河海大学钢结构_第二章 钢结构的材料
钢结构设计原理 第二章 钢结构的材料.
不做冲击韧性试验
—
27J
F、b、Z
F、b、Z
Q235C
Q235D
Z
TZ
（２）钢材质量级别不同，只要是Q235钢，其由拉伸试验得 来的三个力学性能指标抗拉强度(极限强度)、伸长率和屈服点 都相同。但这三个指标中的屈服强度和伸长率随着钢材厚度分 级降低，抗拉强度则不随厚度变化。
（3）钢材的供应基本上要求同时保证力学性能和化学成分。 冶炼方法采用氧气转炉、平炉或电炉。除非需有特殊要求并 在合同中注明，冶炼方法一般由供方自行确定。（规范规定： 承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷 含量的合格保证,对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。)
§2-1建筑钢材的基本要求
1. 2. 3.
较高的强度---fy , fu较高 足够的变形能力---良好的塑、韧性 良好的加工性能---冷、热加工及可焊性能好 另外，在低温下、高温下及腐蚀性环境中，要求钢材具 有相当的适应能力
根据以上要求，我国《现行钢结构设计规范》GB500172003推荐承重结构钢材:Q235、 Q345 、 Q390、 Q420钢 首者应符合国家标准《碳素结构钢》GB/T700的规定， 后三者应符合《低合金高强度结构钢〉GB/T1590的要求， 其中Q420钢是新推荐的。 鸟巢所用钢材名为Q460EZ235，这种钢的强度是普通钢材 的两倍，能达到最高级别，而这种钢材完全由我国自主创新 研究出来。 名为Q460EZ235的钢材是顶级建筑用钢，“460”指的是钢材 的强度，这表明这种钢的强度是普通钢材的两倍，“E”指的 是零下–40度的冲击韧性指标，这表明此钢的韧性十足，而 “Z235”则表明鸟巢钢材的性能是最高级的。
第二章钢结构的材料 主要内容
第2章-钢结构材料
第2章-钢结构材料第二章钢结构制作提要钢结构的材料不仅密切关系到钢结构的计算理论，同时还对钢结构的制造、安装、使用、造价、安全等均有直接联系。
所以，本章内容是学习钢结构的基础。
学习时，应全面了解钢材的性能，从而做到能正确选用并防止脆性破坏的产生。
2.1 建筑钢材的选用2.1.1 钢结构对钢材性能的要求钢结构的主材是钢材。
随着现代炼钢技术的高速发展，钢材的种类众多，性能多样，以适应各行业的不同用途。
建筑钢结构需承受各种荷载，且工作环境和情况亦不尽相同。
因此，对其使用的钢材性能有下列要求：（1）较高的强度钢材强度高可减小构件截面，从而减轻结构自重，节约钢材，降低造价。
（2）较好的塑性和韧性塑性好的钢材具有足够的应变能力，能在结构破坏前产生明显的变形，从而降低结构脆性破坏的危险性。
同时，塑性变形还能调整局部应力高峰，使应力分布逐渐趋于均匀。
韧性好的钢材具有较强的抵抗脆性破坏的能力。
对低温寒冷地区和承受重复荷载作用需验算疲劳的钢结构，对钢材的韧性要求更高。
（3）良好的加工和可焊性能将钢材制造成钢结构，需经过冷加工（剪切、钻孔、冷弯等）、热加工（气割、热弯等）和焊接等工序，故钢材不仅应具有易于冷、热加工的工艺性能和可焊性能，而且材性（强度、塑性、韧性等）不会明显改变，否则对结构会产生不利影响。
（4）专用的特种性能（耐候、耐火、Z向性能）露天钢结构或在有害介质作用下的钢结构均有较高的防腐要求，对重要的建筑钢结构还有较高的防火要求。
然而，一般钢材的防腐、防火性能均较差（在600℃时完全丧失承载力。
在高温火焰燃烧下，仅15min即可能垮塌），虽可涂刷防腐或防火涂料加以改善，但操作较繁，且维护费用较高。
若钢材自身能具有耐候（抗大气腐蚀）、耐腐（抗海水腐蚀，如航空母舰）、耐火性能，则有利于钢结构的应用。
高层建筑钢结构用的钢板常沿Z向（厚度方向）受拉，故可能产生层状撕裂。
因此，对厚度较大钢板应有Z向性能要求。
2.1.2 钢材的性能钢材的性能通常用强度、塑性及韧性、Z向性能和可焊性表述。
第二章钢结构的材料2
现象、疲劳现象等。 耐腐蚀性
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。
23
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σs也可能发生破坏的现象 称疲劳破坏
持久强度
高温和长期荷载作用下，其屈服强度有
1.较高的抗拉强度σb和屈服点σs； 2.较好的塑性、韧性； 3.良好的工艺性能（冷、热加工，可焊性）； 4.对环境的良好适应性。
3
钢材性能的要求主要有： • 强度 • 塑性 • 韧性 • 冷弯性 • 耐久性 • 可焊性 • Z向伸缩率
4
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E、比例极限σp、 屈服点σs和抗拉强度σb（fu ）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。
ε0 ε ε
0.15% 2.5%-3%
1)σs与σp相差很小； 2)超过 σs到屈服台阶终
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。
14
（2）钢材在静载作用下：
强度计算以σs为依据; σb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
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：
fvfy y3
（ 23 ）G 79 103N m m 2
18
二、冲击韧性
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 钢结构材料
第二章钢结构材料.txt35温馨是大自然的一抹色彩，独具慧眼的匠师才能把它表现得尽善尽美；温馨是乐谱上的一个跳动音符，感情细腻的歌唱者才能把它表达得至真至纯本文由bzhzhg123贡献ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。
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第2章钢结构材料§2-1 概述§2-2 钢材的生产§2-3 钢材的主要性能§2-4 各种因素对钢材性能的影响§2-5 钢材的疲劳§2-6 建筑用钢的种类、规格和选用建筑用钢的种类、第2章钢结构材料§2-1 概述1）有较高的强度，屈强比满足要求，保证安全储备）有较高的强度，屈强比满足要求，2）有足够的变形能力）塑性破坏前有预兆，能内力重分布塑性破坏前有预兆，破坏前有预兆韧性在动载下破坏能吸收较大能量韧性在动载下破坏能吸收较大能量 3）有良好的加工性能，适应冷热加工，有良好的可焊性）有良好的加工性能，适应冷热加工， 4）适应低温、有害介质侵蚀及承受疲劳荷载，这方面能力）适应低温、有害介质侵蚀及承受疲劳荷载，视具体结构而定；视具体结构而定； 5）易生产、价格便宜。
）易生产、价格便宜。
《钢结构设计规范》（GB50017-2002)推荐的普通碳素钢结构设计规范》推荐的普通碳素结构钢Q235钢和低合金高强度结构钢钢和低合金高强度结构钢Q345、Q390及Q420是结构钢钢和低合金高强度结构钢、及是符合上述要求。
符合上述要求。
§2-1 概述§2-2 钢材的生产钢材的生产分为炼铁、钢材的生产分为炼铁、炼钢和轧制2.2.1 钢材的冶炼一. 炼铁二. 炼钢碳素钢低合金高强度结构钢常用的炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。
常用的炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。
电炉炼钢炼成的钢质量好。
电炉炼钢炼成的钢质量好。
耗电量大，成本高。
耗电量大，成本高。
转炉炼钢是利用高压空气或氧气氧气顶吹转炉冶炼的钢中有害元素和杂质少，氧气顶吹转炉冶炼的钢中有害元素和杂质少，生产周期短，效率高、质量好、成本低。
钢结构第2章 钢结构的材料
由于下屈服点的数 值较为稳定，因此以 它作为材料抗力的指 标，称为屈服点或屈 服强度，用fy表示。
fb
fy fe fp
b
·
e p
· s’ · · ·
s
c
O
E
3.强化阶段 s’点以后，随荷载的增加ζ缓慢增大,但ε增加较快。 4.颈缩阶段（bc段） 钢材受拉断裂前的最大应力 值（b点对应值）称为强度 极限或抗拉强度fb。
b
E
E=206×103 N/mm2 (2)非线性弹性阶段
fb
fy e p fe fp
·
· s’ · · ·
s
c
pe段材料处于非线性 弹性阶段，整个Oe段 卸载时，ε=0。
O
E
2.屈服阶段 当应力超过弹性极限后，变形增加较快，此时除产生弹性变形 外，还产生部分塑性变形。 当应力达到s点后，塑性应变急剧增加，曲线出现一个波动的 小平台，这种现象称为屈服。这一阶段的最大、最小应力分别 称为上屈服点s和下屈服点s’。
（1）较高的抗拉强度fu和屈服点fy。 （2）较高的塑性和韧性。 （3）良好的工艺性能（包括冷加工、热加工和可焊性）。 （4）适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀)以及重复荷载 作用等的性能。 （5）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。
2．形成理想弹塑性体的模型，为发展钢结构计算理论提供基础。 fy之前，钢材近于理想弹性体， fy之后，塑性应变范围很大 而应力保持不增长，所以接近理想塑性体。因此，可以用两 根直线的图形作为理想弹塑性体的应力-应变模型。钢结构设 计规范对塑性设计的规定，就以材料是理想弹塑性体的假设 为依据，忽略了应变硬化的有利作用。
钢结构 第二章 钢结构的材料
钢结构第二章钢结构的材料第二章本章内容钢结构对钢材有哪些性能方面的要求？如何获得这些性能方面的指标？影响钢材性能的主要因素有哪些？钢材会发生什么样的破坏形式？钢材的疲劳问题；选用钢材依据什么原则？钢材的分类与规格。
本章教学要求掌握钢结构用钢材的主要性能及指标；掌握影响钢材性能的主要因素，特别是导致钢材变脆的主要因素；了解钢材的两种破坏形式（脆性、塑性破坏）；掌握钢材疲劳的概念、影响疲劳强度的主要因素和疲劳计算方法。
熟悉钢结构用钢材的种类、牌号、规格；掌握钢材选择的依据，做到正确选择钢材；§2.1 钢结构对钢材性能的要求较高的强度较好的塑性较好的冲击韧性良好的冷加工性能良好的可焊性§2.2 钢材性能指标的获得钢材的拉伸试验获得钢材的抗拉强度、屈服极限和塑性钢材的冲击试验获得钢材的冲击韧性钢材的冷弯试验获得钢材的冷弯性能钢材的含碳量决定钢材的可焊性钢材的的化学成分决定钢材的抗腐蚀性能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、冷弯性能；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）。
小节§2.3 钢材的破坏形式两种性质完全不同的破坏形式：塑性破坏（延性破坏)脆性破坏（脆性断裂)§2.4 影响钢材性能的一般因素化学成分的影响钢材生产过程的影响硬化的影响温度的影响应力集中的影响板厚、直径的影响残余应力１）材料由弹性转入塑性是用形状改变能量强度理论来判断的；§2.5 复杂应力作用下钢材的屈服条件假定：２）复杂应力状态下外荷载使单元体单位体积内所积聚的形状改变能等于单轴受力屈服的形状改变能时，钢材即由弹性转入塑性。
外荷载使单元体产生应变，从而引起体积和形状改变，单元体内积聚了体积改变能和性状改变能。
oZXY单元体受复杂应力（应力分量）复杂应力状态下以应力分量表示的形状改变能为单元体受主应力复杂应力状态下以主应力表示的形状改变能为单向应力作用下材料屈服时的形状改变能为材料处于弹性状态材料处于塑性状态复杂应力状态下材料由弹性进入塑性的条件为讨论钢材的屈服仅取决于三向主应力差值平方和的大小，而不是主应力的本身大小;当时单元体主要是各向均匀伸长或缩短引起的体积改变，其形状基本不变。
钢结构基本原理第二章 钢结构的材料
第二章 钢结构的材料2.1 对钢结构用材要求具有以下性能：1，强度高：抗拉强度和屈服点。
2，足够变形能力：塑性和韧性好。
3，良好加工性能：适合冷热加工，良好可焊性。
此外具体环境：适应低温、有害介质侵蚀及重复荷载作用。
符合上述条件下，还要容易生产，价格便宜。
普通Q235，低合金钢，Q345，Q390，Q420等。
2.2 钢材主要性能及鉴定2.2.1 钢材主要性能及其鉴定常温、静载条件下性能具有代表性低碳钢、普通低合金钢：Ⅰ：弹性阶段，p σ：比例极限，正比，完全弹性，外力撤除变形完全恢复。
Ⅱ：弹塑性阶段：出现塑性变形，外力撤除有残余变形。
y σ屈服点（屈服时，上下波动，上屈服点受实验条件影响，波动，下屈服点受实验条件影响小，作为抗力标准y f 。
y σ的意义：1）y σ时15.0=ε℅，p σ时1.0=ε℅，y σ弹性变形终点。
0.15-0.25℅，应力不增加，y σ作为弹性变形终点。
2）形成理想弹塑性模型，为发展钢结构计算理论提供基础y σ前接近理想弹性体，y σ后接近理想塑性体。
Ⅲ：塑性阶段，应变增长，应力不变Ⅳ：应变硬化阶段，应变增长，应力增长，发生颈缩现象。
颈缩：u σ后试件出现局部横向收缩变形，随后断裂。
u σ抗拉强度（设计时作为材料抗力u f ）是材料安全储备，塑性设计把钢材看成理想弹塑性，忽略应变硬化有利因素，2.1/≤y u σσ强屈比。
热处理钢材：有很好塑性，但没有明显屈服平台，应力应变曲线成一连续曲线。
δ ℅永久变形0.2℅应力为屈服点，2.0σ为屈服强度，5.0=ε℅对应应力为 屈服强度。
为统一起见，钢材中y σ，2.0σ用y f 表示，屈服强度。
伸长率：断裂试件永久变形与原标定长度的百分比，材料断裂前具有的塑性能力。
此外一次拉伸性能：弹性模量，硬化开始时应变硬化模量。
2.2.2 冷弯性能概念：根据试样厚度，按规定的弯心直径将试样弯曲180度，其表面及侧面 无裂纹或分层。
冷弯实验合格。
《钢结构》第二章钢结构的材料资料
主 编
素结构钢，属于低碳钢，含碳量小于0.25%；工程所用低合
） 金钢，其含碳量小于0.52%。
第2章 钢结构的材料
钢 ⑵ 锰（Mn)、硅(Si)
结 构
是作为脱氧剂存在钢中，是钢中的有益元素。能提高钢
基 材的强度，而对塑性和韧性无明显影响。
本 原
⑶ 硫(S)、磷(P)
理
硫、磷是钢中十分有害的元素。硫的存在会加大钢材的
结 构
指钢材在冷加工时，对产生裂缝
基 的抵抗能力。
本 将试件弯曲成规定的角度后,检查
原 理
试件弯曲部分的表面有无裂缝、裂
（ 断、分层等，没有即为合格。
黄 冷弯试验是鉴定钢材质量的一种
呈 伟
良好方法，常作为静力拉伸试验和
主 冲击试验的一种补充试验，是一项
编 ）
衡量钢材力学性能的综合指标。
a
d a
d+2.1a
（ 耐老化性：“老化”使钢材变脆。 黄 呈 耐长期高温性：在长期高温条件下工作的钢材，其破坏强
伟 主
度比常温拉伸试验的强度低得多，应另行测定“强度”。
编 耐疲劳性：钢结构或构件在长期连续的交变荷载或重复荷 ） 载作用下，应力低于fy也会发生破坏，称为“疲劳破坏”。
第2章 钢结构的材料
钢 结
2.1.6 钢构件的两种破坏形式
图2.5 冷弯1800试件
第2章 钢结构的材料
钢
2.1.3 冲击韧性
结 构
冲击韧性是衡量钢材强度、
基 塑性及材质的一项综合指标。
本 原
冲击韧性由冲击试验测定。
理 冲击韧性：
（ 黄
α
k
(NA•km/cm2)
A
《钢结构—基本原理与设计》教学课件—02钢结构的材料
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
沸腾钢
采用的脱氧剂为脱氧能力较弱的锰，因此脱氧不完全，且浇 注时会有气体逸出，出现钢液的沸腾现象，由于沸腾钢在铸模中 冷却很快，气体逸出不完全，凝固后的钢材中留有较多的杂质和 气体，钢的质量较差。
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。
脆性破坏
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。
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
Lo
d
标准试件
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
3.2 单向拉伸时的工作性能
钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure
变形, 但整个
OB段卸载时, e=0
O
e
s Ee
B点对应的应力：
se （弹性极限）
单调拉伸应力-应变曲线
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。）
第二章钢结构的材料
第二章 钢结构的材料§2.1 建筑钢材的两种主要破坏形式塑性破坏——破坏前有明显的变形，破坏历时时间长，断口发暗，可以采取补救措施。
脆性破坏——破坏前没有明显的变形和征兆，破坏时产生的变形远比材料应有的变形能力小，破坏发生突然，断口平齐、发亮，无机会补救。
1972年廊坊因一个杆脆断屋架倒塌 1979年吉林煤气罐大爆炸（12月中旬） 1995年南朝鲜大桥倒塌 1999年四川綦江大桥倒塌原因：钢材内部缺陷、焊接缺陷、构造不合理、使用不当等。
原则：在制作和使用过程中，应充分考虑各方面因素，尽量发挥材料的塑性，避免一切脆性破坏的可能性。
§2.2 建筑钢材单轴应力作用下的工作性能一．一次拉伸条件：标准试件（GB228—63），常温（20℃）下缓慢加载，一次完成。
含碳量为1%～3%。
标准试件d l /0=5，10；0l ——标距；d ——直径。
P 2．弹塑性段（y p f f −→−）：呈非线性； 3．塑性段（y f 波动段，下屈服点稳定）：水平段； 4．强化段从拉伸曲线可以得到以下指标：1）屈服点 f y ——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。
2）抗拉强度 f u ——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。
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ψ和伸长率δ表示，通过静力拉伸试验得到。
伸长率δ——试件断裂前的永久变形与原标定长度的百比。
%l l l δ10001⨯-=l 0— 原标距长；l 1—拉断后标距长度；d 0—试件直径。
试件有两种标距：l 0/ d 0=5 和 l 0/ d 0=10 相应的伸长率用δ5和δ10表示。
断面收缩率ψ——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。
第2章钢结构的材料
第 二 章 钢结构的材料
2.3.1 化学成分的影响
有害元素：硫(S) 磷(P) 氧(O) 氮(N) 氢(H)是冶炼过程中留
在钢中的杂质，含量高时可分别使钢热脆或冷脆。
在冶炼过程中存留的杂质：
碳冲硫出击(C(现S韧))裂元能度纹使素，，钢：尤称材会其为的使是“塑钢低热性材温脆及强下”冲度的现击增冲象韧强击，性，韧这降塑度对低性也钢，降会材并低降热使，低加钢冷，工材弯还不在性会利高能使。温及钢时
第 二 章 钢结构的材料
2.4.2 钢材的选择与选用 1.钢材的选择
选择钢材是钢结构设计的重要内容，目的是要 作到既使结构安全可靠，同时又要尽最大可能节 约钢材，降低造价，因而应根据结构的特点，选 择适宜的钢材。
结构的类型及重要性：结构可分为重要、次要和一般三类； 荷载的性质：静载，动载；满载，欠载； 连接方法：焊接结构；非焊接结构。 结构的工作温度：钢材的塑性、冲击韧性随温度下降而降低。 构件的受力性质：同样的缺陷对拉应力比压应力影响更大。
分层：钢材的分层主要发生在厚板中，钢材轧制时在 厚度方向形成分层，但各层之间仍互相连接，并不脱 离。分层现象会严重降低钢材的冷弯性能，在分层的 夹缝里，还容易侵入潮气因而引起锈蚀。特别在应力 作用下还会加速锈蚀，甚至形成裂纹，大大降低钢材 的韧性，疲劳强度和抗脆断能力。
第 二 章 钢结构的材料
2.3.3 钢材的硬化影响
塑性破坏：材料在破坏之前有显著变形，并吸收大量
能量，从发生变形到最后破坏，持续很长时间。
脆性破坏：材料在破坏之前没有显著变形，吸收能量
很少，破坏突然发生。
第 二 章 钢结构的材料
§2.3 影响钢材性能的主要因素
结构用钢必须同时具有较高的强度、塑性、 韧性、冷弯性能，还必须具有良好的加工性能， 如可焊性等。影响钢材这些性能的因素很多，主 要有化学成分，钢材的冶金和轧制工艺，硬化， 温度和应力集中等。
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钢材的物理性能指标
弹性模量E （N/mm2）
剪切模量G 线膨胀系数 （N/mm2） （以每0C计）
2.06×105
7.9×104
1.2×10-5
质量密度 （kg/m3）
7.85×103
18
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
五、钢材的可焊性
➢机械性能指标: 屈服强度 fy、抗拉强度 fu、伸长率d 等
6
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
1、试验条件
标准试件在室温、以满足静力加载的加载速度一次加载所得 钢材的应力-应变(σ-ε)曲线，以此反映钢材的机械性能。
（1）试件的尺寸要符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽
(1) 弹性阶段(OA段)
OA段：纯弹性阶段 s =Ee
A点对应的应力： fp （比例极限）
AA’段：有一定的非线性 变形，但整个
AA’段卸载时, e =0
A’点对应的应力： fe （弹性极限）
fp= fe
s
E
B
F
CD
fp
A（A’）
Ε =s /e
O
e
钢材单向拉伸试验的应力-应变曲线
8
第二章 钢结构的材料
易发现和补救， 应尽量避免。
3
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
二、钢结构对所用材料的要求
钢材种类繁多，碳素钢与合金钢，性能差别大，用 于建造钢结构的钢材称为结构钢，必须满足下列要求：
（1） 较高的屈服强度 fy和抗拉强度 fu （2） 塑性、韧性好 （3） 良好的加工性能： 冷加工、热加工、可焊性
曲线简化的依据：
ss
1) 钢材在屈服点之前的性质接
近理想的弹性体；
fu
2) 屈服点之后的塑性应变范围
fy
大(e ≈ 0.15％-2.5％)，且应力
基本保持不变，接近理想的 塑性体；
fy fp (fe)
3) 忽略强化阶段有利因素，要 求 fy / fu ≤ 0.85来保证塑性转 动能力。
O e0
e eε
5
一、单向拉伸时的性能
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
➢试验条件:
《金属材料-拉伸试验：温室试验方法》
标准试件 标准加载速度 标准温度
➢s -e试验曲线: 有明显屈服点-低碳钢与低合金钢
（弹性、屈服、强化、颈缩）
无明显屈服点-高强度钢
（弹性、强化、颈缩）
⚫ 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拉应力。fy- fu代表钢材的强度 储备。
⚫ 伸长率d ：衡量钢材塑性变形能力的一个重要指标。
13
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
➢ 理想弹塑性钢材的应力-应变曲线(本构模型)
钢材单向0拉.1伸5%试验的应力-2应.5%变曲线
理想弹塑性体的应力-应变曲线
钢材是符合理想中的弹性-塑性材料
14
二、冷弯性能（定性指标）
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
冲头 加压
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。
无缝管 铸钢件
22
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
二、钢材生产过程的影响
炼铁
炼钢
浇铸脱氧
轧制
(热处理)
⚫ 钢的浇铸方法
传统钢浇铸：钢水注入钢模形成钢锭，浇筑钢锭时在炉中加 脱氧剂消除氧。
连铸浇铸：钢水注入连续浇铸机，并通过轧制做成钢坯，浇
钢材焊接时获得合格焊缝的难易程度，称为可焊性。
影响可焊性的因素：含碳量、碳当量、板厚、钢材屈服强度等 有关。碳当量计算如下：
Ceq = [C + Mn / 6 + (Cr + Mo + V) / 5 + (Ni + Cu) /15]100%
预热处理，控制焊接工艺
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第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
fy
δ
⚫ 超过300℃：屈服强度↓、抗拉 强度↓，塑性显著↑；
（4） 耐久性好 （5） 价格便宜
（6）某些条件下，要求具有适应低温、高温
等环境的能力
4
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
第二节 钢材的主要机械性能和工艺性能
一、单向拉伸时的性能 二、钢材的冷弯性能 三、钢材的冲击韧性 四、受压和受剪时的性能 五、钢材的可焊性
二、钢材生产过程的影响
炼铁
炼钢
球团 焦炭 铁矿石 烧结矿 石灰石
铁水
高炉 废钢
氧气转炉
(钢材)
电弧炉
(特种钢)
浇铸脱氧
轧制
型钢轧制 棒线材轧制
小方坯 直接 轧制
大方坯
中厚板轧制 热轧板卷轧制
板坯
冷连轧机
焊管
加热炉
无缝管轧制
(热处理)
钢轨 钢板件 型钢 棒材
棒线材
中厚板
热轧板卷或薄板
冷轧板卷或薄板
焊管
➢ 对无明显屈服点的钢材（脆性破坏） 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。
s
fu fy=f0.2
0.2%
e
εy
钢材单向拉伸试验的应力-应变曲线
设计时以卸载后试件中
残余应变ey =0.2％所对应 的应力 s0.2作为屈服点—
“条件屈服点”或 “名义屈服点”。
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第二章 钢结构的材料
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第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
三、温度的影响
➢ 高温
⚫ 室温~200℃：强度、弹模、塑 性、韧性没大的变化；
s (N / mm2 )
fu
d (%)
⚫ 250℃左右：抗拉强度↑，塑性↓， 称“蓝脆” ，钢材应避免在蓝 脆温度范围进行热加工；
Chapter 2 Material of Steel Structure
单向拉伸时钢材的三个基本机械性能指标
⚫ 屈服强度fy ：应力-应变曲线开始产生较大塑性变形时对 应的应力，代表钢材的强度极限承载能力。钢结构设计 取屈服强度作为强度极限承载应力标准。
建筑结构承载力极限状态设计法：R= f = fy /gR 水工结构的容许应力设计法：R=[s]= fy /K= fy / (k1,k2,k3)
铸和脱氧同时进行。
沸腾钢 (锰铁)
弱 机弱
低
半镇静钢
脱
械
成
脱氧程度
镇静钢 (锰硅)
氧
性 能
本
特殊镇静钢 (锰硅+铝) 强
强
高 23
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
⚫ 钢的轧制
✓ 在高温和压力下，将钢锭或钢坯热轧成钢板和型钢； ✓ 改变钢材的形状和尺寸； ✓ 使小气泡、裂纹、疏松等缺陷弥合起来； ✓ 使金属组织更加致密，改善了钢材的力学性能。(表1-3)
A1
l1
A0
伸长率δ 试件被拉断后原标定长度的 d = l1 - l0 100%
伸长值与原标定长度的比值(d5>d10)。
l0
断面收缩率 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
11
第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
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第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
三、冲击韧性（定量指标）
钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收能量的能力。用断裂时吸 收的总能量，即冲击功AkV(J)来表示。是衡量钢材抵抗可能因低 温、应力集中、冲击荷载作用等而导致脆性断裂能力的一项机 械性能。
E
F
e
应力保持不变而应变持续发展，形成水平阶段（略有锯 齿形波动），即屈服平台。
C点应力：屈服强度 fy
钢结构设计取屈服强度 fy作为强度极限承载力指标。
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第二章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
(4) 强化阶段(DE段)
经塑性变形和应力重分布后，产生了继续承受增加荷载的 能力，曲线开始上升。E点的应力：抗拉强度fu ，试件所 能承受的最大拉应力； fy - fu之间代表材料的强度储备。
塑性破坏
破坏特征 破坏断口 破坏后果
构件应力 s 超过 常为杯形，有 破坏前有很明
屈服强度 fy，并 明显颈缩现象。 显变形，并有
达到抗拉强度 fu，
较长的变形持
构件产生明显的
续时间，便于
变形并断裂。
发现和补救。
脆性破坏
破坏前无明显变 形，破坏应力也
较小s ≤ fy，没有
明显预兆。
断口平直和呈 突然发生的， 有光泽的晶粒。 危险性大，不
Chapter 2
s
Material of Steel Structure