做钢结构设计，先掌握钢材性能，从三方面阐述其性能影响因素

温馨提示：本文较长，建议收藏后仔细阅读。

我们从事钢结构设计工作，首先得清楚钢材的性能，唯有熟练掌握钢材性能，设计才能够心里有底，做到有针对性。

接着，我们要从三个方面去把钢材的性能阐述清楚，其一为钢材的组织，其二是成材过程对于钢材性能所产生的种种影响，其三是外在因素针对钢材性能造成的影响。

钢铁材料在进行性能影响因素分析之前，我们得先行明白钢材的内部组织情况。钢材是由大量晶体构成的，这些微小晶体也叫做晶粒，其形状并非规则模样。不过晶粒里头的铁原子却是规则地排列成空间格子形态存在，被称作晶格。晶格是由立方体的晶胞所组成的（可参照图1-13相关内容），其结构会随着温度产生不同变化。

图1-13结晶格

在910℃以下时，1.2呈现体心立方型，被称作α铁，如同图1-14( a）呈现的那样。它的晶胞里，一共有9个原子，其中8个处立方格子的节点上，每个都为相邻8个晶胞共同拥有，另外1个在立方体中心。当温度高于910℃且低于1390℃时，晶胞转变成面心立方型的y铁，就像图1-14(b）展示的这般。它除了格子节点上的8个原子外，每个正晶面中心还有1个原子，是两个相邻晶胞共有的。边长分别为0.287nm与0.357nm的两种立方体，在温度下降到910℃以下时，y铁会转变为α铁，且体积会稍有膨胀。

图1-14体心和面心立方晶格

作为铁和碳合金的1.3钢，铁和碳二者结合产生出两种不同化合方式，也就是形成固溶体以及组成化合物。碳原子作为溶解质，均匀分布于铁原子（溶剂）之间，所构成的便是铁碳固溶体。碳原子直径是0.118nm，相较于铁原子直径0.252nm要小很多，因而有进入铁晶格间隙之中的可能，且不会改变晶体构造型式，仅仅晶格会产生一点变形。y铁立方晶格中心位置的空隙直径为0.104nm，比对碳原子直径虽小但差距不大。碳原子占据此位置后形成的固溶体称作奥氏体。α铁，虽说比y铁疏松，但其空隙多，且直径小，故而溶解碳原子的能力差，在溶碳能力最高的723℃温度下，仅约为0.02%，在室温下更是少得几乎没有，这种溶有极少碳的铁，被称作铁素体或纯铁体（F），铁素体强度与硬度都低，不过塑性和韧性良好，奥氏体强度不高处塑性佳，钢材热加工适宜在奥氏体状态下开展。

随后，温度开始下降，此时，y铁的晶格渐渐循着向α铁转变的方向发展，大部分碳原子从固溶体里析了出来，接着，众多碳原子和铁原子化合成碳化铁，也就是Fe3C，这被叫做渗碳体，渗碳体的晶体结构极为复杂，其晶格尺寸是0.51nmx0.45nmx0.67nm，渗碳体的硬度高，强度也高，然而就塑性而言却很低，建筑结构所使用的低碳钢里面渗碳体通常并非单独存在，而是同铁素体一道形成了一种混合物，这种混合物称作珠光体，也就是P，在珠光体当中，铁素体与渗碳体呈现出层状的交替分布状态。示出珠光体由奥氏体生成状况的是图1-15( a），而图1-15( b）呈现的是其在放大300倍时的显微组织。

图1-15珠光体的形成及其显微组织

1.5珠光体，其强度还有塑性，均处于铁素体以及渗碳体二者中间，强度相较于铁素体，是更高的，塑性比渗碳体要好。建筑结构所使用的钢，其碳含量是不会超过0.22%的，在常温状况下，其结构构成，大部分是铁素体，小部分是珠光体。珠光体分布于铁素体的周边，就像图1 - 16所展示的那样（放大100倍）。图里面浅色的部分是铁素体，而黑色的部分便是珠光体。图1 - 17是钢的铁碳状态图，它给出了不同碳含量的钢在不同温度下的组成。碳含量大于百分之零点八的高碳钢，以及小于百分之零点八的中碳钢和低碳钢，存在着很大的区别。

图1-16结构钢材的显微组织

图1-17钢的铁碳状态图

建筑结构用的1.6低合金钢，其碳含量处于0.20％以内，这等同于在低碳钢里添加一些合金元素，它的组织依旧维持铁素体一珠光体型，主要合金元素是锰，锰能够固溶于铁素体中，其形式是锰原子在α铁的晶格中替代一部分铁原子，并且保持体心立方格的构造型式不改变，进而形成合金固溶体，原子取代的后果让晶格稍有畸变，由此提升其屈服点，其他合金元素也存有类似情形。在加热状况下，合金元素易于溶入奥氏体，这会增添其稳定性以及过冷能力，由此致使在钢里珠光体占据的百分比得以增加，还会让珠光体的分散程度变大，并且使得铁素体晶粒获得细化。

对于1.7细化晶粒，能有诸多方面去使得钢材的性能获得改善。那么，第一点是将它的屈服点予以提高，与此同时，还会提高钢材的延性，并且降低脆性转变温度。晶体的屈服，乃是内部出现的那种滑移得以产出的后果。图1-18所显示的，是晶粒产生塑性变形的内在机理。而这种变形，是要在克服晶界上存在的杂质以及珠光体所形成的阻碍之后才会出现的。当钢材的晶粒实现细化，那么总的晶界面就会增大，这样子对滑移的阻抗也就增大了。钢材的强度呢，也就是产生滑移所需要的力，是服从之下的关系式的：

fy = σi + k /√（d）（公式1-3）

其中，σi，它指的是颗粒很大的单晶的屈服强度，对于软钢而言，这个屈服强度是5N/mm2。

d ——颗粒直径， mm ;

k——材料常数，对软钢约为38N. mm -3/2。

图1-18晶体的塑性变形 （a）滑移前（b）滑移后

钢材的脆性转变温度也和d 1/2有直接关系，见图1-19。

图1-19脆性转变温度和粒径的关系

2.1熔炼和脱氧

熔炼对钢材化学成分起决定作用，这对钢材性能有着最为重要的影响。碳是提升钢材强度最为有效的元素，然而随着碳含量的增大，钢的塑性以及韧性都会下降。所以，用于钢结构的低碳钢以及低合金钢，其碳含量被限制在0.22％或者0.20％以内。低合金钢的合金元素有锰、钒、铌、钛，还有铬、镍。锰在钢里既有脱氧功能，又会和硫化合生成MnS，以此减轻硫的有害作用。要是不加锰，那就会生成更为有害的FeS。所以，碳素结构钢一直都含有少量的锰。硅是比锰更强的脱氧剂，在碳素结构钢中也有一定含量。

当锰被用作提升钢材强度的合金元素时，其含量大于百分之零点八，然而不超过百分之一点七。不过，在晶格畸变致使强度提高的同时，塑性略微有所降低。另一方面，铁素体晶粒得以细化，在强度得到升高的同事，韧性有所改善且脆性转变温度出现下降。其他合金元素大多在强度拾级而上之时，并使其塑性降低，而且合金元素含量越多，塑性就显得越低。合金结构材料钒、铌、以及钛同样都发挥着细化晶粒的功效，在GB/T1591-94中被称作细化晶粒元素。会朝着有害方向转变的是锰含量过高的状况，主要体现为淬硬性得以提升，这对焊接而言是不利的。在GB /TI591-94里各钢号的锰含量均不会超出1.7%。

钢材里边有硫、磷、氧、氮、氢算是有害元素。硫、磷含量不多时，会以硫化物和磷化物颗粒的形式存在，这两种物质会分别让钢出现热脆和冷脆的情况，对韧性不利。所以，GB/T1591 - 94规定Q345这类低合金钢从A级到E级，P和S的含量会逐级减少0.005%，以此来提升其韧性。碳素结构钢Q235的情况也是这样。厚度方向性能钢板对于硫含量的规定更为严格，并且从Z15到Z35其含量是逐级减小的，后者的硫含量仅仅是0.005%。有这样一种情况，硫化物会致使钢材出现偏析以及分层的状况，当加入稀土元素后，稀土元素会和硫化合，进而形成等轴颗粒的硫化物，这种硫化物能够减轻硫对于厚度方向韧性所产生的危害。

氧以及氮同样是致使钢材脆性的有害杂质，于金属处于熔化状态之际从空气进入，氧能够运用下文所阐述的办法予以脱去，氧气转炉炼钢能够防止钢液和氮相接触，进而可以把控钢的氮含量，GB700 - 88作出规定，氧气转炉炼钢的氮含量不应当超过0.008%，钢的熔炼是把铁水中过量的碳以及有害元素硫、磷去除，在这个过程中难免会有少量的铁也被氧化，从而形成FeO，基于此需要对钢液实施脱氧，锰是弱脱氧剂，要是仅仅使用锰进行脱氧，所得到的是沸腾钢，硅是较强的脱氧剂。有硅以及锰一同存在，脱氧便相对较为充分，能够获取到镇静钢。GB700 - 88作出规定，Q235A、B级钢能够是沸腾钢、半镇静钢或者镇静钢，C级仅仅可以是镇静钢，然而D级却是特殊镇静钢。后者要用铝进行补充脱氧。

铝不但能进一步削减钢里的有害氧化物，还可让晶粒细化，进而得到更高的室温冲击韧性以及更低的冷脆倾向性。图1 - 20呈现出碳含量0.20％的两种钢板冲击韧性与温度的关系曲线。曲线1的钢板厚度是10mm，是用铝补充脱氧的特殊镇静钢，其脆性转变温度低至﹣60℃。曲线2的钢板厚度为18mm，是沸腾钢，它的室温冲击韧性和曲线1相比低得不多，然而在负温度下差别就很大了，其脆性转变温度是﹣10℃。近几年，连续浇铸钢坯渐渐替代了传统浇铸方式，浇铸进程中不再呈现沸腾情形，沸腾钢已慢慢退出了市场。

图1-20冲击韧性比较

属于低合金结构钢的Q345，以及Q390，还有Q420全都属于镇静钢，它们之中的C级、D级以及E级通通是采用铝来补充脱氧。

2.2轧制

型钢和钢板的成型工序是辊轧，它对这些钢材的组织以及性能有着极大影响。辊轧存在热轧与冷轧的区别，且以热轧为主。冷轧主要被用于薄板。热轧能让钢材组织变得更为致密，其力学性能得以改善。钢材在轧制的时候，晶粒细化的这个过程能够从图1-21中去领略。辊轧的次数比较多，压缩比大，那么钢材的性能改善就更显著。这便是厚度较小的钢板屈服点高于厚度大的钢板的原因。厚钢板不但屈服点低，其延性以及韧性也比较薄的板要低。国家标准GB700 - 88，它不仅依据钢材厚度来区分屈服点，并且还按照厚度区分伸长率以及冷弯试验的弯心直径。GB /T1591 - 94，它仅仅是规定了不同的屈服点以及不同的弯心直径。热轧工槽钢以及H型钢，其翼缘厚度大于腹板，所以屈服点低于腹板。这是设计者应当注意到的问题。

图1-21热轧使钢材晶粒细化

热轧钢材具备的性能，和停轧时的温度存在关联，这将会在接下来的一节里，结合热处理展开论述。

热轧所产生的另外一种后果乃是由不均匀冷却导致的残余应力，对于这点各个钢结构教科书籍当中都存有相关论述。热轧型钢残余应力分布具备这样的特性，那就是厚度较大的一些部分，像是H型钢翼缘以及腹板相连接的部位这类地方，其散热速度较为迟缓，处于最后冷却阶段的时候，由于收缩受到了相应约束从而承受拉力，而远离这一部分的材料则承受压力。

2.3热处理

依照国家标准，碳素结构钢通常是以热轧（涵盖控轧也就是控制轧制）状态来交货的。低合金高强度钢一般应当以热轧、控轧、正火以及正火加回火状态进行交货。Q420、Q460的C、D、E级钢还能够按照淬火加回火状态来交货。正火、回火、淬火均属于热处理的一种方式。控轧乃是运用热处理的原理去获取正火的效果。淬火加回火也被称作调质热处理。正火和调质热处理的目的都是借助改变钢材的组织进而改善它的性能。

图1 - 17所展示的是铁碳状态图，含碳量为0.2％的低碳钢，大概在温度下降至860℃，也就是临界点A3的时候，开始从奥氏体中分化出一部分铁素体，当温度降低到723℃，即临界点A以下的时候，会全部转变为铁素体加珠光体，一直到温度降到室温，都不会再有其他变化。这属于缓慢降温的情形，等同于在加热炉内逐步降温进而退火。要是降温稍微快一点儿，那么上述转变就会出现一些滞后，从而形成所谓的过冷现象。其产生的结果是，铁素体所占的比例会稍有提高，并且晶粒较为细小，而珠光体的层次却是比较细密的。这些微观结构出现的变化，全都致使钢材的屈服点得以提高，并且还改善了其延性与韧性。将钢材加热到相变临界线A3之上，并且持续保持一段时间，接着在空气中进行冷却，便是属于这种情形，而这被称作正火处理。加热的温度不应该过高，因为奥氏体的晶粒会随着时间不停地增大，而且温度越是高，那么增大的程度就越是厉害。

正火之后有时会再进行回火，也就是重新加热到650℃，并保温一阵子，之后在空气中冷却。它可以消除内应力，也就是残余应力，还能进一步提升钢的塑性与韧性，不过屈服点会稍有降低。依据上述原理，热轧钢材最好在临近A3线且略高一点的温度完成辊轧。前面讲过，钢材的热加工都是在奥氏体状态下，也就是A3线以上进行，但是温度不宜过高。在较低的温度下承受较大的压缩变形，能够得到较细的晶粒。所谓“控制轧制”，指的是辊轧在最后阶段，维持温度处于900至850℃之间，由此获得正火的效果。然而，要是停轧温度过低，便会出现带状组织，致使钢材在垂直于辊轧方向的韧性、塑性以及冷弯性能变低。另一方面，若停轧温度过高，不但会引起奥氏体晶粒增大，而且铁素体并非以颗粒状析出，而是以叶片状形式沿着一定位向析出，进而形成魏氏组织，其强度和韧性均比较低。带状组织与魏氏组织均可借助正火处理予以消除。

钢材进行淬火时，要将其加热到A3线以上，保持一段时长，之后放进水或者油内进行快速冷却，在冷却速度极快的情形下，奥氏体没来得及演变成铁素体以及珠光体，而是转变成马氏体，马氏体这般一种不稳定的组织，它的晶格呈现出如图1-22粗虚线所展示的正方截面的棱柱体模样，它的高度c大约为边长a的1.41倍，能够视作是由两个相邻的面心立方晶格的一部分构成，只是稍有缩短。有着体心四角柱形态的马氏体，其强度是非常高的，硬度同样很高，然而塑性却是比较差的，这种特性致使它不适用于建筑的结构，所以需要针对其开展高温回火的处理操作，以此来改进其塑性以及韧性方面的表现，从而改善其塑性和韧性。经过回火之后，马氏体分解成为铁素体以及粒状碳化铁的混合物，这种混合物被称作索氏体，索氏体的塑性以及韧性方面都呈现出比较良好的状态。虽然其强度比不上马氏体，不过仍然要高于没有经过热处理的材料。就如同GB/T1591所规定的那般，只有强度高（Q420和Q460）且对韧性也有着高要求的钢材（C、D、E级）才需要进行淬火加回火的处理。

图1-22奥氏体向马氏体转变

调质钢存在一些不足之处，除了钢材成本有所提高，表现为对火工矫正处理比较敏感，并且焊口以及热影响区脆化带有较大倾向性，一张图称之为图1-23呈现出上述几种热处理的温度变化示意情况，图上有相关示意。

图1-23热处理的温度变化（a）正火（b）回火（c）调质

钢材从高温冷却时，会不会生成马氏体而非铁素体加珠光体，这不但依冷却速率而定，还跟它的碳含量以及合金元素的含量有关系。那种易于生成马氏体的特性被称作可淬性也就是淬硬性。碳含量低于0.25％的低碳钢，其淬硬性可低。把低合金结构钢而言，它的碳含量虽然不高于0.22%，然而因为锰和其他合金元素，使得其淬硬性得到了提高。这便是合金元素影响可焊性的缘由。

2.4冷弯成型

经冷轧或模压等加工手段成型的冷弯型钢，是由薄钢板（钢带）制成的。钢材冷加工会使它局部硬化，进而强度提高。图1-24这东西，所示的是卷边槽钢屈服点变化的情况。截面弯角部分的屈服点增高程度幅度大，在那地方的抗拉强度也有提高，只是相比屈服点，提高幅度没那么大罢了。弯角间一块的平板部分屈服点提高得不多，提高幅度和成型工艺有着紧密联系。压制成型的那种，平板部分没有明显的提高。

图1-24冷弯型钢屈服点提高

很明显，当圆角半径与板厚的比值越小的时候，材料所承受的应变就越大，而屈服点提升的幅度也就愈大，具体的提升幅度能够通过下面这个式子来表示：

fye / fy= b /( r / t )m

式中fye 、 fy——分别为冷加工后和加工前的屈服点；

b 、 m——常数。

不适用于此式的情况是，fu／fy小于1.2且r / t大于7。冷加工能提高屈服强度，是因为存在高于它的抗拉强度fu。材料受拉超过屈服平台到图1-25的C点时，卸载后有残余应变OC '。再次加载时的屈服强度是C点纵坐标，比原来的f 提高很多，不过最多只能到fu。所以，材料强屈比越大，fy提高幅度越大。b和m由以下两式表达：

m =0.192(fu/ fy)-0.068

图1-25屈服点提高和应力应变曲线

冷弯型钢在被用作轴心受拉构件以及轴心受压构件的时候，其屈服点能够取整个截面的一种加权平均值，像是下面这样：

fyp = cfye +(1- c ) fy

c ——截面中圆角所占面积和整个面积之比。

常温塑性变形致使冷弯型钢存在残余应力 ，其残余应分布与热轧型钢不一样。冷弯薄壁型钢的制作原材料通常是卷板 ，加工成型前需先将板展平 ，薄板在此过程中经受首次塑性变形 ，进而形成一定残余应力。之后 ，在冷轧成型时转角那部分又再度经受弯曲塑性变形 ，所以冷弯型钢的残余应力于截面上呈弯曲型分布 ，也就是沿壁板厚度会发生变化。图1 - 26呈现了一个卷边槽钢纵向残余应力的实测成果。受拉的是壁板外侧，受压的是内侧，平板部分残余应力大致相同的那同时，转角部分有所提高，提高幅度和转角处屈服点提高大体对应，残余应力沿厚度变化能近似看成线性，外表面残余应力处于（0.25~0.7) fy之间，分析构件性能时可取0.5fy；和卷边槽钢类似，冷成型焊接圆管及方管残余应力具有和外侧受拉面内侧受压的弯曲型分布一样表现，冷弯成型致成的残余应力能够拿回火处理来消除。

图1-26卷边槽钢的残余应力

3.1冷加工和包辛格效应

冷弯型钢的成型进程事实上已然算是对钢材的一种冷加工，除此之外，钢材于金属结构厂被加工成构件之际，尚有一些工序会引发冷态塑性变形，将微弯的杆调直，仅引发少量塑性变形，要是应变未超出屈服平台，那么剩余变形不大（可见图1-25当中的OB'），而且不提升屈服强度，材料的延性降低也不多，相反，剪切以及冲孔致使钢材产生严重的塑性变形，以至于剪断的边缘以及冲成的孔壁严重硬化，甚至会出现微细裂纹。较重要的结构，剪断之处要进行刨边，冲孔要用较小的冲头，冲完后再去行扩钻。这些举措意在将硬化部分去除，以防裂纹进一步蔓延。把钢板或者其局部弯成圆柱面，于提升强度之际会使延性降低。弯曲半径相较于板厚越小，所经受的应变就越大。只有当应变不超过2％或者内面半径与板厚度之比值不小于25时，才能够忽略变形的影响。对于厚度较小的板，r / t能够用得较小。下列数字可应用于带有焊缝的板:。

当1≤8时， r /1≥1.5;

当1≤12时， r /1≥3.0;

当 t ≤16时， r / t ≥10.0。

钢材在冷拉致使其产生塑性变形之后再承受压力，那么压缩应力与应变之间的关系，和那些未曾经过预拉的压杆会存在极大差异。随着拉伸屈服点得到提高，压缩屈服点会有所下降，受压时应力与应变的关系在较早阶段就不再呈现为直线，变形模量会从E开始逐渐下降（可参考图1-27），这种现象被称作包辛格效应。拉伸屈服点提高的幅度越大，压缩屈服点随之降低的幅度也就越大。所以，经过冷拉的杆件受压承载力无法达到常规数值。先进行受压而后再拉伸同样会产生类似的退化现象，只是在工程当中很少会遇到。

图1-27钢材的包辛格效应

3.2焊接和气割

实施钢材焊接操作时，除却焊缝呈现铸造组织，与轧制钢材存在差异之外，焊缝旁边热影响区域之处，同样会出现组织产生变化的情况。热影响区域以内，基于受热程度，被划分成几个部分。

存在这样一个区域，其温度达到1100℃以上，我们将这部分称为过热区，可参照图1-28 ，在这一块儿，由于高温致使区内的奥氏体晶粒变得粗大。当输入的线能量越大的时候，此区内停留在高温的时间也就越长，进而晶粒会越粗，而这种情况所导致的后果就是它的强度与硬度得以提高，然而塑性和韧性则出现降低。又有另外一部分区域，其温度处于900~1100℃之间，这部分被称作正火区，就是相当于经历了正火这样一种处理方式。在这个正火区内，它的力学性能表现良好，强度、塑性以及韧性都处于较高水平。还有一部分区域，其温度在723~900℃之间，这部分被称为部分重结晶区。在那个区域之内，晶粒的粗细呈现出不均匀的状态，其中一部分是历经重结晶后形成的细小的铁素体以及珠光体，另外一部分则是晶粒质地粗大的铁素体。鉴于晶粒粗细存在不匀的情况，对应产生的力学性能不太良好。处于温度低于723℃这样一个范围的部分钢材组织并未发生明显变化。热影响区所具备的宽度不算大，当采用手工焊操作的时候距离不超过6mm，然而要是采用自动焊的话其宽度仅仅在2.5至3.0mm之间。不过呢，这一区域是属于焊接连接中较为薄弱的部位，要是输入的热量比较小同时冷却的速率又非常快，那么就存在有可能出现淬硬现象进而导致裂纹产生的情况。

图1 - 28中，焊缝存在热影响区，其中，1为过热区，2是正火区，3为部分重结晶区。

即使焊缝金属的组织和轧制钢材不一样了，然而只要运用厚药皮焊条或气体保护焊以及埋弧自动焊，那么焊缝金属就能够在较厚焊渣层给予的保护之下，不被有害气体侵入，并且冷却速度变得缓慢，又会从焊接材料那儿吸收一些合金元素，如此一来就能够得到力学性能不比母材差的焊缝。与之相反的是，要是保护作用不够的话，空气中的氮、氧就有可能会侵入进来。同时呢，要是焊条受潮了却没有烘干，也会有氢侵入进来。这些有害气体会让熔融金属的成分变差。在冷却速率过快的时候，也有可能出现淬硬效应。施焊的道数对这方面也是有影响的。单道焊快速冷却，它会造成只淬火不回火的后果。多道焊情况不一样，后焊的焊道对前一焊层有加热作用，用这个加热作用能使它转化为较细晶粒，从而它的性能能够得到改善。

对于焊接结构而言，关键之处在于规避采用淬硬性相应较高的材料，并且焊接制度要恰当适宜。不过，淬硬性此属性实则刚好于可焊性乃是相反的状况。公式（1 - 2）所给出的碳当量便是淬硬性的衡量指标。即便碳含量并非大于0.20％但倘使锰含量超出1％，那么淬硬性往往趋向于提升增高。从另一方面来讲，把控焊后温度下降的速率是保障淬硬性具有较高程度的钢材得以顺利进行焊接的必备条件。当焊件呈现出厚度较大的情形时，焊弧所产生的热量会急速散失，温度下降颇为迅速，相较于薄焊件而言是较为不利的状况呈现。所以，厚钢材在进行施焊之前以及施焊之后都应当予以预热和后热环节，从而使得其降温能够较为缓慢平稳。应依据焊接接头的坡口型式、实际尺寸、板厚以及构件拘束条件来确定预热温度，《建筑钢结构焊接技术规程》规定的厚度对于碳素结构钢和低合金结构钢不一样，二者分别是大于40mm和25mm，预热温度处于60至140℃之间，后热温度要通过试验来确定，如果施焊时环境温度低于0℃，预热和后热的需求更为急切，其加热方式要根据工艺试验来确定。

焊件因焊接而产生残余应力以及残余变形，一般钢结构的教科书中对此均有相关论述。焊接构件在残余应力产生方面具备这样的特点，即：焊缝连同其附近的材料处于高温时期的膨胀，会受到相邻部分的约束，进而无法达成，所以会受到压缩，而冷却之际的缩短趋势，又会再次受到约束面的影响从而产生拉应力。焊缝产生的残余拉应力常常能够达到母材的屈服点，不过高强度钢材不在此列。

氧气切割所具有的热效应，和电弧焊相类似，切割边缘附近的金属，在一定程度上会变硬，进而导致残余应力以及残余变形，重要的结构，应当把气割后的边缘刨去2mm，假如边缘还要施行焊接，那么就不存在刨去的必要了。

3.3应力状态的影响

钢材于两个垂直方向承受拉力时，强度得以提高，然而延伸率却降低。相反，在异号双向应力发挥作用的状况下，强度会降低，而延伸率则增大。图1-29呈现出这两种应力状态以及单向拉伸时应力一应变关系的对比情况。要是处于三向受拉状态，塑性相较于双向受拉会更进一步降低，破坏将会呈现为脆性的。所以，三轴受拉对于钢结构而言是极为不利的。在实际的工程当中，出现三轴拉应力的情形有：①于空间汇交于一点的三条相互垂直的焊缝所产生的残余应力；②存在缺口（缺陷或者构造缺口）的厚板。

图1-29不同应力条件下的应力-应变图

（a）单向拉伸（b）双向拉伸（c）双向异号应力

带有缺口的薄板和厚板受拉时，图1-30给出了缺口截面的应力分布，薄板在厚度方向能够较自由地变形，属于平面应力状态，也就是只承受σ1和σ2，而厚板产生高额集中应力，进入塑性且要求沿厚度方向收缩时，邻近材料的约束作用会阻碍其收缩，致使平面应变状态出现，存在拉应力σ3，此外，厚度很大的钢板采用剖口焊对接时，也有产生厚度方向残余应力的可能。

图1-30缺口应力分布

结构承受动态荷载存有两种情形，其一为冲击作用，也就是加荷速率处于很高水平的状况，最为典型的当属爆炸所产生的冲击力，强烈地震同样归属于这种类型，其二是伴随时间出现做往复循环变化的荷载。

在受到冲击性的快速加载作用之时，结构钢材的强度有着一定程度的提高，与此同时，其塑性变形能力并未出现下降的情况，并且反而是略微有所提高的呢（可查看图1-31），对于Q235级的钢材而言，当应变速率处于0.1s-1之时，屈服点提高了24.5%，抗拉强度提高了8.3%，总应变提高了7.3%。，高强度钢材提高的幅度是相对更低一些的这么一种状况。建筑结构钢材在冲击作用之下能够保留良好的强度以及变形能力，这一点从一些灾害性事故当中可是能够得到相应证明的。具体的证例有，遭一架B25轰炸机在1945年冲撞的、高381m的美国纽约帝国大厦，有在第二次世界大战期间被炸弹命中的英国多层框架建筑，还有在1993年遭受炸药爆炸袭击的、美国纽约世界贸易中心连接两座塔楼的低层部分，这些建筑都未倒塌。

图1-31静力和动力本构关系比较

对于钢材性能而言，冲击性的动力荷载存在不利一面，也就是脆性转变温度会随着加荷速率的增大而提高。在图1 - 12所展示的缺口韧性试验里，能量跟温度的关系曲线是于冲击性荷载作用之下获取的。要是针对带缺口的试件进行缓慢加荷，那么所得到的曲线大致等同于图中的曲线朝着左边平移一段距离。

钢材在多次重复进行的循环荷载作用之下，滞回环呈现出丰满且稳定之态（可查看图1-32），这可谓是一种相当出色的性能，为钢结构于地震作用之时耗散能量奠定了基础，然而在抗震设计当中包辛格效应存在着明显影响，从图1-32可看出，伴随循环里拉力的增大，切线模量E接连不断地下降。

图1-32钢材在循环荷载下的滞回曲线

3.4高温、环境及时间的影响

温度对于钢材性能所产生的影响，涵盖了低温以及高温这两个不同领域。钢材具备的韧性，会随着温度的降低而出现下降的情况。

温度升高时钢材力学性能所呈现的变化，其总的趋向是强度以及刚度均趋于下降。弹性模量在超过200℃后会显著下降，屈服点在高于300℃时便开始降低。这里需要阐述的是钢材在结构遭遇火灾后的性能改变情况。据相关报道，当火灾温度低于700℃（也就是在临界点A1之下时），钢材冷却后的拉伸性能通常能够恢复至常温时的水平，产生这种情况的缘由是钢材在A1线以下不会发生组织变化。当受火温度处于800至1000℃时，钢材冷却后的残余强度是原有强度的85%至100%。然而，要是构件在火灾发生时承受着较大的荷载，或者荷载虽说不是特别大，可是温度接近或者达到了600℃，那么就有可能因为高温软化，从而致使受拉构件出现颈缩，以及／或者受压和受弯构件弯曲或者扭曲，还有板件局部屈曲的情况。颈缩会让该处的截面积变小，弯曲、扭曲以及凸曲会使构件的受力性能变差。碰到这种情形，显然是应该去考虑修复、加固或者更换的必要性的。

当构件进行加热矫正时会出现高温，这里面涵盖制作过程中的矫正，受损变形后的矫正范畴。GB 50205 - 200作出规定：“加热温度不得超出900℃。低合金结构钢于加热矫正之后应当自然冷却。”很明显，加热温度不合适超过700℃，最优是按照650℃进行控制。针对经过调质处理的高强度钢，为了防止消除回火的效果情况出现，温度要控制在回火温度之下，最好不超过590℃，并且注意要缓慢冷却。

钢材会受到腐蚀性环境的两种影响，其一，锈蚀会致使钢材有效截面积变小，进而有损构件的承载能力，其二，腐蚀性环境会加快构件裂纹的开展，对于承受循环荷载的构件而言，会使其疲劳寿命降低，也就是出现腐蚀疲劳，对于承受静态荷载的构件来说，则会降低脆断的临界应力，有可能引发应力腐蚀开裂，防止锈蚀的办法，要么借助涂料，要么采用抗锈性强的耐候钢。

生物会随着时间的流逝而出现衰老的情况，无机物同样存在老化的现象 ，钢材的老化被称作时效 ，其出现强度提升以及变形能力下降的表现 ，时效硬化的机理乃是固溶于铁素体里的氮随着时间慢慢析出进而形成氮化物 ，以此阻碍铁素体晶粒间的滑移 ，钢材的时效敏感性通常是借助时效冲击试验来进行测定 ，第一步是以人工方式加快时效的进程 ，先施加百分之十的冷工塑性变形 ，接着加热到二百五十摄氏度并保持一小时 ，随后在空气中冷却。将经过人工时效处理的试样，与未曾经过时效处理的试样，进行冲击韧性方面的对比试验，以此便可测得钢材的时效敏感性。在1981年的时候，冶金工业部所颁布的《桥梁用结构钢》这一标准，其中规定了时效冲击值。然而在那之后的钢材国家标准，除了锅炉用钢板（GB 713 - 86）之外，均没有针对时效后的冲击值作出相应规定。

既然时效敏感性主要是由铁素体中固溶氮的含量来决定的，那么减少钢的含氮总量便是减少时效敏感性的有效办法，GB 700 - 88规定，氧气转炉钢的氮含量不应该大于0.008%，缘由就在此处，钒和氮的亲和力非常高，在以钒为合金元素的钢里加入少量的氮不会提高其时效敏感性，反倒对钢材的强度有益，氮和钒的化合物并不固溶于铁素体，无法提高时效敏感性，条件是含量在氮含量的4倍以上。对于九江长江大桥所使用的15MnVN钢，氮的含量处在0.010%至0.020%这一范围，钒的含量是0.10%至0.20%，具体可见国家标准GB 1591 - 88。新推出的低合金结构钢标准，也就是GB / T 1591 - 90 ，其中对应15MnVN的钢号是Q420。该标准作出规定，在经过供需双方进行协商之后，Q420级钢能够加入氮元素，且其熔炼分析后的含量为0.010%至0.020%。