钢结构课件 第二章钢结构材料及其性能

应力-应变曲线呈锯齿形波动，出现应力不增加而应变仍然在继续发展。
塑性变形：卸载后试件
不能完全恢复原来的长
s
度。不能恢复的这一部
E
分变形称为塑性变形。
屈服点fy（屈服强度）：
屈服阶段曲线波动部分 的最低值。
su sy sA
B
A CD
O
e
s Ee
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第二章 钢结构材料
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第二章 钢结构材料
3.可焊性
好的可焊性是指焊接安全、可靠、不发生焊接裂缝，焊接接头 和焊缝的力学性能不低于母材力学性能。
影响钢材可焊性的因素
钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在0.12%～0.20% 范围内的碳素钢，可焊性最好（如Q235B）。对于高强度低合金钢中，低合 金元素大多对可焊性有不利影响，我国行业标准JGJ81-2002《建筑钢结构 焊接技术规程》推荐使用碳当量来衡量低合金钢的可焊性。当碳当量小于 0.38%，钢材的可焊性好(如Q235.Q345)，可不采取措施直接施焊。
CE

C

Mn 6

Cr

Mo 5
V

Ni Cu 15
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小结
钢材的机械性能指标
1、屈服点 fy 2、抗拉强度 fu 3、伸长率 δ
4、断面收缩率
5、冷弯性能 6、冲击韧性 Akv
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2. 硫（S）：钢材中的有害元素，具有热脆性（温度达到 800-1000℃时，硫化铁会熔化使钢材变脆，从而引发热裂 纹）。规范规定结构用钢中硫的含量不得超过0.05%。
氧化，在高温下使铁液变为钢液。（生产周期短，效率高，质量好，成 本低，已经成为国内外发展最快的炼钢方法。）
平炉钢是利用煤气和其它燃料供应热能，把废钢、生铁熔液或 铸铁块和不同的合金元素等冶炼成各种用途的钢。（生产周期长，效率 低，成本高，现已逐步被转炉钢所取代。）
电炉钢是利用电热原理，在电弧炉内冶炼。（质量好，但耗电 量大，成本高，一般只用来冶炼特种用途的钢材。）
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1. 碳（C）：形成钢材强度的主要成分，随其含量增加，强 度增加，塑性和韧性降低，可焊性和抗腐蚀性降低。 碳素钢按碳含量区分，小于Βιβλιοθήκη Baidu.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。 钢结构用钢中，碳含量一般控制在0.22%以下，当其含量 在0.2％以下时，可焊性良好。
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b) 断面收缩率 是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩
小值与原断面面积比值的百分比。
A0 - A1 100 %
A1
A1
式中：
A0 ——试件原来的断面面积
A0
A1 ——试件拉断后颈缩区的断面面积
断面收缩率越大，钢材的塑性越好。由于在测量试件的断面面积时容易
s
fu fy=f0.2
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0.2%
εp
e
无屈服点钢材的应力-应变曲线
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(3)单向拉伸时钢材的机械性能指标
① 屈服点fy 应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力（取屈 服阶段波动部分的应力最低值），它是衡量钢材的承载能力和确 定钢材强度设计值的重要指标。（作为钢结构设计可以达到的最 大应力）
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2.3.1 钢材的破坏形式
第二章 钢结构材料
特 征断 口后 果
塑性破坏
（延性破坏）
构件应力超过屈 常为杯形，呈纤 在破坏前有很明
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，
较长的变形持续
构件产生明显的
时间，便于发现
变形并断裂。
和补救。
要介绍钢材的生产过程和组织构成，重点介绍钢材的主要性
能以及各种因素对钢材性能的影响；钢材的种类、规格及选
择原则。
§2.1 钢结构对材料的要求
（1） 较高的强度
强度——材料抵 抗外力作用时不 致破坏的能力。
(2） 足够的变形能力——良好塑性和韧性 （3） 良好的加工性能——适应冷、热加工，可焊性好
（4） 对环境的良好适应性——耐腐蚀、耐火、耐疲劳
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Chapter 2 Material of Steel Structure
§2.2 钢材的生产
钢材的生产大致分为炼铁、炼钢和轧制三道工序。
（1）炼 钢
炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。 转炉钢是利用高压空气或氧气使炉内生铁熔液的碳和其它杂物
已足够用来考虑结构或构件的
塑性变形的发展。 钢材是符合理想中的弹性-塑性材料
ε0
ε
ε
0.15% 2.5%
塑性设计
简化的应力－应变曲线
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2.3.3 钢材的其它性能
1.冷弯性能
钢材在冷加工（常温下加工） 产生塑性变形时，对发生裂缝 的抵抗能力。 鉴别指标：当试件弯曲至180°时， 试件表和侧面，无裂纹、断裂或 分层，即认为试件冷弯性能合格。
产生较大的误差，因而钢材塑性指标仍然采用伸长率作为保证要求。
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(4) 应力应变曲线的简化
曲线简化的依据：
fy
1）钢材在屈服点之前的性质
接近理想的弹性体。
2）屈服点之后的流幅现象又
接近理想的塑性体，并且流幅
的范围（e≈0.15％-2.5％）
冲击韧性试验 一般采用试件长55mm，截 面10×10mm2，中间一小槽。在摆锤式冲 击试验机上进行试验，冲断试件后，读出 摆锤消耗的功。
冲击韧性还与试验的温度有关。我国钢材标准 中将试验分为四档，即+20℃, 0℃，-20℃和40℃时的冲击韧性。温度越低，冲击韧性越低。
冲击韧性试验
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su sy sA
至F点试件断裂。
O
e
s Ee
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B.对无明显屈服点的钢材
设计时以卸载后试件中残余应变为0.2％所对应的应力 作为屈服点 ——“条件屈服点”或“名义屈服点”
没有明显屈服点的钢 材在拉伸过程中没有 屈服阶段，塑性变形 小，破坏突然。
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§2.4. 各种因素对钢材的影响
化学成份的影响 冶金缺陷的影响 钢材硬化的影响 应力集中的影响 荷载类型的影响 温度的影响
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2.4.1 化学成份的影响
钢材的化学成分直接影响钢的组织构造，从而影响钢材的力学性能。
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（2） 浇 注
浇注是指把熔炼好的钢液做成钢锭或钢坯。 用连续铸造法生产钢坯的工艺和设备，由于机械化、自动化 程度高的优势，已经逐渐取代了笨重而复杂的铸锭工艺和设备。
（3）脱 氧
钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不均匀并发生热脆，降 低钢材的力学性能。
纯铁Fe（占99％）
钢 碳C↑→变脆（强度↑，塑性、韧性、可焊性，抗腐蚀性↓）
其它主要元素
硅Si↑ 适量→强度↑，塑性、韧性、冷弯性能、可焊性变化不大 有
锰Mn↑→强度↑消除热脆，改善冷脆，塑性韧性降低不显著
益 元
钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb) 等适量→强度、韧性↑、塑性良好
素
硫S→热脆、韧性、疲劳强度、抗锈蚀性、可焊性↓
本科教学
钢结构
第二章 钢结构材料
第二章 钢结构材料
第2章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
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第二章 钢结构材料
钢结构的材料关系到钢结构的计算理论，同时对钢结构
的制造、安装、使用、造价、安全等均有直接联系。本章简
屈服阶段（BCD) 强化阶段(DE段) 颈缩阶段(EF段)
载后变形消失, e=0 B点对应的应力： se （弹性极限）
O
e
s Ee
单调拉伸应力-应变曲线
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（b）屈服阶段（BCD)
特点：应力与应变进入非线性的弹塑性阶段，不再成正比关系，应变增加很快，
冷加工
指在常温下对钢材进行加工。（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 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）
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② 抗拉强度fu 应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材破
坏前所能承受的最大应力。（强度的安全储备）
③ 钢材的塑性 当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的残余变 形（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可用断面收缩率
和伸长率 表示，通过静力拉伸试验得到。
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按照钢液在炼钢炉中进行脱氧的方法和程度不同，碳素结构钢 可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。
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（4）加工（热加工、冷加工和热处理 ）
热加工
指将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状， 生产出各种厚度的钢板和型钢。（热加工的开轧和锻 压温度控制在1150-1300℃ ）
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（2）钢材的应力-应变关系
A. 有屈服点钢材s---e曲线可以分为四个阶段：
(a)弹性阶段(OB段)
s
OA段：纯弹性阶段
s=Ee
E
A点对应的应力：
sp（比例极限）
AB段：有一定的塑性 变形, 但整个OB段卸
su
sy
sA
B
A CD
弹性阶段(OB段)
第二章 钢结构材料
a) 伸长率δ 试件断裂前的永久变形与原标定长度的百比。
l1 - l0 100 %
N
Lo
N
l0
d
l0— 原标距长
N
L
N
l1 —拉断后标距长度
d0 —试件直径
d
试件有两种标距：l0/ d0=5 和 l0/ d0=10 相应的伸长率用δ5
和δ10表示。伸长率δ
实际工程中以伸长率 代表材料断裂前具有的塑性变形能力。
第二章 钢结构材料
剪 板
钻 孔
自动钢板切割
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第二章 钢结构材料
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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
脆性破坏
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在破坏前无明显 变形，平均应力 也小（一般都小 于屈服点），没 有任何预兆。
平直和呈有光泽 的晶粒。
突然发生的，危 险性大，应尽量 避免。
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2.3.2 单向拉伸时的工作性能
（1）试验条件
（a）试件的尺寸要符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽 等缺陷。试件的标定长度取其直径的5或10倍。 （b）荷载要分级逐次增加，直到试件破坏。 （c）试验温度要控制在室温20℃左右。
（c）强化阶段(DE段)
钢材内部晶粒重新排列，恢复承载能力，随荷载的增加σ缓慢增
大,但ε增加较快，最终应力达到最高点E——抗拉强度（极限强
度）fu 试件所能承受的最大拉应s力
（d）颈缩阶段(EF段)
截面出现了横向收缩，
E
截面面积开始显著缩 小，塑性变形迅速增
B
A CD
F
大，应力不断降低， 变形却延续发展，直
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冷弯性能是判别钢材塑性变形 能力和冶金质量的综合指标。
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第二章 钢结构材料
2.冲击韧性
韧性 反映钢材抵抗冲击荷载、动力荷载的 能力，是钢材在变形和断裂中吸收能量的度 量。衡量韧性指标用冲击韧性值表示，也叫 冲击功，用符号Akv表示，单位为J。
氧O 影响同硫
有
磷（P）→强度、抗锈蚀能力↑塑性、韧性、冷弯性能、可焊性↓↓， 害
冷脆，低温工作性能差。
元
氮（N）影响同磷
素
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第二章 钢结构材料
铁（Fe）是钢材的基本元素，普通碳素钢中占99%，此外 还有碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）等有益元素，及硫 （S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等有害元素，这些总 含量不大，约1%，但对钢材力学性能却有很大影响。低合 金钢中有＜5%的合金元素，如铜(Cu)、钒(V)、钛(Ti)、 铌(Nb)、铬(Cr)等。