第二章钢结构的材料

1、第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 学习本章的主要目的是如何选择钢材。这学习本章的主要目的是如何选择钢材。这就要求首先掌握钢材的性能，其中最重要的是就要求首先掌握钢材的性能，其中最重要的是脆断。脆断。 第一节第一节 钢结构对所用材料的要求钢结构对所用材料的要求 一、钢材的破坏形式一、钢材的破坏形式 1.1.塑性破坏塑性破坏(plasticity failure)(plasticity failure)：钢材在：钢材在产生很大的变形以后发生的断裂破坏称为产生很大的变形以后发生的断裂破坏称为塑性破塑性破坏坏，也称为，也称为延性破坏延性破坏。 2.2.脆性破坏脆性破坏(brittle failu

2、re)(brittle failure)：钢材在变：钢材在变形很小的情况下突然发生断裂破坏。形很小的情况下突然发生断裂破坏。 二、钢结构对所用材料的要求二、钢结构对所用材料的要求 物美价廉物美价廉强度强度f fy y、f fu u高。强度高可减轻结构自重。高。强度高可减轻结构自重。 塑性、韧性、耐久性好。可防止脆性破坏，抗塑性、韧性、耐久性好。可防止脆性破坏，抗动力荷载好，耐疲劳。动力荷载好，耐疲劳。 良好的加工性能。冷、热加工和可焊性好。良好的加工性能。冷、热加工和可焊性好。 耐腐性好。耐腐性好。 价格便宜。价格便宜。 有时还要求钢材具有适应低温、高温等环境的有时还要求钢材具有适应低温、高温

3、等环境的能力。能力。 钢结构设计规范（钢结构设计规范（GB50017-2003GB50017-2003) )推荐使用：碳素结构钢中的推荐使用：碳素结构钢中的Q235Q235钢、钢、低合金结构钢中的低合金结构钢中的Q345Q345钢、钢、Q390Q390钢、钢、Q420Q420钢。钢。 随着研究的深入，必将有一些满足要随着研究的深入，必将有一些满足要求的其它种类钢材可供使用。若选用求的其它种类钢材可供使用。若选用钢结构设计规范还未推荐的钢材时，钢结构设计规范还未推荐的钢材时，需有可靠的依据，以确保钢结构的质需有可靠的依据，以确保钢结构的质量。量。 专用钢结构用材见相关规范专用钢结构用材见相关规范

4、。第二节钢材的主要机械性能第二节钢材的主要机械性能 钢材的机械性能（力学性能）通常是指钢厂生钢材的机械性能（力学性能）通常是指钢厂生产供应的钢材在标准条件下拉伸、冷弯和冲击产供应的钢材在标准条件下拉伸、冷弯和冲击等单独作用下显示出的各种机械性能。它们由等单独作用下显示出的各种机械性能。它们由相应实验得到，试验采用的试件的制作和试验相应实验得到，试验采用的试件的制作和试验方法都必须按照各相关国家标准规定进行。方法都必须按照各相关国家标准规定进行。一、单向拉伸时的性能一、单向拉伸时的性能 标准试件在室温（标准试件在室温（10100 0C C35350 0C) C) 、以满足静、以满足静力加载的加载

5、速度一次加载所得钢材的应力力加载的加载速度一次加载所得钢材的应力 应变曲线显示的钢材机械性能如下应变曲线显示的钢材机械性能如下: :： (1)(1)弹性阶段弹性阶段 f fp p，与与呈线性关系，呈线性关系，称该直线的斜率称该直线的斜率E E为钢材的弹性模量。在钢结构为钢材的弹性模量。在钢结构设计中，对所有钢材统一取设计中，对所有钢材统一取E E =2.06 =2.0610105 5N/mmN/mm2 2 。(2)(2)弹塑性阶段弹塑性阶段 与与呈非线性关系，切线模呈非线性关系，切线模量量E Et td d/d/d, , E Et t随应力增大而减小，当随应力增大而减小，当= f= fy y

6、时时E Et t=0=0。 ( (3) 3) 塑性阶段塑性阶段也称屈服阶段，也称屈服阶段， = f= fy y后钢材暂后钢材暂时不能承受更大的荷载，且伴随产生很大的变形，时不能承受更大的荷载，且伴随产生很大的变形，因此钢结构设计取因此钢结构设计取f fy y作为强度极限承载力的标志。作为强度极限承载力的标志。(4) 4) 强化阶段强化阶段 试件能承受的最大拉应力试件能承受的最大拉应力 f fu u为钢材的抗为钢材的抗拉强度。取拉强度。取f fy y作为强度极限承载力的标志，作为强度极限承载力的标志， f fu u就成为就成为材料的强度储备。材料的强度储备。(5)(5)颈缩破坏阶段颈缩破坏阶段

7、(6) (6) 可把钢材视为理想弹塑性体。可把钢材视为理想弹塑性体。(7) (7) 伸长率伸长率 =(=(l l1 1-l-l0 0)/)/ l l0 0* *100% ,100% ,反映钢材的塑性变形反映钢材的塑性变形能力能力。性能性能 三、冲击韧性三、冲击韧性 冲击韧性值用击断试样所需冲击韧性值用击断试样所需的的冲击功冲击功A AKVKV表示表示, ,单位为单位为J J。 冲击韧性与温度有关，当冲击韧性与温度有关，当温度低于某一负温值时，冲击韧性值将急剧降低。因此在温度低于某一负温值时，冲击韧性值将急剧降低。因此在寒冷地区建造的直接承受动力荷载的钢结构，除应有常温寒冷地区建造的直接承受动力

8、荷载的钢结构，除应有常温冲击韧性的保证外，尚应依钢材的类别，使其具有冲击韧性的保证外，尚应依钢材的类别，使其具有-20-20 C C 或或-40-40 C C的冲击韧性保证，应的冲击韧性保证，应A AKVKV 27J 27J（焦耳）。（焦耳）。 将试件弯成将试件弯成180 180 o o，若试件外表面不出现，若试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。综合反映钢材的塑裂纹和分层，即为合格。综合反映钢材的塑性性能和冶金质量。重要结构中需要有良好性性能和冶金质量。重要结构中需要有良好的冷热加工性能时，应有冷弯合格保证。的冷热加工性能时，应有冷弯合格保证。 四、钢材受压和受剪时的性能四、钢材受压和受剪时

9、的性能 钢材在单向受压（短试件）时，受力性能基钢材在单向受压（短试件）时，受力性能基本上与单向受拉相同。受剪的情况也相似，本上与单向受拉相同。受剪的情况也相似，但屈服点但屈服点y y及抗剪强度及抗剪强度u u均低于均低于f fy y和和f fu u；剪变模量剪变模量G G也低于弹性模量也低于弹性模量E E。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一、化学成分的影响一、化学成分的影响 碳碳(C )(C )、锰（、锰（MnMn）、钒（）、钒（V V）是有利元素，但）是有利元素，但也要注意对含量的限制。也要注意对含量的限制。 硫（硫（S S）、磷（）、磷（P P）氧（）氧（O O）

10、、氮（）、氮（N N）会降低）会降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳性能。应严格钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳性能。应严格限制含量。限制含量。二、钢材生产过程的影响二、钢材生产过程的影响1. 1. 冶炼炉种的影响冶炼炉种的影响 已无必要强调炉种的影响。已无必要强调炉种的影响。2. 2. 钢的脱氧钢的脱氧 钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不匀并发生热脆。因此浇注钢锭时要在炉中或盛钢桶匀并发生热脆。因此浇注钢锭时要在炉中或盛钢桶中加入脱氧剂以消除氧。因脱氧程度或方法不同，中加入脱氧剂以消除氧。因脱氧程度或方法不同，把钢分为沸腾钢把钢分为沸腾钢(F)(F)、半镇静钢、

11、半镇静钢(b)(b)、镇静钢、镇静钢(Z)(Z)和特和特殊镇静钢殊镇静钢(TZ)(TZ)。3.3.钢材的轧制钢材的轧制 将钢锭加热至将钢锭加热至1200120013001300o o C C ，通过轧，通过轧钢机将其轧成所需形状和尺寸的钢材，称为热轧钢钢机将其轧成所需形状和尺寸的钢材，称为热轧钢材。轧钢机的压力作用可使钢锭中的小气泡和裂纹材。轧钢机的压力作用可使钢锭中的小气泡和裂纹弥合，并使组织密实。钢材的压缩比（钢坯与轧成弥合，并使组织密实。钢材的压缩比（钢坯与轧成钢材厚度之比）愈大时，其强度和冲击韧性也愈高。钢材厚度之比）愈大时，其强度和冲击韧性也愈高。 现在，国内的大型钢铁集团均已采用了

12、连铸连轧技现在，国内的大型钢铁集团均已采用了连铸连轧技术，对于连铸连轧钢材，均为镇静钢材术，对于连铸连轧钢材，均为镇静钢材。 三、温度的影响三、温度的影响负温度范围内负温度范围内：随着温度：随着温度降低，塑性和韧性降低，降低，塑性和韧性降低，材料变脆，称为低温冷脆。材料变脆，称为低温冷脆。钢材冲击韧性与温度的关钢材冲击韧性与温度的关系曲线反弯点所对应的温系曲线反弯点所对应的温度度t t0 0称为脆性转变温度。称为脆性转变温度。 正温度范围内正温度范围内: t t200400400o oC C时，钢材的强时，钢材的强度和度和E E都急剧降低，都急剧降低，t t600600o oC C时其承载能力

13、几乎丧时其承载能力几乎丧失。失。 四、冷加工硬化和时效硬化四、冷加工硬化和时效硬化1.1.应变硬化应变硬化 钢材在常温下加工称为冷加工。冷轧、钢材在常温下加工称为冷加工。冷轧、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大的塑冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大的塑性变形，从而使性变形，从而使f fy y提高，但同时降低了钢材的塑性和韧提高，但同时降低了钢材的塑性和韧性，这种现象性，这种现象称为冷加工硬化称为冷加工硬化。2.2.时效硬化时效硬化 钢材经过一定时间后强度提高但塑性降钢材经过一定时间后强度提高但塑性降低，这种现象称为时效硬化。不同种类钢材的时效硬低，这种现象称为时效硬化。不同种类

14、钢材的时效硬化过程可从几小时到数十年。化过程可从几小时到数十年。3.3.人工时效人工时效 使钢材产生使钢材产生10%10%的塑性变形，再加热到的塑性变形，再加热到200200300 300 o oC C，然后冷却到室温进行试验。这样可使时，然后冷却到室温进行试验。这样可使时效在几小时内完成。效在几小时内完成。五、复杂应力状态的影响五、复杂应力状态的影响)( 3)(222222zxyzxyxzzyyxzyxeq 在复杂应力如平面或立体在复杂应力如平面或立体应力作用下，钢材的屈服并应力作用下，钢材的屈服并不只取决于某一方向的应力，不只取决于某一方向的应力，而是由反映各方向应力综合而是由反映各方向应

15、力综合影响的影响的 屈服条件来确定。屈服条件来确定。同号应力场使材料脆性加大同号应力场使材料脆性加大六、应力集中的影响六、应力集中的影响 钢构件在缺陷或截面变化处附钢构件在缺陷或截面变化处附近将产生局部高峰应力，其余部近将产生局部高峰应力，其余部位应力较低，位应力较低，称为应力集中称为应力集中。在。在应力高峰区域存在着同号的双向应力高峰区域存在着同号的双向或三向应力。这种同号的双向或或三向应力。这种同号的双向或三向应力场有使钢材变脆的趋势。三向应力场有使钢材变脆的趋势。应力集中系数越大，变脆的倾向应力集中系数越大，变脆的倾向亦愈严重。亦愈严重。 在负温下或动力荷载作用下，在负温下或动力荷载作用

16、下，应力集中往往是引起脆性断裂的应力集中往往是引起脆性断裂的根源，设计中应设法避免或减小根源，设计中应设法避免或减小应力集中，并选用质量优良的钢应力集中，并选用质量优良的钢材。材。第四节第四节 钢材的疲劳钢材的疲劳一、钢材疲劳的基本概念一、钢材疲劳的基本概念 钢材在反复荷载作用下，在应力低于钢材抗拉强钢材在反复荷载作用下，在应力低于钢材抗拉强度甚至低于屈服点时突然断裂，度甚至低于屈服点时突然断裂，称为钢材的疲劳或疲劳称为钢材的疲劳或疲劳破坏破坏。 钢结构中总存在有微观裂纹或类似的缺陷，导致钢结构中总存在有微观裂纹或类似的缺陷，导致应力集中。在多次反复荷载作用下，微观裂纹不断开展，应力集中。在多

17、次反复荷载作用下，微观裂纹不断开展，应力集中现象越来越严重。当荷载反复循环达一定次数应力集中现象越来越严重。当荷载反复循环达一定次数n n（疲劳寿命）时，裂纹扩展使得净截面承载力不足以（疲劳寿命）时，裂纹扩展使得净截面承载力不足以承受外力作用时，构件突然断裂，发生疲劳破坏。承受外力作用时，构件突然断裂，发生疲劳破坏。 疲疲劳破坏一般经历劳破坏一般经历裂纹形成、裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂纹形成、裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂裂三个阶段。三个阶段。 二、疲劳计算二、疲劳计算 反复荷载作用产生的应力重复一周叫做一个循环。反复荷载作用产生的应力重复一周叫做一个循环。= =maxmax-minmin称为应力

18、幅，表示应力变化的幅称为应力幅，表示应力变化的幅度。度。 试验表明，焊接结构发生疲劳破坏并不是名义最试验表明，焊接结构发生疲劳破坏并不是名义最大应力大应力maxmax作用的结果，而是焊缝部位足够大小作用的结果，而是焊缝部位足够大小的应力幅反复作用的结果。非焊接结构的的疲劳的应力幅反复作用的结果。非焊接结构的的疲劳寿命不仅与应力幅有关，还与寿命不仅与应力幅有关，还与 其他因素有关。其他因素有关。规范把疲劳计算公式中的应力幅调整为折算应力规范把疲劳计算公式中的应力幅调整为折算应力幅，以反映其实际工作情况。幅，以反映其实际工作情况。 疲劳计算的公式是以试验为依据的，分为常幅和疲劳计算的公式是以试验为

19、依据的，分为常幅和变幅疲劳两种情况进行计算。变幅疲劳两种情况进行计算。1. 1. 常幅疲劳计算常幅疲劳计算 C C、参数，根据表参数，根据表2222中的构件和连接中的构件和连接类别按表类别按表2-32-3采用。采用。 对焊接部位对焊接部位 = =maxmax-minmin；对非；对非焊接部位焊接部位 = =maxmax-0.7-0.7minmin。 由上式可见，容许应力幅与钢材的由上式可见，容许应力幅与钢材的强度无关，这表明不同钢材具有相同的抗强度无关，这表明不同钢材具有相同的抗疲劳性能。疲劳性能。1)/(nC2. 2. 变幅疲劳计算变幅疲劳计算 可近似地按照线性疲劳累积损伤原则，将随机变化可

20、近似地按照线性疲劳累积损伤原则，将随机变化的应力幅折算为等效应力幅的应力幅折算为等效应力幅e e，按下式进行疲劳，按下式进行疲劳计算：计算： 吊车梁：根据实测结果，推算出设计基准期吊车梁：根据实测结果，推算出设计基准期5050年内年内各种吊车梁的应力循环总次数各种吊车梁的应力循环总次数n n( (等效于满荷载时等效于满荷载时n=n= 2 2 10106 6次次) ) ，相应的欠载效应的等效系数，相应的欠载效应的等效系数 f f值如表值如表223 3所示，重级工作制吊车梁的疲劳验算公式为：所示，重级工作制吊车梁的疲劳验算公式为： /1iiienn6102f 当当n n10105 5时，应进行疲劳

21、计算。时，应进行疲劳计算。 疲劳计算采用的是容许应力幅法，计算公疲劳计算采用的是容许应力幅法，计算公式是以实验为依据的，实验中已包含了动式是以实验为依据的，实验中已包含了动力的影响，故荷载应采用标准值且不乘动力的影响，故荷载应采用标准值且不乘动力系数，应力幅按弹性工作计算。力系数，应力幅按弹性工作计算。 在完全压应力（不出现拉应力）循环中，在完全压应力（不出现拉应力）循环中，由于压应力不会使裂纹继续扩展，故规范由于压应力不会使裂纹继续扩展，故规范规定此种情况可不进行疲劳计算。规定此种情况可不进行疲劳计算。三、疲劳计算应注意问题三、疲劳计算应注意问题第五节第五节 钢材的钢种、钢号及选择钢材的钢种

22、、钢号及选择 1. 1. 碳素结构钢碳素结构钢 钢号由代表屈服点的字母钢号由代表屈服点的字母Q Q、屈服、屈服强度数值（强度数值（t t16mm16mm时的时的f fy y，单位是，单位是N/mmN/mm2 2）、质量等级）、质量等级符号（分为符号（分为A A、B B、C C、D D四级，质量依次提高）、脱氧方四级，质量依次提高）、脱氧方法符号（沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢的代法符号（沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢的代号分别为号分别为F F、b b、Z Z和和TZTZ，其中，其中Z Z和和TZTZ在钢号中省略不写）在钢号中省略不写）等四个部分按顺序组成。例如等四个部分按顺序组成。

23、例如Q235-BF, Q235-BF, 表示屈服强表示屈服强度为度为235 N/mm235 N/mm2 2的的B B级沸腾钢。钢材的质量等级中，级沸腾钢。钢材的质量等级中，A A、B B级钢按脱氧方法可为级钢按脱氧方法可为沸腾钢、半镇静钢或镇静钢沸腾钢、半镇静钢或镇静钢，C C级级为镇静钢，为镇静钢，D D级为特殊镇静钢。级为特殊镇静钢。一、钢种一、钢种 钢材的种类，钢结构常用的钢材的种类，钢结构常用的是碳素结构钢和低合金结构钢。是碳素结构钢和低合金结构钢。 2. 2. 低合金结构钢低合金结构钢 低合金结构钢是在冶炼碳素结构钢时加入一种低合金结构钢是在冶炼碳素结构钢时加入一种或几种适量的合金元

24、素而成的钢。其钢材牌号或几种适量的合金元素而成的钢。其钢材牌号的表示方法与碳素结构钢相似，但质量等级分的表示方法与碳素结构钢相似，但质量等级分为为A A、B B、C C、D D、E E五级，且无脱氧方法符号。例五级，且无脱氧方法符号。例如如Q345-BQ345-B，Q390-DQ390-D，Q420-EQ420-E。 3. 专用结构钢专用结构钢 (1)(1)特殊用途的钢结构常采用专用结构钢。专特殊用途的钢结构常采用专用结构钢。专用结构钢的钢号用在相应钢号后再加上专业用用结构钢的钢号用在相应钢号后再加上专业用途代号（途代号（压力容器、桥梁、船舶和锅炉用钢材压力容器、桥梁、船舶和锅炉用钢材的专业用

25、途代号分别为的专业用途代号分别为R R、q q、C C和和g g）来表示。）来表示。(2)(2)耐候钢耐候钢 在钢材冶炼时加入少量的合金元素如在钢材冶炼时加入少量的合金元素如CuCu、CrCr、NiNi、MoMo、NbNb、TiTi、ZrZr、V V等，提高钢材的耐腐蚀等，提高钢材的耐腐蚀性能。也称为耐大气腐蚀钢。例如性能。也称为耐大气腐蚀钢。例如15MnCuCrQT15MnCuCrQT钢表钢表示含碳量为示含碳量为0.15%0.15%，合金元素为锰、铜、铬的淬火加，合金元素为锰、铜、铬的淬火加回火热处理耐候钢。回火热处理耐候钢。（3 3）连接用钢）连接用钢 钢结构连接中的铆钉、高强度螺栓、钢结

26、构连接中的铆钉、高强度螺栓、焊焊 条用钢丝等，也采用满足各自连接件要求的专门用条用钢丝等，也采用满足各自连接件要求的专门用钢。钢。 三、钢材的选择三、钢材的选择钢材的选择既要确定所用钢材的钢号，又要提出应钢材的选择既要确定所用钢材的钢号，又要提出应有的机械性能和化学成分保证项目，是钢结构设计的首有的机械性能和化学成分保证项目，是钢结构设计的首要环节。选材的基本原则是既保证安全可靠，又经济合要环节。选材的基本原则是既保证安全可靠，又经济合理。钢材的质量等级愈高，其价格也愈高。因此应根据理。钢材的质量等级愈高，其价格也愈高。因此应根据结构的不同特点，来选择适宜的钢材。结构的不同特点，来选择适宜的钢

27、材。四、常用钢材的规格四、常用钢材的规格钢结构所用钢材主要是热轧成型的钢板、型钢和钢结构所用钢材主要是热轧成型的钢板、型钢和冷加工（冷弯、冷压和冷轧）成型的薄壁型钢。冷加工（冷弯、冷压和冷轧）成型的薄壁型钢。1. 1. 热轧钢板热轧钢板 钢板的标注符号是钢板的标注符号是“（截面代（截面代号）宽度号）宽度厚度厚度长度长度”，单位为，单位为mmmm，亦可用，亦可用“宽度宽度厚度厚度”或或“厚度厚度”来表示。如来表示。如360360121236003600，亦可表示如，亦可表示如3603601212或或1212。2. 2. 热轧型钢热轧型钢（1 1）角钢）角钢 分为等边和不等边角钢两种。分为等边和不

28、等边角钢两种。 角钢标注符号是角钢标注符号是“边宽边宽厚度（等边角钢）或厚度（等边角钢）或长边宽长边宽短边宽短边宽厚度（不等边角钢），单位厚度（不等边角钢），单位为为mm”mm”。如。如1001008 8和和10010080808 8。（2 2）槽钢）槽钢 有热轧普通槽钢和轻型槽钢两种。槽有热轧普通槽钢和轻型槽钢两种。槽钢规格用槽钢符号钢规格用槽钢符号 或或QQ表示。表示。例如，普通槽钢例如，普通槽钢1010、20a20a，轻型槽钢，轻型槽钢Q20aQ20a。（3 3）工字钢）工字钢 有普通工字钢和轻型工字钢两种。有普通工字钢和轻型工字钢两种。例如，普通工字钢例如，普通工字钢I18I18、I5

29、0aI50a，轻型工字钢，轻型工字钢QI50QI50。（4 4）H H型钢型钢 H H型钢比工字钢的翼缘宽度大并为等型钢比工字钢的翼缘宽度大并为等厚度，截面抵抗矩较大且质量较小，便于与其它厚度，截面抵抗矩较大且质量较小，便于与其它构件连接。热轧构件连接。热轧H H型钢分为宽、中、窄翼缘型钢分为宽、中、窄翼缘H H型钢，型钢，它们的代号分别为它们的代号分别为HWHW、HMHM和和HNHN。例如。例如HW260aHW260a、HM360HM360、HN300bHN300b。钢管钢管 钢结构中常用热轧无缝钢管和焊接钢钢结构中常用热轧无缝钢管和焊接钢管。用管。用“外径壁厚外径壁厚”表示，单位为表示，单位为mmmm，例如例如3603606 6。3.3.薄壁型钢薄壁型钢薄