钢结构设计原理 第二章 钢结构的材料.

§2-2建筑钢材的主要性能
一、钢材的两种破坏形式塑性破坏和脆性破坏 建筑用钢材是理想的弹塑性材料，塑性性能比较好， 但在有些情况下也存在脆性，或由塑性转化为脆性。 钢材有两种可能的破坏形式：塑性破坏和脆性破坏。 1、塑性破坏（延性破坏）： 1）现象：从钢材静力拉伸试验可以看出，构件应力大于 屈服点后，构件产生很大的变形和明显的“颈缩”现象并断 裂，塑性破坏断口为杯形，呈纤维状，色泽发暗。 2）特点：破坏前有明显的变形，有预兆，故可预防和避免， 且塑性变形后出现的应力重分布现象可使构件应力趋于均匀 ，可提高构件的承载力。
2、脆性破坏： 1）现象：在破坏前无明显变形，平均应力也小（一 般小于屈服点），脆性破坏断口平直，呈有光泽的晶粒 状。 2）特点：破坏是突然发生的，无任何预兆，后果严重。
二、单向均匀应力作用下的静力工作性能
单向拉伸试验： fu fy
a’
（一）强度指标
破坏阶段 e f
s
b c
屈服阶段
d 弹塑性阶段
冷弯试验见图2.4(P11)
五、钢材的可焊性
钢材的可焊性是指在一定工艺和结构条件下，钢材经过焊接 能够获得良好的焊接接头的性能。 可焊性分为施工上的可焊性和使用性能上的可焊性。 施工上的可焊性指对产生裂纹的敏感性，使用性能上的可焊 指焊接构件在焊接后的力学性能是否低于母材。
我国现行钢结构设计规范推荐的几种建筑钢材均有良好的 可焊性 。
强化阶段
弹性阶段
e
碳素结构钢材的应力-应变曲线
1. 比例极限fp-弹 性阶段和塑性 阶段分界点处 的应力 2. 屈服强度fy屈服阶段最低 点处的应力 3. 抗拉强度fu-也 称极限强度， 曲线最高点处 的应力
为了简化计算，通常假定屈服点之前材料为完全弹性的， 屈服点之后变为一塑性材料（如图所示）。因此钢结构在 按弹性设计时，以屈服点 f y 作为强度计算的依据，并据以 确定钢材的强度设计值；在按塑性设计时，则有意识地利 用材料的塑性性质获得节约钢材的效果。
二、影响钢材性能的主要因素 1、化学成分的影响 碳C:是除铁以外的最主要元素，C元素含量提高，钢材 强度提高，塑、韧性下降，可焊性和抗腐蚀性能恶化。 《规范》推荐的建筑用钢材含碳量 一般结构<0.22% 焊接结构 <0.20%
A0 A1 100% A0
A0 ——试件原来的断面面积； A1 ——试件拉断后颈缩区的断面面积； 结构或构件在受力时（尤其承受动力荷载时）材料塑性好坏往往 决定了结构是否安全可靠，因此钢材塑性指标比强度指标更为重 要。
三、冲击荷载下的韧性指标------韧性试验得到 韧性：是指钢材在塑性变性和断裂过程中吸收能量的能力， 也是表示钢材抵抗冲击荷载的能力。 钢材韧性通过冲击试验，测定冲击功来表示。
s
fy
e
抗拉强度 fu是钢材破坏前能够承受的最大应力。钢材达到 fu 时，已产生很大塑性变形而失去使用性能，但fu 高则可以增加 结构的安全保障，故屈强比fy/fu 的值可看作钢材强度储备系数。
由应力—应变图得到的几个结论：
1、在设计时取屈服点为钢材可以达到的最大应力，且作为 钢材静力强度的标准值。 2、钢材为理想的弹塑性体 钢材在屈服以前接近于理想弹性体，在屈服后接近于理想 塑性体。 3、塑性变形大 钢材破坏前的塑性变形差不多等于弹性变形的200倍，产生 破坏时容易发现和补救，不致引起严重后果。 4、安全储备大 f y fu 屈强比 的比值为衡量钢材强度储备的一个系数。
第二章钢结构的材料 主要内容
§2-1建筑钢材的基本要求 §2-2建筑钢材的主要性能 §2-3影响钢材性能的主要因素 §2-4复杂应力下钢材的屈服条件 §2-5钢种、钢号、钢材的选用及钢材的规格
本章内容主要根据对建筑钢材的基本要求，讲述建筑钢主要 机械性能以及影响钢材机械性能的各种因素，并介绍我国目前 生产的建筑钢材常用品种及规格，目的是使同学们在设计时能 合理选择和使用钢材，在施工中能按照设计要求严格进行钢材 的验收管理，并按正确的方法进行加工和制造。
式中： ak——冲击韧性值； Ak——冲击功； An——试件缺口处的净截面积。 钢结构设计规范对钢材的冲击韧性ak有常温和负温要 求的规定。选用钢材时，根据结构的使用情况和要求 提出相应温度的冲击韧性指标要求。
Ak ak An
四、1800冷弯性能-冷弯试验得到（定性指标） 冷弯性能：是指钢材常温下承受弯曲变形 的能力，同时也能反映钢材质量。是一个综合指标。
§2-3影响钢材性能的主要因素
一、组织构造-主要针对低碳钢而言 1. 纯铁体：已结晶形式存在，占99%，性质为强度低， 塑、韧性好。 2. 渗碳体：以Fe3C的化合物形式出现，较硬脆，在钢 材中一般不存在单独的渗碳体，它与纯铁体混合而 成珠光体。 3. 珠光体：前两者的混合物，性质为强度高，塑、韧 性差。
§2-1建筑钢材的基本要求
1. 2. 3.
较高的强度---fy , fu较高 足够的变形能力---良好的塑、韧性 良好的加工性能---冷、热加工及可焊性能好 另外，在低温下、高温下及腐蚀性环境中，要求钢材具 有相当的适应能力
根据以上要求，我国《现行钢结构设计规范》GB500172003推荐承重结构钢材:Q235、 Q345 、 Q390、 Q420钢 首者应符合国家标准《碳素结构钢》GB/T700的规定， 后三者应符合《低合金高强度结构钢〉GB/T1590的要求， 其中Q420钢是新推荐的。 鸟巢所用钢材名为Q460EZ235，这种钢的强度是普通钢材 的两倍，能达到最高级别，而这种钢材完全由我国自主创新 研究出来。 名为Q460EZ235的钢材是顶级建筑用钢，“460”指的是钢材 的强度，这表明这种钢的强度是普通钢材的两倍，“E”指的 是零下–40度的冲击韧性指标，这表明此钢的韧性十足，而 “Z235”则表明鸟巢钢材的性能是最高级的。
（二）塑性指标 塑性：钢材的塑性是指钢材受力时，在应力达到 fy以后，能 产生显著的塑性变形，而不立即断裂的性质。 塑性好坏可用伸长率和断面收缩率 表示。通过静力拉伸试验 得到。 伸长率为试件拉断时原标距间长度伸长值与原标距
lo
100%
断面收缩率是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面 面积比值的百分率。