第二章 钢结构的材料

2020/5/17
冲击试验示意图
8
钢材的冲击韧性，受温度影响较大，（与钢材 质量、缺口形状、加载温度有关），当温度低 于某一负温值时，冲击韧性值会急剧降低。因 此，设计处于低温的重要结构，尤其受动载作 用的结构时，不但要求保证常温（20℃ ）下的 冲击韧性，还要保证负温（ -20℃或-40℃）下 的冲击韧性。
设计选用钢材时应使其T1值低于钢结构所处的工作环境，
才可保证钢结构低温工作的安全。
2020/5/17
21
第二节 影响钢材力学性能的主要因素（续）
五、应力集中和残余应力 应力集中—实际构件中常常有孔洞、裂纹、槽口等缺
陷，使构件截面突然改变，在有缺陷或截面变化处附 近，应力线弯曲而密集，出现高峰应力，这种现象称 为应力集中。应力集中程度很高时，往往形成双向或 三向拉应力，容易导致构件脆性断裂。 残余应力—钢材在轧制、焊接或气割过程中，由于不 均匀的加热和冷却而产生的应力。残余应力的存在， 将使构件的刚度和稳定性都有所降低，增加了脆断的 危险。 六、加荷速度和重复荷载作用的影响 随着加荷速度的提高，钢材屈服点也提高，但脆性也 会增加。 在重复荷载作用下，容易产生疲劳破坏。
4、疲劳强度
2020/5/17
12
六、可焊性
钢材的可焊性是指在一定的焊接工艺和结 构形式条件下，能获得良好焊接接头的性能。 焊接钢结构要求钢材要具有良好的可焊性。
钢材的可焊性用可焊性试验来判断。
2020/5/17
13
第二节 影响钢材力学性能的主要因素
一、化学成分的影响
钢的主要化学成分是铁（Fe）和少量的碳(C)。 此外还有锰（Mn）、硅（ Si）等有利元素， 以及难以除尽的有害元素如硫（ S）和磷（ P） 等。
2020/5/17
25
第四节 钢材的疲劳破坏
疲劳破坏
是指钢材在连续反复或循环荷载作用下，当应力循环 次数n达到某个大数时，发生的突然的脆断。破坏时钢 材的应力低于抗拉强度甚至低于屈服强度。是一种无 明显变形的突然断裂，危害极大。
疲劳破坏的机理
钢结构中总存在有微观裂纹或类似的缺陷，再加上在 反复荷载作用下，在试件的高度应力集中处（如截面 改变处）首先出现塑性变形，引起钢材硬化，逐渐形 成晶粒中的微观裂纹。在多次反复荷载作用下，微观 裂纹逐渐扩展为宏观裂纹，是净截面积不断减小。当 截面削弱到一定程度时，应力增大，净截面承载力不 足以承受外力，构件就会突然断裂，发生疲劳破坏。
2020/5/17
1
一、强度
表明钢材强度性能的指标有弹性模量E， 比例极限σp，屈服强度σs 和抗拉强度σb等。它 们是根据钢材标准试件单向拉伸试验确定的。
2020/5/17
2
1、弹性阶段
σ钢p；材弹统性一模取量E＝2E.06×10/5N/（mm在2 ）钢；结σ构e 设计中，对所有
2、弹塑性阶段
由于沸腾钢成本较低，我国低碳钢大量采用沸
腾钢。只有当承受动力荷载、冲击韧性要求较 高时或处于低温的结构才考虑采用镇静钢。对 低温要求更高时可考虑采用特殊镇静钢。
2020/5/17
17
冶金工艺的影响（续）
轧制方法—钢材的轧制过程使得金属的晶粒变 细，在压力作用下也使得气孔、裂缝焊合，因 而可以改善钢材的力学性能。薄板因多次辊轧 而比厚板强度更高。经过双向轧制的钢板也比 只经过单向轧制的钢板的性能要好。
2020/5/17
18
第二节 影响钢材力学性能的主要因素（续）
三、钢材硬化的影响 时效硬化—钢材随时间的增长，其屈服强度和
抗拉强度提高，而塑性、韧性降低的现象。发 生时效硬化的过程可以从几小时到几十年。 冷作硬化—钢材经过冷加工（拉、剪、冲、压、 拔等）后，屈服强度提高而塑性、韧性降低的 现象。它增加了钢材脆性断裂的可能性。
—钢材的质量；
—应力状态：三向受拉时易出现由最大主应力σ1引起的脆断； 高度的应力集中以及残余应力均易产生三向拉应力，而厚板也为
三向拉应力的形成提供了条件（板越厚，对横向收缩的约束力越 大），当钢板厚度在6mm以下时，可不考虑钢材的脆断；
—低温：冷脆转变温度；当温度低于T1时，易发生脆断；当温 度介于T1与T2之间时，有尖锐缺口的试件发生脆断，而无缺口的 试件发生塑性破坏。
碳的含量对钢的强度、塑性、韧性和可焊性有 决定性的影响。含碳量增加，钢材的屈服强度 和抗拉强度增高，但同时塑性、韧性冷弯性能、 可焊性降低。因此结构钢材的含碳量不能过高， 一般不超过0.22％，对于焊接结构则应低于0.2 ％
2020/5/17
14
化学成分的影响（续）
锰（Mn）和硅（ Si）是钢材中的有利元素， 可提高钢材的强度但不影响钢材的其它性能。 但是含量不能过高。
2020/5/175源自ufyCfe
fp
完全弹性体 理想弹塑性体
0 0.1 0.15 2.5
22
低碳钢应力—应变曲线
理想弹塑性体
应模 力型—应变曲线
由此可把钢材看作理想弹塑性体，即在屈服点前是完全 弹载性力的极，限屈状服态点的后标是志完。全塑性的；屈服强度σs作为强度承
钢材的物理性能指标：①弹性模量E＝206×10³（N/mm²） ②剪切模量G＝79 ×10³（N/mm²） ；③线膨胀系数α＝ 12 ×10-6 ；④质量密度ρ＝7850kg/m3 。
2020/5/17
6
二、塑性
钢材的塑性一般指应力超过屈服强度以后 能产生显著的塑性（残余）变形而不立即断裂 的性质。钢结构要求钢材具有良好的塑性。
衡量钢材塑性性能的指标是伸长率δ和断 面收缩率ψ，二者都是通过标准试件的拉伸试
验测定的。 l0
d0
l1 l 静力拉伸试验构件
2020/5/17
7
三、韧性 韧性是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，
2020/5/17
19
第二节 影响钢材力学性能的主要因素（续）
四、温度的影响
温度的升高和降低都会使钢材的力学性能发生 变化。
在正温度范围内（0℃以上），温度升高不超 过200 ℃时，钢材的性能变化不大；在250 ℃ 左右，钢材的抗拉强度略有提高，但塑性和韧 性均下降，此时钢材表面氧化膜呈兰色，称为 “兰脆现象”。此时钢材的破坏常呈脆性破坏 特征。因此应避免在兰脆温度范围内对钢材进 行热加工。当温度超过300 ℃后，钢材的屈服 点明显下降，达到600 ℃时，几乎失去承载力。
一、塑性破坏（延性破坏）
是指钢材产生很大的变形，经历时间又很长的 破坏。它是钢材晶粒中对角面上的剪应力值超 过抵抗能力而引起的晶粒相对滑移的结果。由 于结构在破坏前出现很大的变形，所以很易及 时发现并补救。塑性变形使结构出现内力重分 布，使结构或构件中某些原先受力不等的部分 的应力趋于均匀，提高了结构的承载力。
冶金缺陷—常见的有偏析、非金属夹碴、气孔 及裂缝等。偏析是指钢锭各部分的化学成分不 一致，例如顶部的硫磷含量偏多等；非金属夹 碴通常指钢中的硫化物和氧化物，钢材受力时 可能成为脆性断裂的裂缝源，非常有害；气孔 是由于CO气体不能充分逸出而留在钢锭内形 成的；裂缝是钢材中已经出现的局部破坏。
2020/5/17
硫（ S）和磷（ P）是极为有害的成分。它们 降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳性能。 硫（ S）和磷（ P）可在高温和低温时使钢材 变脆，分别称为“热脆”和“冷脆”，所以要 严格限制其含量。
2020/5/17
15
第二节 影响钢材力学性能的主要因素（续）
二、冶金工艺的影响
冶炼方法—我国目前钢结构的冶炼方法主要是 平炉和氧气顶吹转炉两种，生产出的钢材质量 优良，大体相同；电炉钢质量最好，但成本最 高，土建少用。
是衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、冲击荷载作 用等而导致脆性断裂能力的一项机械性能。钢结构要 求钢材要有良好的韧性。一般情况下，塑性好的钢材 其韧性也好。韧性指标由冲击韧性值ak或Ak表示，是 由标准试件冲击试验获得的。 ak ＝ Ak /A（J/cm2）
31P 55
R=2.5 R=1
R=2.5
40
2020/5/17
22
第二节 影响钢材力学性能的主要因素（续）
七、应力状态的影响
单向应力状态下，当应力达到屈服点σs时，钢材屈服， 由弹性进入塑性状态。
复杂应力状态下（如有两三个轴向应力和剪应力共同 作用时），钢材是否进入屈服，则应根据“能量强度 理论”，用折算应力σr与单向拉伸时的屈服强度σs相比 较来判断：
2020/5/17
9
四、冷弯性能
钢材的冷弯性能是用来衡量钢材在常温下 弯曲加工产生塑性变形时，对产生裂纹的抵抗 能力。它由冷弯实验来确定。要求不分层、不 裂纹。
p
P
d L=5a+150
P
a
d+2.1a
冷弯实验示意图
2020/5/17
10
冷弯实验不仅能直接反映钢材的弯曲变形能力 和塑性性能，还能显示钢材的内部冶金缺陷 （如分层、非金属夹碴等）状况，是判断钢材 塑性变形能力及冶金质量的综合指标。重要结 构中需要保证钢材有足够塑性时，均应进行冷 弯试验。
第二章 钢结构的材料
第一节 钢结构对钢材性能的要求
钢材的种类繁多，碳素钢有上百种，合金钢有300多种， 它们的性质、用途以及价格都不同。钢结构常常需要 在不同的环境和条件下承受各种形式的作用（荷载、 基础不均匀沉降、温度等），所以要求钢材应具有良 好的机械性能（强度、塑性、韧性）和加工性能（冷 热加工和焊接性能），才能保证结构安全可靠。符合 钢结构要求的钢材只有少数几种，如碳素钢中的Q235 钢，低合金钢中的Q345钢（16Mn钢）、Q390钢 （15MnV)钢和Q420钢（15MnVN）等。
16
冶金工艺的影响（续）
脱氧方法—可分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢 三种。 沸腾钢用锰（Mn）脱氧，不充分，质 量不好，成本低； 镇静钢除用锰脱氧外，还用