第二章 钢结构的材料

现在，国内的大型钢铁集团均已采用了连 铸连轧技术，对于连铸连轧钢材，均为镇 静钢材。
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三、温度的影响 • 正温度范围内（t>0oC）: t<200oC时，钢材的性 能变化不大。 t在250oC左右，钢材塑性和韧性下 降，破坏常呈脆性破坏特征。 t =(260～320)oC时， 钢材有徐变现象。t>300oC时，钢材的强度和E开 始显著下降，而δ显著增大。当t>400oC时，钢材 的强度和E都急剧降低，t>600oC时其承载能力几 乎丧失。 • 负温度范围内 （t<0oC）：随着温度降低，塑性 和韧性降低，材料变脆，称为低温冷脆。钢材冲 击韧性与温度的关系曲线反弯点所对应的温度t0 称为脆性转变温度。设计选用钢材时应使其脆性 转变温度区的下限温度t1低于结构所处的工作环 72 境温度，即可保证钢结构低温工作的安全。
(4) 强化阶段 试件能承受的最大拉应力 fu为钢材的抗拉强 度。取fy作为强度极限承载力的标志， fu就成为材料的 强度储备。 (5)颈缩破坏阶段 (6) 可把钢材视为理想弹塑性体。 (7) 伸长率δ =(l1-l0)/ l0*100% ,反映钢材的塑性变形能力。
二、冷弯性能
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将试件弯成180 o，若试件外表面不出现裂 • 纹和分层，即为合格。综合反映钢材的塑性 性能和冶金质量。重要结构中需要有良好的 冷热加工性能时，应有冷弯合格保证。
四、冷加工硬化和时效硬化 1.应变硬化 钢材在常温下加工称为冷加工。冷轧、 冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大的 塑性变形，从而使fy提高，但同时降低了钢材的塑 73 性和韧性，这种现象称为冷加工硬化。
2.时效硬化 钢材经过一定时间后强度提高但塑性 降低，这种现象称为时效硬化。不同种类钢材 的时效硬化过程可从几小时到数十年。 3.人工时效 使钢材产生10%的塑性变形，再加热 到200～300 oC，然后冷却到室温进行试验。这 样可使时效在几小时内完成。 4.设计要求 钢结构设计一般不利用冷加工硬化造 成的强度提高，而且对直接承受动力荷载的钢 结构还应设法消除冷加工硬化的影响，如将局 部硬化部分用刨边或扩钻予以消除。
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2. 低合金结构钢
• 低合金结构钢是在冶炼碳素结构钢时加入一种 或几种适量的合金元素而成的钢。其钢材牌号 的表示方法与碳素结构钢相似，但质量等级分 为A、B、C、D、E五级，且无脱氧方法符号。例 如Q345-B，Q390-D，Q420-E。 3. 专用结构钢 (1)特殊用途的钢结构常采用专用结构钢。专 用结构钢的钢号用在相应钢号后再加上专业用途 代号（压力容器、桥梁、船舶和锅炉用钢材的专 业用途代号分别为R、q、C和g）来表示。
各国钢材标准不同，很难明确地找出与我国钢材品 种之间的相应关系，正确做法是检查它们提供的质保 书(化学成分和机械性能)，以确定该钢种与我国哪个钢 种是可代替的。以强度为依据的各国钢材与我国钢材 相应关系列于下表 。
各国钢材品种与我国钢材品种对应表
日 本
SS400 SM400 SMA400 SM490YA SM490YB SM520
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第五节 钢材的钢种、钢号及选择
一、钢种 钢材的种类，钢结构常用的是 碳素结构钢和低合金结构钢。 二、钢号 钢材的牌号简称为钢号。 1. 碳素结构钢
钢号由代表屈服点的字母Q、屈服强 度数值（t≤16mm时的fy，单位是N/mm2）、质量等级符 号（分为A、B、C、D四级，质量依次提高）、脱氧方法 符号（沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢的代号 分别为F、b、Z和TZ，其中Z和TZ在钢号中省略不写）等 四个部分按顺序组成。例如Q235-B〃F, 表示屈服强度为 235 N/mm2的B级沸腾钢。钢材的质量等级中，A、B级钢 按脱氧方法可为沸腾钢、半镇静钢或镇静钢，C级为镇 静钢，D级为特殊镇静钢。
f 210
6
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三、疲劳计算应注意问题
• 当n≥105时，应进行疲劳计算。 • 疲劳计算采用的是容许应力幅法，计算公式是以 实验为依据的，实验中已包含了动力的影响，故 荷载应采用标准值且不乘动力系数，应力幅按弹 性工作计算。 • 在完全压应力（不出现拉应力）循环中，由于压 应力不会使裂纹继续扩展，故规范规定此种情况 可不进行疲劳计算。
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1. 常幅疲劳计算 Δσ≤[Δσ]
1
[ ] (C / n)
C、β——参数，根据表2—2中的构件和连接 类别按表2-3采用。 Δσ——对焊接部位△σ =σmax-σmin；对非焊接 部位 △σ=σmax-0.7σmin。 由上式可见，容许应力幅与钢材的强度 无关，这表明不同钢材具有相同的抗疲劳 性能。
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五、复杂应力状态的影响
在复杂应力如平面或立体 应力作用下，钢材的屈服并 不只取决于某一方向的应力， 而是由反映各方向应力综合 影响的 屈服条件来确定。
2 2 2 2 2 eq x y z2 ( x y y z z x ) 3( xy yz zx )
四、钢材受压和受剪时的性能
• 钢材在单向受压（短试件）时，受力性能 基本上与单向受拉相同。受剪的情况也相 似，但屈服点τy及抗剪强度τu均低于fy和fu； 剪变模量G也低于弹性模量E。
第三节 影响钢材性能的主要因素
一、化学成分的影响 碳(C )、锰（Mn）、钒（V）是有利元素，但 也要注意对含量的限制。 硫（S）、磷（P）氧（O）、氮（N）会降 低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳性能。应严 70 格限制含量。
二、钢材生产过程的影响
1. 冶炼炉种的影响 已无必要强调炉种的影响。 2. 钢的脱氧 钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不匀并
发生热脆。因此浇注钢锭时要在炉中或盛钢桶中加入脱 氧剂以消除氧。因脱氧程度或方法不同，把钢分为沸腾 钢(F)、半镇静钢(b)、镇静钢(Z)和特殊镇静钢(TZ)。 3.钢材的轧制 将钢锭加热至1200～1300o C ，通过轧钢机将其 轧成所需形状和尺寸的钢材，称为热轧钢材。轧钢机的 压力作用可使钢锭中的小气泡和裂纹弥合，并使组织密 实。钢材的压缩比（钢坯与轧成钢材厚度之比）愈大时， 其强度和冲击韧性也愈高。
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二、疲劳计算
• 反复荷载作用产生的应力重复一周叫做一个循环。 Δσ=σmax-σmin称为应力幅，表示应力变化的幅度。 • 试验表明，焊接结构发生疲劳破坏并不是名义最 大应力σmax作用的结果，而是焊缝部位足够大小 的应力幅反复作用的结果。非焊接结构的的疲劳 寿命不仅与应力幅有关，还与 其他因素有关。 规范把疲劳计算公式中的应力幅调整为折算应力 幅，以反映其实际工作情况。 • 疲劳计算的公式是以试验为依据的，分为常幅和 变幅疲劳两种情况进行计算。
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第二节 钢材的主要机械性能
钢材的机械性能（力学性能）通常是指 钢厂生产供应的钢材
在标准条件下
拉伸、冷弯和冲击等 单独作用下显示出的各种机械性能。 它们由相应实验得到，试验采用的试件的制作和试 验方法都必须按照各相关国家标准规定进行。
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一、单向拉伸时的性能 标准试件在室温（100C～350C) 、以满足静力 加载的加载速度一次加载所得钢材的应力σ～ ε 应变曲线。
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第三节 影响钢材性能的主要因素
一、化学成分的影响
碳(C )、锰（Mn）、钒（V）是有利元素，但 也要注意对含量的限制。 硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）会 降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳性能。应 严格限制含量。
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同号应力场使材料脆性加大。
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六、应力集中的影响
• 钢构件在缺陷或截面变化处附近 将产生局部高峰应力，其余部位 应力较低，称为应力集中。在应 力高峰区域存在着同号的双向或 三向应力。这种同号的双向或三 向应力场有使钢材变脆的趋势。 应力集中系数越大，变脆的倾向 亦愈严重。 • 在负温下或动力荷载作用下，应 力集中往往是引起脆性断裂的根 源，设计中应设法避免或减小应 力集中，并选用质量优良的钢材。
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弱脱氧剂（锰铁），CO
强脱氧剂（硅、锰）
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第六节
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一、钢材疲劳的基本概念
第四节 钢材的疲劳
钢材在反复荷载作用下，在应力低于钢材抗拉强度甚 至低于屈服点时突然断裂，称为钢材的疲劳或疲劳破坏。 钢结构中总存在有微观裂纹或类似的缺陷，导致应力 集中。在多次反复荷载作用下，微观裂纹不断开展，应 力集中现象越来越严重。当荷载反复循环达一定次数n （疲劳寿命）时，裂纹扩展使得净截面承载力不足以承 受外力作用时，构件突然断裂，发生疲劳破坏。 疲劳 破坏一般经历裂纹形成、裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂 三个阶段。
三、冲击韧性
冲击韧性值用击断试样所需
的冲击功AKV表示,单位为J。
冲击韧性与温度有关，当
温度低于某一负温值时，冲击韧性值将急剧降低。因此在 寒冷地区建造的直接承受动力荷载的钢结构，除应有常温 冲击韧性的保证外，尚应依钢材的类别，使其具有-20oC 69 或-40oC的冲击韧性保证，应AKV ≥27J（焦耳）。
中国 美 国
235 A36
英国
40 50D
法国
E24 E36
德国
St37 St44
俄罗斯