一级建筑师《建筑结构》影响钢材性能的因素
影响钢材性能的因素;
1.化学成分
碳是形成钢材强度的主要成分,对于焊接结构,为了良好的可焊性,以不大于0.2%为好,因此结构用钢大都是低碳钢。
锰是有益元素,是弱脱氧剂,它能显著提高钢材强度且不过多降低塑性和冲击韧性。
硅是有益元素,是强脱氧剂,能使钢材粒度变细。
钒、铜、钛、硼都是有益元素,钒能提高强度,铜能提高抗腐蚀能力,钛、硼能使钢晶粒细化,从而提高强度、韧性与塑性。
硫、磷、氧、氮都属有害杂质,硫能降低钢的冲击性能和疲劳性能,磷能降低塑性、增大脆性,硫和氧能使钢热脆,磷和氮能使钢冷脆。
实际上,多种元素的不同组合,是影响钢材性能的主要因素,所谓“有害”元素,对某些钢种反而是“有益”元素。
2.冶炼、浇注、轧制
熔炼与浇注这一冶金过程形成钢的化学成分与含量、钢的金相组织结构,以及不可避免的冶金缺陷,从而确定不同的钢种、钢号及其相应的力学性能。
钢材的轧制能使金相的晶粒变细,也能使气泡、裂纹等焊合,因而改善了钢材的力学性能。薄板因辊轧次数多,故其强度比厚板略高。
3.热处理
钢材经过适当的热处理程序,例如调制(淬火后高温回火)等,可以显著提高强度并有良好的塑性与韧性。
4.温度
钢材的内部晶体组织对温度很敏感,温度升高与降低都使钢材性能发生变化。相比之下,低温变脆性能更重要。
约在200℃以内钢材性能没有很大变化;250℃附近有兰脆现象;在250℃~320℃时有徐变现象;430℃~540℃之间则强度(fy、fu)急剧下降;600℃时强度很低不能承担荷载。
5.应力集中
当截面完整性遭到破坏,如有裂纹、孔洞、刻槽、凹角时以及截面的厚度和宽度突然改变时,构件中的应力分布将变得很不均匀。在缺陷和截面变化处附近出现应力集中现象。总有三向拉应力的应力状态,使材料沿力作用方向塑性变形的发展受到很大约束,材料容易脆性破坏。
6.重复荷载
钢材中缺陷(裂纹、孔洞)会在连续重复荷载作用下不断扩展直至脆性断裂。
7.冷加工、时效硬化
冷拉、冷弯、冲孔、机器剪切等冷加工使钢材产生很大塑性变形,从而提高了钢材的屈服点,同时降低了钢材的塑性和韧性,即材料发生了冷加工硬化。
随时间的增长,钢材的强度提高,塑性和韧性下降,即发生的时效硬化。时效硬化的过程一般很长,但如在材料塑性变形后加热,可使时效硬化发展特别迅速,这种方法称为人工时效。
在一般钢结构中,不利用硬化所提高的强度,有些重要结构要求对钢材进行人工时效后检验其冲击韧性,以保证结构有足够的抗脆性破坏能力。另外,应将局部硬化部分用刨边或扩钻予以消除。
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