钢结构设计原理课件-第二章

对钢材的基本要求： 1、具有较高的抗拉强度 和屈服点 (结构的承
载力大，所需的截面小，结构的自重轻). 2、具有较好的塑性、韧性(塑性好，不易发
生脆性破坏；韧性好，利于承受动力荷载). 3、良好的工艺性能(包括冷加工、热加工以
及焊接性能)
2.1 钢结构对材料的要求
规范规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸 长率、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证；焊接结 构尚应具有冷弯试验的合格保证；对某些承受动力荷 载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构尚应具有 常温或负温冲击性的合格保证.据上要求,《钢结构设 计规范》50017-2003推荐承重结构用钢宜采用：碳 素结构钢中的Q235钢及低合金高强结构钢中的Q345、 Q390和Q420钢四种钢材。
2.3.1 受拉、受压及受剪时的性能
钢材的主要性能是机械性能，可通过某些试验（拉 伸、冷弯、冲击）确定。
图2.1 碳素结构钢的应力-应变关系
—比例极限 —屈服强度 (强度标准、设计依据)
—极限强度 (最大承载强度、强度 储备)
2.3 钢材的主要性能
塑性：在静力荷载作用下，钢材吸收变形能的能力。
δ—延伸率（塑性性能）
在高温时，发生热脆。 (有害成分)
氮N：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，
在低温时，发生冷脆。 (有害成分)
2.4 各种因素对钢材性能的影响
钒和钛：是钢中的合金元素，能提高钢的强度和 抗腐蚀性能，又不显著降低钢的塑性。
铜 ：可显著提高钢的抗腐蚀性能，也可以提 高钢的强度，但对焊接性能有不利影响。
2.2 钢材的破坏形式
钢材的破坏形式：塑性破坏和脆性破坏。
1、塑性破坏：断口呈纤维状，色泽发暗。破 坏前有明显的变形，破坏历时 时间长，可以采取补救措施。
2、脆性破坏：破坏前没有任何预兆，破坏是 突然发生的，断口平直并呈有 光泽的晶粒状。
在设计、施工和使用钢结构时，注意 防止脆性破坏。
2.3 钢材的主要性能
普通碳素钢中， 占99%，其余元素占1%。在低 合金钢中，除了上述元素外，还有一定合金元素 （镍、钒、钛等）（含量低于5%）
各种元素对钢材机械性能的影响如下。
2.4 各种因素对钢材性能的影响
碳C ：含量增加，钢材强度提高，而塑性、韧性和 疲劳强度低。同时焊接性能和抗腐蚀性恶 化。一般在碳素结构钢中不应超过0.22 % ； 在焊接结构中还应低于0.2 %。
硫S：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，
在高温时，使钢材变脆，称之为热脆。含量
应不超过0.045%。 (有害成分)
磷P：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，
在低温时，使钢材变脆，称之为冷脆。含量
应不超过0.045%。可以提高强度和抗锈蚀
Hale Waihona Puke 性。(有害成分)氧O：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，
是硫、磷，将使偏 析区钢材的塑性、 韧性及可焊性变坏。
0.025
0.04~0.045 0.035~0.04 0.03~0. 035
0.025~0.030
0.025~0.03 0.025
(a)镇静钢锭
(b)沸腾钢锭
钢液含硫0.032%
钢液含硫 0.04%
图2.7 钢锭中硫的偏析
图2.8 型钢硫的偏析
2.4 各种因素对钢材性能的影响
2.4.2 冶金缺陷
2、非金属夹杂：钢材中存在非金属化合物 （硫化物、氧化物），使钢材性能变脆。
3、裂纹、分层：浇注时的非金属夹杂物在 轧制中可能造成钢材的分层，影响钢材的冷弯性 能。
2.4 各种因素对钢材性能的影响
2.4.3 钢材硬化
冷作硬化——当加载超过材料比例极限卸载后，出现残 余变形，再次加载则屈服点提高，塑性和 韧性降低的现象，也称“应变硬化”。
硅：碳素结构钢中应控制≤0.3 %, 在低合金高强 度钢中硅的含量可达0.55 %。
锰：含适量使强度↑，降低S、O的热脆影响， 改善热加工性能，对其它性能影响不大,有益
. 在碳素结构钢中锰的含量为0.3 %～0.8 % ， 在低合金高强度钢中锰的含量可达 1.0 % ～1.6%。
2.4 各种因素对钢材性能的影响
2.4 各种因素对钢材性能的影响
2.4.2 冶金缺陷
1.偏析：钢中化学成分分布不均匀，主要
的偏析
0.035~0.040 0.030~0.035
0.025~0.030
0.09~0.10 0.08~0.09 0.07~0.08 0.06~0.07 0.055~0.06 0.05~0.055 0.045~0. 05
时效硬化——随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中 析出，使材料硬化的现象。
应变时效——钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易 析出。即冷作硬化的同时可以加速时效硬 化，因此也称“人工时效”。
2.4 各种因素对钢材性能的影响
2.4.2 冶金缺陷
在冶炼、轧制过程中常常出现的缺陷有偏析、 非金属夹杂、气孔、裂纹和分层。
缩孔
保温帽
冶炼（脱氧）
(a)沸腾钢
(b)镇静钢
图2.5 钢锭剖面
2.4 各种因素对钢材性能的影响
2.4.2 冶金缺陷
轧制
轧棍
注意：薄钢板的 强度比厚钢板的 强度高。
图2.6 钢的轧制使晶粒细化
L1 L0 10% 0
L0
图2.2 高强度钢的应力-应变曲线
条件屈服点：以卸荷后 试件中残余应变为0.2 % 所对应的应力（f0.2)
2.3 钢材的主要性能
2.3.2 冷弯性能
图2.3 钢材冷弯试验示意图
冷弯性能是检验钢材弯 曲变形能力或塑性性能，还 是显示钢材内部缺陷状况的 一项指标；是鉴定钢材在弯 曲状态下塑性应变能力和钢 材质量的综合指标。
1.2 钢结构的设计方法
2.3.3 冲击韧性
冲击韧性：在动力荷 载作用下，材料吸收能量 的能力。
韧性是钢材抵抗冲 击荷载的能力，它用材 料在断裂时所吸收的总 能量来量度（）。韧性 是钢材强度和塑性的综 合指标。
图2.4 冲击韧性试 验
2.4 各种因素对钢材性能的影响
2.4.1 化学成分
钢是含碳量小于2%的铁碳合金。钢中基本元 素：、C、、、S、P、N、O。
钢结构基本原理
土木工程学院
2 钢结构的材料
本章内容: （1） 钢结构对材料的基本要求 （2） 钢材的破坏形式 （3） 钢材的主要机械性 （4） 影响钢材性能的主要因素 （5） 钢的种类和钢材规格
本章重点: 钢材的主要机械性能、各种因素对 钢材性能的影响
本章难点: 影响钢材性能的主要因素
2.1 钢结构对材料的要求