钢结构设计原理

碳是影响最大的元素之一：含碳量增加，强度提高，但塑性、韧性、疲劳强度下降，可焊性与耐蚀性变差。一般 $\mathrm{C}\le 0.22\%$，焊接结构 $\mathrm{C}\le 0.20\%$。硫致热脆，磷致冷脆，二者为有害杂质，通常 $\mathrm{S},\mathrm{P}\le 0.045\%$。硅、锰为有益脱氧元素可提高强度；钒、钛等可提高强度与耐蚀且少损塑性。

冶金缺陷包括偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹与分层等，降低力学性能并影响冷弯等工艺性能。冷作硬化（应变硬化）使屈服点提高、塑韧下降；时效硬化（含应变时效）亦提强降韧，重要结构可要求人工时效后冲击韧性。

温度影响：升温则强度与弹性模量下降、变形增大；降温则强度略升但塑韧下降而趋脆。约 $200^{\circ}\mathrm{C}$ 内变化不大；约 $250^{\circ}\mathrm{C}$ 可出现蓝脆；$260\sim 320^{\circ}\mathrm{C}$ 可出现徐变；$600^{\circ}\mathrm{C}$ 左右基本丧失承载力。低温冲击韧性急剧下降，存在脆性转变温度。

应力集中：孔洞、缺口、凹角与内部缺陷使应力分布不均，出现峰值应力。应力集中系数为峰值应力与净截面平均应力之比。峰值区常呈双向/三向拉应力，不利塑性发展；常温静力下建筑钢塑性可缓解，但低温或动力下易诱发脆断。

反复荷载下钢材强度可低于静力抗拉强度而发生疲劳破坏：微观裂纹扩展为宏观裂纹，截面削弱并加剧应力集中，最终突然脆断。应力水平低或循环次数少时可不控制疲劳；高频反复高应力则必须考虑。

脆性断裂常是低温、高加载速率与高应力集中等多因素耦合结果；须在选材、构造、制造与使用中综合采取措施。