第二章 钢结构的材料(2011.8.31-9.5)

A0 A1 100% A0
A1 A0
3 、冷弯性能
冷弯性能由冷弯试验来确
定。试验时在试验机上用 冲头加压，使试件弯成 l80°，如试件外表面不出 现裂纹和分层，即为合格。

d
a
d+2.1a
弯曲→有无裂纹、分层 衡量钢材塑性性能和质 量优劣的综合指标。
4、冲击韧度
衡量钢材在动力（冲击）荷载、复杂应力作用下 抗脆性破坏能力的指标，用断裂时吸收的总能量 （弹性和非弹性能）来表示。
第 二 章
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）钢材的主要机械性能； （4）影响钢材性能的主要因素； （5）钢材种类和钢材规格；
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
1.较高的抗拉强度fu和屈服点fy；（结构的承载 力大，所需的截面小，结构的自重轻） 2.较好的塑性、韧性；（塑性好，不易发生脆性 破坏；韧性好，易于承受动力荷载） 3.良好的工艺性能（耐疲劳，冷、热加工，可焊 性，耐锈蚀）
标准试件：Lo/d=5、10；Lo-标距； d --直径
Lo
d
1.强度性能
1)比例极限fp：图中OP段为直线，表示钢材具有 完全弹性性质，这时应力 E P点应力称为比例极限。
弹性极限 fe ： PE 段仍具有弹性，但为非线性弹 性阶段，此时的模量叫做切线模量，
Et d/d ， E点的应力称为弹性极限。
钢锭剖面
二．冶金缺陷
注意：薄钢板的 强度比厚钢板的 强度高。
钢的轧制使晶粒细化
工字钢轧辊
二．冶金缺陷
1、偏析：钢中化学成分分布不均匀，主要的 偏析是硫、磷，将使偏析区钢材的塑性、韧性 及可焊性变坏。
型钢硫的偏析
二．冶金缺陷
2、非金属杂质：钢中存在非金属的夹杂，如 硫化物、氧化物。 3、裂纹、分层：影响冷弯性能。 4、气孔：浇铸过程中由FeO与C作用所生成的 CO气体不能充分逸出而滞留在钢锭内形成的微 小空洞。
§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 塑性破坏： 破坏前变形大，征兆明显，破坏延续时间 长，断口呈纤维状，色泽发暗。 脆性破坏： 破坏前变形小，预兆不明显，破坏突然发 生，断口平直并呈有光泽的晶粒状。
§2.3 钢材的主要性能
单向均匀拉伸时的性能
条件：标准试件（GB228—63），常温（10-35℃）下缓 慢加载，一次完成。含碳量为0.1%－0.3%。
N/mm2 800 600 fu 400 δ 200 fy 0 200 400
δ% Ex103
80 60 40 20 170 160 600 T(0C) 220 210
E
200 190 180
温度对钢材机械性能的影响
250℃左右抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性增加 — 兰
脆现象，该温度区段称为“兰脆区”。 260～320℃产生徐变现象。 600℃左右弹性模量趋于零 ，承载能力几乎完全丧失。
五、应力集中
六、反复荷载作用
一、化学成分
碳素结构钢中Fe占99%，其他杂质元素占1%；
低合金高强度结构钢中合金元素＜3%。
1. 碳（C）：钢材强度的主要来源，随其含量增加， 强度增加，塑性和韧度降低，焊接性降低，冷弯性能
降低，抗腐蚀性降低。 一般控制在0.17%-0.22%以下， 在0.2％以下时，可焊性良好。
2.应力集中的影响
3.减小应力集中现象的措施
<1:2.5
由于钢材具有良好的塑性性能，当承受静力荷 载且在常温下工作时，只要符合规范规定的设计要 求，可以不考虑应力集中的影响。
六 反复荷载作用
疲劳 在直接连续反复的动力荷载作用下，根据试验，
钢材的强度将降低，即低于一次静力荷载作用下的拉伸 试验的极限强度。
2.5 复杂应力作用下钢材的屈服条件
单向拉伸 应力达到屈服点时， 钢材即进入塑性状态。 复杂应力状态 如平面或立体 应力作用下，钢材由弹性状 态转入塑性状态的条件是按 能量强度理论计算的折算应 力与单向应力下的屈服点比 较来判断：
2 2 2 2 2 eq x y z2 x y y z x z 3 xy yz xz
超过0.045%。
8.氧（O）：有害杂质，与S相似。
9.氮（N）：有害杂质，与P相似。
巧记忆顺口溜：
• 钢材性能之情况 • 化学成分有影响 • 碳锰硅钒铝适量 • 硫磷氧氮使变脆
二．冶金缺陷
钢材在冶炼、轧制过程中出现的缺陷。常见的冶
金缺陷有：偏析、非金属夹杂、裂纹、分层、气孔等。
冶炼（脱氧）
沸腾钢 脱氧不充分，浇铸时大 量气体逸出，钢液表面沸腾。冷 却快，气体不能充分逸出，偏析 严重。 镇静钢 脱氧充分，浇铸时，气 体易逸出，钢液表面平静，缺陷 少。
2.6.1 钢的种类 成型方法：轧制钢(热轧、冷轧)、锻钢和铸钢。 化学成分：碳素钢和合金钢。 建筑工程中采用碳素结构钢、低合金高强度结构 钢和优质碳素结构钢。 (1) 碳素结构钢 按质量等级分为A、B、C、D四级。 A级钢只保证抗拉强度、屈服点、伸长率，必要 时尚可附加冷弯试验的要求。 B、C、D钢均保证抗拉强度、屈服点、伸长率、 冷弯和冲击韧性（分别为＋20℃，0℃，－20℃) 等力学性能。
(a)梅氏U型缺口 (b)夏比V型缺口 (恰贝)
由试件断裂吸收的能量Akv来衡量钢材的冲击韧性，
单位：J。 Akv受温度的影响
2.3.2 焊接性与耐久性能
焊接性：采用一般焊接工艺就可完成合 格的（无裂纹的）焊缝的性能。 焊接性受碳含量和合金元素含量的影响。
对于承受动力荷载的焊接结构，应对所用钢材进行焊接 性能的鉴定。
D P C
E
应力-应变曲线表现为双直线。
3) 抗拉强度或极限强度 f u 超过屈服台阶，材 料出现应变硬化，曲线上升，直至曲线最高处的 B点，这点的应力 f u 称为抗拉强度或极限强度。
当应力达到B点时，试件发生颈缩现象，至D点而 断裂。当以屈服点的应力 f y作为强度限值时，抗 拉强度称为材料的强度储备。
三、温度影响 1．正温范围
N/mm2 800 600 fu
δ% Ex103
80 60 40 δ 20 fy 170 160 200 400 220 210 E 200 190
400 200
0
100℃以内对 钢材性能无大 影C)
温度对钢材机械性能的影响
随温度升高总 的趋势是强度、 弹性模量降低， 塑性增大。
2. 锰（Mn ） ：含Mn 适量使强度↑，降低 S 、 O 的热脆影响，改善
热加工性能，有益元素。在碳素结构钢中 0.3%-0.8% ，在低合
金高强度钢中1.0%-1.7%。 3.硅（Si）：含Si适量使强度↑，其他影响不大，有益元素， 在碳素结构钢中0.07%-0.3%，在低合金高强度钢中≤0.55%。 4. 钒（ V ）、铌（ Nb ）、钛（ Ti ） ：使强度↑，同时提高耐腐 蚀性能，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结 构。
上屈服点和下屈服点 进入塑性流动范围时，曲 线波动较大，逐渐趋于平稳，其最高点和最低点 分别称为上屈服点和下屈服点。

上屈服点 和试验条件(加荷速度、试件形状、试件对中的准确性) S 有关。 下屈服点 不敏感，设计中则以下屈服点为依据。 u -塑性体 y P 理想的弹 无缺陷和残余应力影响的试件比例极限和屈服 点比较接近，且屈服点前应变很小。为简化计算，假定屈服点前 钢材为完全弹性，屈服点后为完全塑性的，这样就可把钢材视为 O 理想的弹-塑性体。 E
150度为宜，超过之后表面需加 隔热保护层。
2．负温范围
钢材的脆性倾向随 温度降低而增加， 材料强度略有提高， 但其塑性和韧性降
脆性破坏
转变过渡区段 塑性破坏
反弯点
低，该现象称为低
温冷脆。
试验温度T0C
T
T0
T
1 2 冲击韧性与温度的关系曲线
四、钢材的硬化（强度提高，塑性和韧度下降）
冷作硬化 ——冷加工使钢材产生很大的塑性变形，使得屈服强 度提高，而塑性和韧度降低的现象，称“应变硬化”。 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。
弹性极限和比例极限相距很近，实际上很难区 分，故通常只提比例极限。
2)屈服点 f：荷载增加，出现 ES段，为非弹性性质， y 即卸荷曲线成为与OP平行的直线(图中虚线)，留下永 久性的残余变形。此段上限S点的应力 称为屈服点。
fy
低碳钢 出现明显的屈服台阶SC段，即在应力保持不 变的情况下，应变继续增加。 高强度钢(高碳钢) 没有明显的屈服点和屈服台阶。屈 服条件是根据试验分析结果人为规定的，故称为条件 屈服点 ( 或屈服强度 ) 。条件屈服点是以卸荷后试件中 残余应变为0.2％所对应的应力定义的。
red 2 3 2
＝0 当只有剪应力时， fy 得： 0.58 f y 3 因此，钢材抗剪设计强度为抗拉设计强度的0.58倍。
2.6 钢的种类和钢材规格
2.6.1 钢的种类 用途分类：结构钢、工具钢和特殊钢(如不锈钢等)。 结构钢：建筑用钢、机械用钢。 冶炼方法：转炉钢、平炉钢。 转炉钢 采用氧气顶吹转炉钢，侧吹(空气)转炉钢所含 杂质多，使钢易脆，质量很低，已取消这种钢的使用。 平炉钢 质量好，冶炼时间长，成本高。 脱氧方法：沸腾钢(F)、半镇静钢(b)、镇静钢(Z)和特殊 镇静钢(TZ)，镇静钢和特殊镇静钢的代号可以省去 镇静钢脱氧充分，沸腾钢脱氧较差，半镇静钢介于镇静 钢和沸腾钢之间。一般采用镇静钢。
应变时效 —— 钢材产生 10% 的塑性变形后，再加热到 200℃ 300℃，然后冷却到室温，可使碳、氮化合物更易析出，时效 硬化加速发展，只需几小时即可完成，即冷加工硬化的同时可 以加速时效硬化，因此也称“人工时效”。