第一章-材料力学性能

1、 (1)化学成份的影响化学成份的影响 钢材的化学成分直接影响钢的组织构造，从而影响钢材的化学成分直接影响钢的组织构造，从而影响钢材的力学性能。铁（钢材的力学性能。铁（Fe）是钢材的基本元素，普通）是钢材的基本元素，普通碳素钢中占碳素钢中占99%，此外还有碳（，此外还有碳（C）、硅（）、硅（Si）、锰）、锰（Mn）等有益元素，及硫（）等有益元素，及硫（S）、磷（）、磷（P）、氧（）、氧（O）、）、氮（氮（N）等有害元素，这些总含量不大，约）等有害元素，这些总含量不大，约1%，但对，但对钢材力学性能却有很大影响。低合金钢中有钢材力学性能却有很大影响。低合金钢中有5%的合的合金元素，如铜金元素，如铜

2、(Cu)、钒、钒(V)、钛、钛(Ti)、铌、铌(Nb)、铬、铬(Cr)等。等。 1.碳（碳（C）：形成钢材强度的主要成分，随其含量形成钢材强度的主要成分，随其含量增加，强度增加，塑性和韧性降低，可焊性和增加，强度增加，塑性和韧性降低，可焊性和抗腐蚀性降低。抗腐蚀性降低。 碳素钢按碳含量区分，小于碳素钢按碳含量区分，小于0.25的为低的为低碳钢，介于碳钢，介于0.25和和0.6之间的为中碳钢，之间的为中碳钢，大于大于0.6的为高碳钢。钢结构用钢中，碳含的为高碳钢。钢结构用钢中，碳含量一般控制在量一般控制在0.22%以下，当其含量在以下，当其含量在0.2以下时，可焊性良好。以下时，可焊性良好。2.

3、硫（硫（S）：钢材中的有害元素，具有热脆性（温度达到钢材中的有害元素，具有热脆性（温度达到800-1000时，硫化铁会熔化使钢材变脆，从而引时，硫化铁会熔化使钢材变脆，从而引发热裂纹）。规范规定结构用钢中硫的含量不得超过发热裂纹）。规范规定结构用钢中硫的含量不得超过0.05%。3. 氧（氧（O）：有害杂质，与：有害杂质，与S相似。相似。4.磷（磷（P）：磷在一定程度上可提高钢的强度和抗锈蚀的磷在一定程度上可提高钢的强度和抗锈蚀的能力。钢材中的有害元素，具有冷脆性（温度较低时能力。钢材中的有害元素，具有冷脆性（温度较低时促使钢材变脆）。因此，磷的含量也要严格控制，规促使钢材变脆）。因此，磷的含量

4、也要严格控制，规范中规定不得超过范中规定不得超过0.045%。5.氮（氮（N）：有害杂质，：有害杂质，与与P相似相似。6.锰（锰（Mn）：有益元素。在普通碳素钢中，是一种弱脱有益元素。在普通碳素钢中，是一种弱脱氧剂，可提高钢材强度，与氧剂，可提高钢材强度，与S形成形成MnS，熔点，熔点1600，可以消除硫对钢材的热脆影响。可以消除硫对钢材的热脆影响。 7.硅（硅（Si）：有益元素。在普通碳素钢中，是一种强脱氧有益元素。在普通碳素钢中，是一种强脱氧剂，常与锰共同除氧，生成镇静钢。剂，常与锰共同除氧，生成镇静钢。8.钒（钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物：合金元素。细化晶粒，提高强度

5、，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。9.铜（铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有一定：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有一定影响。影响。 （3 3） 钢材的硬化钢材的硬化1.冷作硬化冷作硬化在冷加工或一次加载使钢材产生较大在冷加工或一次加载使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸载后再重新加载，钢的塑性变形的情况下，卸载后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象 。2.时效硬化时效硬化随着时间的增加，纯铁体中有一些数随着时间的增加，纯铁体中有一些数量极少的碳和氮的固熔物质析出，使钢材的

6、屈量极少的碳和氮的固熔物质析出，使钢材的屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下降的现象服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下降的现象 。 在交变荷载、重复荷载和温度变化等情况下，在交变荷载、重复荷载和温度变化等情况下，会加速时效硬化的发展。会加速时效硬化的发展。3.应变时效硬化应变时效硬化钢材产生一定数量的塑性变形后，钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体晶体中的固溶碳和氮更容易析出，从而铁素体晶体中的固溶碳和氮更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象。使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象。 在高温作用下会快速发展在高温作用下会快速发展（人工时效）（人工时效） 硬化对钢材性能的影响硬化对钢

7、材性能的影响a)时效硬化及冷作硬化时效硬化及冷作硬化b) 应变时效硬化应变时效硬化 (5)应力集中的影响应力集中的影响 在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化和内部口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化和内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，而是在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓而是在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓应力集中应力集中现象。现象。 应力集中现象应力集中现象不同槽口试件静力拉伸试验的应力不同槽口试件静力拉伸试验的应力应变曲线应变曲线 应力集中对应力集中对-曲线关

8、系的影响曲线关系的影响 可以看出截面槽可以看出截面槽口改变愈急剧，应口改变愈急剧，应力集中现象愈厉害，力集中现象愈厉害，其抗拉强度愈高，其抗拉强度愈高，但塑性愈差，破坏但塑性愈差，破坏的脆性倾向愈大。的脆性倾向愈大。1020300.425100%(N/mm2)10测距10010100600700500400300200100 (6)温度的影响温度的影响 温度对钢材力学性能的影响温度对钢材力学性能的影响)/(2mmN(%)fufyE正温范围：正温范围：（1 1）温度在）温度在150150以内，钢材材以内，钢材材质变化很小，钢结构可用于温度质变化很小，钢结构可用于温度不高于不高于150150的场合

9、。的场合。（2 2）温度在）温度在250250左右的区间内左右的区间内出现出现蓝脆现象蓝脆现象，fu 有局部性提高，有局部性提高，同时塑性降至最低，材料有转脆同时塑性降至最低，材料有转脆倾向。倾向。（3 3）当温度达到）当温度达到600600时，钢材时，钢材进入热塑性状态，强度下降严重，进入热塑性状态，强度下降严重，将丧失承载能力。将丧失承载能力。负温范围：负温范围：随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，逐渐变脆，称为钢材的逐渐变脆，称为钢材的低温冷脆低温冷脆。钢材的冲击韧性对温度的降低十。钢材的冲击韧性对温度的降低十分敏感。分敏感

10、。 冲击韧性和温度关系示意图冲击韧性和温度关系示意图脆性破坏脆性破坏两种破两种破坏均有坏均有塑性破坏塑性破坏转变温转变温度区度区冲击断裂功冲击断裂功试验温度试验温度T1T0T2（3 3）在脆性转变温度以下，钢材表现为）在脆性转变温度以下，钢材表现为完全的脆性破坏；而在全塑性转变温度以完全的脆性破坏；而在全塑性转变温度以上，钢材则表现为完全的塑性破坏。上，钢材则表现为完全的塑性破坏。（4 4）不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度，均应通过试验来确定。）不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度，均应通过试验来确定。在钢结构设计中，为了防止脆性破坏，选用钢材时应使其工作温度大

11、于在钢结构设计中，为了防止脆性破坏，选用钢材时应使其工作温度大于T T1 1, ,接近接近T T0 0。（1 1）冲击功曲线的反弯点）冲击功曲线的反弯点T T0 0称为称为转变温度转变温度。界限温度。界限温度T T1 1和和T T2 2分别为分别为脆性转变温度脆性转变温度和和全塑性转变温度全塑性转变温度。（2 2）钢材由塑性破坏转变为）钢材由塑性破坏转变为脆性破坏是在温度区间脆性破坏是在温度区间T T1 1 T T2 2内完成的，此温度区间称为内完成的，此温度区间称为钢材的钢材的脆性转变温度区脆性转变温度区。（3 3）疲劳对缺陷十分敏感。）疲劳对缺陷十分敏感。 （2 2）疲劳破坏的断口与一般脆

12、性破坏的断口不同。一般脆性破坏后的断口）疲劳破坏的断口与一般脆性破坏的断口不同。一般脆性破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或人字纹。而疲劳破坏的主要断口特征是放射和年平直，呈有光泽的晶粒状或人字纹。而疲劳破坏的主要断口特征是放射和年轮状花纹。轮状花纹。破坏特点破坏特点：（1 1）疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度，钢材的塑性还没有展开，属）疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度，钢材的塑性还没有展开，属于脆性破坏。于脆性破坏。破坏过程破坏过程：裂纹的形成裂纹的形成-裂纹的扩展裂纹的扩展-最后的迅速断裂而破坏最后的迅速断裂而破坏疲劳破坏的特征疲劳破坏的特征定义定义：钢材在循环荷载作用下，应力虽然低于

13、极限强度，甚至低于屈服强度，钢材在循环荷载作用下，应力虽然低于极限强度，甚至低于屈服强度，但仍然会发生断裂破坏，这种破坏形式就称为疲劳破坏。但仍然会发生断裂破坏，这种破坏形式就称为疲劳破坏。(8) (8) 钢材的疲劳钢材的疲劳6 6 建筑用钢种类、规格和选用建筑用钢种类、规格和选用6.1 6.1 建筑用钢的种类建筑用钢的种类（1 1）碳素结构钢（）碳素结构钢（GB/T 700-1988GB/T 700-1988）a a）碳素结构钢的表达方式由（）碳素结构钢的表达方式由（屈服点的字母屈服点的字母Q Q、屈服点数值、质量等级符号和、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号）脱氧方法符号）四个部分组成

14、。四个部分组成。b)b)质量等级符号是根据钢材的化学成分和冲击韧性不同化分为质量等级符号是根据钢材的化学成分和冲击韧性不同化分为A A、B B、C C、D D共共4 4个质量等级。个质量等级。c)c)脱氧方法符号也有四种，其中脱氧方法符号也有四种，其中F F代表沸腾钢，代表沸腾钢，b b代表半镇静钢，代表半镇静钢，Z Z代表镇静钢，代表镇静钢，TZTZ代表特种镇静钢，代表特种镇静钢，在具体标注时在具体标注时Z Z和和TZTZ可以省略。可以省略。d d）钢结构设计规范钢结构设计规范将将Q235Q235牌号的钢材选为承重结构用钢。其化学成分和牌号的钢材选为承重结构用钢。其化学成分和脱氧方法、拉伸和

15、冲击试验以及冷弯试验结果均应符合规范脱氧方法、拉伸和冲击试验以及冷弯试验结果均应符合规范GB/T700GB/T700的要的要求。求。第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料（2 2）低合金高强度结构钢）低合金高强度结构钢(GB/T 1591-1994)(GB/T 1591-1994)a)a)含碳量均含碳量均不大于不大于0.200.20，强度的提高主要依靠添加少量几种合强度的提高主要依靠添加少量几种合金元素来达到，但合金元素的总量金元素来达到，但合金元素的总量低于低于5 5。b)b)牌号为牌号为Q345Q345，Q390,Q420Q390,Q420的钢材都有较高的强度和较好的塑性、韧的钢材都有较高

16、的强度和较好的塑性、韧性和焊接性能，被性和焊接性能，被规范规范选为承重结构用钢。选为承重结构用钢。c)c)低合金高强度结构钢的牌号命名与碳素结构钢相似，只是质量低合金高强度结构钢的牌号命名与碳素结构钢相似，只是质量等级分为等级分为A A、B B、C C、D D、E E五等，低合金高强度结构钢采用的脱五等，低合金高强度结构钢采用的脱氧方法均为镇静钢或特殊镇静钢，故氧方法均为镇静钢或特殊镇静钢，故可不加脱氧方法的符号可不加脱氧方法的符号。d)d)钢材的化学成分和拉伸、冲击、冷弯试验结果应满足规范钢材的化学成分和拉伸、冲击、冷弯试验结果应满足规范GB/T1591GB/T1591要求。要求。（3 3）

17、优质碳素结构钢）优质碳素结构钢(GB/T 699-1988)(GB/T 699-1988)a)a)磷、硫等有害元素的含量均磷、硫等有害元素的含量均不大于不大于0.0350.035，对于其他缺陷的限对于其他缺陷的限制也较严格。制也较严格。b)b)主要用作制造主要用作制造冷拔高强钢丝冷拔高强钢丝、高强螺栓高强螺栓以及以及自攻螺钉自攻螺钉等。等。第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料6.2 6.2 钢材的规格钢材的规格钢结构所用的钢材主要有钢结构所用的钢材主要有热轧成型的钢板和型钢热轧成型的钢板和型钢，以及，以及冷加工成冷加工成型的冷扎薄钢板型的冷扎薄钢板和和冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢。 （1 1）热

18、轧钢板）热轧钢板a) a) 分为分为厚钢板、薄钢板厚钢板、薄钢板和和扁钢。扁钢。b) b) 表示方法：在符号表示方法：在符号“- -”后加后加“宽度宽度厚度厚度长度长度” c) c) 供应规格供应规格 （单位：（单位：mmmm） 厚度厚度 宽度宽度 长度长度 厚钢板厚钢板4.5-60600-30004000-12000薄钢板薄钢板0.35-4500-1500500-4000扁钢扁钢4-6012-2003000-9000第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料（2 2）热轧型钢）热轧型钢常用的热轧型钢有常用的热轧型钢有角钢

19、、工字钢、槽钢、钢管角钢、工字钢、槽钢、钢管等。等。 a) a) 角钢角钢1) 1) 分为分为等边和不等边等边和不等边两种。两种。2 2）表示方法为在符号）表示方法为在符号“”后加后加“长边宽长边宽短边宽短边宽厚度厚度”（对不等边角（对不等边角钢），或加钢），或加“边长边长厚度厚度”（对等边角钢）。（对等边角钢）。3 3）我国生产的角钢）我国生产的角钢最大边长为最大边长为200mm200mm，角钢的供应长度一般为，角钢的供应长度一般为4-19m4-19m。肢宽度肢宽度肢厚度肢厚度 等边角钢等边角钢长肢宽度长肢宽度短肢宽度短肢宽度肢厚度肢厚度 不等边角钢不等边角钢b)b)工字钢工字钢1) 1)

20、分为分为普通工字钢、轻型工字钢普通工字钢、轻型工字钢和和H H型工字钢型工字钢三种。三种。3) H3) H型钢的基本类型分为型钢的基本类型分为宽翼缘（宽翼缘（HWHW），中翼），中翼缘（缘（HMHM）和和窄翼缘（窄翼缘（HNHN）三类，表示方法为在三类，表示方法为在代号后加代号后加“高度高度宽度宽度腹板厚度腹板厚度翼缘厚翼缘厚度度” 。2 2）普通工字钢的型号用符号）普通工字钢的型号用符号“工工”后面加截面高度的后面加截面高度的厘米数厘米数表示，表示，2020号以上的工字钢，又按腹板的厚度不同，分为号以上的工字钢，又按腹板的厚度不同，分为a a、b b或或a a、b b、c c等类别，等类别，

21、轻型工字钢的表示方法同普通工字钢。轻型工字钢的表示方法同普通工字钢。4 4）普通工字钢的型号为）普通工字钢的型号为10-6310-63号号，轻型工字钢，轻型工字钢的型号为的型号为10-7010-70号号，供应长度为，供应长度为5-19m5-19m。第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料c) c) 槽钢槽钢 1) 1) 分为分为普通槽钢普通槽钢和和轻型槽钢轻型槽钢两种两种 。2 2）表示方法和工字钢相似）表示方法和工字钢相似 。3 3）国内生产的）国内生产的最大型号为最大型号为40c40c。 供应长度为供应长度为5-19m5-19m。tDd)d)钢管钢管 1) 1) 分为分为无缝钢管无缝钢管和和

22、焊接钢管焊接钢管两种两种 。2 2）型号可用代号）型号可用代号“D D”后加后加“外径外径壁厚壁厚”表示。表示。 3 3）国产热轧无缝钢管的）国产热轧无缝钢管的最大外径可达最大外径可达630mm630mm， 供应长度为供应长度为3-12m3-12m。 第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料（3 3）冷弯薄壁型钢和压型钢板）冷弯薄壁型钢和压型钢板冷弯薄壁型钢（冷弯薄壁型钢（壁厚壁厚1.5-1.5-6mm6mm）和压型钢板（）和压型钢板（壁厚壁厚0.4-1.6mm0.4-1.6mm），截面形式），截面形式和尺寸均可按受力特点合和尺寸均可按受力特点合理设计，能充分利用钢材理设计，能充分利用钢材的强度

23、，达到节约钢材的的强度，达到节约钢材的目的。在国内外轻钢建筑目的。在国内外轻钢建筑结构中被广泛应用。结构中被广泛应用。第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料6.3 6.3 钢材的选择钢材的选择 （1 1）选择钢材的原则）选择钢材的原则 安全可靠，经济合理安全可靠，经济合理为了保证承重结构的承载能力，防止为了保证承重结构的承载能力，防止出现脆性破坏，在选择钢材时应具体出现脆性破坏，在选择钢材时应具体考虑以下因素：考虑以下因素：结构或构件的重要性、荷载特征、连结构或构件的重要性、荷载特征、连接方式、工作环境、结构的应力状态、接方式、工作环境、结构的应力状态、钢材的厚度。钢材的厚度。 第二章第二章

24、钢结构的材料钢结构的材料a）结构或构件的重要性）结构或构件的重要性 对于重要的结构或构件（框架的横梁，桁架，对于重要的结构或构件（框架的横梁，桁架， 屋面楼面的大梁等）应采用质量较高的钢材。屋面楼面的大梁等）应采用质量较高的钢材。b)荷载特征荷载特征 静力荷载作用下可选择经济性较好的静力荷载作用下可选择经济性较好的Q235钢材；动力钢材；动力 荷载作用下应选择综合性能较好的钢材。荷载作用下应选择综合性能较好的钢材。c)连接方式连接方式 焊接结构对材质的要求严格，应严格控制焊接结构对材质的要求严格，应严格控制C、S、P的的 极限含量；非焊接结构对极限含量；非焊接结构对C的要求可降低一些。的要求可

25、降低一些。d)工作环境工作环境 处于低温下工作的结构，应选择抗脆性破坏能力强的处于低温下工作的结构，应选择抗脆性破坏能力强的 钢材，防止钢材的冷脆硬化导致的脆性破坏。钢材，防止钢材的冷脆硬化导致的脆性破坏。e)结构的应力状态结构的应力状态 当选用的型材或板材的厚度较大时，应该采用当选用的型材或板材的厚度较大时，应该采用 质量较高的钢材，以防止钢材中较大的残余拉质量较高的钢材，以防止钢材中较大的残余拉 应力和缺陷等与外力共同作用形成三向拉应应力和缺陷等与外力共同作用形成三向拉应 力，引起材料的脆性破坏。力，引起材料的脆性破坏。f)钢材的厚度钢材的厚度 钢材越厚其强度越低，选用厚度较大时应采用钢材

26、越厚其强度越低，选用厚度较大时应采用质量较质量较 高的钢材高的钢材。 表表2.6.8 2.6.8 国内外钢材牌号对应关系国内外钢材牌号对应关系中国中国美国美国日本日本欧盟欧盟英国英国俄罗斯俄罗斯澳大利亚澳大利亚Q235A36SS400 SM400 SN400Fe36040C235250 C250Q345A242 A441 A572-50 A588SM490 SN490Fe510 FeE35550B、C、DC345350C350Q39050FC390400Hd400Q420A572-60SA440B SA440CC4406.4 6.4 钢材选择的建议钢材选择的建议1 1）承重结构的钢材宜采用）承

27、重结构的钢材宜采用Q235Q235钢、钢、Q345Q345钢、钢、Q390Q390钢和钢和Q420Q420钢，钢，其质量应分别符合国家标准其质量应分别符合国家标准碳素结构钢碳素结构钢GB/T700GB/T700和和低合金低合金高强度结构钢高强度结构钢GB/T1591GB/T1591的规定。当采用其他牌号的钢材时，应的规定。当采用其他牌号的钢材时，应符合相应有关标准的规定和要求。符合相应有关标准的规定和要求。 2 2）承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、）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，对焊接结构尚具有含碳量的合格保证。磷含量的合格保证，对焊

28、接结构尚具有含碳量的合格保证。 3 3）对于需要验算疲劳的焊接结构和非焊接结构，应具有冲击韧性）对于需要验算疲劳的焊接结构和非焊接结构，应具有冲击韧性的合格保证。（表的合格保证。（表2.6.62.6.6） 4 4）重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于）重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于16mm16mm的钢材的钢材应具有常温冲击韧性合格的保证。应具有常温冲击韧性合格的保证。 5) 5) 当焊接结构为防止钢材的层状撕裂而采用当焊接结构为防止钢材的层状撕裂而采用 Z Z 向钢时，其材质向钢时，其材质应符合现行国家标准应符合现行国家标准厚度方向性能钢板厚度方向性能钢板GB/T5313GB

29、/T5313的规定。的规定。 6) 6) 对于外露环境，且对大气腐蚀有特殊要求的或在腐蚀性气态和对于外露环境，且对大气腐蚀有特殊要求的或在腐蚀性气态和固态介质作用下的承重结构，宜采用耐候钢，其质量要求应符合固态介质作用下的承重结构，宜采用耐候钢，其质量要求应符合现行国家标准现行国家标准焊接耐候钢焊接耐候钢GB/T4172GB/T4172的规定。的规定。 第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料1、钢材的生产、钢材的生产2、钢材的主要性能、钢材的主要性能3、各种因素对钢材的影响、各种因素对钢材的影响4、钢材的疲劳、钢材的疲劳5、钢材的种类、规格和选用、钢材的种类、规格和选用内容回顾内容回顾第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料1、钢材的生产、钢材的生产钢材的生产分为钢材的生产分为炼铁炼铁、炼钢炼钢和和轧制轧制三道工序。三道工序。 炼钢有三种形式：炼钢有三种形式：转炉转炉、平炉平炉和和电炉电炉。浇注是指把熔炼好的钢液做成钢锭或钢坯浇注是指把熔炼好的钢液做成钢锭或钢坯-连续铸造法连续铸造法按照钢液脱氧的方法和程度不同，碳素结构钢可分为按照钢液脱氧的方法和程度不同，碳素结构钢可分为沸腾钢沸腾钢、半镇静钢半镇静钢、