第二章 钢结构材料

1. 第二章 钢结构材料 • 第一节 建筑钢结构对材料的要求 • 第二节 钢材的主要性能测试 • 第三节 影响钢材性能的主要因素 • 第四节 复杂应力状态下的屈服条件 • 第五节 钢材的疲劳 • 第六节 建筑结构用钢的种类及选择

2. 第一节 建筑钢结构对材料的要求 • 建筑结构用钢来说，主要有三方面的要求。 1、较高的强度：结构承载力大，所需截面小，结构的自重轻； 2、较好的塑性及韧性：塑性好，破坏前变形明显，不易发生脆性破坏，同时可以调整局部高峰应力，内力重分布；韧性好，利于承受动力荷载，避免发生裂纹和脆性断裂； 3、良好的加工性能：不因加工对结构的强度、塑性、韧性造成较大的不良影响； 4、其他性能：具有适应低温、高温和抵抗腐蚀的性能； • 《钢结构设计规范》GB50017-2003推荐承重结构用钢宜采用：炭素结构钢中的Q235钢及低合金高强结构钢中的Q345、Q390和Q420钢四种钢材。

3. 第二节 钢材的主要性能测试 一、强度

4. 曲线五个阶段 1、弹性阶段 由零到比例极限，应力应变符合虎克定律，完全卸载时变形变为零，不存在残余变形，直线斜率为弹模 2、弹塑性阶段 应力应变非线性关系，应变包括弹性应变和塑性应变，卸载时塑性应变不能恢复，存在残余变形；钢材内部晶粒发生滑移；相应的应力为屈服点； 3、塑性阶段 应力屈服后，应力保持不变，应变继续增加；相应的应变幅度称为流幅，流幅越大，钢材的塑性越好 4、强化阶段 屈服后，恢复抵抗外载能力，曲线呈上升的非线性关系，直到抗拉强度（对应极限荷载） 5、颈缩阶段 到达极限荷载后，在试件质量较差截面发生颈缩，即截面减小，变形增大，承载能力随之下降，试件破坏。

5. 钢材的破坏形式 • 塑性破坏：加载后有较大变形，有明显的颈缩现象，因此破坏前有预兆，断裂时断口呈纤维状，色泽发暗；构件断裂发生在应力达到钢材的抗拉强度fu； • 脆性破坏：加载后，无明显变形，因此破坏前无预兆，断裂时断口平齐，呈有光泽的晶粒状，脆性破坏危险性大；破坏时应力常小于钢材的屈服点fy；

6. 二、塑性 1、定义：钢材屈服后，产生残余变形（塑变）而不发生脆性断裂的性质 2、指标：伸长率δ5（δ10）和断面收缩率 3、意义：代表钢材断裂前具有的塑性变形能力；便于内力重分布，吸收能量。 思考：相同材料分别采用长试件（10d）和短试件（5d），请问两者哪个大？

7. 三、韧性－冲击韧性 1、定义：动力性能，钢材在一定温度下塑变及断裂过程中吸收能量的能力，即抵抗冲击荷载的能力； 2、计算：断口（单位面积上）的功即为冲击韧性； 3、试件类型：夏比（V形）和梅氏（U形） 4、温度的影响：温度越低，冲击韧性越低；按常温（20）、零温（0） 、负温（-20、-40）四档区分。

8. 冲击韧性测量实验

9. 四、冷弯性能 1、定义：在冷加工过程中产生塑性变形（弯曲变形）时，对产生裂纹（分层）的抵抗能力。 2、两个参数：弯心直径d和弯曲角度180； 3、意义：判别钢材塑性变形能力及冶金质量（颗粒结晶及非金属杂质分布）的综合指标。 4、对象：对需进行冷加工、尤其是焊接结构焊接变形需要进行调直和调平的构件。

10. 五、可焊性 1、定义：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。 2、分类：施工上可焊性（焊缝金属和近缝区不出现裂缝）和使用性能上的可焊性（焊接构件在施焊后的力学性能不低于母材的力学性能）； 3、所含元素的影响：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，可焊性最好。碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆。

11. 第三节 影响钢材性能的主要因素 1、化学成分 2、成材（冶金、浇铸及轧制）过程 3、钢材缺陷 4、钢材硬化 5、应力集中 6、温度

12. 一、化学成份的影响 基本成份：铁（Fe) 有益元素：碳（C）、硅（Si）、锰（Mn） 有害元素：硫（S）、磷（P）、氮（N）、氧（O） 1、碳（C） 碳是形成钢材强度的主要成分； C↑强度↑塑性、韧性、可焊性、冷弯性能↓ 焊接结构应控制在≤0.20%。

13. 2、锰（Mn）：提高强度但不过多降低塑性和冲击韧性；2、锰（Mn）：提高强度但不过多降低塑性和冲击韧性； 脱氧作用，但属于弱脱氧剂； 消除硫对钢的热脆影响； 锰可使钢材的可焊性降低，故含量有限制。 3、硅（Si）： 有脱氧作用，是强脱氧剂。 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； 过量时则会恶化可焊性及抗锈蚀性。 4．钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti) 使钢材晶粒细化； 低合金钢的合金元素； 提高钢材强度，又保持良好的塑性、韧性。

14. 5、硫(S) 生成易于熔化的硫化铁，当热加工及焊接时易出现裂纹，称为热脆。 降低钢的冲击韧性，同时影响疲劳性能与抗锈蚀性能。 6．磷(P) 碳素钢中的杂质，在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。在高温时使钢减少塑性。 但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。 7．氧(O)、氮(N) 氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈； 氮能使钢冷脆，与磷相似。 在浇铸过程中，应根据需要进行不同程度的脱氧处理。

15. 二、 成材过程的影响 • 1．冶炼 • 平炉炼钢 • 氧气顶吹转炉炼钢：投资少、建厂快、生产效率高、原料适应性大 • 电炉炼钢 2．浇铸 • 特殊镇静钢 • 镇静钢：硅强脱氧剂；晶粒较细，强度高，塑性韧性好，可焊性好 • 半镇静钢 • 沸腾钢：锰弱脱氧剂，CO溢出；构造和晶粒粗细不均匀，塑性、韧性和可焊性较差

16. 3．轧制 • 轧制能使金属的晶粒变细，气泡、裂纹等焊合，能改善钢材的力学性能。 • 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，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。 • 三、钢材缺陷的影响 • 1、偏析：化学成分不一致和不均匀性，尤其是硫磷偏析； • 2、非金属夹杂：硫化物和氧化物等杂质； • 3、裂纹：微观和宏观的裂纹都将使钢材的冷弯性能、韧性和疲劳强度降低； • 4、分层：沿厚度方向形成并不相互脱离的层间。垂直厚度方向强度不影响，冷弯性能降低，分层容易被锈蚀。

17. 四、钢材硬化的影响 1、冷作(应变)硬化：冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大塑性变形，强度提高，但减小了塑性和韧性。 2、时效硬化：钢材中的C、N，随着时间的增长和温度的变化，而形成碳化物和氮化物，使钢材变脆，又称“老化” 3、应变时效：冷作硬化加时效硬化。 不管哪一种硬化都将降低钢材的塑性和韧性，所以普通钢结构中一般不利用硬化现象所提高的强度；对于有些重要结构要求对钢材进行特殊处理，以消除或减轻硬化的不利影响。

18. 钢材硬化示意图

19. 五、温度影响 • 随着温度的升高，钢材强度降低，变形增大；随着温度降低，强度增高但塑性和韧性降低，材料转脆，对冲击韧性的影响十分突出。 • 当温度降至某一数值时，钢材的韧性突然降低，称为低温冷脆现象。 在结构设计中要求避免完全脆性破坏，所以结构所处温度应大于脆性转变温度T1。

20. 六、应力集中 • 概念：当截面完整性遭到破坏，如有裂纹(内部的或表面的)、孔洞、刻槽、凹角时以及截面的厚度或宽度突然改变时，构件中的应力分布将变得很不均匀。在缺陷或截面变化处附近，应力线曲折、密集、出现高峰应力的现象称为应力集中。 • 力学特点：构件变化愈急剧，高峰应力愈大，塑性下降愈严重，脆性破坏危险愈大。

21. 第四节 复杂应力状态下的屈服条件 • 复杂应力状态下的屈服准则：复杂应力状态下单位体积的单元体发生畸变时的变形能与单向拉伸时单位体积的单元体屈服时的畸变应变能量相等，则该复杂应力状态的单元体达到屈服； 复杂应力状态下单位体积单元体变形能： 单向受力状态下单位体积单元体变形能：

22. 单向受力达到屈服时单位体积单元体变形能： 令 则 记折算应力

23. （1）当 时，钢材未屈服； （2）当 时，钢材屈服； 进一步讨论 （1）三向同号应力作用下，折算应力很小，不易屈服，没有明显的塑性变形，属于脆性破坏；反之，当存在异号应力时，钢材易屈服而进入塑性状态，呈塑性破坏。 （2）平面应力：今后判断复杂平面应力是否屈服的公式； （3）平面纯剪时，fvy，剪切屈服点。

24. 第五节 钢材的疲劳 1、概念：在连续反复荷载作用下，当应力低于抗拉强度甚至低于屈服强度，钢材发生疲劳破坏；属于脆性破坏2、实质：微观裂缝在多次重复荷载作用下，微细裂缝缓慢发展到削弱原有截面，使构件或连接件因净截面强度不足而突然破坏。3、疲劳强度：取决于应力集中、残余应力和应力循环次数。4、验算对象：（1）出现拉应力；（2）循环次数大于5万。

25. 5、应力循环： 应力比值 常幅应力循环 变幅应力循环 完全对称循环(＝-1) 静荷载作用(＝+1) 脉冲循环(＝0) 一般应力循环(-1<<+1)

26. 6、疲劳验算 △：对焊接结构为应力幅 △＝max－min；对非焊接部位为折算应力幅 △＝max－0.7min，应力以拉为正，压为负； [△]：常幅疲劳的容许应力幅： 式中C，查表系数。容许应力幅与循环次数和应力集中程度有关，次数越多， [△] 越小；构件和连接所属的类别越高，其应力集中程度越严重，容许应力幅越小。

27. 第七节 钢材的种类和选择 一、建筑钢材的类别 • 1、碳素结构钢 • 牌号表示： • 质量等级据化学成分及冲击韧性分为A、B、C、D四级； • 脱氧程度 • 冲击韧性

28. 2、低合金高强度结构钢 • 在钢的冶炼过程中添加少量几种合金元素使钢的强度明显提高，故称低合金高强度结构钢。 • Q345、Q39O和 Q420 是钢结构设计规范规定采用的钢种。其符号的含义和碳素结构钢牌号的含义相同。不同质量等级对碳、硫、磷、铝等含量的要求也有区别。 • 低合金高强度结构钢一般属于镇静钢，因此牌号中不注明脱氧方法。

29. 二、 钢材的选择 • 1. 结构或构件的重要性； • 2. 荷载性质（静载或动载）； • 3. 连接方法（焊接、铆接或螺栓连接）； • 4. 工作条件（温度及腐蚀介质）。 • Q235A 钢的保证项目中，碳含量、冷弯试验合格和冲击韧性值并未作为必要的保证条件，所以只宜用于不直接承受动力作用的结构中。当用于焊接结构时，其质量证明书中应注明碳含量不超过 0.2%。

30. 三、型钢规格 1．热轧钢板 热轧钢板分厚板及薄板两种，厚板的厚度为4.5～60mm(广泛用来组成焊接构件和连接钢板)，薄板厚度为0.35～4mm(冷弯薄壁型钢的原料)。在图纸中钢板用“-厚 x 宽 x 长（单位为毫米）” ，如：-12 x800x 2100等。 2．热轧型钢 • 角钢 ——有等边和不等边两种。等边角钢，以边宽和厚度表示，如 L100 x10为肢宽 100 mm 、厚 10mm 的等边角钢。不等边角钢，则以两边宽度和厚度表示，如 L100 x 80 x10 等。

31. 槽钢——表示法如［ 30a ，指槽钢外廓高度为 30cm 且腹板厚度为最薄的一种； • 工字钢——表示法如 I 30a ，指槽钢外廓高度为 30cm 且腹板厚度为最薄的一种； • H 型钢——分为三类：宽翼缘 H 型钢（ HW ）、中翼缘 H 型钢（ HM ）和窄翼缘 H 型钢（ HN ）。 表示方法如：HW300x300 ，即为截面高度为 300mm ，翼缘宽度为 300 mm 的宽翼缘 H 型钢。 • 剖分 T 型钢——分为三类，即：宽翼缘剖分 T 型钢（ TW ）、中翼缘剖分 T 型钢 ( TM ）和窄翼缘剖分 T 型钢( TN ）。剖分 T 型钢系由对应的 H 型钢沿腹板中部对等剖分而成。表示方法与 H 型钢类同。

32. 3、冷弯薄壁型钢 用 2～6mm 厚的薄钢板经冷弯或模压而成型的。压型钢板是近年来开始使用的薄壁型材，所用钢板厚度为 0.4～2mm ，用做轻型屋面等构件。

33. 第二章 作业 2-4 简述引起钢材脆性破坏的因素。