矿大土木工程材料 第3章 钢材

低碳钢的应力-应 变关系曲线 OA：弹性阶段 AB：屈服阶段 BC：强化阶段
CD：颈缩阶段。
弹性阶段(OA段)：在OA阶段，如卸去荷载，试件将恢复原状，表现为弹性变
形，与A点相对应的应力为弹性极限。此阶段应力与应变成正比，即产生单位 弹性应变时所需的应力大小。（弹性模量和弹性极限）
屈服阶段(AB段)：图中B上点是这一阶段应力最高点，称为屈服上限，B下点
高碳钢（含碳量>0.6%）
（2）合金钢-专门加入 合金元素
低合金钢（合金元素含量<5%） 中合金钢（合金元素含量<5-10%） 高合金钢（合金元素含量>10%）
二、钢的分类
2按冶炼时脱氧程度分： （1）镇静钢：用硅脱氧，钢质均匀 密实，品质好，成本高，可用于承受 冲击荷载的重要结构。代号“Z”
A
B
称为屈服下限。由于B下比较稳定易测，因此以它作为材料抗力的指标，称为 屈服点或屈服强度，用бs表示。钢材受力达屈服点后，变形即迅速发展，尽 管尚未破坏但已不能满足使用要求。故设计中一般以屈服点作为强度取值依据。 强化阶段(BC段)：对应于最高点C的应力，称为强度极限或抗拉强度。工程上 使用的钢材，不仅希望具有高的屈服强度，还希望具有一定的屈强比。屈强比 越小，钢材在受力超过屈服点工作时的可靠性越大，结构愈安全。但如果屈强
和杂质氧化
电炉钢——采用电炉加热炼制钢材，主要为各种特殊钢

炼钢
炼钢转炉

浇铸钢锭

炼钢筋

炼钢板
二、钢的分类
1按化学成分分：
可以调整 钢材性能 有害 磷、硫、氧、氮
钢的主要成分： 铁、碳
其他一些杂质： 硅、锰、钛、钒 （1）碳素钢--
低碳钢（含碳量<0.25%） 中碳钢（含碳量0.25-0.6%）
3.2建筑钢材的主要技术性能
力学性能 技术性能 强度、弹性、塑性、耐磨性…
工艺性能 （可加工性）：冷弯、可焊性
一、力学性能 静荷载：一定的力学强度和不致过大的变形 动荷载：较高的韧性
1、强度（抗拉性能）
2、塑性
3、韧性 4、硬度 5、疲劳强度
一、力学性能
1、强度：在外力作用下，材料抵抗变形和破坏能力 钢材受力产生应力、应变，反映钢材的主要力学特征
于进行各种加工，而且能保证钢材在建筑上的安全使用。因为钢材
的塑性变形能调整局部高峰应力，使之趋于平缓，以免引起建筑结 构的局部破坏及其所导致的整个结构破坏；钢材在塑性破坏前，有 很明显的变形和较长的变形持续时间，便于人们发现和补救。
（3）冲击韧性
冲击韧性是指钢材抵抗冲击荷载的能力。冲击韧性指标是通
比过小，则钢材有效利用率太低，造成浪费。
颈缩阶段(CD段):由于试件断面急剧缩小，塑性变形迅速增加，拉力也就随着 下降，最后发生断裂。将拉断后的试件于断裂处对接在一起，测得其断后标距。
标距的伸长值与原始标距的百分比称为伸长率。
注意 拉伸性能是建筑钢材最重要的性能。通过对钢材进行抗拉试验所测 的屈服强度、抗拉强度(极限强度）和伸长率是钢材的重要技术性 质指标。 (1) 弹性模量：钢材受力初期，应力与应变成比例地增长，应力与 应变之比为常数，称为弹性模量，即E =б/ε。这个阶段的最大应
力（P点对应值）称为比例极限бp。弹性模量反映了材料受力时抵
抗弹性变形的能力，即材料的刚度，它是钢材在静荷载作用下计算 结构变形的一个重要指标。 (2)弹性极限：应力超过比例极限后，应力-应变曲线略有弯曲，应
力与应变不再成正比例关系，但卸去外力时，试件变形能立即消失，
此阶段产生的变形是弹性变形。不产生残留塑性变形的最大应力
截面迅速缩小，出现颈缩现象，直至断裂破坏。
钢材受拉断裂前的最大应力值（b点对应值）称为强度极限或 抗拉强度бb，不直接利用。 屈强比（ бs/ бb）：反映材料的安全可靠程度和利用率。
2
塑性：塑性是钢材的一个重要性能指标。
在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力
用拉伸试验时的伸长率、断面收缩率表示
（1）伸长率：
过标准试件的弯曲冲击韧性试验确定的。以摆锤打击试件，于 刻槽处将其打断，试件单位截面积上所消耗的功，即为钢材的 冲击韧性指标
冲击韧性值（ αk ）：以摆锤冲击V形缺口试件时单位面 积所消耗的功
P ( H h) k A
钢材的冲击韧性越大,钢材抵抗冲击荷载的能力越强。
αk值与试验温度有关。有些材料在常温时冲击韧性并不低，破坏 时呈现韧性破坏特征。但当试验温度低于某值时， αk 突然大幅度
Infrastructure 16.4%
基礎公共建設 226亿/年
Government 14.6%
Utilities 34.7%
政府 201亿/年
民用工業 479亿/年
Production & Manufact 297亿/年
Transportation 21.5%
第三章 建筑金属材料
金属材料主要有：
黑色金属：钢、铁以及钢铁合金
金属 有色金属：除黑色金属以外的金属 铝、铜等
钢材优点：
轻质高强：
艾菲尔铁塔 321M 7200T（1889）
东京塔
333M
4000T（1958）
韧性好、抗冲击能力强，良好的可加工性能 外表轻巧、华美，具有光泽等
钢材缺点：易锈蚀、维护费用高、耐火性差等
程无明显屈服阶段，无法直接 测定屈服强度。用条件屈服强 度σ0.2来代替屈服强度。 条件屈服点σ0.2 ：使硬钢产生 0.2%塑性变形时的应力。见左 图。
0
b a 0.2%
ε
oa——总变形。 ba——弹性变形99.8%。 ob——塑性变形0.2%。
(4)极限强度
当钢材屈服到一定程度后，由于内部晶粒重新排列，其抵抗变 形能力又重新提高，此时变形虽然发展很快，但却只能随着应 力的提高而提高，直至应力达最大值。此后，钢材抵抗变形的 能力明显降低，并在最薄弱处发生较大的塑性变形，此处试件
（1）炼铁：铁矿石 方法：高炉炼铁 生铁：含碳量2.11-6.67%，脆硬 （2）炼钢： 铁水、铁块或废钢 钢:
冶炼
冶炼
铁水+矿渣
钢与生铁的
主要区别：
含碳量不同
钢水+钢渣
含碳量0.06%--2.0%
生产方法： 转炉法（空气、氧气）；平炉法；电炉法。 氧气转炉钢——用纯氧吹入铁液中使碳和杂质氧化脱离 平炉钢——以煤气或重油作燃料，原料为铁液、废钢铁 和适量的铁矿石，利用空气或氧气和铁矿石中的氧使碳
我国因腐蚀造成直接经济损失高达3000亿元/年！
本章的教学目标是：
⑴ 了解建筑钢材的微观结构及其与性质的关系
⑵ 熟练掌握建筑钢材的力学性能（包括强度、弹
性及塑性变形，耐疲劳性）的意义，测定方法及影
响因素，掌握钢材工艺性能 ⑶ 熟悉建筑钢材的强化机理及强化方法 ⑷ 掌握土木工程中常用的建筑钢材的分类及其选 用原则
（e点对应值）称为弹性极限бe。事实上，бp与бe相当接近。
注意
(3) 屈服强度和条件屈服强度 当应力超过弹性极限后，变形增加较快，此时除了产生弹性
变形外，还产生部分塑性变形。当应力达到B点后，塑性应变急
剧增加，曲线出现一个波动的小平台，这种现象称为屈服。这一 阶段的最大、最小应力分别称为上屈服点和下屈服点。由于下屈
痕面积，得布氏硬度（HB）。压痕较大，实验数据准确、稳定。 洛氏法——压痕深度：在洛氏硬度机上根据测量的压痕深度计算（HRA或HRC）
操作简单迅速，但压痕小，试验精度差。
5、疲劳强度
受交变荷载反复作用，钢材在应力低于其屈服强度的情况下突然发生脆性断 裂破坏的现象,称为疲劳破坏。 钢材的疲劳破坏一般是由拉应力引起的，首先在局部开始形成细小断裂，随 后由于微裂纹尖端的应力集中而使其逐渐扩大，直至突然发生瞬时疲劳断裂。 疲劳破坏是在低应力状态下突然发生的，所以危害极大，往往造成灾难性的事 故。 钢材在无穷次交变荷载作用下而 不至引起断裂的最大循环应力值，称 为疲劳强度极限，实际测量时常以 2×106次应力循环为基准。钢材的疲 劳强度与很多因素有关，如本身强度、 组织结构、表面状态、合金成分、夹 杂物和应力集中情况等。
良好的塑性，可将结构上的应力(超过屈服点的应力) 重分布，从而避免结构过早破坏。
(2)断面收缩率（ψ）
A0 A1 A0
Ａ0——试件原始截面积 Ａ1——试件拉断后颈缩处的截面积
伸长率和断面收缩率表示钢材断裂前经受塑性变形的能力。伸长率 越大或断面收缩率越大，说明钢材塑性越大。钢材塑性大，不仅便
L1 L0 100% L0
伸长率表征了钢材的塑性变形能力。由于在塑性变形时 颈缩处的伸长较大，故当原始标距与试件的直径之比愈大， 则颈缩处伸长中的比重愈小，因而计算的伸长率会小些。
δ5 ：表示L0 =5d0的伸长率 δ10 ：表示L0 =10d0时的伸长率
d0——钢材直径
伸长率δ是衡量钢材塑性的指标，它的数值越大，表示 钢材塑性越好。
服点的数值较为稳定，因此以它作为材料抗力的指标，称为屈服
点或屈服强度，用бs表示，设计中一般以其为强度取值依据。 有些钢材(如高碳钢)无明显的屈服现象，通常以发生微量的 塑性变形(0.2％)时的应力作为该钢材的屈服强度，称为条件屈 服强度(σ0.2 )。高碳钢拉伸时的应力-应变曲线如图所示。
硬钢（高碳钢）的拉伸性能 σ 硬钢强度高，塑性差，拉伸过 A
二、钢的分类
3按杂质含量分： 普通钢：含硫量≤0.045％-0.050％；含磷量≤0.045％。 优质钢:含硫量≤0.035％；含磷量≤0.035％。 高级优质钢:含硫量≤0.025％，含磷量≤0.025％。 牌号后加“高”或“A” 特级优质钢:含硫量≤0.015％，含磷量≤0.025％。
后加“E”