种现象称为热塑性。当温度达到600度左右时，钢材的强度下降到几乎为零，而塑性和韧性却极高，容易进行热加工，这个温度称为热锻温度。
注：钢材在300度左右时，强度增加，塑性和韧性下降，钢材表面发蓝，这种反复出现的现象称为蓝脆。钢材温度在300度以上时，应采取隔热措施。
负面温度影响
随着温度的降低，钢的强度上升，塑性和韧性下降，脆性增大，这叫低温冷脆性。当温度降到某一温度时，钢的脆性急剧增大，这个温度点叫脆性转变温度。
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第一章 钢结构概述
