农业设施设计与建造第二章(一)钢结构材料.

学 （ 烟
的温度范围，因此称为蓝脆) 。当温度超过300℃时，其 强度和弹性模量开始显著下降，而塑性开始显著增大，钢
台 材产生徐变。达到600℃时，强度几乎为零。
）
第2章 钢结构的材料
中 国 农 业 大 学 （ 烟 台 ）
第2章 钢结构的材料
(2)温度降低
温度下降到负温时，钢材
中 国 农
的强度虽有提高，但塑性和 韧性降低、脆性增加，出现
(3)塑性指标
延伸率：
中
国 农
断面收缩率：
l1 l0 100%
l0
业 大
A0 A1 100%
学
A0
（ 烟
式中l0——试件拉伸前标距长度;
台
l1——试件拉断后原标距间长度;
）
A0——试件截面面积;
A1——拉断后颈缩区的截面面积。
钢材的伸长率愈大，钢材塑性愈好
第2章 钢结构的材料
2.1.2 冷弯性能
国 变现象接近理想的塑性体，且流
农 变的范围很大（ε=0.15%～
fy S
业 2.5%）。因此，可认为钢材是
大 理想的弹-塑性体（图2.3）。即
学 假定钢材应力小于fy时是完全弹
（ 性的，应力超过fy后则是完全塑
ε
烟 性的。利用钢材理想弹－塑性假 0 A
台 定，可以简化钢构件的弹塑性分 图2.3 理想弹－塑性的应力－应变曲线 ） 析计算。
大 学
屈服点fy,破坏始于应力集中处,如缺口、裂纹、凹角和多
（
向受拉区域.破坏断口平直，呈有光泽的晶粒状。破坏前
烟
没有任何预兆,无法及时被发现和采取补救措施,危及生命
台
财产安全,后果严重。因此，设计时应尽量避免构件出现
）
脆性破坏。
第2章 钢结构的材料
2.2 影响钢材性能的因素
中
2.2.1 化学成分的影响
本章内容：
中 国
2.1 钢材的主要力学性能
农 2.2 影响钢材性能的因素
业 2.3 复杂应力下的屈服条件
大 学
2.4 钢结构的疲劳破坏和疲劳计算
（ 2.5 钢材的种类、选用和型钢规格
烟
台
）
第2章 钢结构的材料
2.1 钢材的主要力学性能
中
钢材的种类很多，其化学成分不同，性能各
国 农
异。
业
钢材的性能主要有：力学性能、加工性能和
台
）
第2章 钢结构的材料
2.2.2 冶炼、浇铸、轧制的影响
(1)冶炼
中
我国目前钢结构用钢主要是平炉和氧气转炉冶炼而成，两
国 种冶炼方法炼制的钢质量大体相当。 农
业
大
学
（
烟
台
）
第2章 钢结构的材料
中 国 农 业 大 学 （ 烟 台 ）
第2章 钢结构的材料
(2)脱氧方法
用锰、硅、铝作为脱氧剂进行脱氧（deoxidize）.它们之
将降低构件的刚度（stiffness）和稳定性。
第2章 钢结构的材料
2.2.4 温度的影响
(1)温度升高
中
国
当温度升高，钢材的强度和弹性模量的总趋势是降低，
农 但在150℃以下时变化不大。当温度在250℃时，钢材的
业 抗拉强度有较大的提高，但塑性、韧性变差，此时的破坏
大 为脆性破坏，称为“蓝脆”,(发生在钢表面有蓝色氧化膜
学 引起的热脆性，能提高钢材的强度和硬度。
（ ⑷磷
烟
磷是钢中很有害的元素。随着磷含量的增加，钢材的强度、
台 屈强比、硬度均提高，而塑性和韧性显著降低。特别是温度
） 愈低，对塑性和韧性的影响愈大，加大钢材的冷脆性。
第2章 钢结构的材料
⑸硫
硫是钢中很有害的元素。硫的存在会加大钢材的热脆性，
中 降低钢材的各种机械性能，也使钢材的可焊性、冲击韧性、
中 国 农 业 大 学
冷弯性能是指钢材在冷加工产生 塑性变形（deformed）时，对产 生裂缝的抵抗能力。如图2.3所示将 试件弯曲成规定的角度后,检查试件 弯曲部分的表面有无裂缝、裂断、 分层等，没有即为合格。
（ 冷弯试验是鉴定钢材质量的一种
烟 良好方法，常作为静力拉伸试验和
台 冲击试验的一种补充试验，是一项
第2章 钢结构的材料
高强度钢材没有明显的屈服
中 台阶，这类钢的屈服点是根据 σ
国 实验分析结果人为规定的，称 f0.2 S
农 业
为条件屈服（用f0.2表示，定 义为试件卸载后其残余应变为
E
大 学
0.2%时所对应的应力）。这
（ 类钢材在设计中不宜利用塑性。
烟
台
ε
）
0 0.2
图2.4 高强度钢的应力－应变曲线
农
σ
业
fu
B
大
D
学 （
fy
C
F
fe
E
fp A
烟
l0
d0
台
）
0 0.1 0.15
2.5
ε/%
22
图2.1 标准试件
图2.2 Q235钢单向受拉应力－应变曲线
第2章 钢结构的材料
拉伸曲线反映了钢材的
力学特性，描述如下：
中 1)弹性阶段：OAE段
国
OA直线的斜率称为弹 σ
农 性模量E，fp称为比例极
fu
业 结构需要油漆，已建成的结构需定期维护。
大 学 （ 烟 台
耐老化性：随着时间的增长，钢材的力学性能有所改变， 出现“时效”现象，即“老化”。“时效” 使钢材变脆。
耐长期高温性：在长期高温条件下工作的钢材，其破坏强 度比常温拉伸试验的强度低得多，应另行测定“强度”。
）
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，应力虽低于fy也会发生破坏，称为“疲劳破坏”。
） 衡量钢材力学性能的综合指标。
a
d a
d+2.1a
图2.5 冷弯1800试件
第2章 钢结构的材料
2.1.3 冲击韧性
冲击韧性是衡量钢材强度、
中 塑性及材质的一项综合指标。
国 钢材的韧性与轧制方法、环境
农 温度有关。冲击韧性由冲击试
业 大 学
验测定。
冲击韧性：
αk
A(kN•m/cm2)
A
（ 烟
式中：AK—试验机的冲击功
业 脆性转变温度。以韧性指标
Akv(J )
业 fk＝fy。
大 常用结构钢材的强度设计值f（design value）可查材料
学 （
手册。弹性设计时，构件的应力不能大于f值。
烟
抗拉强度fu在实际构件中是不允许达到的，钢材的抗拉强
台 度fu值高，可以增加结构的安全保障。
）
第2章 钢结构的材料
另外，Q235钢材在屈服前接
中 近理想的弹性体，而屈服后的流 σ
3)屈服阶段：CF段
钢材完全屈服，σ不增加
中 （保持fy），而ε骤增。 国 4)强化阶段：FB段
σ
fu
B D
农 业
经过屈服阶段后，钢材内 部组织重新排列，抵抗外力
fy
C
fe
E
fp A
F
大 的能力增强。
学 （ 烟 台 ）
5)颈缩阶段：BD段
应力超过fu后，试件出现 “颈缩”而断裂， fu称为抗 拉强度(tensile strength，
第2章 钢结构的材料
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第2章 钢结构的材料
轻钢结构住宅屋面系统
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第2章 钢结构的材料
高层钢结构
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第2章 钢结构的材料
钢结构厂房及构件加工
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第2章 钢结构的材料
农 与空气接触多而冷却快，先冷却部位常形成强劲的约束
业 （constraint），阻止后冷却部位的自由收缩，从而使后
大 冷却部位受拉，形成自相平衡的复杂的残余应力分布。此
学 后钢材的调直和加工（剪切、气割、焊接等）还将改变这
（ 种分布。构件承受荷载时，荷载引起的应力将与残余应力
烟 台 ）
叠加（superposition），使构件有些部位提前达到屈服 并发展塑性变形，使截面的弹性区域减少。因此残余应力
大 制钢比铸钢质量好。压缩比越大，钢材的力学性能越好。
学 （ 烟
此外，由于轧辊的压延作用，钢材顺轧辊轧制方向的性 能比横向的性能好。
台
）
第2章 钢结构的材料
中 国 农 业 大 学 （ 烟 台 ）
第2章 钢结构的材料
2.2.3 残余应力的影响
中 国
热轧型钢中的残余应力（remaining stress）是因不均 匀冷却而产生的。型钢冷却时其边缘、尖角及薄细部位因
第2章 钢结构的材料
中 国 农 业 大 学 （ 烟 台 ）
第2章 钢结构的材料
2.1.6 钢构件的两种破坏形式
1)塑性破坏——构件破坏前有明显的变形或破坏前兆,破坏
中 国
的断口常为杯形，呈纤维状，色泽发暗,塑性破坏容易被
农
发现而采取补救措施,可避免造成严重后果.
业 2)脆性破坏——破坏前构件变形很小,平均应力一般都小于
第2章 钢结构的材料
钢材在单向受压时（短试件） ，抗压强度与单向受拉时相
同。钢材受扭转时的应力－应变曲线也与受拉时相似，但剪
中 国
切屈服点和抗剪强度低于fy和fu；剪变模量G也低于弹性模量 E。钢材和铸钢件的弹性模量、剪变模量、线膨胀系数α和
农 质量密度ρ列于表2.1。
业
大
学
（
烟
台
）
第2章 钢结构的材料
台 （焦耳)；
） A—缺口处净截面面积(cm2)。
55 1
10
1
1-1
10
2
2
R=1 U 形缺口 R=0.25
45°
图2.6 冲击韧性试验
第2章 钢结构的材料
2.1.4 可焊性
焊接后焊缝金属及其附近的热影响区金属不产生裂纹，并
中 且焊缝的力学性能不低于母材的力学性能。
国 2.1.5 耐久性
农 耐腐蚀性：钢材耐腐蚀性较差，必须采取防护措施，新建
烟 台
半镇静钢 质量较好。
） 特殊镇静钢 质量最好，适用于特别重要的结构工程。
第2章 钢结构的材料
（3）ห้องสมุดไป่ตู้制
中
轧制（rolling）钢材是把钢锭加热到1200℃-1300℃
国 高温时进行，这时钢具有较好的热塑性，利用轧钢机压
农 力的作用，可使钢锭中的小气泡、裂纹和质地较疏松部
业 分压合密实，消除组织缺陷和细化钢的晶粒。因此，轧
国 耐疲劳性和抗腐蚀性等均降低。
农 ⑹氧
业 氧是钢中的有害元素。随着氧含量的增加，钢材的强度有
大 所提高，但塑性特别是韧性显著降低，可焊性变差。氧的
学 存在会造成钢材的热脆性。
（ ⑺氮
烟
氮对钢材性能的影响与碳、磷相似，随着氮含量的增加，
台 可使钢材的强度提高，塑性特别是韧性显著降低，可焊性
） 变差，冷脆性加剧。氮在铝、铌、钒等元素的配合下可以
台 钢，其含碳量小于0.20%。
）
第2章 钢结构的材料
⑵硅
硅是作为脱氧剂存在钢中，是钢中的有益元素。硅含量较
中 低（小于1.0%）时，能提高钢材的强度，而对塑性和韧性无
国 明显影响。
农 ⑶锰
业 锰是炼钢时用来脱氧去硫而存在于钢中的，是钢中的有益
大 元素。锰具有很强的脱氧去硫能力，能消除或减轻氧、硫所
减少其不利影响，改善钢材性能，可作为低合金钢的合金
元素使用。
第2章 钢结构的材料
⑻钛
中
钛是强脱氧剂。钛能显著提高强度，改善韧性、可焊
国 农
性，但稍降低塑性。钛是常用的微量合金元素。
业 ⑼钒
大 学
钒是弱脱氧剂。钒加入钢中可减弱碳和氮的不利影响，
（ 有效地提高强度，但有时也会增加焊接淬硬倾向，钒也是
烟 常用的微量合金元素。
B
业 限，，fe称为弹性极限。
fy
C
F
D
大 2)弹塑性阶段：EC段
fe
E
fp A
学 （ 烟
σ与ε不呈比例，除弹性 变形外还有塑性变形，fy称 为屈服强度，又叫屈服点
ε/%
台 （yield point，材料力学
0 0.1 0.15
2.5
22
） 中用σs表示）。
单向受拉应力－应变曲线
第2章 钢结构的材料
国
主要化学成分——铁（Fe，在碳素结构钢中约占99%）
农
少量元素——碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、磷
业 （P）、硫（S）、氧（O）、氮（N）、钛（Ti）、钒
大 （V）⑴碳
学
碳是决定钢材性能的最重要元素。含碳量增加，强度
（ 上升，硬度提高，塑韧性下降。建筑用钢一般多用碳素结
烟 构钢，属于低碳钢，含碳量小于0.25%；工程所用低合金
中 间的脱氧能力比为锰:硅:铝=1:5:90。按脱氧程度或方法不同
国 而分为沸腾钢(F)、镇定钢(Z)、半镇定钢(b)和特殊镇定钢(TZ)。
农 沸腾钢 组织不够致密，成分不太均匀，硫、磷等杂质偏析
业 较严重，故质量较差。但因其成本低、产量高，故被广泛用
大 于一般工程。
学 （
镇静钢 成本较高，但其组织致密，成分均匀，含硫量较少， 性能稳定，故质量好。适用于预应力混凝土等重要结构工程。
大 抗侵蚀等性能。
学
因此，必须了解钢材的强度、塑性、冷弯、
（ 韧性、可焊性以及影响钢材性能变化的各种因素，
烟 台 ）
才能根据钢结构所受的荷载、工作环境，选择符 合要求的钢材。
第2章 钢结构的材料
2.1.1 钢材的强度指标和塑性指标
（1）单向均匀受拉的工作特性
中 在常温静载情况下，Q235钢材标准试件（图2.1）受单 国 向拉伸试验时的应力－应变曲线如图2.2。
材料力学中用σb表示）。
0 0.1 0.15
2.5
ε/%
22
单向受拉应力－应变曲线
根据上述特性，可确定钢材的强度指标和塑性指标。
第2章 钢结构的材料
(2)强度指标
中 国
由于fy、fp、fe很接近，应变很小，ε≈0.1%(εy≈0.15%)可
以把三点看作为一点，并以屈服点fy作为代表。
农
钢结构设计中，把钢材的屈服点fy作为钢材的强度标准值