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钢结构材料

钢结构材料
课前提问：
1、结合钢结构的性能特点，谈一下钢结构的应用。
2、承载能力极限状态和正常使用极限状态的概念。
承载能力的极限状态：结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形时的极限状态
正常使用极限状态：结构或构件达到正常使用的某项限值时的极限状态
第二章钢结构的材料
伸长率：试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比
的百分数
根据试件原标距长度 l0与试件中间部分的直径d0 的比值为10
或5而分为10或5
断面收缩率：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
二、冷弯性能
指钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力
变幅疲劳
σ
可将变幅疲劳折算为
等效的常幅疲劳，然后按
常幅疲劳检算式检算。
t
图变幅荷载
① 情形1——能够测得使用期内应力变幅规律
鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标
三、冲击韧性
钢材在塑性变形和断裂的过程中吸收能量的能力，表示钢材抵抗冲击荷载的能力
钢材强度与塑性的综合表现
四、可焊性(weld ability)
（1）可焊性好意味着钢材施焊后能获得良好
2 2

2 3

(1
2

2
3

3 1 )
2、用三向受力应力分量表示
eq

2 x

2 y

2 z

x
y

y z
z x

3

2 xy

《钢结构》第二章钢结构的材料资料

主编
素结构钢，属于低碳钢，含碳量小于0.25%；工程所用低合
）金钢，其含碳量小于0.52%。
第2章钢结构的材料
钢 ⑵ 锰（Mn)、硅(Si)
结构
是作为脱氧剂存在钢中，是钢中的有益元素。能提高钢
基材的强度，而对塑性和韧性无明显影响。
本原
⑶ 硫(S)、磷(P)
理
硫、磷是钢中十分有害的元素。硫的存在会加大钢材的
结构
指钢材在冷加工时，对产生裂缝
基的抵抗能力。
本将试件弯曲成规定的角度后,检查
原理
试件弯曲部分的表面有无裂缝、裂
（断、分层等，没有即为合格。
黄冷弯试验是鉴定钢材质量的一种
呈伟
良好方法，常作为静力拉伸试验和
主冲击试验的一种补充试验，是一项
编）
衡量钢材力学性能的综合指标。
a
d a
d+2.1a
（耐老化性：“老化”使钢材变脆。黄呈耐长期高温性：在长期高温条件下工作的钢材，其破坏强
伟主
度比常温拉伸试验的强度低得多，应另行测定“强度”。
编耐疲劳性：钢结构或构件在长期连续的交变荷载或重复荷）载作用下，应力低于fy也会发生破坏，称为“疲劳破坏”。
第2章钢结构的材料
钢结
2.1.6 钢构件的两种破坏形式
图2.5 冷弯1800试件
第2章钢结构的材料
钢
2.1.3 冲击韧性
结构
冲击韧性是衡量钢材强度、
基塑性及材质的一项综合指标。
本原
冲击韧性由冲击试验测定。
理冲击韧性：
（黄
α
k
(NA•km/cm2)
A

第2章钢结构材料及其性能

冷加工
指在常温下对钢材进行加工。（冷作硬化现象）指在常温下对钢材进行加工。（冷作硬化现象）。（冷作硬化现象
热处理
指通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢材的组指通过加热、保温、冷却的操作方法，织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺。（退火、。（退火织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺。（退火、正火、淬火和回火）正火、淬火和回火）
同济大学建筑工程系
沈德洪
第二章钢结构材料
§2.3 钢材的主要性能
钢材的破坏形式单向拉伸时的工作性能钢材的其它性能在复杂应力作用下钢材的屈服条件
2011-3-18
同济大学建筑工程系
沈德洪
第二章钢结构材料
2.3.1 钢材的破坏形式特
塑性破坏
（延性破坏）延性破坏）
征
断
口
后
果
常为杯形，构件应力超过屈常为杯形，呈纤在破坏前有很明维状，色泽发暗。显的变形，服点，服点，并且达到维状，色泽发暗。显的变形，并有抗拉极限强度后，抗拉极限强度后，较长的变形持续时间，构件产生明显的时间，便于发现变形并断裂。和补救。变形并断裂。和补救。在破坏前无明显平直和呈有光泽突然发生的，危突然发生的，变形，平均应力的晶粒。变形，险性大，应尽量险性大，的晶粒。避免。避免。也小（一般都小也小（于屈服点），没于屈服点），没），有任何预兆。有任何预兆。
2011-3-18
同济大学建筑工程系
沈德洪
第二章钢结构材料
（2）钢材的应力-应变关系钢材的应力有屈服点钢材σ−−−ε曲线可以分为四个阶段： A. 有屈服点钢材σ−−−ε曲线可以分为四个阶段： σ (a)弹性阶段(OB段) )弹性阶段( 段

第二章钢结构的材料

2.2.3
钢材的特种性能
1、耐火性要求钢材在600℃高温时的屈服点应具有高于常温时屈服点的2/3。一般是在低碳钢中加入钒（V）、钛（Ti）、铌（Nb）等合金元素
2、耐候性只需满足在自然环境下可裸露使用，其耐候性提高到普通钢材的6～8倍。加入合金元素，提高抗腐蚀性：在大气作用下耐候钢表面形成致密的稳定锈层，以隔绝氧气和水的渗入
4、氧和氮氧和氮属于有害元素。氧与硫类似使钢热脆，氮的影响和磷类似，因此其含量均应严格控制。但当采用特殊的合金组分匹配时，氮可作为一种合金元素来提高低合金钢的强度和抗腐蚀性。
2.4.2 冶炼、浇铸、轧制和热处理的影响
1、脱氧程度按钢液在炼钢炉中或盛钢桶中进行脱氧的方法和程度的不同，碳素结构钢可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢4类。沸腾钢采用脱氧能力较弱的锰作脱氧剂，脱氧不完全，钢的质量较差。镇静钢采用锰加硅作脱氧剂，脱氧较完全，这种钢质量好，但成本高。半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间。特殊镇静钢是在锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧，其脱氧程度高于镇静钢。低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。
二、热轧型钢常用的有角钢、工字钢、槽钢等，角钢分为等边（也叫等肢）的和不等边（也叫不等肢）的两种，主要用来制作桁架等格构式结构的杆件和支撑等连接杆件。角钢型号的表示方法为在符号“L”后加“长边宽×短边宽 ×厚度”（对不等边角钢，如L125×80×8），或加“边长×厚度”（对等边角钢，如 L125×8）。普通工字钢的型号用符号“I”后加截面高度的厘米数来表示，20号以上的工字钢，又按腹板的厚度不同，分为a、b或a、b、c等类别
2.4 影响钢材性能和脆性破坏的因素 2.4.1 化学成分的影响
1、碳是碳素结构钢中则是铁以外的最主要元素。碳是形成钢材强度的主要成分。随着含碳量的提高，钢的强度逐渐增高，而塑性和韧性下降，冷弯性能、焊接性能和抗锈蚀性能等也变劣。碳素钢按碳的含量区分，小于0.25％的为低碳钢，介于0.25％和0.6％之间的为中碳钢，大于0.6 ％的为高碳钢。规范推荐的钢材，含碳量均不超过0.22％，对于焊接结构则严格控制在0.2％以内。

(完整)钢结构材料

钢结构材料9.2。

1 钢材的机械性能钢结构在使用过程中要承受各种形式的作用，所以要求钢材必须具有能够抵抗各种作用的能力,这种能力统称为钢材的力学性能或称作钢材的机械性能。

钢材的机械性能主要指屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯性能及冲击韧性等。

1。

屈服强度(屈服点）：是衡量结构的承载能力和确定强度设计值的重要指标。

钢材的应力到达屈服强度后，应变急剧增长,使结构的变形也迅速增加以至不能正常使用。

所以钢材的强度设计值根据屈服强度来确定.2.抗拉强度：是钢材应力应变图中的最大应力值，是破坏前能够承受的最大应力，是衡量钢材抵抗拉断的性能指标。

屈强比是钢材强度储备的系数。

屈强比越低,安全储备越大，屈强比越高，安全储备越小.3.伸长率：是试件被拉断时的最大应变值，是衡量钢材塑性性能的主要指标。

塑性是指在外力作用下产生永久变形时抵抗断裂的能力。

屈服强度、抗拉强度和伸长率可通过钢材的拉伸试验测定。

4。

冷弯性能：是钢材经过冷弯180°后外侧表面抵抗裂纹产生的能力.以不出现裂纹为合格,也是表示钢材塑性性能的指标。

同时通过冷弯,可以检验钢材颗粒组织、结晶情况和非金属夹杂物分布等缺陷，在一定程度上也是鉴定焊接性能的一个指标。

冷弯性能用冷弯试验来检验。

5。

冲击韧性：是表示在动力荷载作用下，抵抗脆性破坏的能力。

是衡量钢材抵抗动力荷载能力的指标。

一般用冲击韧性值a K或冲击功A K表示。

根据GB/T700—2006，冲击试件改用V型缺口试件，冲击韧性指标直接用冲击功表示，单位为J（焦耳）.9。

2。

2 钢材的破坏形式钢材在各种荷载作用下会发生两种性质完全不同的破坏形式,即塑性破坏和脆性破坏。

塑性破坏是由于构件的应力达到材料的极限强度而产生的，破坏断口呈纤维状,色泽发暗，破坏前有较大的塑性变形和明显的颈缩现象，且变形持续时间长，容易及时发现并采取有效补救措施，通常不会引起严重后果.脆性破坏是在塑性变形很小或基本没有塑性变形的情况下突然发生的，破坏时构件的计算应力可能小于钢材的屈服点，断裂从应力集中处开始，破坏的断口平齐并呈有光泽的晶粒状.由于脆性破坏前没有明显的征兆,不能及时觉察和补救，破坏后果严重。

钢结构材料及性能(课件)

高温对钢材性能的影响
0℃～负温
Akv↓
fy与fu都略高， δ
材料转脆，对冲击韧性的影响十分突出。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。冲击韧性指标一定要与温度对应
图2.5 Cv值随温度T的变化
复杂应力状态下钢材的屈服条件
第四强度理论（材料力学）
eq f y （单向拉伸试验）钢材屈服，材料破坏
2.4钢材的脆性断裂（冷脆）钢材为弹塑性材料，但在特殊条件下可转变为脆性材料所以不宜把钢材划分为塑性和脆性材料，而应该区分材料可能发生的塑性破坏与脆性破坏塑性破坏特征：
折算应力
主应力方向
结论
1 纯剪状态
eq 3 f y
3 f v 0.58 f
x y z 0
xy yz zx 0

fy
0.58 f y
其中：fv抗剪强度设计值
f 抗拉强度设计值
剪切屈服点不必由试验求取，可通过强度理论得到
2 双向应力状态
2.2.2 成材过程的影响
3．轧制（钢材的热加工）将钢锭加热至塑性状态（1150～1300℃），通过轧钢机热轧成型钢
优点：使金属晶粒变细，使气泡、裂纹等焊合，改善钢材力学性能。薄板因辊轧次数多，其强度比厚板略高钢材的机械性能，强度按厚度划分（表2.2 ）
缺点：浇铸时非金属夹杂物在轧制后能造成钢材分层。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。
温度的影响
温度升高与降低都使钢材性能发生变化。低温性能更重要。常温~ 200℃ 钢材力学性能基本不变 200℃~ 600℃ fy↓ δ Akv ↑ 600℃时强度很低不能承担荷载 250℃附近有兰脆现象: fu有局部性提高，fy也有回升现象，同时塑性有所降低，材料有转脆倾向。兰脆现象:脆性强，不能加工，会断裂

钢结构的基本性能

第一章钢结构的基本性能钢结构的内在特性：所用的原材料、所经受的一系列加工过程决定的。

外界作用：各类荷载和气象环境对它的性能也有不可忽视的影响。

钢结构所用钢材：塑性较好，拉力作用下，应力—应变曲线有明显的屈服点和屈服平台，然后进入强化阶段。

钢结构设计准则：屈服点作为钢材强度的极限，并把局部屈服作为承载能力的准则（薄腹梁不同）。

钢材塑性性能：在一定条件下是可以利用的：简支梁可以允许塑性在弯矩最大截面上发展；连续梁和框架的塑性设计方法，允许在结构中出现塑性铰以及继之而来的内力重分布。

这种利用塑性的设计方法已提到日程。

稳定问题：一个突出的问题。

构件及其局部有受压的可能，在设计时就应考虑如何防止失稳。

有时，局部性的失稳还不是构件承载能力的极限，则可以不加防止，并对屈曲后强度加以利用。

建筑结构钢材有较好的韧性。

动力作用的重要结构采用钢结构。

但设计这类钢结构，还必须正确选用钢材，当荷载多次重复时，还应从计算、构造和施工几个方面来考虑疲劳问题。

钢材的韧性并不是一成不变的。

材质、板厚、受力状态、温度等都会对它有所影响。

钢结构曾经有过脆性断裂的事故，脆断一直成为一个引人注目的问题。

1.1钢材的生产及其对材性的影响建筑结构所用的钢材包括两大类：热轧型钢和钢板（图1.1）；冷成型（冷弯、冷冲、冷轧）的薄壁型钢和压型钢板（图1.2）。

图1.1热轧钢材图1.2冷弯型钢钢在熔炼炉中炼成后，先浇注成钢锭，然后经过多次辊轧才形成钢材。

冶炼、脱氧、辊轧等环节都对钢材的性能有很大影响。

1.1.1钢的熔炼冶炼按需要生产的钢号进行，它决定钢材的主要化学成分。

冶炼炉种不同，所得钢材也有差异。

平炉钢和氧气转炉钢，二者质量不相上下。

早期转炉钢都用空气吹炼，所含有害杂质多，尤其是含氮较多，使钢易脆，并对时效敏感。

转炉钢用氧气吹炼，大大改善质量。

如果吹入的氧气纯度高于99.5％，则钢材的综合性能优于平炉钢：含氮量低，冲击韧性高20％～30％。

1.1.2钢的脱氧钢的熔炼是把铁水中过多的碳和有害元素硫、磷加以氧化而脱去，不可避免有少量的铁也氧化，形成氧化铁（FeO），需要进行脱氧。

工程结构-第四章-钢结构

3d0
线距
边距边距
3d0
1.5d0 (1.2d0) 1.5d0
2d0 端距
2d0 端距
2d0 3d0 3d0 2d0
端距
中距
端距
二、钢结构的连接
2. 螺栓连接
受剪螺栓的破坏形式
B B
A
螺杆被剪断栓杆较细而板件较厚时
A A
钢板拉断截面削弱过多时
连接件半孔壁挤压破坏栓杆较粗而板件较薄时
35º
A
一、钢结构材料及性能
2.影响钢材性能的因素
应力集中
应力集中系数愈大，变脆的倾向愈严重。
在负温下或动力荷载作用下工作的结构，应力集中的不利影响将十分突出。
反复荷载作用
钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。
一、钢结构材料及性能特
3. 钢材的种类和规格
殊镇镇
热脆：热加工及焊接使温度达800～1000℃时，使钢材出现裂纹、变
脆的现象。
冷脆：在低温时，磷使钢材的冲击韧性大幅度下降的现象。
一、钢结构材料及性能
2.影响钢材性能的因素
冶金缺陷
常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹、分层等，都会使钢材性能变差。
钢材硬化
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，从而提高了钢的屈服点，同时降低了钢的塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化或应变硬化。
二、钢结构的连接
1. 焊接连接
焊缝形式和焊接连接的型式
焊缝的施焊方位:
根据所持焊条与焊件间的相互位置，施焊方位分为平焊(俯焊)、横焊、立焊、仰焊四种
二、钢结构的连接
1. 焊接连接

钢结构材料的主要性能

第二章钢结构材料的主要性能要深入了解钢结构的特性，必须从钢结构的材料（钢材）开始，掌握钢材在各种应力状态、不同生产过程和不同使用条件下的工作性能，从而能够选择合适的钢材，不仅使结构安全可靠和满足使用要求，又能最大可能地节约钢材和降低造价。

钢结构对钢材的要求是多方面的，主要有以下几个方面：（!）有较高的强度。

要求钢材的抗拉强度和屈服点比较高。

屈服点高可以减小构件的截面，从而减轻重量，节约钢材，降低造价。

抗拉强度高，可以增加结构的安全储备。

（"）塑性好。

塑性性能好，能使结构破坏前有较明显的变形，可以避免结构发生脆性破坏。

塑性好可以调整局部高峰应力，使应力得到重分布，并提高构件的延性，从而提高结构的抗震能力。

（#）冲击韧性好。

冲击韧性好可提高结构抗动力荷载的能力，避免发生裂纹和脆性断裂。

（$）冷加工性能好。

钢材经常在常温下进行加工，冷加工性能好可保证钢材加工过程中不发生裂纹或脆断，不因加工对强度、塑性及韧性带来较大的影响。

（%）可焊性好。

钢材的可焊性好，是指在一定的工艺和构造条件下，钢材经过焊接后能够获得良好的性能。

可焊性是衡量钢材的热加工性能。

可焊性可分为施工上的可焊性和使用上的可焊性。

施工上的可焊性是指在焊缝金属及近缝区产生裂纹的敏感性，近缝区钢材硬化的敏感性。

可焊性好是指在一定的焊接工艺条件下，焊缝金属和近缝区钢材不产生裂纹。

使用性能上的可焊性是指焊缝和焊接热影响区的力学性能不低于母材的力学性能。

（&）耐久性好。

耐久性是指钢结构的使用寿命。

影响钢材使用寿命主要是钢材的耐腐蚀性较差，其次是在长期荷载、反复荷载和动力荷载作用下钢材力学性能的恶化。

上述（!）’（$）条为对钢材力学性能（机械性能）的要求，它的好坏影响钢材的可焊性。

本章着重论述钢材在各种作用下所表现出来的静、动力特性，如弹性、塑性、强度、韧性、废劳等力学性能。

钢材的力学性能指标是结构设计的主要依据。

其次，介绍钢材的破坏形式和影响钢材性能的主要因素，以及钢材的分类、选用原则和规格。

2-第二章-结构钢材及其性能

而折算应力σeq 已达到 fy 时，钢材破坏表现为塑性。
结论-钢材在多轴应力状态下： 1、当处于同号应力场时，钢材易产生脆性破坏； 2、当处于异号应力场时，钢材将发生塑性破坏。
说明：钢材处于三向应力状态时，以折算应力达到屈服点作为强度极限状
态，即折算应力σeq ≥ fy 时，钢材进入塑性阶段。
eq
对焊接部位为应力幅， = max - min；对非焊接部位为折算应力幅， = max - 0.7min；
公式说明： 1、疲劳计算时采用荷载的标准值； 2、由于[ ]来源于试验，已考虑动力效应，故计算时不必考虑动力系数； 3、在应力幅不出现拉应力的位置，可不必进行疲劳验算；
3、变幅疲劳计算
• •
C 1/ [ ] ( ) n
— 对应于n次循环的容许应力幅；
对焊接部位为应力幅， = max - min；对非焊接部位为折算应力幅， = max - 0.7min；
[ ]
• •
C 1/ [ ] ( ) n
— 对应于n次循环的容许应力幅；
三、 σ—ε关系曲线（续）
1、A点为比例极限 fp，通常
以比例极限作为弹性阶段的
终点；钢材的弹性模量记为E， E=tanα=σ/ε。 2、C点为下屈服点，较为稳定，记为钢材的屈服强度 fy。 3、B点为钢材的抗拉强度 fu。
钢材的应变可达2%~3%,结构或构
件不适于继续承受荷载。
《规范》以钢材的屈服点 f y 作为强度承载力极限。
1、Q235B级钢，常温AKV值不得低于27J；
2、Q345B级钢，常温AKV值不得低于34J； 3、Q345D级钢，-20 ℃时AKV值不得低于34J；
四、钢材的疲劳强度

结构钢材及其性能课件

05
结构钢材的生产与质量控制
钢材的生产工艺流程
炼铁
通过高炉将铁矿石还原成液态铁水，去除杂质。
炼钢
在转炉或电炉中将铁水炼成钢水，加入合金元
素调整其成分。
连铸
轧制
将钢水连续铸造成不同规格的钢坯。
将钢坯轧制成不同规格的钢材，如板材、管材、
型材等。
钢材的质量检测与控制
化学成分分析
确保钢材的化学成分符合标准要求。
耐腐蚀钢材
针对不同环境和使用条件，研发出具有优异耐腐蚀性能的钢材，可延长结构的使用寿命，降低维护成本。
耐磨蚀钢材
耐磨蚀钢材在矿山、电力、化工等领域有广泛应用，其优良的耐磨性和耐腐蚀性能够大幅提高设备的耐用度和安全性。
绿色环保钢材的发展
再生钢材
利用废旧钢材进行再加工，减少资源浪费，降低环境污染，同时满足可持续发展的需求。
结构钢材及其性能课件
xx年xx月xx日
目录
01
结构钢材的基本知识
钢材的种类与用途
01
02
03
碳素钢
用于建筑、桥梁、船舶、车辆等一般结构件。
低合金钢
用于承受较大载荷和耐腐蚀的结构件，如化工设备、压力容器等。
高强度钢
用于需要高承载能力的结构件，如高层建筑、跨度桥梁等。
钢材的生产工艺
质量信息反馈
及时将质量问题反馈给相关部门，促进质量改进。
预防措施
通过加强质量控制、提高员工质量意识等措施预防不合格品的产生。
06
结构钢材的发展趋势与未来展望
高性能钢材的研发与应用
高强度钢材
随着技术的进步，高强度钢材的研发和应用越来越广泛，其高强度和轻量化的特点在建筑、汽车、航空等领域具有显著优势。