2第二章 钢结构的材料

（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等有害元素，这些
总含量约1%，但对钢材力学性能却有很大影响。 C：除铁以外最主要的元素。碳含量增加，使钢材强度提 高，塑性、韧性，特别是低温冲击韧性下降，同时耐腐蚀 性、疲劳强度和冷弯性能也显著下降，恶化钢材可焊性， 增加低温脆断的危险性。一般建筑用钢要求含碳量在 0.22%以下，焊接结构中应限制在0.20%以下。
五、钢材受压和受剪时的性能
六、其他机械性能 七、钢材性能的鉴定
一、单向拉伸时的性能（单向拉伸试验）
强度
强度体现了材料的承载能力，主要指标有屈服点fy 和抗拉 强度fu ，通过静力拉伸试验得到。 屈服点 为设计时钢材可达到的最大应力。 抗拉强度 fu是钢材破坏前能够承受的最大应力。钢材达 到 fu 时，已产生很大塑性变形而失去使用性能，但fu 高则 可以增加结构的安全保障，故fu/fy 的值可看作钢材强度储 备系数。
易发生时效和变脆，但产量较高、成本较低；半镇静钢脱
氧程度较高些，上述性能都略好；而镇静钢的脱氧程度最 高，性能最好，但产量较低，成本较高。
3. 钢材的轧制和热处理
将钢锭加热至1200～1300℃，通过轧钢机将其轧
成所需形状和尺寸的钢材，称为热轧型钢。轧钢
机的压力作用可使钢锭中的小气泡和裂纹弥合，
并使组织密实。钢材的压缩比（钢坯与轧成钢材
厚度之比）愈大时，其强度和冲击韧性也愈高。
三、温度的影响
1.正温度范围内（0℃以上）
t<200℃时：钢材的性能变化不大
在250℃左右时：钢材塑性和韧性下降，破坏常呈 脆性破坏特征 t=(260～320)℃时：钢材有徐变现象 t>300℃时：钢材的强度和E开始显著下降，而δ 显著增大 t>400℃时：钢材的强度和E都急剧降低
热到200～300℃，然后冷却到室温进行试验。这
样可使时效在几小时内完成。
4.设计要求： 钢结构设计一般不利用冷加工硬化
造成的强度提高，而且对直接承受动力荷载的钢
9.专用钢结构用材见相关规范。
第二节
钢材的主要机械性能
钢材的机械性能（力学性能）通常是指钢厂生产供应的钢材 在标准条件下拉伸、冷弯和冲击等单独作用下显示出的各种 机械性能。它们由相应实验得到，试验采用的试件的制作和 试验方法都必须按照各相关国家标准规定进行。
一、单向拉伸时的性能（强度、塑性） 二、冷弯性能 三、冲击韧性 四、可焊性
t>600℃时：其承载能力几乎丧失
2.负温度范围内（0℃以下） 随着温度降低，塑性和韧性降低，材料变脆，称 为低温冷脆。钢材冲击韧性与温度的关系曲线反
弯点所对应的温度t0称为脆性转变温度。
四、冷加工硬化和时效硬化
1.应变硬化 ： 钢材在常温下加工称为冷加工。冷轧、冷
弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大的塑性变形，
五、钢材受压和受剪时的性能
钢材在单向受压（短试件）时，受力性能基本上 与单向受拉相同。
受剪的情况也相似，但屈服点ηy及抗剪强度ηu均
于fy和fu；剪变模量G也低于弹性模量E。
六、其他机械性能
耐久性 耐久性需要考虑的有：耐腐蚀性、“时效”现象、 疲劳现象等。 时效：随着时间的增长，钢材的力学性能有所 改变。 疲劳：多次反复荷载作用下，钢材低于屈服点 fy 发生的破坏。 Z向伸缩率 当钢材较厚时，或承受沿厚度方向的拉力时，要 求钢材具有板厚方向的收缩率要求，以防厚度方 向的分层、撕裂。
二、冷弯性能
冷弯性能是指钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时， 对产生裂缝的抵抗能力。冷弯性能用试验方法来检验钢材承
受规定弯曲程度的弯曲变形性能，检查试件弯曲部分的外面、
里面和侧面是否有裂纹、裂断和分层。 试件弯成180°的角度，若试件外表面不出现裂纹和分层， 即为合格。 综合反映钢材的塑性性能和冶金质量。 重要结构中需要有良好的冷热加工性能时，应有冷弯合格保 证。
果应符合现行国家产品标准和要求。
Biblioteka Baidu 1）国外进口钢材；
2）钢材混批； 3）板厚等于或大于40mm，且设计有Z向性能要求的厚板； 4）建筑结构安全等级为一级，大跨度钢结构中主要受力构件 所采用的钢材；
5）设计有复验要求的钢材；
6）对质量有疑义的钢材。 复检时各项试验都应按有关的国家标准《金属拉伸试验方法》 (GB／n28)，《金属夏比缺口冲击试验方法》 (CB／n29)和 《金属材料弯曲试验方法》 (GB／n32)的规定进行。
七、钢材性能的鉴定
由前可知，反映钢材质量的主要力学指标有：屈服强度、
抗拉强度、伸长率、冷弯性能及冲击韧性。此外，钢材的
工艺性能和化学成分也是反映钢材性能的重要内容。根据 《钢结构工程施工质量验收规范》(CB50205—2001)的规
定，对进入钢结构工程实施现场的主要材料需进行进场验
收，即检查钢材的质量合格证明文件、中文标识及检验报 告，确认钢材的品种、规格、性能是否符合现行国家标准 和设计要求。 对属于下列情况之一的钢材，应进行抽样复验，其复验结
Si：作为脱氧剂加入普通碳素钢。适量硅可提高钢材的强度， 而对塑性、冲击韧性、冷弯性能及可焊性无显著的不良影响。 一般镇静钢的含硅量为0.10%～0.30%，含量过高（达1%）， 会降低钢材塑性、冲击韧性、抗锈性和可焊性。应控制 ≤0.1~0.3%
Mn：适量的锰可有效提高钢材强度，消除硫、氧对钢材的热 脆影响，改善钢材热加工性能，并改善钢材的冷脆倾向，同 时不显著降低钢材的塑性、冲击韧性。普通碳素钢中锰的含 量约为0.3%～0.8%。含量过高（达1.0%～1.5%以上）使钢 材变脆变硬，并降低钢材的抗锈性和可焊性。 S：有害元素。含量↑使强度↑塑性、韧性、性能冷弯、可焊 性↓；高温时使钢材变脆－热脆现象。一般建筑用钢含硫量 要求不超过0.055%，在焊接结构中应不超过0.050%。
第二章 钢结构的材料
本章重点
1. 钢材的主要性能及影响因素
2. 规范中推荐使用的钢号及钢材的选用原则
3. 常用的型钢型式、规格及用途
目
录
第一节 钢结构对所用材料的要求 第二节 钢材的主要机械性能 第三节 影响钢材性能的主要因素 第四节 钢材的延性破坏和非延性破坏、循环加载 和快速加载的效应 第五节 钢材的类别及钢材的选择 第六节 国外钢材品种和钢号简介
为改善钢材力学性能，可适量增加锰、硅含量，还可掺入
一定数量的铬、镍、铜、钒、钛、铌等合金元素，炼成合 金钢。钢结构常用合金钢中合金元素含量较少，称为普通
低合金钢。
二、钢材生产过程的影响
1. 冶炼炉种的影响
结构用钢我国主要有三种冶炼方法：碱性平炉炼钢
法、顶吹氧气转炉炼钢法、碱性侧吹转炉炼钢法。
式中 ：
l1 —— 为试件拉断后标距间长度。
fy、fu和δ是承重钢结构对钢材要求所必须的三项
基本机械性能指标。
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率。
式中：
A0 ——试件原来的断面面积；
A1 ——试件拉断后颈缩区的断面面积； 结构或构件在受力时（尤其承受动力荷载时）材料塑性好 坏往往决定了结构是否安全可靠，因此钢材塑性指标比强 度指标更为重要。
塑性
钢材的塑性为当应力超过屈服点后，能产生显著的残余变 形（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可用伸长 率 和断面收缩率表示。通过静力拉伸试验得到。
单向拉伸试验
钢材的应力ζ～应变ε曲线 如图所示 >>
（1）弹性阶段 ζ与ε呈线性关系
（2）弹塑性阶段 ζ与ε呈非线性关系
（3）塑性阶段,也称屈服阶段 取fy作为强度极限
用作钢结构的钢材必须具有下列性能：
钢结构对所用材料的要求(物美价廉)
1. 较高的强度。即抗拉强度fu和屈服点fy高。用 到fy作为强度承载力极限状态的标志，fy高可减轻 结构自重。fy/fu太小浪费，太大安全储备小。通 常在0.6～0.7。
2. 足够的变形能力。即塑性、韧性、耐久性好.可 防止脆性破坏,抗动力荷载好,耐疲劳. 3. 良好的加工性能。冷、热加工和可焊性好。
4. 耐腐性好。 5. 价格便宜。
6．有时还要求钢材具有适应低温、高温等环境的 能力。 7.《钢结构设计规范（GB50017)》推荐使用：碳 素结构钢中的Q235钢、低合金结构钢中的Q345 钢、Q390钢、Q420钢。 8. 随着研究的深入，必将有一些满足要求的其它 种类钢材可供使用。若选用钢结构设计规范还未 推荐的钢材时，需有可靠的依据，以确保钢结构 的质量。
第三节 影响钢材性能的主要因素
一、化学成分的影响
二、钢材生产过程的影响
三、温度的影响
四、冷加工硬化和时效硬化
五、复杂应力状态的影响
六、应力集中的影响
一、化学成分的影响
钢的基本元素为铁（Fe），普通碳素钢中占99%，此外 还有碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）等杂质元素，及硫
三、冲击韧性
钢材的韧性是钢材在塑性变形和断裂的过程中吸收能量的能 力，也是表示钢材抵抗冲击荷载的能力，它是强度与塑性的 综合表现。
指标：采用有V形缺口的标准试件，在要求 温度时在冲击试验机上用击断试样所需的冲 击功Akw表示,单位为J。
式中： ak——冲击韧性值； Ak——冲击功； An——试件缺口处的净截面积。
从而使fy提高，但同时降低了钢材的塑性和韧性，这种现 象称为冷加工硬化。 （冷加工包括：剪、冲、辊、压、折、钻、刨、铲、撑、 敲等。）
2.时效硬化： 钢材经过一定时间后强度提高但塑性降低，
这种现象称为时效硬化。不同种类钢材的时效硬化过程可 从几小时到数十年。
3.人工时效 ：使钢材产生10%的塑性变形，再加
平炉钢和顶吹转炉钢的力学性能指标较接近，而碱
性侧吹转炉钢的冲击韧性、可焊性、时效性、冷脆
性、抗锈性能等都较差，故这种炼钢法已逐步淘汰。
2. 钢的脱氧
钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不匀并发生热脆。因
此浇注钢锭时要在炉中或盛钢桶中加入脱氧剂以消除氧。
因脱氧程度或方法不同，把钢分为：沸腾钢（F）、半镇 静钢（b）、镇静钢（Z）和特殊镇静钢（TZ）。 沸腾钢脱氧程度低，氧、氮和一氧化碳气体从钢液中逸出， 形成钢液的沸腾。沸腾钢的时效、韧性、可焊性较差，容
P：有害元素。虽可提高强度、抗锈性，但严重降低塑性、
冲击韧性、冷弯性能和可焊性，尤其低温时发生冷脆现象， 含量需严格控制，一般不超过0.050%，焊接结构中不超过
0.045%。
O：有害元素。引起热脆。一般要求含量小于0.05%。 N：能使钢材强化，但显著降低钢材塑性、韧性、可焊性和 冷弯性能，增加时效倾向和冷脆性。一般要求含量小于 0.008%。
冲击韧性与温度有关，当温度低于某一负温值时，冲击韧 性值将急剧降低。因此在寒冷地区建造的直接承受动力荷
载的钢结构，除应有常温冲击韧性的保证外，尚应依钢材
的类别，使其具有-20℃ 或-40℃的冲击韧性保证，应 Akw≥27J。
四、可焊性
钢材的可焊性是指在一定工艺和结构条件下，钢 材经过焊接能够获得良好的焊接接头的性能。 可焊性分为施工上的可焊性和使用性能上的可焊 性。 施工上的可焊性指对产生裂纹的敏感性，使用性 能上的可焊性是指焊接构件在焊接后的力学性能 是否低于母材。
承载力的标志 （4）强化阶段 fu为钢材的抗拉强度,为材料的强 度储备 （5）颈缩破坏阶段 （6）可把钢材视为理想弹塑性体
钢材的应力ζ～应变ε曲线
伸长率 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，为试件拉断时原标距 间长度伸长值与原标距比值的百分率。
第一节 钢结构对所用材料的要求
国民经济各部门几乎都需要钢材，但由于各自用途的不同， 所需钢材性能各异。如有的机器零件需要钢材有较高的强 度、耐磨性和中等的韧性；有的石油化工设备需要钢材具
有耐高温性能；机械加工的切削工具，需要钢材有很高的
强度和硬度等等。因此，虽然碳素钢有一百多种，合金钢 有三百多种，符合钢结构性能要求的钢材只有碳素钢及合 金钢中的少数几种。