第1讲二钢结构的性能及其主要影响因素.

第二章钢结构的性能及其主要影响因素

2.1钢结构对钢材的要求

钢材的种类很多，用途不同，所需的钢材种类和品牌各异。因此，必须按使用用途对钢材的性能的要求选择合适的钢材类别和牌号。

我国钢材的种类一般有以下几类：

1、按化学成分分为

(1) 碳素钢——指含碳量Wc＜2%的铁碳含量。按质量和用途的不同，又可分为普通碳素结构钢，优质碳素结构钢和工具碳素钢三大类。按含碳量的不同可分为：

1) 工业纯铁——Wc≤0.04%

2) 低碳钢——Wc≤0.25%

3) 中碳钢——Wc=0.25% ~ 0.60%

4) 高碳钢——Wc＞0.60%

(2) 合金钢——指在碳素钢的基础上，在冶金时加入一些合金元素而炼成的钢，按其合金元素的总含量，可分为：

1) 低合金钢——合金元素总含量≤5%

2) 中合金钢——合金元素总含量5% ~ 10%

3) 高合金钢——合金元素总含量＞10%

2、按用途分有

(1) 结构钢——又可分为建筑及工程用结构钢和机械制造用结

构钢两类

(2) 工具钢——指用于制造各种工具的钢，如刃具钢，模具钢

和量具钢等。

(3) 特殊钢 —— 指用特殊方法生产，具有特殊物理、化学性能

或力学性能的钢。一般分为不锈耐酸刚，耐热

钢，低温用钢，耐磨钢，磁钢，抗磁钢和超高

强度钢（ζb ≥1400Mpa ）等。

(4) 专业用途钢 —— 指各个工业部门专业用途的钢，如：农机

用钢，机床用钢，汽车用钢，航空用钢，

锅炉用钢，焊条用钢等等。

*建筑及工程用结构钢 —— 指用于建筑、桥梁、船舶及其他工程上制作金属结构构件的钢，主要有：

①普通碳素结构钢 —— 可分为：一般用途普碳钢、专用普碳钢；

②低合金钢 —— 可分为：低合金结构钢、耐腐蚀钢、低温用钢、

钢筋钢、钢轨钢、耐磨钢及特殊用途专用钢等。

*机械制造用结构钢 —— 指用于制造机械设备上结构零件的钢。这类钢基本上为优质钢或高级优质钢，主要有： 按其工艺特征分为①优质碳素结构钢②合金结构钢冷塑性成形用钢

（如冷冲压钢、冷镦钢、

冷挤压用钢等）

表面硬化结构钢表面淬火用钢氮碳共渗钢

氮化钢

调质结构钢

渗碳钢

③易切结构钢

④弹簧钢

⑤滚动轴承钢

虽然钢材种类很多，但符合钢结构性能要求的钢材只有少数几种。

钢结构用的钢材必须满足以下要求：

1、有较高的强度。即具有较高的抗拉强度u f 和屈服强度y f 且强曲

比/u y f f 合适。u f 较高使构件承载能力较高，有利于减轻结构自重，节

约钢材；/u y f f 较高则使结构有较高的安全储备，提高了结构的安全保

障。

2、有足够的变形能力。即钢材的塑性、韧性和冷弯性能。塑性好

表明结构或构件破坏前有较强的变形能力，从而可以调整局部高峰应力，减少脆性破坏的危险性。韧性好则表示在动荷载作用下的性能优越，具有较强的吸收能量的能力，有利于结构抗震和抗振。冷弯性能是钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标。

3、有良好的加工性能。即钢材具有适合冷、热加工和良好的可焊

性能，不因这些加工而对钢材的主要性能如强度、塑性、韧性等带来较大的有害影响。

4、有较好的性价比。即具有较好的性能和便于大规模生产，便于

规模化供货和价格优势。

根据上述要求和国内钢结构工程的多年实践，《钢结构设计规范》

（GB50017）推荐了碳素钢Q235和合金钢Q345、Q390和Q420作为承重结构钢。

2.2影响钢材性能的主要因素

钢结构的受力特性除了受外界作用，包括各类荷载、温度作用，

地震作用以及工作环境的影响之外，主要取决于建造钢结构所用钢材

的性能。此处首先讨论钢材性能的影响因素。

2.2.1 主要化学成分对钢材性能的影响

钢材的化学成分组成主要由纯铁、碳、杂质元素或合金元素（合金钢中）等组成，其中纯铁约占99%，碳及杂质元素约占1%（碳素钢），对于低合金钢，碳杂质和合金元素总量一般≤5%，尽管碳和其他元素含量不大，但对钢材的性能却有决定性影响。

各种化学元素对钢材性能的影响如下表所示（表2.2.1）

2.2.2影响钢材性能的其他因素

1、钢材的内部缺陷：钢材的冶炼和扎制过程中，由于工艺和设备等的原因，不可避免地会产生许多冶金缺陷。对钢材性能有较大不利影响的内部缺陷有：裂纹、夹杂、偏析、带状组织和奥氏体等。裂纹的危害性极大，一旦发现，钢材就应报废。

2、矫直和热处理

钢材在热扎成型后常会出现弯曲、形状改变等形状缺陷，通常需要矫正。矫正的方法有热矫正和冷矫正两种。矫正工艺一般会产生残余应力。

热处理是对刚才进行调质处理的重要手段之一，通过调质处理后，钢材的性能可以得到很大改善。热处理通常包括：

（1）一般热处理——处理工艺有：退火；正火；淬火；回火；调质；时效处理；冷处理。可改善钢材的塑性、韧性和强度，提高钢材

的综合力学性能。一般常用于碳素钢和低合金钢的调质处理。

（2）化学热处理——处理工艺有：①渗碳；②渗氮；③离子氮化；

④碳氮共渗；⑤氮碳共渗；⑥渗硼；⑦渗硫；⑧发黑等。化学热处理常用于工具钢和机制结构钢以及特殊钢的调质处理。

（3）表面热处理——处理工艺有：①感应加热表面淬火，②火焰

加热表面淬火；③电解液淬火；④激光淬火等。表面热处理工艺一般用于轴承、工具和机械零部件钢材性能的改善处理。

3、冷加工的影响

在常温下对钢材进行加工称为冷加工，包括冷拉、冷弯、冲孔，

机械剪切等加工方式，冷加工会使钢材产生很大的塑性变形。如图（2.2.1）当材料拉伸到B 点时，屈服点没有提高，塑性、韧性降低不多，如果拉伸到C 点，屈服点提高较多而塑性和韧性降低很大，属于不利后果。因此，对钢结构来说，虽然钢材强度有所提高，由于塑性和韧性的降低，一般不利用其强度的提高。

类似地，钢材的剪切、冲孔等冷加工工艺会使钢材的剪切边缘和孔壁严重硬化使材质劣化。因

此，对于重要的结构，剪切要创边、

冲孔要采用扩钻钻法，使硬化部分

去除，以免微裂纹从上述部位扩

展。 对于冷弯型钢，是用薄钢板冷成型而成的。冷弯成型的方法有冷

f 图2.2.1 钢材的应变硬化