二、鋼結構的材料

    (一)鋼材的主要機械性能指標

    鋼結構在使用過程中要受到各種形式的作用，這就要求鋼材必須具有抵抗各種作用而不產生過大變形和不會引起破壞的能力。鋼材在各種作用下所表現出的各種特征，如彈性、塑性、強度，稱為鋼材的機械性能。鋼材的主要機械性能指標有五項，即抗拉強度、伸長率、屈服強度，冷彎性能和沖擊韌性，這都是通過試驗得到的。

    鋼材的單向均勻受拉應力應變曲線提供了前三項機械性能指標。抗拉強度(用符號f表示)是鋼材的一項強度指標，它反映鋼材受拉時所能承受的極限應力，是檢驗鋼材質量的重要指標；當以鋼材屈服強度作為靜力強度計算依據時，抗拉強度成為結構的安全儲備。伸長率(用符號δ₅或δ₁₀表示)是衡量鋼材在靜荷載作用下塑性性能的指標。屈服強度(也稱屈服點，用符號f_y表示)是鋼結構設汁中靜力強度計算的依據，它是衡量鋼材的承載能力及確定鋼材抗拉、抗壓、抗彎強度設計值的一項重要指標。通過冷彎試驗得到對鋼材性能要求的第四項指標――冷彎性能，它是衡量鋼材的塑性性能和檢驗鋼材質量優劣的一個綜合指標、通過沖擊試驗得到對鋼材性能要求的第五項指標――沖擊韌性，它是衡量鋼材抵抗可能因低溫、應力集中、動力荷載作用而導致脆性斷裂能力的一項指標。滿足沖擊韌性的要求是個比較嚴格的指標，實際上只有經濟承受較大、使用較頻繁的動力荷載的結構，特別是焊接結構，才需要有沖擊韌性的保證。

    (二)影響鋼材機械性能的主要因素 

    鋼結構有性質完全不同的兩種破壞形式，即塑性破壞和脆性破壞。塑性破壞的主要特征是具有較大的、明顯可見的塑性變形，且僅在構件中的應力達到抗拉強度后才發生。由于塑性破壞前有明顯的預兆，能及時發現而采取補救措施，因此，實際上結構是極少發生塑性破壞的：脆性破壞的特征是破壞前的塑性變形很小，甚至沒有塑性變形，構件截面上的平均應力比較低(低于屈服點)。由于脆性破壞前無任何預兆，無法及時察覺予以補救，所以危險性極大。討論影響鋼材機械性能的因素時，應特別注意導致鋼材變脆的因素。

    1．化學成分的影響

    碳素鋼中，鐵元素含量約占99％左右，其他元素有碳，磷、氮、硫、氧、錳、硅等，它們的總和約占1％左右。低合金鋼中，除上述元素外，還有合金元素，其含量小于或等于5％，盡管碳和其他元素含量很小，但對鋼材的機械性能卻有著極大的影響。

    普通碳素結構鋼中，碳是除鐵以外的最主要元素。隨著含碳量的增加，鋼材的強度提高，塑性，沖擊韌性下降，冷彎性能、可焊性和抗銹蝕性能變差。因此，雖然碳是鋼材獲得足夠強度的主要元素，但鋼結構中，特別是焊接結構，并不采用含碳量高的鋼材。現行《鋼結構設計規范》(GB 50017--2003)(本節以下簡稱《鋼結構規范》)推薦的鋼材，在焊接結構中，含碳量一般控制在0.12％―0.2％之間。

    磷、氮、硫和氧是有害的雜質元素；隨著磷、氮含量的增加，鋼材的強度提高，塑性、沖擊韌性嚴重下降，特別是在溫度較低時促使鋼材變脆(稱冷脆)，磷還會降低鋼的可焊性：硫和氧的含量增加會降低鋼材的熱加工性能，并降低鋼材的塑性、沖擊韌性。硫還會降低鋼材的可焊性和抗銹蝕性能：所以，對磷、氮、硫和氧的含量應嚴格加以限制(均不超過0．05％)。

    錳和硅是有益的雜質元素，能起到脫氧的作用，當含量適中時，能提高鋼材的強度而對塑性和沖擊韌性無明顯影響：

    2．冶煉、澆注的影響

    我國目前鋼結構用的鋼，主要是由平爐和氧氣轉爐冶煉而成的。這兩種冶煉方法的鋼，質量大體相當。

    鋼材冶煉后按澆鑄方法(也稱脫氧方法)的不同而分為沸騰鋼、鎮靜鋼、半鎮靜鋼和特殊鎮靜鋼。沸騰鋼采用錳鐵作脫氧劑，脫氧不完全，鋼材質量較差，但成本低；鎮靜鋼用錳鐵加硅或鋁脫氧，脫氧較徹底，材質好，但成本較高；半鎮靜鋼脫氧程序、質量和成本介于沸騰鋼和鎮靜鋼之間；特殊鎮靜鋼的脫氧程序比鎮靜鋼更高，質量最好，但成本也最高。

    3．應力集中

    當構件截面的完整性遭到破壞，如開孔、截面改變等，構件截面的應力分布不再保持均勻，在截面缺陷處的附近產生高峰應力，而截面其他部分應力則較低，這種現象稱為應力集中(圖11-82)。應力集中是導致鋼材發生脆性破壞的主要因素之一。試驗表明，截面改變越突然、尖銳程度越大的地方，應力集中越嚴重，引起脆性破壞的危險性就越大。因此，在結構設計中應使截面的構造合理。如截面必須改變時，要平緩過渡。構件制造和施工時，應盡可能防止造成刻槽等缺陷。