第二章 钢结构的材料(48)

2.硫（S）：有害元素，热脆性。不得超过0.05%。 3.磷（P）：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有提高， 可焊性降低。不得超过0.045%。 4.锰（Mn）：合金元素。弱脱氧剂。与S形成MnS， 熔点1600℃，可以消除一部分S的有害作用。 5.硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。 6.钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳 化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。
钢材在潮湿或腐蚀性环境中工作，需要注 意防锈涂装。 时效
随着时间的增长，钢材的力学性能有所改 变称作时效。
疲劳
钢材在多次循环反复荷载作用下，即使 应力低于屈服点fy也可能发生破坏的现象称 疲劳破坏
持久强度
钢材在高温和长期荷载作用下，其屈服强 度要比一次拉伸时低得多，所以长期在高温 下工作的钢材，应测定其“持久强度”
止的变形约为2.5%-3%，足以满足考虑结 构的塑性变形发展的 要求。
（2）钢材在静载作用下：
强度计算以fy为依据;fu为结构的安全储备。
（3）断裂时变形约为弹性变形的200倍，在破坏前
产生明显可见的塑性 变形， 可及时补救， 故几乎不可能发生。

fu fu-fy
fy
O 0.15%
22%

4.单向拉伸时钢材的机械性能指标
重复加载，产生疲劳破坏。
五、 应力集中和残余应力 钢结构构件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂缝、
厚度变化、形状变化、内部缺陷等使一些区域产 生局部高峰应力，此谓应力集中现象。应力集中 越严重，钢材塑性越差。(汽车玻璃裂纹处理)
残余应力为钢材在冶炼、轧制、焊接、 冷加工等过程中，由于不均匀的冷却、组 织构造的变化而在钢材内部产生的不均匀 的应力。残余应力在构件内部自相平衡而 与外力无关。残余应力的存在易使钢材发 生脆性破坏。
出现疲劳断裂时，截面上的应力低于材料的抗 拉强度，甚至低于屈服强度。同时，疲劳破坏属于 脆性破坏，塑性变形极小，因此是一种没有明显变 形的突然破坏，危险性较大。
防止脆性断裂的方法：
(1)合理选择钢材
温度——冷脆转变温度低
厚度 ——薄
钢材通常选用的原则是既保证结构安全可靠，同时又 要经济合理，节约钢材。具体而言，应考虑到结构的重要 性、荷载特征、连接方法以及工作环境，尤其是在低温下 承受动载的重要的焊接结构，应选择韧性高的材料和焊条。 另外，改进冶炼方法，提高钢材断裂韧性，也是减少脆断 的有效途径。
(3)合理制作和安装
冷加工——栓孔 钻、扩
焊接——合理工艺、参数，减小焊接残余应力， 如厚钢板，焊前预热，焊后保温
安装——减小装配残余应力
就钢结构制作而言，冷热加工易使钢材硬化变脆，焊接 尤其易产生裂纹、类裂纹缺陷以及焊接残余应力。就安装而言， 不合理的工艺容易造成装配残余应力及其他缺陷。
因此，制定合理的制作安装工艺并以减少缺陷及残余应 力为目标是十分重要的。
800 ～1200℃高温下变脆，氧化物会降低钢材的力学性能和工艺性能。
气孔：浇注时由FeO与C作用所生成的CO气体不能充分逸出而留在钢锭
内形成的。
裂纹：钢材中已出现的局部破坏 分层：指沿厚度方向形成层间并不相互脱离的分层。分层处易被锈蚀,
且分层使钢材性能变差。
三、 冷加工硬化和时效硬化
四、加荷速度和重复加载 加荷速度提高，钢材的屈服点提高，脆性增大；
由试件断裂吸收的能量Cv来衡钢材的冲击韧性，
单位：J。Cv受温度的影响
冲击韧性试验装置
钢材的机械性能指标
1、屈服点fy； 2、伸长率δ； 3、抗拉强度fu； 4、冷弯试验； 5、冲击韧性Cv
(包括常温冲击韧性、 0度时冲击韧性 负温冲击韧性）。
四、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。 耐腐蚀性
设计时应力求使缺陷引起的应力集中减少到最低限度， 尽量保证结构的几何连续性和刚度的连贯性。 比如：
把结构设计为超静定结构并采用多路径传力可减少脆 性断裂的危险；
接头或节点的承载力设计应比其相连的杆件强20%— 50%；
构件断面在满足强度和稳定的前提下应尽量宽而薄。
切记：增加构件厚度将增加脆断的危机，尤其是设计焊接结 构应避免重叠交叉和焊缝集中。
7.氧（O）：有害杂质，与S相似（热脆）。 8.氮（N）：有害杂质，与P相似（冷脆） 。 9.铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性
有影响。 “辛集皮革加工厂”
二．冶金工艺
常见的冶金缺陷有： 偏析：钢中化学成分不一致和不均匀性称为偏析。主要是硫和磷的偏
析，使钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。
非金属夹杂：常见的夹杂物为硫化物和氧化物。硫化物使钢材在
§2.2 影响钢材力学性能的因素
问题： 1、简述哪些因素对钢材性能有影响。 2、简述化学成分对钢材性能的影响？ 3、什么是时效硬化和冷作硬化？ 4、钢材中薄钢板和厚钢板性能一致吗？为什么？ 5、随着温度升高和降低，钢材性发生什么变化？
§2.2 影响钢材力学性能的因素
影响钢材力学性能的因素有：
•化学成分 •冶金工艺 •冷加工硬化和时效硬化 •加载速度 •应力集中和残余应力 •温度 •复杂应力状态
强度
强度是材料受力时抵抗破坏的能力。说明钢 材强度性能的指标有弹性模量、比例极限、屈 服点和抗拉强度等。这些指标可以根据钢材标 准试件一次单向拉伸试验确定。
一、受拉、受压、受弯及受剪时的性能
（一）一次拉伸时的性能 • 1.条件：标准试件（GB/T228），常温（20±5℃）
下缓慢加载，一次完成。含碳量为0.1%－0.3%。
Q235钢分为A、B、C、D四级，其中，A级：不要求 冲击试验：B级：要求+20℃冲击试验；c级：要求0℃冲 击试验；D级：要求-20℃冲击试验。在此说明一点，对于 焊接结构至少应选用Q235B。
(2)合理设计
合理的设计应该在考虑材料的断裂韧性水平、最低工作 温度、荷载特征、应力集中等因素后，再选择合理的结构 型式，尤其是合理的构造细节十分重要。
五、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。
六、Z向伸缩性
高层和超高层建筑中，当钢材较厚(t≥40mm)， 承受沿厚度方向的拉力时，为避免层状撕裂，常 需要采用抗层状撕裂的钢材，即“Z向钢”。
作用等的性能。
◇容易生产，价格便宜。
《钢结构设计规范》(GB50017—2003)推荐的普通碳素结构 钢Q235钢和低合金高强度结构钢Q345、Q390及Q420是符合上 述要求的。 选用GB50017规范还未推荐的钢材时，需有可靠依据。以确 保钢结构的质量。
钢材性能的要求主要有： • 强度 • 塑性 • 冷弯性能 • 冲击韧性 • 耐久性 • 可焊性 • Z向伸缩率

( x
y

y z
z x
)

3( xy2

2 yz
zx2 )
若σred < fy 为弹性状态，
若σred ≥ fy为塑性状态；
纯剪情况下σred =
3
,即
fy 0.58 fy 3
时为弹性状态。
§2.3 钢材的破坏形式
问题： 1、建筑钢材的破坏形式有哪些？其对应特征是什么？ 2、什么是疲劳破坏？简述疲劳破坏的发展过程。疲劳破
-应变曲线并标明主要参数。 4、说明设计时钢材规定静力承载的指标依据，为什么这
样？
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
§2.1 钢结构对材料性能的要求
◇较高的强度。即抗拉强度fu和屈服点fy比较高。 ◇足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。 ◇良好的加工性能。即适合冷、热加工，良好的可焊性。 ◇适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀)以及重复荷载
（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，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。 （2）抗拉强度fu--应力应变曲线最高点对应的应 力，它是钢材最大的抗拉强度。
（3）伸长率
Lo N
d
L
l l0 100%
N
(2 1)
l0
d
当l0/d=5时，用δ5表示， 当l0/d=10时，用δ10表示。
• 标准试件：Lo/d=5、10；Lo-标距； d --直径
Lo
d
试验过程
2.阶段划分
A.有屈服点钢材σ--ε曲线可以分为五个阶段：
(1)弹性阶段(OB段) （2）弹塑性阶段（BC) （3）塑性阶段（CD) （4）强化阶段(DE段)
（5）颈缩阶段(EF段)
E
fu fy fP
C B
AD
F
E
δ5 ＞δ10
它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。
（4）断面收缩率 A0 A1 100% (2 2) A0
N N
A1 A0
（二）受压时的性能 采用短试件l0/d=3, 屈服点同单向拉伸时的屈服点。
（三）受弯时的性能 同单向拉伸时的性能，屈服点也相差不多。
（四）受剪时的性能
抗剪强度可由折算应力计算公式得到：
O

B.对无明显屈服点的钢材
该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变 形小，破坏突然。

设计时取相当于 残余变形为0.2%
fu fy=f0.2
时所对应的应力
作为屈服点—‘条
件屈服点’
0.2%

εp
3.应力应变曲线的简化
（1）钢材可以简化为理想弹塑性体
fy
ε0 ε ε
0.15% 2.5%-3%
1)fy与fp相差很小； 2)超过 fy到屈服台阶终