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1、1,第2章 钢结构的材料,2,本 章 内 容,第一节 钢材的工作性能,第二节 钢结构对钢材性能的要求,第三节 影响钢材性能的主要因素,第四节钢材的种类、规格和选用原则,3,钢材的主要强度指标和变形性能根据常温（205）、静载条件下标准试件一次拉伸试验确定。 常温静载条件下，图2-1所示低碳钢标准试件单向一次拉伸试验得到的简化光滑应力-应变曲线如图2-2所示，钢材历经五个阶段 :,第一节 钢材的工作性能,一、钢材静力单向均匀拉伸时的性能,4,图2-1 静力拉伸试验的标准试件,图2-2钢材一次单向拉伸简化应力-应变曲线,5,(1)阶段：弹性阶段（OA段） 比例极限fp: E=2.06105N/mm
2、2 卸除荷载后试件的变形将完全恢复。,(2)阶段：弹塑性阶段（AB段） 与呈非线性关系，应力增加时，相应增加的应变除弹性应变外还有塑性应变，卸载时，其中塑性应变不能恢复，称为残余应变。B点对应应力fy称为屈服点（又称屈服强度），对应的应变约为0.15%。,6,(3)阶段：塑性阶段（屈服阶段、BC段） 屈服点fy:应力达到屈服点fy后，应力-应变关系呈水平线段BC，称为屈服平台，钢材表现为完全塑性，整个屈服平台对应的应变幅称为流幅(约为0.15%2.5%)，流幅越大，钢材的塑性越好。,(4) 阶段：应变硬化阶段（强化阶段、CD段） 抗拉强度fu：经过屈服阶段后，钢材内部组织重新排列并建立了新的平
3、衡，产生了继续承受增长荷载的能力，此阶段的应力-应变为上升的非线性关系，直至应力达到最大值，称为抗拉强度fu。,7,(5)阶段：颈缩阶段（DE段） 在承载力最弱的截面处，横截面急剧收缩颈缩，变形也随之剧增，荷载下降，直至断裂。,对于没有缺陷和残余应力影响的试件,可认为钢材是图2-3所示理想弹-塑性体，经历两个阶段，即假定钢材应力小于fy时是完全弹性的，应力超过fy后则是完全塑性的。设计时，取fy作为强度限值，而取fu作为材料的强度储备。,图2-3 理想弹-塑性应力-应变曲线图,8,高强度钢材没有明显屈服点和屈服平台，这类钢的屈服点是根据实验分析结果人为规定的，称为条件屈服点，用f0.2表示，定
4、义为试件卸载后其残余应变为0.2%对应的应力，如图2-4所示。,图2-4高强度钢的应力-应变曲线,9,名义应力低于屈服点、材料处于弹性阶段，当荷载循环达到一定次数后，钢材会发生突然脆性断裂破坏，疲劳计算方法详见第9章。,二、反复荷载作用下钢材的性能,(一)高周疲劳破坏(疲劳破坏),(二)低周疲劳破坏,反复应力高于屈服强度、材料处于弹塑性阶段，反复荷载会使钢材的残余应变逐渐增长，最后产生突然破坏。,10,钢材在受拉产生塑性变形后，卸载并反向加载使钢材受压，抗压屈服强度会降低，如图2-5所示，应力应变曲线形成滞回环（滞回曲线），滞回环所围面积代表荷载循环一次单位体积的钢材所吸收的能量。,(三)包辛
5、格（Bauschinger）效应,图2-5 钢材滞回曲线,11,钢结构构件中经常存在孔洞、槽口、凹角、截面的厚度和宽度的突然改变及钢材的内部缺陷等。此时，构件中的应力分布变得很不均匀，在缺陷或截面变化处附近将产生局部高峰应力，其余部分应力较低，如图2-6所示，这种现象称为应力集中。应力集中产生的高峰应力区附近总是存在平面或三维应力场，有使钢材变脆的趋势。,三、复杂应力状态下钢材的性能,12,图2-6 孔洞的应力集中 （a）钢板开圆孔 （b）钢板开长圆孔,13,钢材在单向拉伸时，可借助于实验得到屈服条件，即当=fy时，材料开始屈服，进入塑性状态。实际钢结构中，钢材常是在双向或三向复杂应力状态下工
6、作，如图2-7所示，这时钢材的屈服并不取决于某一个方向的应力，从而不能用实验得到普遍适用的表达式，而是应利用材料力学强度理论用折算应力eq和钢材在单向应力下的屈服点相比较来判别。研究表明，对均匀性和塑性较好的钢材，适合采用第四强度理论即能量强度理论，折算应力eq按计算如下：,14,图2-7复杂应力状态,15,当用主应力表示时,（2-1）,当用应力分量表示时,（2-2）,当eq fy时，钢材处于弹性阶段； 当eq fy时，钢材处于塑性阶段。,三轴拉应力作用下，破坏表现为脆性。 有一向为异号应力，且同号两个应力相差又较大， 破坏为塑性。,16,平面应力状态,（2-3）,普通梁,（2-5）,受纯剪时
7、,（2-4）,（2-7）,（2-6）,17,屈服强度是衡量结构承载能力和确定强度设计值的重要指标，屈服点高可以减小截面，从而减轻自重，节约钢材，降低造价；抗拉强度是是衡量钢材抵抗拉断的性能指标，抗拉强度高，可以增加结构的安全保障。屈强比fy/fu是钢材强度储备的系数，屈强比越低，安全储备越大。,第二节 钢结构对钢材性能的要求,一、强度,18,(一)塑性,塑性是材料承受达到屈服点的应力后，能够产生显著的变形而不立即断裂的性能。 伸长率,二、变形能力,（2-8）,（2-9）,截面收缩率,和数值越大，表明钢材塑性越好。,屈服点、抗拉强度和伸长率，是钢材的三个重要力 学性能指标。,19,图2-8冲击韧
8、性试验（单位：mm）,(二)冲击韧性,钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的能力，是衡量钢材在冲击荷载作用下抵抗脆性破坏能力的指标。如图2-8，Akv愈大，钢材在断裂时吸收的能量越多，其韧性愈好。,20,图2-9 钢材冷弯试验示意图,(三)冷弯性能,冷弯性能由冷弯试验来确定。试验时按规定的弯心直径在试验机上用冲头对试件加压，使其弯成180，如图2-9所示。如试件外表面不出现裂纹和分层即为合格。,21,钢材应具有良好的冷、热加工，不因制作加工对强度、塑性及韧性带来较大的有害影响，同时还应具有良好的可焊性。 钢材的可焊性受含碳量和合金元素含量的影响，含碳量在0.12%0.20%范围的碳素钢可焊性良
9、好。含碳量再提高会使焊缝和热影响区变脆，从而降低可焊性。提高钢材强度的合金元素大多也对可焊性有不利影响。可焊性与焊接材料、焊接方法、焊接工艺参数及工艺措施都有一定关系。,三、加工性能,22,钢是含碳量小于2的铁碳合金，碳大于2时则为铸铁。钢结构所用的钢材主要为碳素钢中的低碳钢和普通低合金钢。 碳素结构钢由钝铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占99，碳及杂质元素约占1%。低合金结构钢中，除上述元素外还加入少量合金元素，后者总量通常不超过3。碳及其他元素虽然所占比重不大，但对钢材性能却有重要影响。,第三节 影响钢材性能的主要因素,一、化学成分的影响,23,(一)基本元素,（1）铁（Fe） 铁是钢材中
10、最基本的元素，钢中铁元素含量一般超过97%。对于碳素钢而言，其铁素体的晶粒越细，钢的性能越好。 （2）碳（C） 碳的含量提高，则钢材强度提高，但同时钢材的塑性、韧性、冷弯性能、可焊性及抗锈蚀能力下降。按碳的含量区分，小于0.25的为低碳钢，大于0.25%而小于0.6%的为中碳钢，大于0.6%的为高碳钢。建筑钢结构用的钢材基本上都是低碳钢。,24,(二)有益元素,（1）锰（Mn） 锰能显著提高钢材的强度而不过多地降低塑性和冲击韧性。锰有脱氧作用，是弱脱氧剂。锰还能消除硫对钢材的热脆影响。 （2）硅（Si） 硅是强脱氧剂。硅能使钢材的粒度变细，控制适量时可提高强度而不显著影响塑性、韧性、冷弯性能及
11、可焊性。,25,(二)有益元素,（3）钒（V）、铌（Nb）、钛（Ti） 钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢都含有这三种元素，既可提高钢材强度，又能保持良好的塑性、韧性。 （4）铝(A1)、铬(Cr)、镍(Ni) 铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅能进一步减少钢材中的有害氧化物，而且能细化晶粒。,26,(三)有害元素,（1）硫（S） 硫能生成硫化铁，能使钢热脆。硫还能降低钢的冲击韧性，影响疲劳性能与抗锈蚀性能。 （2）磷（P） 磷是有害元素也是能利用的合金元素，能使钢冷脆。 （3）氧（O）和氮（N） 氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈；氮能使钢冷脆，与磷作用类似。,27,(一)冶炼,钢材的
12、冶炼方法主要有平炉炼钢、氧气顶吹转炉炼钢、碱性侧吹转炉炼钢及电炉炼钢。在建筑钢结构中，主要使用氧气顶吹转炉生产的钢材。 冶炼这一冶金过程形成钢的化学成分与含量，并在很大程度上决定钢的金相组织结构，从而确定其钢号及相应的力学性能。,二、冶炼和轧制过程的影响,28,(二)浇铸,冶炼好的钢水出炉后，注入模具，浇铸成钢锭或钢坯。浇铸和脱氧同时进行，因脱氧程度不同，分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢。 钢在冶炼及浇铸过程中产生冶金缺陷。常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔及裂纹等。,29,(三)轧制,轧制在12001300高温下进行。钢材轧制能使金属的晶粒变细，也能使气泡、裂纹等焊合，消除显微组织缺陷，因而
13、改善了钢材的力学性能。薄板因辊轧次数多，其强度比厚板略高。浇铸时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层，所以分层是钢材尤其是厚板的一种缺陷。设计时应尽量避免拉力垂直于板面的情况，以防止层间撕裂。,30,(一) 热处理的影响,某些高强度钢材在轧制后经过热处理才出厂。 （1）正火 把钢材加热至850900并保持一段时间后在空气中自然冷却。 （2）回火 将钢材重新加热至650并保温一段时间，然后在空气中自然冷却。 （3）淬火 把钢材加热至900以上，保温一段时间，然后放入水或油中快速冷却。,三、制作加工、安装和使用过程的影响,31,图2-10 硬化对钢材性能的影响 （a）时效硬化及冷作硬化 （b）应
14、变时效,(二)钢材硬化的影响,（1）时效硬化（老化） 钢材随存放时间延长，其强度提高，塑性和韧性降低现象，称为时效硬化，见图2-10（a）。,32,(二)钢材硬化的影响,（2)冷作硬化（应变硬化） 指当钢材冷加工(剪、冲、拉、弯等)超过其弹性极限后卸载，出现残余塑性变形，再次加载时弹性极限或屈服点提高的现象，见图2-10（a）。 （3）应变时效 在钢材产生一定数量的塑性变形后，已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化的现象，称为应变时效，见图2-10（b）。为了加速时效硬化进程，人工加载让钢材先产生10%左右的塑性变形，然后加热至250，并保温一小时后自然冷却，称为人工时效。,33,(三)温度影响,（
15、1）正温范围 当温度逐渐升高时，钢材的强度、弹性模量不断降低，变形能力则不断增大。 200 性能变化不大。 250左右 蓝脆。 260320 徐变现象。 300时， 强度、弹性模量显著下降，塑性变形显著增大。 400 强度、弹性模量急剧降低， 600 几乎丧失承载能力。 超过150之后钢结构表面需加设隔热保护层。,34,图2-11Akv随温度T的变化,(三)温度影响,（2）负温范围 随着温度下降，钢材强度略有提高，但塑性、韧性降低，钢材的脆性倾向增加，对冲击韧性的影响十分突出。如图2-11所示。,35,牌号：Q195，Q215A及B，Q235A、B、C及D，Q255 A及B以及Q275。含碳量
16、越多，屈服点越高，塑性越低。符号含义见图2-12。,第四节 钢材的种类、规格和选用原则,一、钢材的种类,(一) 碳素结构钢,图2-12碳素结构钢牌号中符号含义,36,(二)低合金高强度结构钢,在钢的冶炼过程中加入通常低于3%的合金元素，使钢的强度明显提高，其牌号按屈服点由小到大排列，有Q295、Q345、Q390、Q420和Q460等五种，牌号意义和碳素结构钢相同。,37,(三)耐大气腐蚀钢（耐候钢）,（1）高耐候结构钢 按其化学成分分为：铜磷钢和铜磷铬镍钢两种。其牌号表示方法是由分别代表“屈服点”的拼音首字母Q、屈服点的数值和“高耐候”拼音字母GNH顺序组成。 （2）焊接结构用耐候钢 表示方
17、法是由分别代表“屈服点”得拼音首字母Q、屈服点的数值和“耐候”的拼音字母NH以及质量等级（C、D、E）顺序组成。,38,(四)桥梁用结构钢,由于桥梁所受荷载性质特殊，桥梁用钢的力学性能、焊接性能等技术要求一般都严于房屋建筑用钢，其牌号表达方式与其他钢材一样，由屈服点拼音首字母Q、屈服点数值、桥梁钢拼音字母q和质量等级（C、D、E）四部分顺序组成。,39,(五) Z向钢,Z向钢主要有Z15、Z25、Z35三个级别，分别代表钢板的厚度方向断面收缩率Yz不小于15%、25%和35%。Z向钢常用于船舶、海上采油平台、压力容器等重要焊接结构。 高层建筑钢结构对厚度方向性能有要求的钢板，牌号由代表屈服点拼
18、音首字母Q、屈服点数值、高层建筑拼音字母GJ、质量等级（C、D、E）和后缀字母Z组成，如Q235GJZ。,40,钢结构中采用的钢材品种主要为热轧钢板、钢带和型钢以及冷轧钢板、钢带和冷弯薄壁型钢及压型钢板。,二、钢材规格,41,(一)钢板,热轧钢板分厚钢板和薄钢板两种。厚钢板的厚度为4.560mm，用于制作焊接组合截面构件，如焊接工字形截面梁翼缘板、腹板等；薄钢板的厚度为0.354mm，用于制作冷弯薄壁型钢。 钢板的表示方法为“宽度厚度长度”。,42,图2-13热轧型钢截面形式,(二)热轧型钢,常用热轧型钢有角钢、槽钢、工字钢、H型钢、T型钢和钢管等，截面见图2-13。,43,(二)热轧型钢,（
19、1）角钢 等边角钢表示：“边宽厚度” ； 不等边角钢表示： “长边宽短边宽厚度”。 （2）槽钢 普通槽钢表示：“”+截面高度（cm）； 轻型槽钢表示： “”+截面高度（cm）+“Q” 。 （3）工字钢 普通工字钢： “I”+截面高度（cm）； 轻型工字钢“I”+截面高度（cm） +“Q” 。,44,(二)热轧型钢,（4）H型钢和剖分T型钢 H型钢有宽翼缘H型钢、中翼缘H型钢和窄翼缘H型钢，分别用标记HW、HM和HN表示。各种H型钢均可剖分为T型钢，相应标记用TW、TM、TN表示。H型钢和剖分T型钢的表示方法是：标记符号、高度宽度 腹板厚度翼缘厚度。 （5） 钢管 钢管分无缝钢管和焊接钢管两种，
20、表示方法：“外径壁厚” 。,45,图2-14薄壁型钢的截面形式,(三)冷弯薄壁型钢,薄壁型钢由薄钢板经冷弯或模压而成，其截面形式见图2-14。薄壁型钢的壁厚一般为 1.55mm，用于承重结构时其壁厚不宜小于2mm。用于轻型屋面及墙面的压型钢板板厚为0.41.6mm。,46,(四)钢索,用高强钢丝组成的平行钢丝束、钢绞线或钢丝绳统称为钢索。,47,钢材选用原则既要保证结构安全可靠，又要做到用料经济合理。,三、钢材选用原则,48,(一)结构重要性,对于重要结构，如重型工业建筑结构、大跨度结构、高层或超高层民用建筑结构或构筑物等，应选用质量高的钢材。对于一般工业与民用建筑结构，可根据工作性质分别选用
21、普通质量的钢材。,49,(二)荷载性质,对承受动力荷载的结构应选用塑性、冲击韧性好的钢材，如Q235C或Q345C；对承受静力荷载的结构可选用一般质量的钢材如Q235BF。,50,(三)连接方法,焊接结构由于在焊接过程中不可避免地出现焊接应力、焊接变形和焊接缺陷，因此，应选择碳、硫、磷含量较低，塑性、韧性和可焊性都较好的钢材。对于非焊接结构，这些要求可以放宽。,51,(四)结构工作环境,结构所处的环境如温度变化、腐蚀作用等对钢材可能产生很大影响。在低温下工作的结构，尤其是焊接结构，应选用具有良好抵抗低温脆断性能的镇静钢，结构可能出现的最低温应高于钢材的冷脆转变温度。当周围有腐蚀介质时，应对钢材的抗锈蚀性提出相应要求。,52,(五)钢材厚度,厚度大的焊接结构应采用质量较好的钢材。 在钢种的选用方面，对重要承重结构推荐采用Q235、Q345、Q390、Q420钢。承重结构钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度保证（通称三项保证）和硫、磷含量的合格保证；焊接结构还应有碳含量合格保证，冷弯、冲击韧性等要求；有疲劳验算和抗震要求的结构钢材，要求有冲击韧性的合格保证。 在钢材规格的选用方面，宜优先选用型钢，如对于承受荷载不大的钢梁宜选用窄翼缘H型钢，钢柱宜选用宽翼缘H型钢。,