2．1对钢结构用材的要求国民经济各部门几乎都需要钢材，但由于各自用途的不同，所需钢材性能各异。如有的机器零件需要钢材有较高的强度，耐磨性和中等的韧性；有的石油化工设备需要钢材具有耐高温性能；机械加工的切削工具，需要钢材有很高的强度和硬度等等。因此，虽然碳素钢有一百多种，合金钢有三百多种，符合钢结构性能要求的钢材只有碳素钢及合金钢中的少数几种。用作钢结构的钢材必须具有下列性能：1．较高的强度。即抗拉强度fu和屈服点fy比较高。屈服点高可以减小截面，从而减轻自重，节约钢材，降低造价。抗拉强度高，可以增加结构的安全保障。2．足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。塑性好则结构破坏前变形比较明显从而可减少脆性破坏的危险性，并且塑性变形还能调整局部高峰应力，使之趋于平缓。韧性好表示在动荷载作用下破坏时要吸收比较多的能量，同样也降低脆性破坏的危险程度。对采用塑性设计的结构和地震区的结构而言，钢材变形能力的大小具有特别重要的意义。3．良好的加工性能。即适合冷、热加工，同时具有良好的可焊性，不因这些加工而对强度，塑性及韧性带来较大的有害影响。此外，根据结构的具体工作条件，在必要寸还应该具有适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀)以及重复荷载作用等的性能。在符合上述性能的条件下，同其他建筑材料一样，钢材也应该容易，价格便宜。《钢结构设计规范(GB500172002)推荐的普通碳素结构钢Q235钢和低合金高强度结构钢Q345、Q390及Q420是符合上述要求的。选用GB50017规范还未推荐的钢材时，需有可靠依据。以确保钢结构的质量。2．2钢材的主要性能及其鉴定2．2．1单向拉伸时的工作性能钢材在常温、静载条件下一次拉伸所表现的性能更具有代表性，拉伸试验也比较容易进行，并且便于规定标准的试验方法和多项性能指标。所以，钢材的主要强度指标和变形性能都是根据标准试件一次拉伸试验确定的。低碳钢和低合金钢(含碳量和低碳钢相同)一次拉伸时的应力-应变曲线示于图2-1(a)，简化的光滑曲线示于图21(b)。由应力应变规律示出的各种力学性能指标如下。比例极限σP这是应力-应变图中直线段的更大应力值。严格地说，比σP略高处还有弹性极限，但弹性极限与σP极其接近，所以通常略去弹性极限的点，把σP看做是弹性极限。这样，应力不超过σP时，应力与应变成正比关系，即符合虎克定律，且卸荷后变形完全恢复。这一阶段，是图2-1(a)中的弹性阶段OA。材料的比例极限与焊接构件整体试验所得的比例极限，往往有差别，这是因构件中残余应力的影响所致。构件应力超过比例极限后，变形模量z，逐渐下降，对构件刚度有不利影响。屈服点σy应变ε在σP之后不再与应力成正比，而是渐渐加大，应力-应变间成曲线关系，一直到屈服点。这一阶段，是图2-1(b)中的弹塑性阶段AB。图21(b)中B点的应力为屈服点σy，在此之后应力保持不变而应变持续发展，形成水平线段即屈服平台BC。这是塑性流动阶段。应力超过σP以后，任一点的变形中都将包括有弹性变形和塑性变形两部分，其中的塑性变形在卸载后不再恢复，故称残余变形或**变形。σP与σy之间是简化了的光滑曲线(图2-1b)，这样便于应用。实际上，由于加载速度及试件状况等试验条件的不同，屈服开始时总是形成曲线的上下波动，波动更高点称上屈服点，更低点称下屈服点。下屈服点的数值对试验条件不敏感，并形成稳定的水平线，所以计算时以下屈服点作为材料抗力的标准(用符号fy表示)。屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性。其意义在于以下两个方面：1．作为结构计算中材料强度标准，或材料抗力标准。应力达到σy时的应变(约为ε0．15％)与σP时的应变(约为ε0.1％)较接近，可以认为应力达到σy时为弹性变形的终点。同时，达到σy后在一个较大的应变范围内(约从ε0．15％到ε2．5％)应力不会继续增加，表示结构一时丧失继续承担更大荷载的能力，故此以σy作为弹性计算时强度的标准。2.形成理想弹塑性体的模型，为发展钢结构计算理论提供基础。σy之前，钢材近于理想弹性体，σy之后，塑性应变范围很大而应力保持不增长，所以接近理想塑性体。因此，可以用两根直线的图形(图2-1b中的OA′F)作为理想弹塑性体的应力应变模型。钢结构设计规范对塑性设计的规定，就以材料是理想弹塑性体的假设为依据，忽略了应变硬化的有利作用。有屈服平台并且屈服平台末端的应变比较大，这就有足够的塑性变形来保证截面上的应力更终都达到σy。因此一般的强度计算中不考虑应力集中和残余应力。在拉杆中截面的应力按均匀分布计算，即以此为基础。低碳钢和低合金钢有明显的屈服点和屈服平台(图2-1a)。而热处理钢材(如σy高达690N／mm2的美国A514钢)，它可以有较好的塑性性质但没有明显的屈服点和屈服平台，应力应变曲线形成一条连续曲线。对于没有明显屈服点的钢材，规定**变形为ε0．2％时的应力作为屈服点，有时用σ0.2表示。为了区别起见，把这种名义屈服点称作屈服强度(图2-2)。试验时为了简单易行，也可以用与ε0．5％对应的应力作为屈服强度，因为它与σ0.2相差不多。以后，为简明统一起见，在钢结构中对σy与σ0.2不再区分而且用符号fy表示，并统一用屈服强度一词。抗拉强度σu屈服平台之后，应变增长时又需有应力的增长，但相对地说应变增加得快，呈现曲线关系直到更高点，这是应变硬化阶段CD(图2-1b)。更高点应力为抗拉强度σu(设计时作为材料抗力用fu表示)。到达σu后试件出现局部横向收缩变形，即“颈缩”，随后断裂。由于到达σy后构件产生较大变形，故把它取为计算构件的强度标准；由于到达D点时构件开始断裂破坏，故σu是材料的安全储备。塑性设计虽然把钢材看做理想弹塑性体，忽略应变硬化的有利因素，却是以σu高出σy为条件的。如果没有硬化阶段，或是σu比σy高出不多，就不具备塑性设计应有的转动能力。因此，规范规定钢材必须有σu/σy≥1．2的强屈比。伸长率δ10或δ5伸长率是断裂前试件的**变形与原标定长度的百分比。取圆形试件直径d的五倍或十倍为标定长度，其相应的伸长率用δ5或δ10表示(图2-1b)，伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形的能力。结构制造寸，这种能力使材料经受剪切、冲压、弯曲及锤击所产生的局部屈服而无明显损坏。屈服点、抗拉强度和伸长率，是钢材的三个重要力学性能指标。钢结构中所采用的钢材都应满足钢结构设计规范对这三项力学性能指标的要求。除上述的三个指标及其表现的性能外，材料的弹性模量E及硬化开始时应变硬化模量Est(图21b)，也是一次拉伸试验表现的性能。钢材在一次压缩或剪切时所表现出来的应力应变变化规律基本上与一次拉伸试验时相似，压缩时的各强度指标也取用拉伸时的数值，只是剪切时的强度指标数值比拉伸时的小。2．2．2冷弯性能根据试样厚度，按规定的弯心直径将试样弯曲180°，其表面及侧面无裂纹或分层则为“冷弯试验合格”(见图2-3)。“冷弯试验合格”一方面同伸长率符合规定一样，表示材料塑性变形能力符合要求，另一方面表示钢材的冶金质量(颗粒结晶及非金属夹杂分布，甚至在一定程度上包括可焊性)符合要求，因此，冷弯性能是判别钢材塑性变形能力及冶金质量的综合指标。重要结构中需要有良好的冷热加工的工艺性能时，应有冷弯试验合格保证。2．2．3冲击韧性与抵抗冲击作用有关的钢材的性能是韧性。韧性是钢材断裂时吸收机械能能力的量度。吸收较多能量才断裂的钢材，是韧性好的钢材。钢材在一次拉伸静载作用下断裂时所吸收的能量，用单位体积吸收的能量来表示，其值等于应力-应变曲线下的面积。塑性好的钢材，其应力-应变曲线下的面积大，所以韧性值大。然而，实际工作中，不用上述方法来衡量钢材的韧性，而用冲击韧性衡量钢材抗脆断的性能，因为实际结构中脆性断裂并不发生在单向受拉的地方，而总是发生在有缺口高峰应力的地方，在缺口高峰应力的地方常呈三向受拉的应力状态。因此，更有代表性的是钢材的缺口冲击韧性，简称冲击韧性或冲击功。冲击韧性的测量，可用不同的方法进行。我国过去多用梅氏(Mesnager)方法进行。该法规定用跨中带U型缺口的方形截面小试件在规定试验机上进行(图2-4a及b)。试件在摆锤冲击下折断后，断口处单位面积上的功即为冲击韧性值，用αk表示，单位为J／cm2。现行**标准《碳素结构钢(GB70088)规定采用国际上通用的夏比试验法(CharpyV-notchtest)，试件和梅氏试件的区别仅仅在于带V型缺口，由于缺口比较尖锐(图2-4c)，缺口根部的高峰应力及其附近的应力状态能更好地描绘实际结构的缺陷。夏比缺口韧性用Akv或Cv表示，其值为试件折断所需的功，单位为J。因为试件都用同一标准尺寸，不用缺口处单位面积的功，可以使测量工作简化。缺口韧性值受温度影响，温度低于某值时将急剧降低。设计处于不同环境温度的重要结构，尤其是受动载作用的结构时，要根据相应的环境温度对应提出常温(20±5℃)冲击韧性、0℃冲击韧性或负温(-20℃或-40℃)冲击韧性的保证要求。2．2．4可焊性可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合格的(无裂纹的)焊缝的性能。钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在0.12％0.20％范围内的碳素钢，可焊性更好。碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆。Q235B的碳含量就定在这一适宜范围。Q235A的碳含量略高于B级，且不作为条件，除非把碳含量作为附加保证，这一钢号通常不能用于焊接构件。提高钢材强度的合金元素大多也对可焊性有不利影响。衡量低合金钢的可焊性可以用下列公式计算其碳当量。此式是国际焊接学会(UV)提出的，为我国行业标准《建筑钢结构焊接技术规程(JGJ81)所采用。当CE不超过0.38％时，钢材的可焊性很好，Q235和Q345钢属于这一类。当CE大于0.38％但未超过0.45％时，钢材淬硬倾向逐渐明显，需要采取适当的预热措施并注意控制施焊工艺。预热的目的在于使焊缝和热影响区缓慢冷却，以免因淬硬而开裂。当CE大于0.45％时，钢材的淬硬倾向明显，需采用较高的预热温度和严格的工艺措施来获得合格的焊缝。《建筑钢结构焊接技术规程(JGJ81)给出常用结构钢材更低施焊温度表。厚度不超过40mm的Q235钢和厚度不超过25mm的Q345钢，在温度不低于0℃时一般不需预热。除碳当量外，预热温度还和钢材厚度及构件变形受到约束的程度有直接关系。因此，重要结构施焊时实际采用的焊接制度更好由工艺试验确定。综上所述，钢材可焊性的优劣实际上是指钢材在采用一定的焊接方法，焊接材料、焊接工艺参数及一定的结构形式等条件下，获得合格焊缝的易难程度。可焊性稍差的钢材，要求更为严格的工艺措施。2．2．5钢材性能的鉴定由前可知，反映钢材质量的主要力学指标有：屈服强度、抗拉强度，伸长率、冷弯性能及冲击韧性。此外，钢材的工艺性能和化学成分也是反映钢材性能的重要内容。根据《钢结构工程施工质量验收规范(GB502052001)的规定，对进入钢结构工程实施现场的主要材料需进行进场验收，即检查钢材的质量合格证明文件、中文标识及检验报告，确认钢材的品种、规格、性能是否符合现行**标准和设计要求。对属于下列情况之一的钢材，应进行抽样复验，其复验结果应符合现行**产品标准和要求。1)国外进口钢材；2)钢材混批；3)板厚等于或大于40mm，且设计有Z向性能要求的厚板；4)建筑结构安全等级为一级，大跨度钢结构中主要受力构件所采用的钢材；5)设计有复验要求的钢材；6)对质量有疑义的钢材。复检时各项试验都应按有关的**标准《金属拉伸试验方法(GB／T228)，《金属夏比缺口冲击试验方法(GB／T229)和《金属材料弯曲试验方法(GB／T232)的规定进行。试件的取样则按**标准《钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备(GB／T2975)和《钢的化学分析用试样取样法及成品化学成分允许偏差(GB／T222)的规定进行。做热轧型钢的力学性能试验时，原则上应该从翼缘上切取试样。这是因为翼缘厚度比腹板大，屈服点比腹板低，并且翼缘是受力构件的关键部位。钢板的轧制过程使它的纵向力学性能优于横向，因此，采用纵向试样或横向试样，试验结果会有差别。**标准中要求钢板、钢带的拉伸和弯曲试验取横向试件，而冲击韧性试验则取纵向试件。钢材质量的抽样检验应由具有相应资质的质检单位进行。2．3影响钢材性能的因素2．3．1化学成分的影响钢是含碳量小于2％的铁碳合金，碳大于2％时则为铸铁。制造钢结构所用的材料有碳素结构钢中的低碳钢及低合金结构钢。碳素结构钢由钝铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占99％，碳及杂质元素约占1％。低合金结构钢中，除上述元素外还加入合金元素，后者总量通常不超过3％。碳及其他元素虽然所占比重不大，但对钢材性能却有重要影响。1．碳(C)碳是形成钢材强度的主要成分。材料中大部分空间内为柔软的纯铁体，而化合物渗碳体(Fe3C)及渗碳体与纯铁体的混合物一珠光体则十分坚硬，它们形成网络夹杂于纯铁体之间。钢的强度来自渗碳体与珠光体。碳含量提高，则钢材强度提高，但同时钢材的塑性、韧性，冷弯性能，可焊性及抗锈蚀能力下降。因此不能用含碳量高的钢材，以便保持其他的优良性能。按碳的含量区分，小于0．25％的为低碳钢，大于0．25％而小于0．6％的为中碳钢，大于0．6％的为高碳钢。钢结构用钢的碳含量一般不大于0．22％，对于焊接结构，为了有良好的可焊性，以不大于0．2％为好。所以，建筑钢结构用的钢材基本上都是低碳钢。只有高强度螺栓用的40B和35VB钢及组成预应力钢索的高强钢丝，含碳量高于0．25％。2．锰(Mn)锰是有益元素，它能显著提高钢材强度但不过多降低塑性和冲击韧性。锰有脱氧作用，是弱脱氧剂。锰还能消除硫对钢的热脆影响。碳素钢中锰是有益的杂质，在低合金钢中它是合金元素。我国低合金钢中锰的含量在1．0％1．7％。但是锰可使钢材的可焊性降低，故含量有限制。3．硅(Si)硅是有益元素，有更强的脱氧作用，是强脱氧剂。硅能使钢材的粒度变细，控制适量时可提高强度而不显著影响塑性、韧性、冷弯性能及可焊性。硅的含量在碳素镇静钢中为0．12％0．3％，低合金钢中为0．2％0．55％，过量时则会恶化可焊性及抗锈蚀性。4．钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti)钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢都含有这三种元素，作为锰以外的合金元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑性，韧性。5．铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni)铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。低合金钢的C、D及E级都规定铝含量不低于0．015％，以保证必要的低温韧性。铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390钢和Q420钢。6．硫(S)硫是有害元素，属于杂质，能生成易于熔化的硫化铁，当热加工及焊接使温度达8001000℃时，可能出现裂纹，称为热脆。硫还能降低钢的冲击韧性，同时影响疲劳性能与抗锈蚀性能。因此，对硫的含量必须严加控制，一般不得超过0．045％0．05％，质量等级为D、E级的钢则要求更严，Q345E的硫含量不应超过0．25％。近年来发展的抗层间断裂的钢(厚度方向性能的钢板)，含硫量要求控制在0．01％以下。7．磷(P)磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷是碳素钢中的杂质，它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。在高温寸磷也能使钢减少塑性，其含量应限制在0．045％以内，质量等级C、D、E级的钢则含量更少。但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。经过合适的冶金工艺也能作为合金元素，如过去用的牌号09锰铜磷钛就含有磷元素，含量在0．05％0．12％之间。8．氧(O)、氮(N)氧和氮也是有害杂质，在金属熔化的状态下可以从空气中进入。氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈，氮能使钢冷脆，与磷相似。故其含量必须严加控制。钢在浇铸过程中，应根据需要进行不同程度的脱氧处理。碳素结构钢的氧含量不应大于0．008％。但氮有时却作为合金元素存在于钢之中，桥梁用钢15锰钒氮(15MnVNq)就是如此，它的B级钢氮含量为0．01％0．02％。钢结构所用碳素结构钢中的Q235钢及低合金结构钢中的Q345钢和Q390钢的化学成分及其含量，见书后附表9。2．3．2成材过程的影响1．冶炼钢材的冶炼方法主要有平炉炼钢、氧气顶吹转炉炼钢，碱性侧吹转炉炼钢及电炉炼钢。其中平炉炼钢由于效率低，碱性侧吹转炉炼钢的钢材质量较差，目前基本已被淘汰。而电炉冶炼的钢材一般不在建筑结构中使用。因此，在建筑钢结构中，主要使用氧气顶吹转炉的钢材。目前氧气顶吹转炉钢的质量，由于技术的提高，已不低于平炉钢的质量。同时，氧气顶吹转炉钢具有投资少、率高、原料适应性大等特点，目前已成为主流炼钢方法。冶炼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，不可避免地存在冶金缺陷，从而确定不同的钢种，钢号及其相应的力学性能。2．浇铸把熔炼好的钢水浇铸成钢锭或钢坯有两种方法，一种是浇人铸模做成钢锭，另一种是浇入连续浇铸机做成钢坯。前者是传统的方法，所得钢锭需要经过初轧才成为钢坯。后者是近年来迅速发展的新技术，浇铸和脱氧同时进行。铸锭过程中因脱氧程度不同，更终成为镇静钢、半镇静钢与沸腾钢。镇静钢因浇铸时加入强脱氧剂，如硅，有时还加铝或钛，保温时间得以加长，氧气杂质少且晶粒较细，偏析等缺陷不严重，所以钢材性能比沸腾钢好，但传统的浇铸方法因存在缩孔而成材率较低。连续浇铸可以产出镇静钢而没有缩孔，并且化学成分分布比较均匀，只有轻微的偏析现象。采用这种连续浇铸技术既提高产品质量，又降低成本。钢在冶炼及浇铸过程中会不可避免地产生冶金缺陷。常见的冶金缺陷有偏析，非金属夹杂，气孔及裂纹等等。偏析是指金属结晶后化学成份分布不匀；非金属夹杂是指钢中含有如硫化物等杂质；气泡是指浇铸时由FeO与C作用所生成的CO气体不能充分逸出而滞留在钢锭内形成的微小空洞。这些缺陷都将影响钢的力学性能。3．轧制钢材的轧制能使金属的晶粒变细，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，其强度比厚板略高、浇铸时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层，所以分层是钢材(尤其是厚板)的一种缺陷。设计时应尽量避免拉力垂直于板面的情况，以防止层间撕裂。4．热处理一般钢材以热轧状态，某些高强度钢材则在轧制后经过热处理才出厂。热处理的目的在于取得高强度的同时能够保持良好的塑性和韧性。**标准《低合金高强度结构钢(GB／T159194)规定：“钢一般应以热轧、控轧，正火及正火加回火状态。Q420、Q460C、D、E级钢也可按淬火加回火状态”。具体状态由需方提出并订入合同，否则由供方决定。正火属于更简单的热处理：把钢材加热至850900℃并保持一段时间后在空气中自然冷却，即为正火。如果钢材在终止轧制时温度正好控制在上述温度范围，可得到正火的效果，称为控轧。回火是将钢材重新加热至650℃并保温一段时间，然后在空气中自然冷却。淬火加回火也称调质处理，淬火是把钢材加热至900℃以上，保温一段时间，然后放入水或油中快速冷却。强度很高的钢材，包括高强度螺栓的材料都要经过调质处理。2．3．3影响钢材性能的其他因素钢材的性能和各种力学指标，除由前面所列各因素决定之外，在钢结构的制造和使用中，还可能受其他因素的影响。1．冷加工硬化(应变硬化)在常温下加工叫冷加工。冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等加工使钢材产生很大塑性变形，产生塑性变形后的钢材在重新加荷时将提高屈服点(图2-5中的B点)，同时降低塑性和韧性(图2-5中的CD)。由于减小了塑性和韧性性能，普通钢结构中不利用硬化现象所提高的强度。重要结构还把钢板因剪切而硬化的边缘部分刨去。用作冷弯薄壁型钢结构的冷弯型钢，是由钢板或钢带经冷轧成型的，也有的是经压力机模压成型或在弯板机上弯曲成型的。由于冷成型操作，实际构件截面上各点的fy与fu几乎都有不同百分比的提高，其性能与原钢板已经有所不同。由于这个原因，薄壁型钢结构设计中允许利用因局部冷加工而提高的强度。此外，还有性质类似的时效

　　东锜精密模具始终秉承“顾客至上，诚信守则，锐意进取”的经营理念，始终坚持以“互动中互利、双赢中发展、我们与客户唇齿相依”为原则，努力为广大客户提供更优质的产品和服务。