2第二章 钢结构的材料

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
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。
果应符合现行国家产品标准和要求。
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。
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。
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。
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
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。
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
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。
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
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
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。
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，
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。
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
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。
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%。
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。
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
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
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%。