第11章 建筑钢材的性能

1、钟钟 声声 ZHONG, SHENG 四川大学建筑与环境学院四川大学建筑与环境学院 College of Architecture and Environment, SCU 第11章 建筑钢材的性能 结构设计原理 本章主要内容本章主要内容 第一节第一节 建筑结构钢的品种和规格建筑结构钢的品种和规格 第二节第二节 建筑钢材的主要性能建筑钢材的主要性能 第三节第三节 影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素 第四节第四节 钢结构选材的要求钢结构选材的要求 第五节第五节 钢材及其连接的强度取值钢材及其连接的强度取值 第六节第六节 钢材的本构模型钢材的本构模型 第七节第七节 钢材的疲劳（书中第四节

2、，自学）钢材的疲劳（书中第四节，自学） 第11章 建筑钢材的性能 本章教学要求本章教学要求 1. 了解材料力学性能指标；了解材料力学性能指标； 2. 了解钢材分类和钢材品种；了解钢材分类和钢材品种； 3. 熟悉钢材应力熟悉钢材应力-应变曲线；应变曲线； 4. 了解影响钢材性能的因素；了解影响钢材性能的因素； 5. 掌握钢材强度设计值确定方法；掌握钢材强度设计值确定方法； 6. 熟悉钢材的选用原则；熟悉钢材的选用原则； 7. 熟悉钢材的本构模型。熟悉钢材的本构模型。 第11章 建筑钢材的性能 11.1 建筑结构钢的品种和规格建筑结构钢的品种和规格 11.1.1 钢材的种类和牌号钢材的种类和牌号

3、11.1.2 钢材的品种和规格钢材的品种和规格 第11章 建筑钢材的性能 11.1.1 钢材的种类和牌号钢材的种类和牌号 u 钢材的种类钢材的种类 11.1 建筑结构钢的品种和规格 锰系钢锰系钢硅锰系钢硅锰系钢 钢材钢材 碳素钢碳素钢 低合金钢低合金钢 低碳钢低碳钢 含碳量含碳量0.25% 中碳钢中碳钢 含碳量含碳量0.25%0.6% 高碳钢高碳钢 含碳量含碳量0.6%1.4% 硅钒系钢硅钒系钢硅钛系钢硅钛系钢硅铬系钢硅铬系钢 u 钢材的牌号钢材的牌号 R 铸造碳钢铸造碳钢铸钢代号铸钢代号ZG、屈服点、屈服点fy-抗拉强度抗拉强度fu，例，例ZG200- 400 R 钢筋中的低合金钢钢筋中的低

4、合金钢平均含碳量万分数、主要合金元素符号、平均含碳量万分数、主要合金元素符号、 合金含量百分数合金含量百分数。其中合金元素含量。其中合金元素含量1.5%时不标注，时不标注， 1.5%时标注时标注2， 2.5%时标注时标注3，此类推。例如，此类推。例如16Mn、 20MnSi、40Si2MnV R 螺栓用钢螺栓用钢：用碳钢或低合金钢制造。：用碳钢或低合金钢制造。 抗拉强度抗拉强度.屈强比屈强比抗抗 拉强度以拉强度以t/cm2为单位。螺栓有为单位。螺栓有4.6级、级、4.8级、级、8.8级和级和10.9级四级四 个级别。个级别。 11.1 建筑结构钢的品种和规格 R 碳素结构钢牌号碳素结构钢牌号代

5、表屈服点字母代表屈服点字母Q、屈服应力标准值、屈服应力标准值、-质量质量 等级、脱氧方法等级、脱氧方法，例如，例如Q235-AF、Q255-C。碳素结构钢共分。碳素结构钢共分 Q195、Q215、Q235、Q255和和Q275五个牌号，钢结构中通常仅五个牌号，钢结构中通常仅 使用使用Q235。 质量等级质量等级A、B、C、D 脱氧方法脱氧方法F、b、Z、TZ R 低合金高强度钢牌号低合金高强度钢牌号代表屈服点字母代表屈服点字母Q、屈服应力标准值、屈服应力标准值、- 质量等级质量等级例如例如Q295B、Q420E。低合金高强度结构钢共分。低合金高强度结构钢共分 Q295、Q345、Q390、Q4

6、20和和Q460五个牌号，其中五个牌号，其中Q345钢、钢、 Q390钢和钢和Q420钢为钢结构的选用钢材。钢为钢结构的选用钢材。 质量等级质量等级A、B、C、D、E 11.1 建筑结构钢的品种和规格 11.1.2 钢材的品种和规格钢材的品种和规格 u 热轧钢板热轧钢板 11.1 建筑结构钢的品种和规格 u 热轧钢板热轧钢板 11.1 建筑结构钢的品种和规格 钢板用符号钢板用符号“-”后加后加“厚厚宽宽长长（单位为（单位为 mm）”的方法表示，如：的方法表示，如：-128002100。 h=0.354mm，b=5001500mm，l=0.54m 薄钢板是冷弯薄壁型钢的原料薄钢板是冷弯薄壁型钢的

7、原料 h=4.560mm，b=6003000mm，l=412m 广泛用来组成焊接构件和连接钢板。广泛用来组成焊接构件和连接钢板。 h=460mm，b=12200mm，l=39m 厚钢板厚钢板 h=2.58mm，b=6001800mm，l=0.612m 薄钢板薄钢板 扁钢板扁钢板 花纹钢板花纹钢板 热热 轧轧 钢钢 板板 u 热轧型钢热轧型钢 11.1 建筑结构钢的品种和规格 等边角钢不等边角钢钢管T型钢槽钢工字钢H型钢 u 热轧型钢热轧型钢 角钢角钢 等边角钢等边角钢：L肢宽肢宽肢厚，肢厚， 如如 L100 x 10为肢宽为肢宽 100 mm 、厚、厚 10mm 的等边角钢；的等边角钢； 不等

8、边角钢不等边角钢：L长肢宽长肢宽短肢宽短肢宽肢厚，肢厚， 如如 L100 x 80 x 10 等。等。 11.1 建筑结构钢的品种和规格 u 热轧型钢热轧型钢 槽钢槽钢 槽钢槽钢：普通槽钢普通槽钢 “”和号数；和号数； 轻型槽钢轻型槽钢 “Q”和号数，由于轻型槽钢腹板薄及翼缘和号数，由于轻型槽钢腹板薄及翼缘 宽而薄，因而截面积小但回转半径大，能节约钢材减少宽而薄，因而截面积小但回转半径大，能节约钢材减少 自重，不过轻型系列的实际产品较少。自重，不过轻型系列的实际产品较少。 14、25号以上的槽钢，按腹板厚度，同一号数又分号以上的槽钢，按腹板厚度，同一号数又分a、b、 c三类；三类； 例如：例如

9、：普通槽钢普通槽钢的表示法如的表示法如 32a ，指槽钢外廓高度为，指槽钢外廓高度为 32cm 且腹板厚度为最薄的一种；且腹板厚度为最薄的一种； 轻型槽钢轻型槽钢的表示法例如的表示法例如Q 25，表示外廓高度为，表示外廓高度为25cm， Q 是汉语拼音是汉语拼音“轻轻”的拼音字首。的拼音字首。 11.1 建筑结构钢的品种和规格 u 热轧型钢热轧型钢 工字钢工字钢 工字钢工字钢：普通工字钢普通工字钢 “I”和号数（代表截面高度厘米数）；和号数（代表截面高度厘米数）； 轻型工字钢轻型工字钢 “QI”和号数（代表截面高度厘米数）。和号数（代表截面高度厘米数）。 20、32号以上的工字钢，按腹板厚度同

10、一号数又分号以上的工字钢，按腹板厚度同一号数又分a、 b、c三类。轻型的由于壁厚已薄故不再按厚度划分。三类。轻型的由于壁厚已薄故不再按厚度划分。 两种工字钢表示法如：两种工字钢表示法如： I32c , I32Q 等。等。 11.1 建筑结构钢的品种和规格 u 热轧型钢热轧型钢 H型钢和型钢和T型钢型钢 H型钢型钢：热轧：热轧 H 型钢分为三类：型钢分为三类：宽翼缘宽翼缘 H 型钢（型钢（ HW ）、）、中翼中翼 缘缘 H 型钢（型钢（ HM ）和）和窄翼缘窄翼缘 H 型钢（型钢（ HN ）。）。 H 型钢型钢 型号的型号的表示方法表示方法是先用符号是先用符号 HW 、 HM 和和 HN 表示表

11、示 H 型钢的类别，后面加型钢的类别，后面加“高度（毫米）高度（毫米） x 宽度（毫宽度（毫 米）米） ” , 例如例如HW300 x300 ，即为截面高度为，即为截面高度为 300mm ， 翼缘宽度为翼缘宽度为 300mm 的宽翼缘的宽翼缘 H 型钢。型钢。 T型钢型钢：剖分剖分 T 型钢型钢也分为三类，即：也分为三类，即：宽翼缘宽翼缘剖分剖分 T 型钢型钢 （ TW ）、）、中翼缘中翼缘剖分剖分 T 型钢型钢 ( TM ）和）和窄翼缘窄翼缘剖分剖分 T 型钢型钢( TN ）。剖分）。剖分 T 型钢是由对应的型钢是由对应的 H 型钢沿腹板中型钢沿腹板中 部对等剖分而成。其表示方法与部对等剖分

12、而成。其表示方法与 H 型钢类同。型钢类同。 11.1 建筑结构钢的品种和规格 u 热轧型钢热轧型钢 钢管钢管 无缝钢管和焊接钢管无缝钢管和焊接钢管 ： “”外径外径壁厚；壁厚； 方钢管和圆钢管。方钢管和圆钢管。 11.1 建筑结构钢的品种和规格 u 冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢 冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢：由：由1.56mm的薄钢板的薄钢板经冷弯或模压经冷弯或模压而成型的高效经济的而成型的高效经济的 截面；截面；缺点缺点是因为壁薄，对锈蚀影响较为敏感，故多用于跨度小，荷载是因为壁薄，对锈蚀影响较为敏感，故多用于跨度小，荷载 轻的轻型钢结构中。轻的轻型钢结构中。 11.1 建筑结构钢的品种和规格 (

13、a)-(h) 按截面形式依次为：角钢、内卷边角钢、槽钢、内卷边槽钢、按截面形式依次为：角钢、内卷边角钢、槽钢、内卷边槽钢、Z形钢形钢 卷边卷边Z形钢、帽形钢、专用型钢形钢、帽形钢、专用型钢 u 冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢 压型钢板压型钢板：所用钢板厚度为：所用钢板厚度为0.42mm。其优缺点同冷弯薄壁型钢，主要。其优缺点同冷弯薄壁型钢，主要 用于围护结构、屋面、楼板等。用于围护结构、屋面、楼板等。 11.1 建筑结构钢的品种和规格 压型钢板常用波形图压型钢板常用波形图 a. V形；形；b. 肋形；肋形；c. 加劲型；加劲型；d. 双曲线形双曲线形 e. 燕尾槽形；燕尾槽形；f. 双向加劲型双向加

14、劲型 11.2 建筑钢材的主要性能建筑钢材的主要性能 11.2.1 钢材的静态力学性能钢材的静态力学性能 11.2.2 钢材的冷弯性能和冲击韧性钢材的冷弯性能和冲击韧性 11.2.3 钢材的可焊性钢材的可焊性 11.2.4 影响钢材的主要因素影响钢材的主要因素 第11章 建筑钢材的性能 按其变形能力来分按其变形能力来分 塑性材料塑性材料（破坏时有较大的塑性变形）：钢材；（破坏时有较大的塑性变形）：钢材； 脆性材料脆性材料（破坏前无明显的塑性变形）：混凝土、砖、砌块等。（破坏前无明显的塑性变形）：混凝土、砖、砌块等。 材料性能分类材料性能分类 第11章 建筑钢材的性能 重度重度 线胀系数线胀系数

15、 泊松比泊松比 剪切模量剪切模量 弹性模量弹性模量 物物 理理 性性 能能 徐变与应力松弛徐变与应力松弛 疲劳强度疲劳强度 冷弯性能冷弯性能 冲击韧性冲击韧性 截面收缩率截面收缩率 延伸率延伸率 塑性指标塑性指标 承压强度承压强度 强度极限强度极限 屈服强度屈服强度 比例极限比例极限 强度指标强度指标 力力 学学 性性 能能 块体与砂浆间的黏结块体与砂浆间的黏结 钢筋和混凝土间的黏结钢筋和混凝土间的黏结 钢材的可焊性钢材的可焊性 可可 结结 合合 性性 11.2.1 钢材的静态力学性能钢材的静态力学性能 1. 单向拉伸力学性能单向拉伸力学性能 u 强度指标强度指标 标准试件标准试件：按照一定的

16、要求，对表面进行车削加工后的试件。 11.2 建筑钢材的力学性能 l0 A0 d0 l 头部 头部 工作段 u 强度指标强度指标 11.2.1 钢材的静态力学性能 OB弹性阶段弹性阶段 BC屈服阶段屈服阶段 CD强化阶段强化阶段 DE颈缩阶段颈缩阶段 0 A 0 BC 0 D E F C上 上 上屈服点上屈服点 C下 下 下屈服点下屈服点 以以下屈服点的应力下屈服点的应力作作 为钢材的屈服强度。为钢材的屈服强度。 钢材拉伸过程的钢材拉伸过程的 - 图图 0 A 0.2% a b 塑性材料一般受拉、受压性质相似； 脆性材料抗压强度高于抗拉强度。 u 强度指标强度指标 11.2.1 钢材的静态力学

17、性能 钢材拉伸过程的钢材拉伸过程的 - 图图 比例极限 ：应 力、应变之间满足线 性关系的最大应力； 屈服强度 ：一 般用下屈服点作为材 料的屈服强度； 抗拉强度 ：试 件、试样能承受的最 大名义应力； 承压强度 ：构 件之间通过接触面传 递压力称为承压，承 压面所能承担的最大 压应力。 p s b c 0 A 0 BC 0 D E F C上 上 上屈服点上屈服点 C下 下 下屈服点下屈服点 b 下下ss p 上上s 塑性材料 ； 脆性材料 sc bc 屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性，其意义是：屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性，其意义是： 作为结构计算中材料强度标准，或材料抗力标准。作为

18、结构计算中材料强度标准，或材料抗力标准。应力达到应力达到 p时的应变与时的应变与 s时的应变较接近，可以认为应力达到时的应变较接近，可以认为应力达到 s时为时为 弹性变形的终点。同时，达到弹性变形的终点。同时，达到 s 后在一个较大的应变范围内后在一个较大的应变范围内 应力不会继续增加，表示结构一时丧失继续承担更大荷载的应力不会继续增加，表示结构一时丧失继续承担更大荷载的 能力，故此以能力，故此以 s作为弹性计算时强度的标准。作为弹性计算时强度的标准。 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。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。 s之前，钢材近于理想弹性体，之前

19、，钢材近于理想弹性体， s之后，塑性应变范围很大之后，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。为依据，忽略了应变硬化的有利作用。 11.2.1 钢材的静态力学性能 1. 单向拉伸力学性能单向拉伸力学性能 u 塑性指标塑性指标 标准试件标准试件：取圆形试件直径d的5倍或

20、10倍为标定长度l0，其相应的 伸长率用5和10表示，伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形的 能力。结构制造时，这种能力使材料经受剪切、冲压、弯曲及锤 击产生的局部屈服而无明显损坏。 11.2 建筑钢材的力学性能 l0 A0 d0 l 头部 头部 工作段 若为矩形截面则：若为矩形截面则： 00 3 .11Al 00 65. 5Al 1. 单向拉伸力学性能单向拉伸力学性能 u 塑性指标塑性指标 伸长率伸长率是断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比。是断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比。 屈服点屈服点、抗拉强度抗拉强度和和伸长率伸长率，是钢材的三个重要力学性能指标。，是钢材的三个重要力学性能

21、指标。 钢结构中所采用的钢材都应满足钢结构设计规范对这三项力学性钢结构中所采用的钢材都应满足钢结构设计规范对这三项力学性 能指标的要求。能指标的要求。 11.2.1 钢材的静态力学性能 延伸率延伸率%100 0 01 l ll 截面收缩率截面收缩率 %100 0 10 A AA 为为塑性材料塑性材料 ；否则，为；否则，为脆性材料脆性材料。 %5 2. 复杂应力条件下钢材的屈服条件复杂应力条件下钢材的屈服条件 u 三向应力状态下的屈服条件三向应力状态下的屈服条件 钢材的破坏或失效可采用米塞斯（钢材的破坏或失效可采用米塞斯（Mises）屈服准则来判断，等效应力）屈服准则来判断，等效应力 （或折算应

22、力）的计算公式为：（或折算应力）的计算公式为： 或用主应力表示或用主应力表示 11.2 建筑钢材的力学性能 222 222 3 2 1 zxyzxyxzzyyxeq 2 13 2 32 2 21 2 1 eq u 二向应力状态下的屈服条件二向应力状态下的屈服条件 钢材的破坏或失效可采用钢材的破坏或失效可采用米塞斯米塞斯（Mises）屈服准则来判断，等效应力）屈服准则来判断，等效应力 （或折算应力）的计算公式为：（或折算应力）的计算公式为： 对于一般的受弯梁：对于一般的受弯梁： 对于纯剪应力状态：对于纯剪应力状态： 11.2 建筑钢材的力学性能 222 3 xyyxyxeq 22 3 eq y

23、y f f 58. 0 3 11.2.2 钢材的冷弯性能和冲击韧性钢材的冷弯性能和冲击韧性 1. 冷弯性能冷弯性能：指钢材在常温下承受弯曲变形的能力。 冷弯试验的指标冷弯试验的指标：弯心直径d与试件厚度（直径）a的比值d/a；弯曲角度 （90或180）；试样弯曲外表面无肉眼可见裂纹则冷弯合格。 冷弯试验的意义冷弯试验的意义：通过冷弯试验，不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力 或塑性性能，还能有助于暴露钢材的某些内在缺陷，它能揭示钢材是否 存在内部组织不均匀、内应力和夹杂物等缺陷。 11.2 建筑钢材的力学性能 2. 冲击韧性冲击韧性 u 定义及指标定义及指标 11.2.2 钢材的冷弯性能和冲击韧性

24、 指钢材抵抗冲击荷载而不被破坏的能力。其大小用冲击 韧性值k表示。k 越大，则冲击韧性越好。 k是以试件冲击破坏时缺口处单位面积上所消耗的功 （J/cm2）。 冲击试验机冲击试验机 了解性内容了解性内容： 韧性是与抵抗冲击作用有关的性能，是钢材断裂时吸收机械能能力 的量度，吸收较多能量才断裂的钢材，是韧性好的钢材。钢材在一次拉 伸静载作用下断裂时所吸收的能量，用单位体积吸收的能量来表示，其 值等于应力-应变曲线下的面积。塑性好的钢材，其应力-应变曲线下的面 积大，所以韧性值大。 然而，实际工作中，不用上述方法来衡量钢材的韧性，而用冲击韧 性衡量钢材抗脆断的性能，因为实际结构中脆性断裂并不发生在

25、单向受 拉的地方，而总是发生在有缺口高峰应力的地方，在缺口高峰应力的地 方常呈三向受拉的应力状态。 11.2.2 钢材的冷弯性能和冲击韧性 u 影响因素影响因素 硫、磷含量高，存在化学偏析，含非金属夹杂物，焊接形成硫、磷含量高，存在化学偏析，含非金属夹杂物，焊接形成 裂纹，温度降低等，均会降低冲击韧性。裂纹，温度降低等，均会降低冲击韧性。 对于承受冲击荷载和振动荷载部位的钢材，必须考虑冲击韧对于承受冲击荷载和振动荷载部位的钢材，必须考虑冲击韧 性。性。 11.2.2 钢材的冷弯性能和冲击韧性 冲击韧性试验冲击韧性试验 缺口韧性值受温度影响，温度低 于某值时将急剧降低。设计处于 不同环境温度的重

26、要结构，尤其 是受动载作用的结构时，要根据 相应的环境温度对应提出冲击韧 性的保证要求。 (a) 梅氏试件 (b) 夏比试件 3. 疲劳强度疲劳强度 结构构件在变幅（ =max-min）一定的循环荷载作用 下，当达到一定的循环次数n时，便发生脆性破坏，且 破坏应力远小于s或b，这种现象称为。 在规定的循环次数（200万次）和荷载变幅下，材料所 能承受的最大动态应力称为。 材料力学“疲劳极限” 经历无穷多次应力循环而不发生疲劳破坏之最大应力。 11.2 建筑钢材的力学性能 4. 徐变与应力松驰徐变与应力松驰 11.2 建筑钢材的力学性能 在温度和作用应力不变的情况下， 应变或变形随时间而增加的现

27、象 称为。 在温度和应变不变的情况下，应 力随时间而减小的现象称为 11.2.3 钢材的可结合性钢材的可结合性 u 可焊性可焊性 可焊性可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合格的(无裂纹的)焊缝 的性能。 钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在 0.120.20范围内的碳素钢，可焊性最好。碳含量再高可 使焊缝和热影响区变脆。 11.2 建筑钢材的力学性能 11.2.3 钢材的可结合性钢材的可结合性 u 钢筋和混凝土之间的黏结钢筋和混凝土之间的黏结 是钢筋混凝土结构工作的基础。黏结力由摩擦力、胶结力和是钢筋混凝土结构工作的基础。黏结力由摩擦力、

28、胶结力和 机械咬合力组成，其黏结强度与钢筋锚固长度、钢筋表面形机械咬合力组成，其黏结强度与钢筋锚固长度、钢筋表面形 状有关。状有关。 u 块体与砂浆之间的黏结块体与砂浆之间的黏结 黏结强度与砂浆质量和块体类型有关，它决定砌体的抗弯、黏结强度与砂浆质量和块体类型有关，它决定砌体的抗弯、 抗剪和抗拉强度。抗剪和抗拉强度。 11.2 建筑钢材的力学性能 11.3 影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素 11.3.1 化学成分化学成分 11.3.2 冶金工艺冶金工艺 11.3.3 影响钢材性能的其它因素影响钢材性能的其它因素 第11章 建筑钢材的性能 11.3.1 化学成分的影响化学成分的影响

29、11.3 影响钢材性能的主要因素 元素元素作用作用强度强度塑性塑性 冲击冲击 韧性韧性 冷弯冷弯 性能性能 热脆热脆冷脆冷脆 碳碳 含量对钢材的强度、塑性、韧性含量对钢材的强度、塑性、韧性 和焊接性有决定性影响和焊接性有决定性影响0.22% 高高低低低低低低 锰锰 适量适量 碳素钢中作为脱氧剂碳素钢中作为脱氧剂0.30.8% 低合金钢中作为合金元素低合金钢中作为合金元素 1.21.6% 提高提高没过多的降低没过多的降低改善改善 过量过量降低降低 减少氧、硫的减少氧、硫的 有害影响有害影响 变脆变脆 硅硅 过量过量 熔炼镇静钢的脱氧剂。且能使钢熔炼镇静钢的脱氧剂。且能使钢 中纯铁晶粒细小和散布均

30、匀中纯铁晶粒细小和散布均匀 提高提高无显著不良影响无显著不良影响 适量适量 降低，且恶化降低，且恶化 抗锈蚀能力和抗锈蚀能力和 焊接性焊接性 0.3%（Q235）或）或 0.6%（16Mn、15MnV） 钒钒提高强度和细化晶粒，高温硬度提高提高强度和细化晶粒，高温硬度提高 硫硫 热脆热脆（FeS在高温熔化而使钢材出现裂在高温熔化而使钢材出现裂 纹），使钢的焊接性变坏纹），使钢的焊接性变坏 降低降低含量含量0.035%0.05% 磷磷冷脆冷脆（低温韧性降低并产生脆性破坏）（低温韧性降低并产生脆性破坏）0.035%0.045% 氧、氮、氢氧、氮、氢 氧同硫增加钢的脆性；氮类似磷，将低钢的塑性、冲击

31、韧性并增大其冷脆性；氢在氧同硫增加钢的脆性；氮类似磷，将低钢的塑性、冲击韧性并增大其冷脆性；氢在 低温时易使钢产生脆性破坏。低温时易使钢产生脆性破坏。 11.3.2 冶金工艺的影响冶金工艺的影响 u 冶炼冶炼 钢材的冶炼方法钢材的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。目前氧气顶吹转炉钢的 质量，由于生产技术的提高，已不低于平炉钢的质量。 冶炼这一冶金过程形成钢的化学成分与含量、钢的金相 组织结构，不可避免地存在冶金缺陷，从而确定不同的 钢种、钢号及其相应的力学性能。 11.3 影响钢材性能的主要因素 11.3.

32、2 冶金工艺的影响冶金工艺的影响 u 浇铸浇铸 把熔炼好的钢水浇铸成钢锭或钢坯有两种方法，一种是 浇入铸模做成钢锭，另一种是浇入连续浇铸机做成钢坯。 铸锭过程中因脱氧程度不同，最终成为镇静钢、半镇静 钢与沸腾钢。 钢在冶炼及浇铸过程中会不可避免地产生冶金缺陷。常常 见的冶金缺陷有见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔及裂纹等等。 这些缺陷都将影响钢的力学性能。 11.3 影响钢材性能的主要因素 11.3.2 冶金工艺的影响冶金工艺的影响 u 轧制轧制 钢材的轧制能使金属的晶粒变细，也能使气泡、裂纹等钢材的轧制能使金属的晶粒变细，也能使气泡、裂纹等 焊合，因而改善了钢材的力学性能。焊合，因而改善了

33、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 点。设计时应尽量避免拉力垂直于板面的情况，以防止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。层间撕裂。 11.3 影响钢材性能的主要因素 11.3.2 冶金工艺的影响冶金工艺的影响 u 热处理热处理 热处理的目的在于取得高强度的同时能够保持良好热处理的目的在于取得高强度的同时能够保持良好 的塑性和韧性。的塑性和韧性。 n正火正火 n控轧控轧 n回火回火 n淬火淬火 11.3 影响钢材性能的主要因素 n正火属于最简单的热处理，正火属于最简单的热处

34、理，把钢材加热至850900 并保 持一段时间后在空气中自然冷却，即为正火正火。 n如果钢材在终止轧制时温度正好控制在上述温度范围，可 得到正火的效果，称为控轧控轧。 n回火回火是将钢材重新加热至650 并保温一段时间，然后在 空气中自然冷却。 n淬火加回火也称调质处理调质处理，淬火淬火是把钢材加热至900 以 上，保温一段时间，然后放入水或油中快速冷却。 n强度很高的钢材，包括高强度螺栓的材料都要经过调质处强度很高的钢材，包括高强度螺栓的材料都要经过调质处 理。理。 11.3 影响钢材性能的主要因素 11.3.3 影响钢材性能的其它因素影响钢材性能的其它因素 u 冷加工硬化（应变硬化）冷加工

35、硬化（应变硬化） 在常温下加工叫冷加工冷加工。冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切 等加工使钢材产生很大塑性变形，由于减小了塑性和韧 性性能，普通钢结构中不利用硬化现象所提高的强度普通钢结构中不利用硬化现象所提高的强度。 重要结构还把钢板因剪切而硬化的边缘部分刨去重要结构还把钢板因剪切而硬化的边缘部分刨去。 用作冷弯薄壁型钢结构的冷弯型钢，是由钢板或钢带经 冷轧成型的，也有的是经压力机模压成型或在弯板机上 弯曲成型的。薄壁型钢结构设计中允许利用因局部冷加薄壁型钢结构设计中允许利用因局部冷加 工而提高的强度。工而提高的强度。 11.3 影响钢材性能的主要因素 11.3.3 影响钢材性能的其它因素影响钢材性

36、能的其它因素 u 冷加工硬化（应变硬化）冷加工硬化（应变硬化） 11.3 影响钢材性能的主要因素 时效硬化与应变时效时效硬化与应变时效 时效硬化时效硬化指钢材仅随时间的增长 而转脆，应变时效应变时效指应变硬化又 加时效硬化。 由于这些是使钢材转脆的性质， 所以有些重要结构要求对钢材进有些重要结构要求对钢材进 行人工时效行人工时效，然后测定其冲击韧 性，以保证结构具有长期的抗脆 性破坏能力。 钢材的硬化钢材的硬化 u 温度的影响温度的影响 总趋势：总趋势：温度升高，钢材强度降低，应变增大；温度降低，钢温度升高，钢材强度降低，应变增大；温度降低，钢 材强度略有增加，塑性和韧性降低而变脆；材强度略有

37、增加，塑性和韧性降低而变脆； 约在约在200 C以内，温度升高，钢材力学性能变化不大；以内，温度升高，钢材力学性能变化不大； 250 C左右时，钢材强度反而有所提高，塑性、韧性下降，表左右时，钢材强度反而有所提高，塑性、韧性下降，表 面氧化膜呈蓝色面氧化膜呈蓝色蓝脆现象蓝脆现象； 260 C320 C时，应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速时，应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速 度继续变形度继续变形徐变现象徐变现象； 温度在温度在430 C-540 C之间，屈服点和极限强度显著下降，达到之间，屈服点和极限强度显著下降，达到 600 C时强度几乎等于零；时强度几乎等于零； 在负温范围内，钢

38、材的冲击韧性突然急剧下降，试件断口属脆在负温范围内，钢材的冲击韧性突然急剧下降，试件断口属脆 性破坏性破坏冷脆现象冷脆现象（脆性转变温度区脆性转变温度区钢材由韧性状态向钢材由韧性状态向 脆性状态转变的温度区）。脆性状态转变的温度区）。 11.3 影响钢材性能的主要因素 11.3.3 影响钢材性能的其它因素影响钢材性能的其它因素 u 温度的影响温度的影响 11.3 影响钢材性能的主要因素 高温对钢材性能的影响高温对钢材性能的影响 11.3.3 影响钢材性能的其它因素影响钢材性能的其它因素 u 温度的影响温度的影响 11.3 影响钢材性能的主要因素 Cv值随温度值随温度T的变化的变化 负温范围内负

39、温范围内 fy与与fu都增高，但塑性都增高，但塑性 变形能力减小，因而材料转脆变形能力减小，因而材料转脆，对对 冲击韧性的影响十分突出冲击韧性的影响十分突出。材料由 韧性破坏转到脆性破坏叫该种钢材钢材 的转变温度的转变温度，在结构设计中要求避 免完全脆性破坏，所以结构所处温 度应大于脆性转变温度。 u 复杂应力与应力集中复杂应力与应力集中 11.3 影响钢材性能的主要因素 多向同号应力场作用下，一向多向同号应力场作用下，一向 的变形受到另一向的限制，钢的变形受到另一向的限制，钢 材强度增加，塑性、韧性下降，材强度增加，塑性、韧性下降， 异号应力场时则相反；异号应力场时则相反； 钢结构构件中存在

40、的孔洞、槽钢结构构件中存在的孔洞、槽 口、凹角、裂缝、厚度变化、口、凹角、裂缝、厚度变化、 形状变化、内部缺陷等使一些形状变化、内部缺陷等使一些 区域产生局部高峰应力区域产生局部高峰应力应应 力集中现象力集中现象。 u 反复荷载反复荷载 钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发 生重要变化，甚至发生生重要变化，甚至发生疲劳破坏疲劳破坏。 疲劳破坏疲劳破坏：钢材在：钢材在直接的反复的动力荷载直接的反复的动力荷载作用下，作用下， 钢材的强度将降低，即低于一次静力荷载作用下的钢材的强度将降低，即低于一次静力荷载作用下的 拉伸试验的极限强度，这种现象称为

41、疲劳。拉伸试验的极限强度，这种现象称为疲劳。疲劳破疲劳破 坏表现为突然发生的坏表现为突然发生的脆性断裂脆性断裂。 11.3 影响钢材性能的主要因素 11.4 钢结构选材要求钢结构选材要求 11.4.1 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求 11.4.2 钢材的选用钢材的选用 第11章 建筑钢材的性能 11.4.1 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求 较高的强度较高的强度 较高的塑性和韧性较高的塑性和韧性 良好的工艺性能良好的工艺性能 11.4 钢结构选材要求 11.4.2 钢材的选用钢材的选用 结构的重要性结构的重要性：一、二、三级；：一、二、三级； 荷载特征荷载特征：结构所承受的荷载可为静

42、力或动力的；经：结构所承受的荷载可为静力或动力的；经 常作用、有时作用或偶然出现的；经常满载或经常不常作用、有时作用或偶然出现的；经常满载或经常不 满载等；满载等； 连接方式连接方式：焊接结构钢材的质量要求应高于同样情况焊接结构钢材的质量要求应高于同样情况 的非焊接结构的非焊接结构，碳、硫、磷等有害元素的含量应较低，碳、硫、磷等有害元素的含量应较低， 塑性和韧性应较好，而且还应该具有含碳量的合格保塑性和韧性应较好，而且还应该具有含碳量的合格保 证；证； 11.4 钢结构选材要求 11.4.2 钢材的选用钢材的选用 结构的工作环境温度结构的工作环境温度：对经常处于或可能处于较低负：对经常处于或可

43、能处于较低负 温下工作的钢结构、尤其是焊接结构，温下工作的钢结构、尤其是焊接结构，应选用化学成应选用化学成 分和机械性能质量较好和脆性转变温度低于结构工作分和机械性能质量较好和脆性转变温度低于结构工作 环境温度的钢材环境温度的钢材； 钢材的厚度钢材的厚度：厚度大的钢材其强度、冲击韧性和焊接：厚度大的钢材其强度、冲击韧性和焊接 性能都较差，且易产生三向残余应力。性能都较差，且易产生三向残余应力。构件厚度大的构件厚度大的 焊接结构应采用质量好的钢材焊接结构应采用质量好的钢材； 11.4 钢结构选材要求 11.4.2 钢材的选用钢材的选用 承重结构钢材承重结构钢材宜选用宜选用Q235钢、钢、Q345

44、钢、钢、Q390钢和钢和 Q420钢；钢； 选择钢筋或钢丝选择钢筋或钢丝应考虑其强度、塑性、可焊性及与混应考虑其强度、塑性、可焊性及与混 凝土的粘结性要求。普通钢筋宜采用凝土的粘结性要求。普通钢筋宜采用HRB400级和级和 HRB335级钢筋，也可采用级钢筋，也可采用HPB235级和级和RRB400级；预级；预 应力钢筋宜采用预应力钢绞线、钢丝，也可采用热处应力钢筋宜采用预应力钢绞线、钢丝，也可采用热处 理钢筋；理钢筋； 普通钢筋普通钢筋系指用于钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力系指用于钢筋混凝土结构中的钢筋和预应力 钢筋混凝土结构中的非预应力筋。钢筋混凝土结构中的非预应力筋。 11.4 钢结构选

45、材要求 11.5 钢材及其连接的强度取值钢材及其连接的强度取值 11.5.1 材料强度的取值方法材料强度的取值方法 11.5.2 钢材及其连接的强度设计值钢材及其连接的强度设计值 第11章 建筑钢材的性能 11.5 钢材及其连接的强度取值 11.5.1 材料强度的取值方法材料强度的取值方法 取值依据取值依据 塑性材料强度取屈服值塑性材料强度取屈服值(无明显流动的塑性材料取名义屈服值无明显流动的塑性材料取名义屈服值)； 脆性材料强度取强度极限。脆性材料强度取强度极限。 强度值分布规律强度值分布规律 随机变量随机变量 正态分布正态分布 强度特征值强度特征值 平均值平均值 infm x n xxx n xf 1 )(