第二章 钢结构材料
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含碳量为0.1%－0.3%。 标准试件：lo/d=5、10；lo-标距； d --直径(diameter)
d0 L0
A.有屈服点(yield point)钢材σ-ε曲线可以分为五个阶 段：
(1)弹性阶段(elasticity)(OF段) OA段材料处于纯弹性，即:
E F
B
E
AF段有一定的塑性变 形, 但整个OF段卸载 u 时，ε=0； y A E=206×103N/mm2
2.3.1 钢材的破坏形式
(Failure modes) 塑性破坏(plastic failure)
特征：破坏前有明显的塑性变形，破坏过 程长，断口发暗，可以采取补救措施。
脆性破坏 (brittle failure)
特征：坏前没有明显的变形和征兆，破坏 时的变形远比材料应有的变形能力小， 破坏突然，断口平直、发亮呈晶粒状， 无机会补救。 组织结构和外部工作条件决定破坏形式。
（1）屈服点屈服强度fy (yield piont)--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(load carrying capacity)和确定钢材强度设计值的重要指标。 （2）抗拉强度fu (tensile strength) --应力应变曲线最高点对 应的应力，它是钢材受拉时所能承受的极限应力(stress limit or ultimate stress)。
第二章 钢结构的材料
(Mechanical properties of structural steel) §2-1 概述 (Introduction) §2-2 钢材的生产 (Production) §2-3 钢材的主要性能 (Main mechanical properties)
§2-4
各种因素对钢材性能的影响(Effects of factors of
§2.1 概述(Introduction)
钢 结 构 钢 材 须 满 足 的 基 本 要 求 (structural steel’s basic reqiurements)：
较高的强度(high
strength)
fy高可以减小截面，从而减轻自重，节约钢材，降低造价。 fu 高可以增加结构的安全保障 。(a higher fy leads to smaller section and decrease the weight, reduce the cost; a higher fu enhances the security and reliability)
1. What is microstructure? “组织结构”
晶格示意图(crystal structure)
体心立方晶格
面心立方晶格
密排六方立方晶格
针状和块状铁素体（100倍）
片状珠光体（1000倍）
2. 缺陷(Defects and imperfection)
钢结构的缺陷类型(defects and imperfection types)
2.3.2 钢材在单向一次拉伸下的工作性能(behavior under uniaxial tensile load)
液压式万能电子材料试验机
拉伸试验机 (tensile testing machine)
条件(test conditions)：标准试件(standard specimen)
（GB228—63），常温（20℃）下缓慢加载，一次完成。
O
G
D A C
E
（2）弹塑性阶段(elasto-plasticity)（FB) 该段很短,表现出钢材的非弹性性质; （3）塑性阶段 (plasticity)（BCD) 该段ζ基本保持不变 （水平), ε急剧增大, 称为屈服台阶或流幅 段,变形模量E = 0，
E F
B
G
σB—屈服上限 u y A (maximum yield); σC—屈服下限 minimum yield(屈 服点)
1.钢材的先天性缺陷 ①化学成分缺陷(Chemical composition)（2.4.1小节） ②冶炼(smelting and refining)、铸造(foundry)和轧制 (rolling)缺陷 2.钢构件的加工制造缺陷(machining and fabrication) 3.钢结构连接缺陷(connection)
有很好的塑性和韧性，即足够的变形能力(better
plasticity and to be
toughness or ductility, i.e. better deformation resistance)
良好的制造加工性能（冷、热加工、可焊性）(easy
mashined and manufactured－ cold-formed, hot-rolled, weldability)
§2.1 概述(Introduction)
钢 结 构 钢 材 须 满 足 的 基 本 要 求 (structural steel’s basic reqiurements)： 特殊工作条件下的某些特有性能(special structural steel) 。如 低 温 (low temperature) 、 有 害 介 质 (corrosive action) 及 疲 劳 (fatigue)等。 根据以上各项要求，钢结构规范(Structurall steel design codes)（GB50017-2003）推荐用钢：《规范》推荐承重结构 宜采用普通碳素钢(carbon structural steel)Q235钢和低合金结 构钢(low alloy structural steel)Q345钢、Q390钢及Q420钢。
了解钢材的生产过程(Production procedure)和组织构造 (Microstructure) ， 钢 材 的 种 类 (types) 、 规 格 (Specificacions)及选用原则(selection principle)； 掌 握 钢 材 的 主 要 性 能 要 求 (Main mechanical requirements)，以及各种因素对钢材性能(behaviors)的影 响(effect) 。
平炉炼钢
电弧炉炼钢
转炉炼钢
3.钢材的浇注(steel casting)和脱氧(deoxidation) ● 脱氧剂——Mn、Si等 ● 沸腾钢——用Mn脱氧，不充分，质量不好，成本低。
Biblioteka Baidu
● 镇静钢——除锰外，还用硅和铝为脱氧剂，脱氧完全，质量
好，成本高。 ● 半镇静钢——介于沸腾钢和镇静钢之间。
2.2.2 钢材的组织构造(Microstructure)和缺陷(defects)
4.钢结构运输、安装和使用维护中的缺陷(transportation, installation and erection, maintenance)
铸锭方框偏析
(a)
(b)
(c)
(d)
铸锭断面气孔分布状况示意图 (a)表面气孔 (b)皮下气孔 (c)内部满面气孔 (d)内部缩松气孔
2.2.3 钢材的加工(machining and forming) 1.热加工(hot-forming)
§2.2
钢材的生产
2.2.1 钢材的冶炼(smelting and refining)
包括炼铁(puddling)、炼钢(steel-making)和轧制(rolling)三道工序
1.炼铁(puddling)
2.炼钢(steel-making) ● 转炉钢(convertor steel)——质量较差，杂质含量较多。 空气底吹转炉钢——质量甚差，国内已不生产。 空气侧吹转炉钢——质量略差，各项性能不如氧气顶吹转炉钢。 氧气顶吹转炉钢——有害元素少、杂质少、纯洁度高；质量和 加工性能都接近平炉钢；生产效率高，成本低，投资省，建厂快。 ● 平炉钢——原料广泛，容积大，广量高，冶炼工艺较简单，钢材质量 优良，化学成分稳定（偏析度小），机械性能可靠，能冶炼各种用途的 钢。缺点为生产成本高，建厂规模大，工期长，投资大。 ● 电炉钢(electric steel)——质量最好，成本最高，土建少用。
steel’s microstructure and composition and environmental conditions)
§2-5 钢材的疲劳 (Fatigue) §2-6 建筑钢的种类、规格和选用
(Types, specificacions and selection )
本章学习要点(Key points in Ch2)
退火和正火改善组织以提高钢的机械性能 其操作方法为：在炉中钢材加热保温一段时间后，随炉温冷却 至500℃以下，再放至空气中冷却的工艺称为完全退火 若保温后从炉中取出在空气中冷却的工艺称为正火。正火的冷 却速度比退火快，强度和硬度有所提高 低温退火，主要用来消除铸件、热轧件、锻件、焊接件和冷加 工件中的残余应力 淬火：工艺是将钢件加热到900℃以上，保温后快速在水中或油中 冷却。增加了钢材强度和硬度，使塑性和韧性降低 回火：工艺将淬火后的钢材加热到某一温度进行保温，而后在空气 中冷却。消除残余应力，调整强度和硬度，减少脆性，增加塑性和 韧性，形成较稳定的组织。 通常称淬火加高温回火的工艺为调质处理。强度较高的钢材，如 Q420中的C、D、E级钢和高强度螺栓的钢材都要经过调质处理。
indexes) 强度、塑性和韧性、良好的加工性能、特殊性能(strength, elasticity, plasticity,ductility and better machinability) 强度(strength)—钢材抵抗破坏的能力。钢材强度有屈服 强度fy 和抗拉强度fu(yield strength and tensile strength)。
影响：冷作硬化（应变硬化）(cold-hardening,strain-hardening)
尽量避免。
3.热处理（退火、正火、淬火和回火） (heat treating: annealling, normalizing,quenching, tempering)
作用(function)：改善钢材性能。 (why?)
适宜的温度控制范围：1150-1300℃ (why?)
作用:改善钢材的力学性能(improve mechanical behaviors) （钢材强
度按厚度分组，附录1） 各向异性增大，且易出现分层现象(lamination)。
2.冷加工（冷轧、冷弯、冷拔，切削等）(cold-forming:coldrolled,cold-bending,cold-drawing,cutting)
热轧车间
冲压设备(punching equipment)
§2.3 钢材的主要性能(Mechanical behaviors)
钢材的性能 ——表征钢材在给定外界条件下的行为 即钢材在各种作用下所表现出来的各种特性。如弹性、塑性、 韧性和强度等性能(elasticity, plasticity, toughness, strength)，称为 力学性能(mechanical behavior)。 使用性能 (Service 工程材料的性能 performance) (Performance of Engineering Materials) 工艺性能 (processing property) 力学性能(mechanical behavior) 物理性能(physical property) 化学性能(chemic property) 铸造性 (castability) 可锻性(forgeability) 可焊性(weldability) 切削加工性(machinability) 热处理性 (heat-treatability)
D A C
O
E
（4）强化阶段(DE段)(strain hardening) 随荷载的增加σ缓慢增大,但ε增加较快 （5）颈缩阶段(EG段)(necking) 极限抗拉强度fu (ultimate tensile strength)
E F
B
G
u
D A C
y A
O
E
单向拉伸时钢材的几个重要机械性能指标(mechanical
d0 L0
A.有屈服点(yield point)钢材σ-ε曲线可以分为五个阶 段：
(1)弹性阶段(elasticity)(OF段) OA段材料处于纯弹性，即:
E F
B
E
AF段有一定的塑性变 形, 但整个OF段卸载 u 时，ε=0； y A E=206×103N/mm2
2.3.1 钢材的破坏形式
(Failure modes) 塑性破坏(plastic failure)
特征：破坏前有明显的塑性变形，破坏过 程长，断口发暗，可以采取补救措施。
脆性破坏 (brittle failure)
特征：坏前没有明显的变形和征兆，破坏 时的变形远比材料应有的变形能力小， 破坏突然，断口平直、发亮呈晶粒状， 无机会补救。 组织结构和外部工作条件决定破坏形式。
（1）屈服点屈服强度fy (yield piont)--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(load carrying capacity)和确定钢材强度设计值的重要指标。 （2）抗拉强度fu (tensile strength) --应力应变曲线最高点对 应的应力，它是钢材受拉时所能承受的极限应力(stress limit or ultimate stress)。
第二章 钢结构的材料
(Mechanical properties of structural steel) §2-1 概述 (Introduction) §2-2 钢材的生产 (Production) §2-3 钢材的主要性能 (Main mechanical properties)
§2-4
各种因素对钢材性能的影响(Effects of factors of
§2.1 概述(Introduction)
钢 结 构 钢 材 须 满 足 的 基 本 要 求 (structural steel’s basic reqiurements)：
较高的强度(high
strength)
fy高可以减小截面，从而减轻自重，节约钢材，降低造价。 fu 高可以增加结构的安全保障 。(a higher fy leads to smaller section and decrease the weight, reduce the cost; a higher fu enhances the security and reliability)
1. What is microstructure? “组织结构”
晶格示意图(crystal structure)
体心立方晶格
面心立方晶格
密排六方立方晶格
针状和块状铁素体（100倍）
片状珠光体（1000倍）
2. 缺陷(Defects and imperfection)
钢结构的缺陷类型(defects and imperfection types)
2.3.2 钢材在单向一次拉伸下的工作性能(behavior under uniaxial tensile load)
液压式万能电子材料试验机
拉伸试验机 (tensile testing machine)
条件(test conditions)：标准试件(standard specimen)
（GB228—63），常温（20℃）下缓慢加载，一次完成。
O
G
D A C
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（2）弹塑性阶段(elasto-plasticity)（FB) 该段很短,表现出钢材的非弹性性质; （3）塑性阶段 (plasticity)（BCD) 该段ζ基本保持不变 （水平), ε急剧增大, 称为屈服台阶或流幅 段,变形模量E = 0，
E F
B
G
σB—屈服上限 u y A (maximum yield); σC—屈服下限 minimum yield(屈 服点)
1.钢材的先天性缺陷 ①化学成分缺陷(Chemical composition)（2.4.1小节） ②冶炼(smelting and refining)、铸造(foundry)和轧制 (rolling)缺陷 2.钢构件的加工制造缺陷(machining and fabrication) 3.钢结构连接缺陷(connection)
有很好的塑性和韧性，即足够的变形能力(better
plasticity and to be
toughness or ductility, i.e. better deformation resistance)
良好的制造加工性能（冷、热加工、可焊性）(easy
mashined and manufactured－ cold-formed, hot-rolled, weldability)
§2.1 概述(Introduction)
钢 结 构 钢 材 须 满 足 的 基 本 要 求 (structural steel’s basic reqiurements)： 特殊工作条件下的某些特有性能(special structural steel) 。如 低 温 (low temperature) 、 有 害 介 质 (corrosive action) 及 疲 劳 (fatigue)等。 根据以上各项要求，钢结构规范(Structurall steel design codes)（GB50017-2003）推荐用钢：《规范》推荐承重结构 宜采用普通碳素钢(carbon structural steel)Q235钢和低合金结 构钢(low alloy structural steel)Q345钢、Q390钢及Q420钢。
了解钢材的生产过程(Production procedure)和组织构造 (Microstructure) ， 钢 材 的 种 类 (types) 、 规 格 (Specificacions)及选用原则(selection principle)； 掌 握 钢 材 的 主 要 性 能 要 求 (Main mechanical requirements)，以及各种因素对钢材性能(behaviors)的影 响(effect) 。
平炉炼钢
电弧炉炼钢
转炉炼钢
3.钢材的浇注(steel casting)和脱氧(deoxidation) ● 脱氧剂——Mn、Si等 ● 沸腾钢——用Mn脱氧，不充分，质量不好，成本低。
Biblioteka Baidu
● 镇静钢——除锰外，还用硅和铝为脱氧剂，脱氧完全，质量
好，成本高。 ● 半镇静钢——介于沸腾钢和镇静钢之间。
2.2.2 钢材的组织构造(Microstructure)和缺陷(defects)
4.钢结构运输、安装和使用维护中的缺陷(transportation, installation and erection, maintenance)
铸锭方框偏析
(a)
(b)
(c)
(d)
铸锭断面气孔分布状况示意图 (a)表面气孔 (b)皮下气孔 (c)内部满面气孔 (d)内部缩松气孔
2.2.3 钢材的加工(machining and forming) 1.热加工(hot-forming)
§2.2
钢材的生产
2.2.1 钢材的冶炼(smelting and refining)
包括炼铁(puddling)、炼钢(steel-making)和轧制(rolling)三道工序
1.炼铁(puddling)
2.炼钢(steel-making) ● 转炉钢(convertor steel)——质量较差，杂质含量较多。 空气底吹转炉钢——质量甚差，国内已不生产。 空气侧吹转炉钢——质量略差，各项性能不如氧气顶吹转炉钢。 氧气顶吹转炉钢——有害元素少、杂质少、纯洁度高；质量和 加工性能都接近平炉钢；生产效率高，成本低，投资省，建厂快。 ● 平炉钢——原料广泛，容积大，广量高，冶炼工艺较简单，钢材质量 优良，化学成分稳定（偏析度小），机械性能可靠，能冶炼各种用途的 钢。缺点为生产成本高，建厂规模大，工期长，投资大。 ● 电炉钢(electric steel)——质量最好，成本最高，土建少用。
steel’s microstructure and composition and environmental conditions)
§2-5 钢材的疲劳 (Fatigue) §2-6 建筑钢的种类、规格和选用
(Types, specificacions and selection )
本章学习要点(Key points in Ch2)
退火和正火改善组织以提高钢的机械性能 其操作方法为：在炉中钢材加热保温一段时间后，随炉温冷却 至500℃以下，再放至空气中冷却的工艺称为完全退火 若保温后从炉中取出在空气中冷却的工艺称为正火。正火的冷 却速度比退火快，强度和硬度有所提高 低温退火，主要用来消除铸件、热轧件、锻件、焊接件和冷加 工件中的残余应力 淬火：工艺是将钢件加热到900℃以上，保温后快速在水中或油中 冷却。增加了钢材强度和硬度，使塑性和韧性降低 回火：工艺将淬火后的钢材加热到某一温度进行保温，而后在空气 中冷却。消除残余应力，调整强度和硬度，减少脆性，增加塑性和 韧性，形成较稳定的组织。 通常称淬火加高温回火的工艺为调质处理。强度较高的钢材，如 Q420中的C、D、E级钢和高强度螺栓的钢材都要经过调质处理。
indexes) 强度、塑性和韧性、良好的加工性能、特殊性能(strength, elasticity, plasticity,ductility and better machinability) 强度(strength)—钢材抵抗破坏的能力。钢材强度有屈服 强度fy 和抗拉强度fu(yield strength and tensile strength)。
影响：冷作硬化（应变硬化）(cold-hardening,strain-hardening)
尽量避免。
3.热处理（退火、正火、淬火和回火） (heat treating: annealling, normalizing,quenching, tempering)
作用(function)：改善钢材性能。 (why?)
适宜的温度控制范围：1150-1300℃ (why?)
作用:改善钢材的力学性能(improve mechanical behaviors) （钢材强
度按厚度分组，附录1） 各向异性增大，且易出现分层现象(lamination)。
2.冷加工（冷轧、冷弯、冷拔，切削等）(cold-forming:coldrolled,cold-bending,cold-drawing,cutting)
热轧车间
冲压设备(punching equipment)
§2.3 钢材的主要性能(Mechanical behaviors)
钢材的性能 ——表征钢材在给定外界条件下的行为 即钢材在各种作用下所表现出来的各种特性。如弹性、塑性、 韧性和强度等性能(elasticity, plasticity, toughness, strength)，称为 力学性能(mechanical behavior)。 使用性能 (Service 工程材料的性能 performance) (Performance of Engineering Materials) 工艺性能 (processing property) 力学性能(mechanical behavior) 物理性能(physical property) 化学性能(chemic property) 铸造性 (castability) 可锻性(forgeability) 可焊性(weldability) 切削加工性(machinability) 热处理性 (heat-treatability)
D A C
O
E
（4）强化阶段(DE段)(strain hardening) 随荷载的增加σ缓慢增大,但ε增加较快 （5）颈缩阶段(EG段)(necking) 极限抗拉强度fu (ultimate tensile strength)
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