2 第2章 钢结构的材料

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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
钢是含碳量小于2％的铁碳合金，碳大于2％时则为铸铁。钢结构 所用的钢材主要为碳素钢中的低碳钢和普通低合金钢。 碳素结构钢由钝铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占99％，碳 及杂质元素约占1%。低合金结构钢中，除上述元素外还加入少量合金元 素，后者总量通常不超过 3％。碳及其他元素虽然所占比重不大，但对 钢材性能却有重要影响。
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(二)有益元素 （1）锰（Mn） 锰能显著提高钢材的强度而不过多地降低塑 性和冲击韧性。锰有脱氧作用，是弱脱氧剂。锰 还能消除硫对钢材的热脆影响。 （2）硅（Si） 硅是强脱氧剂。硅能使钢材的粒度变细，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。
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(二)有益元素 （3）钒（V）、铌（Nb）、钛（Ti） 钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低 合金钢都含有这三种元素，既可提高钢材强度， 又能保持良好的塑性、韧性。 （4）铝(A1)、铬(Cr)、镍(Ni) 铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅能 进一步减少钢材中的有害氧化物，而且能细化晶 粒。
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(三)温度影响 （1）正温范围 当温度逐渐升高时，钢材的强度、弹性模量 不断降低，变形能力则不断增大。 ≤200℃ 性能变化不大。 250℃左右 蓝脆。 260~320℃ 徐变现象。 >300℃时， 强度、弹性模量显著下降，塑 性变形显著增大。 >400℃ 强度、弹性模量急剧降低， 600℃ 几乎丧失承载能力。 超过150℃之后钢结构表面需加设隔热保护层 。
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三、制作加工、安装和使用过程的影响 (一) 热处理的影响 某些高强度钢材在轧制后经过热处理才出厂。 （1）正火 把钢材加热至850~900℃并保持一段时间后在 空气中自然冷却。 （2）回火 将钢材重新加热至650℃并保温一段时间，然 后在空气中自然冷却。 （3）淬火 把钢材加热至900℃以上，保温一段时间，然 后放入水或油中快速冷却。
（2-2）
当σeq< fy时，钢材处于弹性阶段； 当σeq≥ fy时，钢材处于塑性阶段。 三轴拉应力作用下，破坏表现为脆性。 有一向为异号应力，且同号两个应力相差又较大， 破坏为塑性。
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平面应力状态
eq 1 2
2 1 2 2
2 2 2 σ eq σ x σy σ x σ y 3τ xy
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二、变形能力
(一)塑性 塑性是材料承受达到屈服点的应力后，能够 产生显著的变形而不立即断裂的性能。 伸长率δ
l1 l0 100% l0
（2-8）
截面收缩率ψ

A0 A1 100% A0
（2-9）
δ和ψ数值越大，表明钢材塑性越好。 屈服点、抗拉强度和伸长率，是钢材的三个重要力 学性能指标。
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图2-6 孔洞的应力集中 （a）钢板开圆孔 （b）钢板开长圆孔
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钢材在单向拉伸时，可借助于实验得到屈服条件，即当 σ=fy 时， 材料开始屈服，进入塑性状态。实际钢结构中，钢材常是在双向或三向 复杂应力状态下工作，如图2-7所示，这时钢材的屈服并不取决于某一 个方向的应力，从而不能用实验得到普遍适用的表达式，而是应利用材 料力学强度理论用折算应力 σeq和钢材在单向应力下的屈服点相比较来 判别。研究表明，对均匀性和塑性较好的钢材，适合采用第四强度理论 即能量强度理论，折算应力σeq按计算如下：
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(二)钢材硬化的影响 （1）时效硬化（老化） 钢材随存放时间延长，其强度提高，塑性和 韧性降低现象，称为时效硬化，见图2-10（a）。
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图2-10 硬化对钢材性能的影响 （a）时效硬化及冷作硬化 （b）应变时效
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(二)钢材硬化的影响 （2)冷作硬化（应变硬化） 指当钢材冷加工(剪、冲、拉、弯等)超过其弹 性极限后卸载，出现残余塑性变形，再次加载时 弹性极限或屈服点提高的现象，见图2-10（a）。 （3）应变时效 在钢材产生一定数量的塑性变形后，已经冷 作硬化的钢材又发生时效硬化的现象，称为应变 时效，见图2-10（b）。为了加速时效硬化进程， 人工加载让钢材先产生10%左右的塑性变形，然 后加热至250℃，并保温一小时后自然冷却，称为 人工时效。
图2-12碳素结构钢牌号中符号含义
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图2-1 静力拉伸试验 的标准试件
图2-2钢材一次单向拉伸 简化应力-应变曲线
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(1)阶段Ⅰ：弹性阶段（OA段） 比例极限fp: E E=2.06×105N/mm2 卸除荷载后试件的变形将完全恢复。 (2)阶段Ⅱ：弹塑性阶段（AB段） ζ与ε呈非线性关系，应力增加时，相应增加的 应变除弹性应变外还有塑性应变，卸载时，其中塑 性应变不能恢复，称为残余应变。B点对应应力fy 称为屈服点（又称屈服强度），对应的应变约为 0.15%。
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(二)冲击韧性 钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的 能力，是衡量钢材在冲击荷载作用下抵抗脆性破 坏能力的指标。如图2-8，Akv愈大，钢材在断裂时 吸收的能量越多，其韧性愈好。
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图2-8冲击韧性试验（单位：mm）
(三)冷弯性能 冷弯性能由冷弯试验来确定。试验时按规定 的弯心直径在试验机上用冲头对试件加压，使其 弯成180°，如图2-9所示。如试件外表面不出现 裂纹和分层即为合格。
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(5)阶段Ⅴ：颈缩阶段（DE段） 在承载力最弱的截面处，横截面急剧收缩—— 颈缩，变形也随之剧增，荷载下降，直至断裂。 对于没有缺陷和残余应力 影响的试件,可认为钢材是图23所示理想弹-塑性体，经历两 个阶段，即假定钢材应力小于 fy时是完全弹性的，应力超过 fy后则是完全塑性的。设计时 ，取fy作为强度限值，而取fu 作为材料的强度储备。
图2-3 理想弹-塑性 应力-应变曲线图
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高强度钢材没有明显屈服点和屈服平台，这类 钢的屈服点是根据实验分析结果人为规定的，称为 条件屈服点，用f0.2表示，定义为试件卸载后其残余 应变为0.2%对应的应力，如图2-4所示。
图2-4高强度钢的应力-应变曲线
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二、反复荷载作用下钢材的性能 (一)高周疲劳破坏(疲劳破坏)
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(二)浇铸 冶炼好的钢水出炉后，注入模具，浇铸成钢 锭或钢坯。浇铸和脱氧同时进行，因脱氧程度不 同，分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢。 钢在冶炼及浇铸过程中产生冶金缺陷。常见 的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔及裂纹等 。
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(三)轧制 轧制在1200～1300℃高温下进行。钢材轧制 能使金属的晶粒变细，也能使气泡、裂纹等焊合， 消除显微组织缺陷，因而改善了钢材的力学性能。 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，所 以分层是钢材尤其是厚板的一种缺陷。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。
图2-9 钢材冷弯试验示意图
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三、加工性能
钢材应具有良好的冷、热加工，不因制作加工对强度、塑性及韧 性带来较大的有害影响，同时还应具有良好的可焊性。
钢材的可焊性受含碳量和合金元素含量的影响，含碳量在 0.12%~0.20%范围的碳素钢可焊性良好。含碳量再提高会使焊缝和热影 响区变脆，从而降低可焊性。提高钢材强度的合金元素大多也对可焊性 有不利影响。可焊性与焊接材料、焊接方法、焊接工艺参数及工艺措施 都有一定关系。
（2-3） （2-4） （2-5） （2-6）
普通梁
σ eq σ 2 3τ 2
受纯剪时
σ eq 3τ

fy 3
2
0.58 f y
（2-7）
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第二节 钢结构对钢材性能的要求 一、强度
屈服强度是衡量结构承载能力和确定强度设计值的重要指标，屈 服点高可以减小截面，从而减轻自重，节约钢材，降低造价；抗拉强度 是是衡量钢材抵抗拉断的性能指标，抗拉强度高，可以增加结构的安全 保障。屈强比 fy/fu是钢材强度储备的系数，屈强比越低，安全储备越 大。
图2-5 钢材滞回曲线
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三、复杂应力状态下钢材的性能
钢结构构件中经常存在孔洞、槽口、凹角、截面的厚度和宽度的 突然改变及钢材的内部缺陷等。此时，构件中的应力分布变得很不均匀， 在缺陷或截面变化处附近将产生局部高峰应力，其余部分应力较低，如 图2-6所示，这种现象称为应力集中。应力集中产生的高峰应力区附近 总是存在平面或三维应力场，有使钢材变脆的趋势。
第2章 钢结构的材料
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本 章 内 容
第一节 钢材的工作性能 第二节 钢结构对钢材性能的要求 第三节 影响钢材性能的主要因素 第四节钢材的种类、规格和选用原则
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第一节
钢材的工作性能
一、钢材静力单向均匀拉伸时的性能
钢材的主要强度指标和变形性能根据常温（20±5°）、静载条件 下标准试件一次拉伸试验确定。 常温静载条件下，图2-1所示低碳钢标准试件单向一次拉伸试验得 到的简化光滑应力-应变曲线如图2-2所示，钢材历经五个阶、BC段） 屈服点fy:应力达到屈服点fy后，应力-应变关系 呈水平线段BC，称为屈服平台，钢材表现为完全 塑性，整个屈服平台对应的应变幅称为流幅(约为 0.15%~2.5%)，流幅越大，钢材的塑性越好。 (4) 阶段Ⅳ：应变硬化阶段（强化阶段、CD段） 抗拉强度fu：经过屈服阶段后，钢材内部组织重新 排列并建立了新的平衡，产生了继续承受增长荷载的 能力，此阶段的应力-应变为上升的非线性关系，直至 应力达到最大值，称为抗拉强度fu。
名义应力低于屈服点、材料处于弹性阶段，当荷载循环达到一定 次数后，钢材会发生突然脆性断裂破坏，疲劳计算方法详见第9章。
(二)低周疲劳破坏 反复应力高于屈服强度、材料处于弹塑性阶段， 反复荷载会使钢材的残余应变逐渐增长，最后产生 突然破坏。
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(三)包辛格（Bauschinger）效应
钢材在受拉产生塑性变形后， 卸载并反向加载使钢材受压，抗压屈 服强度会降低，如图 2-5 所示，应力 —应变曲线形成滞回环（滞回曲线）， 滞回环所围面积代表荷载循环一次单 位体积的钢材所吸收的能量。
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(三)温度影响 （2）负温范围 随着温度下降，钢材强度略有提高，但塑性 、韧性降低，钢材的脆性倾向增加，对冲击韧性 的影响十分突出。如图2-11所示。
图2-11Akv随温度T的变化
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第四节 钢材的种类、规格和选用原则 一、钢材的种类 (一) 碳素结构钢
牌号： Q195 ， Q215A 及 B ， Q235A 、 B 、 C 及 D ， Q255 A 及 B 以及 Q275。含碳量越多，屈服点越高，塑性越低。符号含义见图2-12。
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(一)基本元素 （1）铁（Fe） 铁是钢材中最基本的元素，钢中铁元素含量一 般超过97%。对于碳素钢而言，其铁素体的晶粒越 细，钢的性能越好。 （2）碳（C） 碳的含量提高，则钢材强度提高，但同时钢材 的塑性、韧性、冷弯性能、可焊性及抗锈蚀能力下 降。按碳的含量区分，小于0.25％的为低碳钢，大 于0.25%而小于0.6%的为中碳钢，大于0.6%的为高 碳钢。建筑钢结构用的钢材基本上都是低碳钢。
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(三)有害元素 （1）硫（S） 硫能生成硫化铁，能使钢热脆。硫还能降低 钢的冲击韧性，影响疲劳性能与抗锈蚀性能。 （2）磷（P） 磷是有害元素也是能利用的合金元素，能使 钢冷脆。 （3）氧（O）和氮（N） 氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈；氮能使钢 冷脆，与磷作用类似。
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二、冶炼和轧制过程的影响 (一)冶炼 钢材的冶炼方法主要有平炉炼钢、氧气顶吹 转炉炼钢、碱性侧吹转炉炼钢及电炉炼钢。在建 筑钢结构中，主要使用氧气顶吹转炉生产的钢材 。 冶炼这一冶金过程形成钢的化学成分与含量 ，并在很大程度上决定钢的金相组织结构，从而 确定其钢号及相应的力学性能。
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图2-7复杂应力状态
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当用主应力表示时
eq
1 [( 1 2 ) 2 ( 2 3 ) 2 ( 3 1 ) 2（ ] 2-1） 2
当用应力分量表示时
2 2 2 2 2 eq x y z2 ( x y x z y z ) 3( xy xz yz )