第2章钢结构的材料.docx

第2章钢结构的材料.docx

《第2章钢结构的材料.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第2章钢结构的材料.docx（31页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

第2章钢结构的材料

第二章钢结构的材料

钢是以铁和碳为主要成分的合金，其中铁是最基本的元素，碳和其它元素所占比例甚少，但却左右着钢材的物理和化学性能。

钢材的种类繁多，性能差别很大，适用于钢结构的钢材只是其中的一小部分。

为了确保质量和安全，这些钢材应具有较高的强度、塑性和韧性，以及良好的加工性能。

我国《钢结构设计规范》GB50017（以下简称规范或GB50017）具体推荐碳素结构钢中的Q235和低合金高强度结构钢中的Q345、Q390和Q420等牌号的钢材作为承重钢结构用钢。

钢材的性能与其化学成分、组织构造、冶炼和成型方法等内在因素密切相关，同时也受到荷载类型、结构形式、连接方法和工作环境等外界因素的影响。

本章简要介绍钢材的生产过程和组织构造；重点介绍钢材的主要性能以及各种因素对钢材性能的影响；介绍钢材的种类、规格及选用原则。

第一节钢材的生产

一、钢材的冶炼

除了天外来客——陨石中可能存在少量的天然铁之外，地球上的铁都蕴藏在铁矿中。

从铁矿石开始到最终产品的钢材为止，钢材的生产大致可分为炼铁、炼钢和轧制三道工序。

（一）炼铁

矿石中的铁是以氧化物的形态存在的，因此要从矿石中得到铁，就要用与氧的亲和力比铁更大的物质——一氧化碳与碳等还原剂，通过还原作用从矿石中除去氧，还原出铁。

同时，为了使砂质和粘土质的杂质（矿石中的废石）易于熔化为熔渣，常用石灰石作为熔剂。

所有这些作用只有在足够的温度下才会发生，因此铁的冶炼都是在可以鼓入热风的高炉内进行。

装入炉膛内的铁矿石、焦炭、石灰石和少量的锰矿石，在鼓入的热风中发生反应，在高温下成为熔融的生铁（含碳量超过2.06％的铁碳合金称为生铁或铸铁）和漂浮其上的熔渣。

常温下的生铁质坚而脆，但由于其熔化温度低，在熔融状态下具有足够的流动性，且价格低廉，故在机械制造业的铸件生产中有广泛的应用。

铸铁管是土木建筑业中少数应用生铁的例子之一。

（二）炼钢

含碳量在2.06％以下的铁碳合金称为碳素钢。

因此，当用生铁制钢时，必须通过氧化作用除去生铁中多余的碳和其它杂质，使它们转变为氧化物进入渣中，或成气体逸出。

这一作用也要在高温下进行，称为炼钢。

常用的炼钢炉有三种形式：

转炉、平炉和电炉。

电炉炼钢是利用电热原理，以废钢和生铁等为主要原料，在电弧炉内冶炼。

由于不与空气接触，易于清除杂质和严格控制化学成分，炼成的钢质量好。

但因耗电量大，成本高，一般只用来冶炼特种用途的钢材。

转炉炼钢是利用高压空气或氧气使炉内生铁熔液中的碳和其它杂质氧化，在高温下使铁液变为钢液。

氧气顶吹转炉冶炼的钢中有害元素和杂质少，质量和加工性能优良，且可根据需要添加不同的元素，冶炼碳素钢和合金钢。

由于氧气顶吹转炉可以利用高炉炼出的生铁熔液直接炼钢，生产周期短、效率高、质量好、成本低，已成为国内外发展最快的炼钢方法。

平炉炼钢是利用煤气或其它燃料供应热能，把废钢、生铁熔液或铸铁块和不同的合金元素等冶炼成各种用途的钢。

平炉的原料广泛，容积大，产量高，冶炼工艺简单，化学成分易于控制，炼出的钢质量优良。

但平炉炼钢周期长，效率低，成本高，现已逐渐被氧气顶吹转炉炼钢所取代。

（三）钢材的浇注和脱氧

按钢液在炼钢炉中或盛钢桶中进行脱氧的方法和程度的不同，碳素结构钢可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢4类。

沸腾钢采用脱氧能力较弱的锰作脱氧剂，脱氧不完全，在将钢液浇注入钢锭模时，会有气体逸出，出现钢液的沸腾现象。

沸腾钢在铸模中冷却很快，钢液中的氧化铁和碳作用生成的一氧化碳气体不能全部逸出，凝固后在钢材中留有较多的氧化铁夹杂和气孔。

钢的质量较差。

镇静钢采用锰加硅作脱氧剂，脱氧较完全，硅在还原氧化铁的过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢，使气体充分逸出，浇注时不会出现沸腾现象。

这种钢质量好，但成本高。

半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间。

特殊镇静钢是在锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧，其脱氧程度高于镇静钢。

低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。

随着冶炼技术的不断发展，用连续铸造法生产钢坯（用作轧制钢材的半成品）的工艺和设备已逐渐取代了笨重而复杂的铸锭—开坯—初轧的工艺流程和设备。

连铸法的特点是：

钢液由钢包经过中间包连续注入被水冷却的铜制铸模中，冷却后的坯材被切割成半成品。

连铸法的机械化、自动化程度高，可采用电磁感应搅拌装置等先进设施提高产品质量，生产的钢坯整体质量均匀，但只有镇静钢才适合连铸工艺。

因此国内大钢厂已很少生产沸腾钢，若采用沸腾钢，不但质量差，而且供货困难，价格并不便宜。

二、钢材的组织构造和缺陷

（一）钢材的组织构造

碳素结构钢是通过在强度较低而塑性较好的纯铁中加适量的碳来提高强度的，一般常用的低碳钢含碳量不超过0.25％。

低合金结构钢则是在碳素结构钢的基础上，适当添加总量不超过5％的其它合金元素，来改善钢材的性能。

碳素结构钢在常温下主要由铁素体和渗碳体（Fe3C）所组成。

与纯铁的显微组织没有明显的区别，其强度、硬度较低，而塑性、韧性良好。

铁素体在钢中形成不同取向的结晶群（晶粒），是钢的主要成分，约占重量的99％。

渗碳体是铁碳化合物，含碳6.67％，其熔点高，硬度大，几乎没有塑性，在钢中其与铁素体晶粒形成机械混合物——珠光体，填充在铁素体晶粒的空隙中，形成网状间层。

珠光体强度很高，坚硬而富于弹性。

另外，还有少量的锰、硅、硫、磷及其化合物溶解于铁素体和珠光体中。

碳素钢的力学性能在很大程度上与铁素体和珠光体这两种成分的比例有关。

同时，铁素体的晶粒越细小，珠光体的分布越均匀，钢的性能也就越好。

低合金结构钢是在低碳钢中加入少量的锰、硅、钒、铌、钛、铝、铬、镍、铜、氮、稀土等合金元素炼成的钢材，其组织结构与碳素钢类似。

合金元素及其化合物溶解于铁素体和珠光体中，形成新的固溶体——合金铁素体和新的合金渗碳体组成的珠光体类网状间层，使钢材的强度得到提高，而塑性、韧性和焊接性能并不降低。

（二）钢材的铸造缺陷

当采用铸模浇注钢锭时，与连续铸造生产的钢坯质量均匀相反，由于冷却过程中向周边散热，各部分冷却速度不同，在钢锭内形成了不同的结晶带。

靠近铸模外壳区形成了细小的等轴晶带，靠近中部形成了粗大的等轴晶带，在这二部分之间形成了柱状晶带。

这种组织结构的不均匀性，会给钢材的性能带来差异。

钢在冶炼和浇注过程中还会产生其它的冶金缺陷，如偏析、非金属夹杂、气孔、缩孔和裂纹等。

所谓偏析是指化学成分在钢内的分布不均匀，特别是有害元素如硫、磷等在钢锭中的富集现象；非金属夹杂是指钢中含有硫化物与氧化物等杂质；气孔是指由氧化铁与碳作用生成的一氧化碳气体，在浇注时不能充分逸出而留在钢锭中的微小孔洞；缩孔是因钢液在钢锭模中由外向内、自下而上凝固时体积收缩，因液面下降，最后凝固部位得不到钢液补充而形成；钢液在凝固中因先后次序的不同会引起内应力，拉力较大的部位可能出现裂纹。

钢材的组织构造和缺陷，均会对钢材的力学性能产生重要的影响。

三、钢材的加工

钢材的加工分为热加工、冷加工和热处理三种。

将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状，产生出各种厚度的钢板和型钢，称为热加工。

在常温下对钢材进行加工称为冷加工。

通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢的组织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺称为热处理。

（一）热加工

将钢锭或钢坯加热至一定温度时，钢的组织将完全转变为奥氏体状态，奥氏体是碳溶入面心立方晶格的γ铁的固溶体，虽然含碳量很高，但其强度较低，塑性较好，便于塑性变形。

因此钢材的轧制或锻压等热加工，经常选择在形成奥氏体时的适当温度范围内进行。

选择原则是开始热加工时的温度不得过高，以免钢材氧化严重，而终止热加工时的温度也不能过低，以免钢材塑性差，引发裂纹。

一般开轧和锻压温度控制在1150～1300℃。

钢材的轧制是通过一系列轧辊，使钢坯逐渐辊轧成所需厚度的钢板或型钢。

钢材的锻压是将加热了的钢坯用锤击或模压的方法加工成所需的形状，钢结构中的某些连接零件常采用此种方法制造。

热加工可破坏钢锭的铸造组织，使金属的晶粒变细，还可在高温和压力下压合钢坯中的气孔、裂纹等缺陷，改善钢材的力学性能。

热轧薄板和壁厚较薄的热轧型钢，因辊轧次数较多，轧制的压缩比大，钢材的性能改善明显，其强度、塑性、韧性和焊接性能均优于厚板和厚壁型钢。

钢材的强度按板厚分组就是这个缘故。

热加工使金属晶粒沿变形方向形成纤维组织，使钢材沿轧制方向（纵向）的性能优于垂直轧制方向（横向）的性能，即使其各向异性增大。

因此对于钢板部件应沿其横向切取试件进行拉伸和冷弯试验。

钢中的硫化物和氧化物等非金属夹杂，经轧制之后被压成薄片，对轧制压缩比较小的厚钢板来说，该薄片无法被焊合，会出现分层现象。

分层使钢板沿厚度方向受拉的性能恶化，在焊接连接处沿板厚方向有拉力作用（包括焊接产生的约束拉应力作用）时，可能出现层状撕裂现象，应引起重视。

（二）冷加工

在常温或低于再结晶温度*情况下，通过机械的力量，使钢材产生所需要的永久塑性变形，获得需要的薄板或型钢的工艺称为冷加工。

冷加工包括冷轧、冷弯、冷拔等延伸性加工，也包括剪、冲、钻、刨等切削性加工。

冷轧卷板和冷轧钢板就是将热轧卷板或热轧薄板经带钢冷轧机进一步加工得到的产品。

在轻钢结构中广泛应用的冷弯薄壁型钢和压型钢板也是经辊轧或模压冷弯所制成。

组成平行钢丝束、钢绞线或钢丝绳等的基本材料——高强钢丝，就是由热处理的优质碳素结构钢盘条经多次连续冷拔而成的。

经过冷加工的钢材均产生了不同程度的塑性变形，金属晶粒沿变形方向被拉长，局部晶粒破碎、位错密度增加，并使残余应力增加。

钢材经冷加工后，会产生局部或整体硬化，即在局部或整体上提高了钢材的强度和硬度，但却降低了塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化（或应变硬化）。

冷拔高强度钢丝充分利用了冷作硬化现象，在悬索结构中有广泛的应用。

冷弯薄壁型钢结构在强度验算时，可有条件地利用因冷弯效应而产生的强度提高现象。

但对截面复杂的钢构件来说，这种情况是无法利用的。

相反，钢材由于冷硬变脆，常成为钢结构脆性断裂的起因。

因此，对于比较重要的结构，要尽量避免局部冷加工硬化的发生。

（三）热处理

钢的热处理是将钢在固态范围内，施以不同的加热、保温和冷却措施，籍改变其内部组织构造，达到改善钢材性能的一种加工工艺。

钢材的普通热处理包括退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。

退火和正火是应用非常广泛的热处理工艺，用其可以消除加工硬化、软化钢材、细化晶粒、改善组织以提高钢的机械性能；消除残余应力，以防钢件的变形和开裂；为进一步的热处理作好准备。

对一般低碳钢和低合金钢而言，其操作方法为：

在炉中将钢材加热至850～900℃，保温一段时间后，若随炉温冷却至500℃以下，再放至空气中冷却的工艺称为完全退火；若保温后从炉中取出在空气中冷却的工艺称为正火。

正火的冷却速度比退火快，正火后的钢材组织比退火细，强度和硬度有所提高。

如果钢材在终止热轧时的温度正好控制在上述范围内，可得到正火的效果，称为控轧。

如果热轧卷板的成卷温度正好在上述范围内，则卷板内部的钢材可得到退火的效果，钢材会变软。

还有一种去应力退火，又称低温退火，主要用来消除铸件、热轧件、锻件、焊接件和冷加工件中的残余应力。

去应力退火的操作是将钢件随炉缓慢加热至500～600℃，经一段时间后，随炉缓慢冷却至300～200℃以下出炉。

钢在去应力退火过程中并无组织变化，残余应力是在加热、保温和冷却过程中消除的。

淬火工艺是将钢件加热到900℃以上，保温后快速在水中或油中冷却。

在极大的冷却速度下原子来不及扩散，因此含有较多碳原子的面心立方晶格的奥氏体，以无扩散方式转变为碳原子过饱和的铁固溶体，称为马氏体。

由于铁的含碳量是过饱和状态，从而使体心立方晶格被撑长为歪曲的体心正方晶格。

晶格的畸变增加了钢材的强度和硬度，同时使塑性和韧性降低。

马氏体是一种不稳定的组织，不宜用于建筑结构。

回火工艺是将淬火后的钢材加热到某一温度进行保温，而后在空气中冷却。

其目的是消除残余应力，调整强度和硬度，减少脆性，增加塑性和韧性，形成较稳定的组织。

将淬火后的钢材加热至500～650℃，保温后在空气中冷却，称为高温回火。

高温回火后的马氏体转化为铁素体和粒状渗碳体的机械混合物，称为索氏体。

索氏体钢具有强度、塑性、韧性都较好的综合机械性能。

通常称淬火加高温回火的工艺为调质处理。

强度较高的钢材，如Q420中的C、D、E级钢和高强度螺栓的钢材都要经过调质处理。

第二节钢材的主要性能

一、钢材的破坏形式

钢材有两种完全不同的破坏形式：

塑性破坏和脆性破坏。

钢结构所用的钢材在正常使用条件下，虽然有较高的塑性和韧性，但在某些条件下，仍然存在发生脆性破坏的可能性。

塑性破坏的主要特征是，破坏前具有较大的塑性变形，常在钢材表面出现明显的相互垂直交错的锈迹剥落线。

只有当构件中的应力达到抗拉强度后才会发生破坏，破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。

由于塑性破坏前总有较大的塑性变形发生，且变形持续时间较长，容易被发现和抢修加固，因此不至发生严重后果。

钢材塑性破坏前的较大塑性变形能力，可以实现构件和结构中的内力重分布，钢结构的塑性设计就是建立在这种足够的塑性变形能力上。

脆性破坏的主要特征是，破坏前塑性变形很小，或根本没有塑性变形，而突然迅速断裂。

破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或有人字纹。

由于破坏前没有任何预兆，破坏速度又极快，无法察觉和补救，而且一旦发生常引发整个结构的破坏，后果非常严重，因此在钢结构的设计、施工和使用过程中，要特别注意防止这种破坏的发生。

钢材存在的两种破坏形式与其内在的组织构造和外部的工作条件有关。

试验和分析均证明，在剪力作用下，具有体心立方晶格的铁素体很容易通过位错移动形成滑移，即形成塑性变形；而其抵抗沿晶格方向伸长至拉断的能力却强大得多，因此当单晶铁素体承受拉力作用时，总是首先沿最大剪应力方向产生塑性滑移变形。

实际钢材是由铁素体和珠光体等组成的，由于珠光体间层的限制，阻遏了铁素体的滑移变形，因此受力初期表现出弹性性能。

当应力达到一定数值，珠光体间层失去了约束铁素体在最大剪应力方向滑移的能力，此时钢材将出现屈服现象，先前铁素体被约束了的塑性变形就充分表现出来，直到最后破坏。

显然当内外因素使钢材中铁素体的塑性变形无法发生时，钢材将出现脆性破坏。

二、钢材在单向一次拉伸下的工作性能

钢材的多项性能指标可通过单向一次（也称单调）拉伸试验获得。

试验一般都是在标准条件下进行的，即：

试件的尺寸符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽等缺陷；荷载分级逐次增加，直到试件破坏；室温为20℃左右。

图2-1给出了相应钢材的单调拉伸应力－应变曲线。

由低碳钢和低合金钢的试验曲线看出，在比例极限（proportionallimit）σp以前钢材的工作是弹性的；比例极限以后，进入了弹塑性阶段；达到了屈服点（yieldpoint或yieldstrength）fy后，出现了一段纯塑性变形，也称为塑性平台；此后强度又有所提高，出现所谓自强阶段，直至产生颈缩而破坏。

破坏时的残余延伸率表示钢材的塑性性能。

调质处理的低合金钢没有明显的屈服点和塑性平台。

这类钢的屈服点是以卸载后试件中残余应变为0.2％所对应的应力人为定义的，称为名义屈服点或f0.2。

图2-1钢材的单调拉伸应力－应变曲线

钢材的单调拉伸应力－应变曲线提供了三个重要的力学性能指标：

抗拉强度（tensilestrength）fu、伸长率（elongation）δ和屈服点fy。

抗拉强度fu是钢材一项重要的强度指标，它反映钢材受拉时所能承受的极限应力。

伸长率δ是衡量钢材断裂前所具有的塑性变形能力的指标，以试件破坏后在标定长度内的残余应变表示。

取圆试件直径的5倍或10倍为标定长度，其相应伸长率分别用δ5或δ10表示。

屈服点fy是钢结构设计中应力允许达到的最大限值，因为当构件中的应力达到屈服点时，结构会因过度的塑性变形而不适于继续承载。

承重结构的钢材应满足相应国家标准对上述三项力学性能指标的要求。

断面收缩率ψ是试样拉断后，颈缩处横断面积的最大缩减量与原始横断面积的百分比，也是单调拉伸试验提供的一个塑性指标。

ψ越大，塑性越好。

在国家标准《厚度方向性能钢板》中，使用沿厚度方向的标准拉伸试件的断面收缩率来定义Z向钢的种类，如ψ分别大于或等于15％、25％、35％时，为Z15、Z25、Z35钢。

由单调拉伸试验还可以看出钢材的韧性好坏。

韧性可以用材料破坏过程中单位体积吸收的总能量来衡量，包括弹性能和非弹性能两部分，其数值等于应力－应变曲线下的总面积。

当钢材有脆性破坏的趋势时，裂纹扩展释放出来的弹性能往往称为裂纹继续扩展的驱动力，而扩展前所消耗的非弹性能量则属于裂纹扩展的阻力。

因此，上述的静力韧性中非弹性能所占的比例越大，材料抵抗脆性破坏的能力越高。

由图2-1可以看到，屈服点以前的应变很小，如把钢材的弹性工作阶段提高到屈服点，且不考虑自强阶段，则可把应力－应变曲线简化为图2-2所示的两条直线，称为理想弹塑性体的工作曲线。

它表示钢材在屈服点以前应力与应变关系符合虎克定律，接近理想弹性体工作；屈服点以后塑性平台阶段又近似于理想的塑性体工作。

这一简化，与实际误差不大，却大大方便了计算，成为钢结构弹性设计和塑性设计的理论基础。

图2-2理想弹塑性体应力－应变曲线

三、钢材的其它性能

（一）冷弯性能

钢材的冷弯性能（cold-bendingbehavior）由冷弯试验确定。

试验时，根据钢材的牌号和不同的板厚，按国家相关标准规定的弯心直径，在试验机上把试件弯曲180°（图2-3），以试件表面和侧面不出现裂纹和分层为合格。

冷弯试验不仅能检验材料承受规定的弯曲变形能力的大小，还能显示其内部的冶金缺陷，因此是判断钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标。

焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材，均应具有冷弯试验的合格保证。

（二）冲击韧性

由单调拉伸试验获得的韧性没有考虑应力集中和动荷作用的影响，只能用来比较不同钢材在正常情况下的韧性好坏。

冲击韧性也称缺口韧性（notchtoughness）是评定带有缺口的钢材在冲击荷载作用下抵抗脆性破坏能力的指标，通常用带有夏比V型缺口（CharpyV-notch）的标准试件做冲击试验（图2-4），以击断试件所消耗的冲击功大小来衡量钢材抵抗脆性破坏的能力。

冲击韧性也叫冲击功，用AKV或CV表示，单位为J（1J=1N×1m，即1焦耳＝1牛顿×1米）。

图2-4夏比V型缺口冲击试验和标准试件

试验表明，钢材的冲击韧性值随温度的降低而降低，但不同牌号和质量等级钢材的降低规律又有很大的不同。

因此，在寒冷地区承受动力作用的重要承重结构，应根据其工作温度和所用钢材牌号，对钢材提出相当温度下的冲击韧性指标的要求，以防脆性破坏发生。

第三节各种因素对钢材性能的影响

一、化学成分的影响

钢是以铁和碳为主要成分的合金，虽然碳和其它元素所占比例甚少，但却左右着钢材的性能。

碳是各种钢中的重要元素之一，在碳素结构钢中则是铁以外的最主要元素。

碳是形成钢材强度的主要成分，随着含碳量的提高，钢的强度逐渐增高，而塑性和韧性下降，冷弯性能、焊接性能和抗锈蚀性能等也变劣。

碳素钢按碳的含量区分，小于0.25％的为低碳钢，介于0.25％和0.6％之间的为中碳钢，大于0.6％的为高碳钢。

含碳量超过0.3％时，钢材的抗拉强度很高，但却没有明显的屈服点，且塑性很小。

含碳量超过0.2％时，钢材的焊接性能将开始恶化。

因此，规范推荐的钢材，含碳量均不超过0.22％，对于焊接结构则严格控制在0.2％以内。

硫是有害元素，常以硫化铁形式夹杂于钢中。

当温度达800～1000℃时，硫化铁会熔化使钢材变脆，因而在进行焊接或热加工时，有可能引发热裂纹，称为热脆。

此外，硫还会降低钢材的冲击韧性、疲劳强度、抗锈蚀性能和焊接性能等。

非金属硫化物夹杂经热轧加工后还会在厚钢板中形成局部分层现象，在采用焊接连接的节点中，沿板厚方向承受拉力时，会发生层状撕裂破坏。

因而应严格限制钢材中的含硫量，随着钢材牌号和质量等级的提高，含硫量的限值由0.05％依次降至0.025％，厚度方向性能钢板（抗层状撕裂钢板）的含硫量更限制在0.01％以下。

磷可提高钢的强度和抗锈蚀能力，但却严重地降低钢的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能，特别是在温度较低时促使钢材变脆，称为冷脆。

因此，磷的含量也要严格控制，随着钢材牌号和质量等级的提高，含磷量的限值由0.045％依次降至0.025％。

但是当采取特殊的冶炼工艺时，磷可作为一种合金元素来制造含磷的低合金钢，此时其含量可达0.12％～0.13%。

锰是有益元素，在普通碳素钢中，它是一种弱脱氧剂，可提高钢材强度，消除硫对钢的热脆影响，改善钢的冷脆倾向，同时不显著降低塑性和韧性。

锰还是我国低合金钢的主要合金元素，其含量为0.8％～1.8％。

但锰对焊接性能不利，因此含量也不宜过多。

硅是有益元素，在普通碳素钢中，它是一种强脱氧剂，常与锰共同除氧，生产镇静钢。

适量的硅，可以细化晶粒，提高钢的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能无显著不良影响。

硅的含量在一般镇静钢中为0.12％～0.30％，在低合金钢中为0.2％～0.55％。

过量的硅会恶化焊接性能和抗锈蚀性能。

钒、铌、钛等元素在钢中形成微细碳化物，加入适量，能起细化晶粒和弥散强化作用，从而提高钢材的强度和韧性，又可保持良好的塑性。

铝是强脱氧剂，还能细化晶粒，可提高钢的强度和低温韧性，在要求低温冲击韧性合格保证的低合金钢中，其含量不小于0.015％。

铬、镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390及以上牌号的钢材中，但其含量应受限制，以免影响钢材的其它性能。

铜和铬、镍、钼等其它合金元素，可在金属基体表面形成保护层，提高钢对大气的抗腐蚀能力，同时保持钢材具有良好的焊接性能。

在我国的焊接结构用耐候钢中，铜的含量为0.20％～0.40％。

镧、铈等稀土元素（RE）可提高钢的抗氧化性，并改善其它性能，在低合金钢中其含量按0.02％～0.20％控制。

氧和氮属于有害元素。

氧与硫类似使钢热脆，氮的影响和磷类似，因此其含量均应严格控制。

但当采用特殊的合金组分匹配时，氮可作为一种合金元素来提高低合金钢的强度和抗腐蚀性，如在九江长江大桥中已成功使用的15MnVN钢，就是Q420中的一种含氮钢，氮含量控制在0.010％～0.020％。

氢是有害元素，呈极不稳定的原子状态溶解在钢中，其溶解度随温度的降低而降低，常在结构疏松区域、孔洞、晶格错位和晶界处富集，生成氢分子，产生巨大的内压力，使钢材开裂，称为氢脆。

氢脆属于延迟性破坏，在有拉应力作用下，常需要经过一定孕育发展期才会发生。

在破裂面上常可见到白点，称为氢白点。

含碳量较低且硫、磷含量较少的钢，氢脆敏感性低。

钢的强度等级越高，对氢脆越敏感。

二、钢材的焊接性能

钢材的焊接性能受含碳量和合金元素含量的影响。

当含碳量在0.12％～0.20％范围内时，碳素钢的焊接性能最好；含碳量超过上述范围时，焊缝及热影响区容易变脆。

一般Q235A的含碳量较高，且含碳量不作为交货条件，因此这一牌号通常不能用于焊接构件。

而Q235B、C、D的含碳量控制在上述的适宜范围之内，是适合焊接使用的普通碳素钢牌号。

在高强度低合金钢中，低合金元素大多对可焊性有不利影响，当CE不超过0.38％时，钢材的可焊性很好，可以不用采取措施直接施焊；当CE在0.38％～0.45％范围内时，钢材呈现淬硬倾向，施焊时需要控制焊接工艺、采用预热措施并使热影响区缓慢冷却，以免发生淬硬开裂；当CE大于0.45％时，钢材的淬硬倾向更加明显，需严格控制焊接工艺和预热温度才能获得合格的焊缝。

钢材焊接性能的优劣除了与钢材的碳当量有直接关系之外，还与母材厚度、焊接方法、焊接工艺参数以及结构形式等条件有关。

目前，国内外都采用可焊性试验的方法来检验钢材的焊接性能，从而制定出重要结构和构件的焊接制度和工艺。

三、钢材的硬化

钢材的硬化有三种情况：

时效硬化、冷作硬化（或应变硬化）和应变时效硬化。

在高温时溶于铁中的少量氮和碳，随着时间的增长逐渐由固溶体中析出，生成氮化物和碳化物，散存在铁素体晶粒的滑动界面上，对晶粒的塑性滑移起到遏制作用，从