影响钢材机械性能的主要因素

大魔

影响钢材机械性能的主要因素     钢结构有性质完全不同的两种破坏形式，即塑性破坏和脆性破坏。塑性破坏的主要特征是具有较大的、明显可见的塑性变形，且仅在构件中的应力达到抗拉强度后才发生。由于塑性破坏前有明显的预兆，能及时发现而采取补救措施，因此，实际上结构是极少发生塑性破坏的：脆性破坏的特征是破坏前的塑性变形很小，甚至没有塑性变形，构件截面上的平均应力比较低(低于屈服点)。由于脆性破坏前无任何预兆，无法及时察觉予以补救，所以危险性极大。讨论影响钢材机械性能的因素时，应特别注意导致钢材变脆的因素。 + b1 E5 G3 X$ d) K: Y1．化学成分的影响     碳素钢中，铁元素含量约占99％左右，其他元素有碳，磷、氮、硫、氧、锰、硅等，它们的总和约占1％左右。低合金钢中，除上述元素外，还有合金元素，其含量小于或等于5％，尽管碳和其他元素含量很小，但对钢材的机械性能却有着极大的影响。     普通碳素结构钢中，碳是除铁以外的最主要元素。随着含碳量的增加，钢材的强度提高，塑性，冲击韧性下降，冷弯性能、可焊性和抗锈蚀性能变差。因此，虽然碳是钢材获得足够强度的主要元素，但钢结构中，特别是焊接结构，并不采用含碳量高的钢材。现行《钢结构设计规范》(GB 50017--2003)(本节以下简称《钢结构规范》)推荐的钢材，在焊接结构中，含碳量一般控制在0.12％—0.2％之间。     磷、氮、硫和氧是有害的杂质元素；随着磷、氮含量的增加，钢材的强度提高，塑性、冲击韧性严重下降，特别是在温度较低时促使钢材变脆(称冷脆)，磷还会降低钢的可焊性：硫和氧的含量增加会降低钢材的热加工性能，并降低钢材的塑性、冲击韧性。硫还会降低钢材的可焊性和抗锈蚀性能：所以，对磷、氮、硫和氧的含量应严格加以限制(均不超过0．05％)。     锰和硅是有益的杂质元素，能起到脱氧的作用，当含量适中时，能提高钢材的强度而对塑性和冲击韧性无明显影响： 2．冶炼、浇注的影响     我国目前钢结构用的钢，主要是由平炉和氧气转炉冶炼而成的。这两种冶炼方法的钢，质量大体相当。     钢材冶炼后按浇铸方法(也称脱氧方法)的不同而分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢。沸腾钢采用锰铁作脱氧剂，脱氧不完全，钢材质量较差，但成本低；镇静钢用锰铁加硅或铝脱氧，脱氧较彻底，材质好，但成本较高；半镇静钢脱氧程序、质量和成本介于沸腾钢和镇静钢之间；特殊镇静钢的脱氧程序比镇静钢更高，质量最好，但成本也最高。 + a$ Q$ D  a: D# y3 I5 t, x3．应力集中     当构件截面的完整性遭到破坏，如开孔、截面改变等，构件截面的应力分布不再保持均匀，在截面缺陷处的附近产生高峰应力，而截面其他部分应力则较低，这种现象称为应力集中(图11-82)。应力集中是导致钢材发生脆性破坏的主要因素之一。试验表明，截面改变越突然、尖锐程度越大的地方，应力集中越严重，引起脆性破坏的危险性就越大。因此，在结构设计中应使截面的构造合理。如截面必须改变时，要平缓过渡。构件制造和施工时，应尽可能防止造成刻槽等缺陷。 5 q" p/ b* j% M3 ?0 ~5 |5 E / v/ W  W/ c9 b# L& x' H4．温度的影响     钢材在正温范围内，约在1000C以上时，随着温度的升高，钢材的强度降低，塑性增大。在2500C左右，钢材的抗拉强度有所提高，而塑性下降，这种现象称为冷脆现象，钢结构不宜在该温度范围内加工。温度达到500—6000C时，强度几乎为零。因此，当结构表面经常受较高的辐射热(150℃以上)时，应采取隔热措施，如加挡板或设循环水管等，加以保护。为提高钢结构耐火时间，可在构件上按需要涂不同厚度的防火涂料。当温度低于常温时，随着温度的下降，钢材的强度有所提高，而塑性和冲击韧性下降，当温度下降到某一负温值时，钢材的塑性和冲击韧性急剧降低，这种现象称为钢材的低温冷脆现象(简称冷脆)。因此，处于低温条件下的结构，应选择耐低温性能比较好的钢材，如镇静钢，低合金结构钢， 5．钢材的硬化     钢材的硬化包括时效硬化和冷作硬化。时效硬化是指高温时溶化于铁中的少量氮和碳，随时间的增长逐渐从固溶体中析出，形成氮化物或碳化物，对钢材的塑性变形起遏制作用，从而使钢材强度提高、塑性和冲击韧性下降。冷作硬化(也称应变硬化)是指钢材在间歇重复荷载作用下，钢材的弹性区扩大，屈服点提高，而塑性和冲击韧性下降。钢结构设计中，不考虑硬化后强度提高的有利影响，相反，对重要的结构或构件要考虑硬化后塑性和冲击韧性下降的不利影响。 6．焊接     焊接连接时。由于焊缝及其附近的高温区的金属经过高温和冷却的过程，金属内部组织发生了变化，使钢材变脆变硬。同时，焊接还会产生焊接缺陷和焊接应力，也是促使钢材发生脆性破坏的因素。     大量的脆性破坏事故说明，事故的发生经常是几种因素的综合。根据具体情况正确选用钢材是从根本上防止脆性破坏的办法，同时也要在设计、制造和使用上注意消除促使钢材向脆性转变的因素。