第二章钢结构的材料

1、钢结构对所用钢材的要求建筑钢材的两种破坏形式建筑钢材的主要性能及其质量控制影响钢材性能的主要因素钢材的疲劳钢材的品种与选用对钢结构用材的要求建筑钢材的类别及钢材的选用2.1钢结构对所用钢材的要求钢的种类繁多，性能差别很大，适用于钢结构的仅是小部分。用作钢结构的钢必须符合下列要求： (1)较高的抗拉强度 和屈服点 是衡量结构承载能力的指标， 高则可减轻结构自重。 是衡量钢材经过较大变形后的抗拉能力，反映钢材内部组织的优劣， 高可以增加结构的安全保障。 (2)足够的变形能力 较高的塑性和韧性 塑性和韧性好，减轻结构脆性破坏的倾向，通过较大的塑性变形调整局部应力，具有较好的的抵抗重复荷载作用的能力。

2、 ufufyfyfyfuf2.1钢结构对所用钢材的要求(3)良好的工艺性能(包括冷加工、热加工和可焊性能) 易于加工成各种形式的结构，不致因加工而对结构的强度、塑性、韧性等造成较大的不利影响。 根据具体工作条件，有时还要求具有适应低温、高温、腐蚀性环境以及重复荷载作用的能力。 设计规范规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证；焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证；某些承受动力荷载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。1、有较高的强度，屈强比满足要求，保证安全储备有较高的强度，屈强比满足要求，保证安全储备2、有足够的变形能力、有

3、足够的变形能力塑性塑性-破坏前有预兆，能内力重分布破坏前有预兆，能内力重分布韧性韧性-在动载下破坏能吸收较大能量在动载下破坏能吸收较大能量4、适应低温、有害介质侵蚀及承受疲劳荷载、适应低温、有害介质侵蚀及承受疲劳荷载5、易生产、价格便宜、易生产、价格便宜3、有良好的加工性能，适应冷热加工，有良好的可焊性、有良好的加工性能，适应冷热加工，有良好的可焊性钢结构设计规范钢结构设计规范（GB50017-2002)推荐的普通碳素推荐的普通碳素结构钢结构钢Q235钢和低合金高强度结构钢钢和低合金高强度结构钢Q345、Q390及及Q420符符合要求合要求 有屈服现象的钢材或者虽然没有明显屈服现象而能发生有屈

4、服现象的钢材或者虽然没有明显屈服现象而能发生较大塑性变形的钢材，一般属于较大塑性变形的钢材，一般属于塑性材料塑性材料。没有屈服现象或。没有屈服现象或塑性变形能力很小的钢材，则属于塑性变形能力很小的钢材，则属于脆性材料脆性材料。 塑性材料塑性材料是指由于材料原始性能以及在常温、静载并一是指由于材料原始性能以及在常温、静载并一次加荷的工作条件之下能在破坏前发生较大塑性变形的材料次加荷的工作条件之下能在破坏前发生较大塑性变形的材料。然而一种钢材具有塑性变形能力的大小，不仅取决于钢材。然而一种钢材具有塑性变形能力的大小，不仅取决于钢材原始的化学成分，熔炼与轧制条件，也取决于后来所处的工原始的化学成分，

5、熔炼与轧制条件，也取决于后来所处的工作条件。即使原来塑性表现极好的钢材，改变了工作条件，作条件。即使原来塑性表现极好的钢材，改变了工作条件，如在很低的温度之下受冲击作用，也完全可能呈现脆性破坏如在很低的温度之下受冲击作用，也完全可能呈现脆性破坏。所以，严格地说，。所以，严格地说，不宜把钢材划分为塑性和脆性材料，而不宜把钢材划分为塑性和脆性材料，而应该区分材料可能发生的塑性破坏与脆性破坏。应该区分材料可能发生的塑性破坏与脆性破坏。钢材的破坏形式钢材有两种性质完全不同的破坏形式：塑性破坏和脆钢材有两种性质完全不同的破坏形式：塑性破坏和脆性破坏。性破坏。 塑性破坏：塑性破坏：由于变形过大，超过了材料

6、或构件可能的由于变形过大，超过了材料或构件可能的应变能力，在构件的应力达到了钢材的抗拉强度后才应变能力，在构件的应力达到了钢材的抗拉强度后才发生。破坏前构件产生较大的塑性变形。由于较大的发生。破坏前构件产生较大的塑性变形。由于较大的塑性变形发生，且变形持续的时间较长，很容易及时塑性变形发生，且变形持续的时间较长，很容易及时发现而采取措施予以补救，不致引起严重后果。发现而采取措施予以补救，不致引起严重后果。塑性变形后出现内力重分布，使结构中原先受力不等塑性变形后出现内力重分布，使结构中原先受力不等的部分应力趋于均匀，因而提高结构的承载能力。的部分应力趋于均匀，因而提高结构的承载能力。 钢材的破坏

7、形式脆性破坏：脆性破坏：塑性变形很小，甚至没有塑性变形，计算塑性变形很小，甚至没有塑性变形，计算应力可能小于钢材的屈服点，断裂从应力集中处开始。应力可能小于钢材的屈服点，断裂从应力集中处开始。冶金和机械加工过程中产生的缺陷，特别是缺口和裂冶金和机械加工过程中产生的缺陷，特别是缺口和裂纹，常是断裂的发源地。纹，常是断裂的发源地。破坏前没有任何预兆，破坏是突然发生的。由于脆性破坏前没有任何预兆，破坏是突然发生的。由于脆性破坏前没有明显的预兆，无法及时觉察和采取补救措破坏前没有明显的预兆，无法及时觉察和采取补救措施，且个别构件的断裂常引起整个结构塌毁，后果严施，且个别构件的断裂常引起整个结构塌毁，后

8、果严重，损失较大。重，损失较大。在设计、施工和使用钢结构时，要特别注意防止出现在设计、施工和使用钢结构时，要特别注意防止出现脆性破坏。脆性破坏。钢材有两种完全不同的破坏形式：钢材有两种完全不同的破坏形式：塑性破坏塑性破坏脆性破坏脆性破坏塑性破坏的主要特征是，破坏前具有较大的塑性变形，塑性破坏的主要特征是，破坏前具有较大的塑性变形，常在钢材表面出现明显的相互垂直交错的锈迹剥落线。破坏常在钢材表面出现明显的相互垂直交错的锈迹剥落线。破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。后的断口呈纤维状，色泽发暗。脆性破坏的主要特征是，破坏前塑性变形很小，或根本脆性破坏的主要特征是，破坏前塑性变形很小，或根本没有塑性变形

9、，而突然迅速断裂。破坏后的断口平直，呈有没有塑性变形，而突然迅速断裂。破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或有人字纹。光泽的晶粒状或有人字纹。钢材的一次拉伸应力应变曲线钢材的一次拉伸应力应变曲线2.3.1 2.3.1 单向拉伸时的工作性能单向拉伸时的工作性能 条件：常温、静载条件下一次拉伸 1.强度性能 1)1)比例极限比例极限f fp p：图中图中OPOP段为直线，表示钢材具有完全段为直线，表示钢材具有完全弹性性质，这时应力弹性性质，这时应力 ，P P点应力称为比例极限点应力称为比例极限。 弹性极限弹性极限f fe e ：PEPE段仍具有弹性，但为非线性弹性阶段段仍具有弹性，但为非线性弹性阶段

10、，此时的模量叫做切线模量，此时的模量叫做切线模量， ，E E点的应力点的应力称为弹性极限。称为弹性极限。弹性极限和比例极限相距很近，实际上很难区分，故弹性极限和比例极限相距很近，实际上很难区分，故通常只提比例极限。通常只提比例极限。 E/ddtE2)屈服点 ：荷载增加，出现ES段，为非弹性性质，即卸荷曲线成为与OP平行的直线(图中虚线)，留下永久性的残余变形。此段上限S点的应力 称为屈服点。yfyf3)抗拉强度或极限强度 :超过屈服台阶，材料出现应变硬化，曲线上升，直至曲线最高处的B点，这点的应力 称为抗拉强度或极限强度。当应力达到B点时，试件发生颈缩现象，至D点而断裂。当以屈服点的应力 作为

11、强度限值时，抗拉强度成为材料的强度储备。 ufufyf低碳钢和低合金钢低碳钢和低合金钢 有明显的屈服点和屈服平台，即在有明显的屈服点和屈服平台，即在应力保持不变的情况下，应变继续增加。应力保持不变的情况下，应变继续增加。热处理钢材热处理钢材 它可以有较好的塑性性质但没有明显的屈服它可以有较好的塑性性质但没有明显的屈服点和屈服台阶。应力应变曲线形成一条连续曲线。对于没点和屈服台阶。应力应变曲线形成一条连续曲线。对于没有明显屈服点的钢材，有明显屈服点的钢材，规定永久变形为规定永久变形为0.2时的应力作为时的应力作为屈服点屈服点,有时用有时用0.2表示。表示。为了区别起见，把这种名义屈服点为了区别起

12、见，把这种名义屈服点称作屈服强度。称作屈服强度。上屈服点和下屈服点上屈服点和下屈服点 进入塑性流动范围时，曲线波进入塑性流动范围时，曲线波动较大，逐渐趋于平稳，其最高点和最低点分别称为动较大，逐渐趋于平稳，其最高点和最低点分别称为上屈服点和下屈服点。上屈服点和下屈服点。上屈服点上屈服点 和试验条件和试验条件( (加荷速度、试件形状、试件加荷速度、试件形状、试件对中的准确性对中的准确性) )有关。有关。下屈服点下屈服点 不敏感，设计中则以下屈服点为依据。不敏感，设计中则以下屈服点为依据。理想的弹理想的弹- -塑性体塑性体 无缺陷和残余应力影响的试件比无缺陷和残余应力影响的试件比例极限和屈服点比较

13、接近，且屈服点前应变很小。为例极限和屈服点比较接近，且屈服点前应变很小。为简化计算，假定屈服点前钢材为完全弹性，屈服点后简化计算，假定屈服点前钢材为完全弹性，屈服点后为完全塑性的，这样就可把钢材视为理想的弹为完全塑性的，这样就可把钢材视为理想的弹- -塑性塑性体。体。应力应力- -应变曲线表现为双直线。应变曲线表现为双直线。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：1作为结构计算中材料强度标准，或材料抗力标准。作为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 y时的应变与时的应变与 P时的应变较接近，可以认为应力达到时的应变较接近，

14、可以认为应力达到 y时为弹时为弹性变形的终点。同时，达到性变形的终点。同时，达到 y后在一个较大的应变范围内应力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能力，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，故此以故此以 y作为作为弹性计算弹性计算时强度的标准。时强度的标准。2 2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。 y之前，钢材近于理想弹性体，之前，钢材近于理想弹性体， y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，可以用两根而应力保持不增

15、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直线的图形作为理想弹塑性体的应力- -应变模型。钢结构设计应变模型。钢结构设计规范对规范对塑性设计塑性设计的规定，就以材料是理想弹塑性体的假设为依的规定，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。据，忽略了应变硬化的有利作用。伸长率伸长率: :试件被拉断时的绝对变形值与试件原试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百分数，称为伸长率。标距之比的百分数，称为伸长率。当试件标距长度与试件直径当试件标距长度与试件直径d d( (圆形试件圆形试件) )之比为之比为1010时时，以，以 表示；当该比值为表示；当

16、该比值为5 5时，以时，以 表示。表示。伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性应变的能力。伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性应变的能力。 105钢材的多项性能指标通过单向拉伸试验获得钢材的多项性能指标通过单向拉伸试验获得给出相应钢材的单调拉伸应力应变曲线。由试验曲线给出相应钢材的单调拉伸应力应变曲线。由试验曲线看出，在看出，在比例极限比例极限p以前钢材的工作是弹性的；比例极限以以前钢材的工作是弹性的；比例极限以后，进入了弹塑性阶段；达到了后，进入了弹塑性阶段；达到了屈服点屈服点y后，塑性平台；出后，塑性平台；出现强化阶段，产生颈缩而破坏。现强化阶段，产生颈缩而破坏。f y如果没有残余应力，比例如果没有

17、残余应力，比例极限与屈服应力合为一点，弹塑极限与屈服应力合为一点，弹塑性阶段消失，为简化计算，将应性阶段消失，为简化计算，将应力应变关系简化为如图力应变关系简化为如图弹弹应力应变关系应力应变关系1强度强度设计时以钢材的屈服强度为基础，抗拉强度设计时以钢材的屈服强度为基础，抗拉强度u是钢材破坏是钢材破坏前所承受最大应力，此时结构因塑性变形很大而失去使用性前所承受最大应力，此时结构因塑性变形很大而失去使用性能，能，uy值的大小，作为钢材强度储备的参数值的大小，作为钢材强度储备的参数衡量钢材塑性变形能力的主要指标是伸长率衡量钢材塑性变形能力的主要指标是伸长率。原标距间长度的伸长值与原标距比值的百分率

18、。一般原标距间长度的伸长值与原标距比值的百分率。一般以以l0d0=5为标准试件。伸长率为标准试件。伸长率5：式中：式中：l0试件原标距长度；试件原标距长度；d0试件标距长度内的直径；试件标距长度内的直径；l1试件拉断后标距间的长度。试件拉断后标距间的长度。 1050100%lll单向受压时单向受压时: : 受力性能基本上和单向受拉时受力性能基本上和单向受拉时相同。相同。受剪时受剪时: : 和单向受拉也相似，但屈服点和单向受拉也相似，但屈服点 及抗剪强度 均较受拉时为低；剪变模量均较受拉时为低；剪变模量G也低也低于弹性模量于弹性模量E。vyfvuf钢材单调拉伸应力应变曲线提供了三个重要钢材单调拉

19、伸应力应变曲线提供了三个重要的力学性能指标：的力学性能指标：抗拉强度抗拉强度f fu u、伸长率伸长率和屈服点和屈服点f fy y。抗拉强度抗拉强度f fu u是钢材一项重要是钢材一项重要强度强度指标，反映钢指标，反映钢材受拉时能承受的极限应力材受拉时能承受的极限应力屈服点屈服点f fy y是钢结构设计中应力允许达到的最大是钢结构设计中应力允许达到的最大限值限值屈服点屈服点fy和抗拉强度和抗拉强度fu是钢材强度的两项重要指标是钢材强度的两项重要指标 伸长率伸长率是衡量钢材断裂前所具有的是衡量钢材断裂前所具有的塑性塑性变形变形能力的指标，其相应伸长率分别用能力的指标，其相应伸长率分别用5 5或或

20、1010表示表示 与抵抗冲击作用有关的钢材的性能是韧性。与抵抗冲击作用有关的钢材的性能是韧性。 韧性韧性是钢材断裂时吸收机械能能力的量度。吸收较多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。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，其值等于应力单位体积吸收的能量来表示，其值等于应力- -应变曲线下应变曲线下的面积。塑性好的钢材，其应力的面积。塑性好的钢材，其应力- -应变曲线下的面积大，应变曲线下的面积大，所以韧性值大。所以韧性值大。 然而，实际工作中

21、，不用上述方法来衡量钢材的韧性然而，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，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脆性断裂并不发生在单向受拉单向受拉的地方，而总是发生在的地方，而总是发生在有缺有缺口高峰应力口高峰应力的地方，在缺口高峰应力的地方常呈三向受拉的地方，在缺口高峰应力的地方常呈三向受拉的应力状态。的应力状态。 因此，最有代表性的是钢材的因此，最有代表性的是钢材的缺口冲击韧性缺口冲击韧性，简称冲，简称冲击韧性或冲击功。击韧性或冲击功。 2.3.2冲击韧性冲击韧性 单调拉伸试验比较不同钢材在正常情况下韧性好坏

22、单调拉伸试验比较不同钢材在正常情况下韧性好坏 冲击韧性是评定带有缺口钢材冲击荷载作用下冲击韧性是评定带有缺口钢材冲击荷载作用下抵抗脆抵抗脆性破坏能力的指标。性破坏能力的指标。 通常用带有通常用带有夏比夏比V V型缺口型缺口的标准试件的标准试件 冲击韧性值随温度的降低而降低冲击韧性值随温度的降低而降低 相当温度下的冲击韧性指标：相当温度下的冲击韧性指标： 在寒冷地区承受动力作用重要承重结构，应根据工作温在寒冷地区承受动力作用重要承重结构，应根据工作温度和所用钢材牌号，提出度和所用钢材牌号，提出相当温度下的冲击韧性指标相当温度下的冲击韧性指标要求要求 低温对钢材的脆性破坏有显著影响，在寒冷地区不但

23、低温对钢材的脆性破坏有显著影响，在寒冷地区不但要求钢材具有常温要求钢材具有常温( ( ) )冲击韧性指标，还要求具冲击韧性指标，还要求具有有0冲击韧性指标或负温（冲击韧性指标或负温（-20或或-40）冲击韧性指）冲击韧性指标。标。Co520钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷裁作用下，断裂钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷裁作用下，断裂过程中吸收机械动能的一种能力，是衡量钢材抵抗冲击过程中吸收机械动能的一种能力，是衡量钢材抵抗冲击荷载作用。荷载作用。我国以前曾采用过梅氏试件我国以前曾采用过梅氏试件(U(U形缺口形缺口) )作冲击韧性作冲击韧性试验。试验。冲击试冲击试验验钢材的冷弯性能由冷弯试验确定钢材的

24、冷弯性能由冷弯试验确定 试验时，根据钢材的牌号和试验时，根据钢材的牌号和不同的板厚，按国家相关标准规不同的板厚，按国家相关标准规定的弯心直径，在试验机上把试定的弯心直径，在试验机上把试件弯曲件弯曲180180 以试件表面和侧面不出现以试件表面和侧面不出现裂裂纹和分层纹和分层为合格为合格 冷弯试验不仅能检验材料承冷弯试验不仅能检验材料承受规定的弯曲变形能力大小，还受规定的弯曲变形能力大小，还能显示其内部的冶金缺陷能显示其内部的冶金缺陷 判断判断钢材塑性变形能力和冶钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标金质量的综合指标2.3.3 2.3.3 冷弯性能冷弯性能钢材的冷弯试验钢材的冷弯试验冷弯性能试验方

25、法冷弯性能试验方法具有一定弯心直径具有一定弯心直径d的冲头的冲头对标准试件中部施加荷载使之弯曲对标准试件中部施加荷载使之弯曲不出现裂纹或分层，判断钢材的冷弯性能不出现裂纹或分层，判断钢材的冷弯性能冷弯性能试验冷弯性能试验可焊性：可焊性：采用一般焊接工艺就可完成合格的（无裂纹的）焊缝的性能。可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳素钢的可焊性：碳含量0.12%0.20%低合金钢的可焊性：碳当量表示碳当量小于0.38%时：可焊性很好。0.38%0.45%：钢材淬硬倾向逐渐明显，适当的预热措施，控制施焊工艺。大于0.45%：钢材淬硬倾向明显，较高的预热温度，严格的工艺措施。钢材可焊性的优劣：钢材可焊性

26、的优劣：钢材在采用一定的焊接方法、焊接材料、焊接工艺参数及一定的结构形式等条件下，获得合格焊缝的难易程度。2.3.5 2.3.5 建筑钢材的质量控制建筑钢材的质量控制 与根据与根据钢结构工程施工质量验收规范钢结构工程施工质量验收规范 (GB50205- (GB50205-2001)2001)的规定，对进入钢结构工程实施现场的主要材料需的规定，对进入钢结构工程实施现场的主要材料需进行进场验收，即检查钢材的质量合格证明文件、中文标进行进场验收，即检查钢材的质量合格证明文件、中文标识及检验报告，确认钢材的品种、规格、性能是否符合现识及检验报告，确认钢材的品种、规格、性能是否符合现行国家标准和设计要求

27、。行国家标准和设计要求。对属于下列情况之一的钢材，应进行抽样复验，其复验结果对属于下列情况之一的钢材，应进行抽样复验，其复验结果应符合现行国家产品标准和要求。应符合现行国家产品标准和要求。 1）国外进口钢材；国外进口钢材；2）钢材混批；）钢材混批；3）板厚等于或大于）板厚等于或大于40mm，且设计有，且设计有Z向性能要求的厚板；向性能要求的厚板；4）建筑结构安全等级为一级，大跨度钢结构中主要受力构）建筑结构安全等级为一级，大跨度钢结构中主要受力构件所采用的钢材；件所采用的钢材；5）设计有复验要求的钢材；）设计有复验要求的钢材；6）对质量有疑义的钢材。）对质量有疑义的钢材。 钢是含碳量小于2的铁

28、碳合金，碳大于2时则为铸铁。制造钢结构所用的材料有碳素结构钢中的低碳钢及低合金结构钢。 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。2.4.1 2.4.1 化学成分的影响化学成分的影响碳（碳（C）碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素，是影响钢材强度的主要因素，随着含碳量的增加，钢材强度提高，而塑性和冲击韧性、尤其是低温冲击韧性下降，同时可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能明显降低。因此结构用钢的含碳量一般不应超过0.22%，对焊接结构应低于0.2%。锰（锰

29、（Mn）锰是一种弱脱氧剂，适量的锰含量可以有效地提高钢材的强度，又能消除硫、氧对钢材的热脆影响，而不显著降低钢材的塑性和冲击韧性。锰在碳素结构钢中的含量为0.3%-0.8%，在低合金钢中一般为1.0%-1.7%。锰能显著提高钢材强度但不过多降低塑性和冲击韧性。硅（硅（Si） 硅是一种强脱氧剂，适量的硅可提高钢材的强度，而对塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性无明显不良影响，但硅含量过大时，会降低钢材的塑性、韧性、抗锈蚀性和可焊性。钒钒(V)、铌、铌(Nb)、钛、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，作为锰以外的合金元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑性、韧性。

30、铝铝(Al)、铬、铬(Cr)、镍、镍(Ni) 铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390钢和Q420钢。硫（硫（S） 硫是一种有害元素，降低钢材的塑性、冲击韧性、可焊性、抗锈蚀性等，在高温时使钢材变脆，即热脆。因此，钢材中硫的含量不得超过0.05%，在焊接结构中不超过0.045%。磷磷(P) 磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷是碳素钢中的杂质，它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。磷还能降低钢的塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性。但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。经过合适的冶金工艺也能作为合金元素。氧氧(O)、氮

31、、氮(N) 氧和氮也是有害杂质，在金属熔化的状态下可以从空气中进入。氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈，氮能使钢冷脆，与磷相似。2.4.2 2.4.2 成材过程的影响成材过程的影响 冶炼与浇铸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。1冶炼 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。平炉炼钢由于生产效率低，碱性侧吹转炉炼钢生产的钢材质量较差，目前基本已被淘汰。电炉炼钢炼成的

32、钢质量好。耗电量大，成本高。转炉炼钢是利用高压空气或氧气 氧气顶吹转炉冶炼的钢中有害元素和杂质少，生产周期短，效率高、质量好、成本低。 平炉炼钢平炉炼钢，平炉的原料广泛，容，平炉的原料广泛，容积大，产量高，冶炼工艺简单，积大，产量高，冶炼工艺简单，化学成分易于控制，炼出的钢质化学成分易于控制，炼出的钢质量优良。量优良。平炉钢周期长，效率低，成本高平炉钢周期长，效率低，成本高2.4.2 2.4.2 成材过程的影响成材过程的影响 2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。钢材

33、的浇铸和脱氧钢材的浇铸和脱氧 按脱氧的方法和程度的不同，碳素结构钢可分为按脱氧的方法和程度的不同，碳素结构钢可分为 沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢4 4类类。 沸腾钢沸腾钢采用脱氧能力较弱采用脱氧能力较弱锰锰作脱氧剂，脱氧不完全。钢作脱氧剂，脱氧不完全。钢中留有较多氧化铁夹杂和气孔。质量较差。中留有较多氧化铁夹杂和气孔。质量较差。 镇静钢镇静钢采用采用锰加硅锰加硅作脱氧剂，脱氧较完全，硅在还原氧作脱氧剂，脱氧较完全，硅在还原氧化铁过程中还会产生热量，使钢锭冷却缓慢，使气体充分逸化铁过程中还会产生热量，使钢锭冷却缓慢，使气体充分逸出，浇注时不出现沸腾现象

34、。质量好，成本高。出，浇注时不出现沸腾现象。质量好，成本高。 半镇静钢半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间。的脱氧程度介于上述二者之间。 特殊镇静钢特殊镇静钢是在锰硅脱氧后，是在锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧再用铝补充脱氧，脱氧程，脱氧程度高于镇静钢。度高于镇静钢。 常见的冶金缺陷偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹及分层等。偏析 钢中化学成分不一致和不均匀性，特别是硫、磷偏析严重恶化钢材的性能。非金属夹杂 钢中含有硫化物与氧化物等杂质。气孔 浇注钢锭时，由氧化铁与碳作用所生成的一氧化碳气体不能充分逸出而形成的。分层 浇注时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层，会严重降低钢材的冷弯性能。 冶金缺陷对钢材性

35、能的影响，不仅在结构或构件受力工作时表现出来，有时在加工制作过程中也可表现出来。2.4.2 2.4.2 成材过程的影响成材过程的影响 3轧制 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。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，所以分层是钢材分层是钢材(尤其是厚板尤其是厚板)的一种缺陷的一种缺陷。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。 钢中的硫化物和氧化物等非钢中的硫化物和氧化物等非金属夹杂，经轧制之后被压成薄金属夹杂，经轧制之后被压成薄片，会出现分层现象。使钢板沿片，会出现分层现象。使钢板沿厚度方向受

36、拉的性能恶化厚度方向受拉的性能恶化 钢材沿轧制方向（纵向）钢材沿轧制方向（纵向）的性能优于垂直轧制方向（横的性能优于垂直轧制方向（横向）的性能，使各向异性增大向）的性能，使各向异性增大。钢板部件应沿其横向切取试件钢板部件应沿其横向切取试件进行拉伸和冷弯试验。进行拉伸和冷弯试验。2.4.2 2.4.2 成材过程的影响成材过程的影响 4热处理热处理 热处理的目的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。正火正火属于最简单的热处理：把钢材加热至850900 oC，并保持一段时间后在空气中自然冷却，即为正火。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

37、。淬火是把钢材加热至 900C以上，保温一段时间，然后放入水或油中快速冷却，得到高硬度、高强度。增加了钢材强度和硬度，使塑性和韧性降低回火处理是将淬火钢重新加热至相变临界点以下的预定温度，并保温一段时间，然后在空气中自然冷却。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。调质处理可以让钢材获得强度、塑性和韧性都较好的综合性能。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。2.4.3 2.4.3 钢材硬化的影响钢材硬化的影响1.冷作硬化冷作硬化 在冷加工使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸荷后再重

38、新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象称为冷作硬化 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，钢材重新加载时将提高屈服点，同时降低塑性和韧性。由于减小了塑性和韧性性能，使钢材变脆，增加了钢材脆性破坏的危险性，所以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。 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。由于冷成型操作，实际构件截面上各点的屈服点和抗拉强度几乎都有不同百分比的提高。由于这个原因，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。

39、 在高温时溶于铁中的少量氮和碳，随着时间的增长逐渐由固溶体中析出，生成氮化物和碳化物，散存在铁素体晶粒的滑动界面上，对晶粒的塑性滑移起到遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性和韧性下降。这种现象称为时效硬化钢材的硬化钢材的硬化2.时效硬化时效硬化时效过程长在塑性变形后对钢材加热到200300 C，使时效在几小时内完成，称为人工时效。冷作硬化(或应变硬化) 冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大塑性变形，从而提高钢的屈服点，同时降低钢的塑性和韧性。时效硬化（俗称老化）高温时熔化于铁中的氮和碳，随着时间的增长逐渐从纯铁中析出，形成自由碳化物和氮化物，对纯铁体的塑性变形起遏制作用，从而使钢材

40、的强度提高，塑性、韧性下降。人工时效 时效硬化的过程一般很长，但如在材料塑性变形后加热，可使时效硬化发展特别迅速。 应变时效 应变硬化(冷作硬化)后又加时效硬化。 一般钢结构中，不利用硬化提高的强度，有些重要结构要求对钢材进行人工时效后检验其冲击韧性，以保证足够的抗脆性破坏能力。另外，应将局部硬化部分用刨边或扩钻予以消除。2.4.4 温度的影响 钢材对温度相当敏感，温度升高与降低都使钢材性能发生变化。相比之下，低温性能更重要。 正温范围正温范围总的趋势是随着温度的升高，钢材强度降低，变形增大。约在200oC以内钢材性能没有很大变化，430-540oC之间则强度(fy与fu)急剧下降；到600o

41、C时强度很低不能承担荷载。此外，250oC附近有兰脆现象，约260-320oC时有徐变现象。兰脆现象兰脆现象指温度在250oC左右的区间内，fu有局部性提高，fy也有回升现象，同时塑性有所降低，材料有转脆倾向。在兰脆区进行热加工，可能引起裂纹。 徐徐变现象变现象指在应力持续不变的情况下钢材以很缓慢的速度继续变形的现象。设计时以规定150oC为适宜，超过之后结构表面即需加设隔热保护层。高温对钢材性能的影响高温对钢材性能的影响负温范围负温范围fy与与fu都增高但塑性变形能力减小，冲击韧都增高但塑性变形能力减小，冲击韧性降低，因而材料转脆性降低，因而材料转脆，对冲击韧性的影响十分突出。对冲击韧性的影

42、响十分突出。随着温度的降低，Cv值迅速下降，材料将由塑性破坏转变为脆性破坏，同时可见这一转变是在一个温度区间T1T2内完成的，此温度区称为钢材的脆性转变温度区。转变温度区内曲线的反弯点(最陡点)所对应的温度T0称为转变温度。如果把低于T0完全脆性破坏的最高温度T1作为钢材的脆断设计温度即可保证钢结构低温工作的安全。当截面有裂纹当截面有裂纹(内部的或表面的内部的或表面的)、孔洞、刻槽、凹角时以及截面厚、孔洞、刻槽、凹角时以及截面厚度或宽度突然改变时度或宽度突然改变时构件中应力分布变得不均匀。构件中应力分布变得不均匀。在缺陷或截面变化处附近，应力线在缺陷或截面变化处附近，应力线曲折、密集、出现高峰

43、应力的现象曲折、密集、出现高峰应力的现象称为称为应力集中应力集中。当数值相等三向拉应力时，直当数值相等三向拉应力时，直到材料断裂也不屈服。到材料断裂也不屈服。三向拉应力状态容易脆性破坏三向拉应力状态容易脆性破坏 由力学知识知道，三向同号应力且各应力数值接近时，材料不易屈服。当为数值相等三向拉应力时，直到材料断裂也不屈服。没有塑性变形的断裂是脆性断裂。所以，三向应力的应力状态，使材料沿力作用方向塑性变形的发展受到很大约束，材料容易脆性破坏。因此，对于厚钢材应该要求更高的韧性。孔洞、缺口处的应力集中孔洞、缺口处的应力集中静载、常温 可不考虑应力集中的影响。动载、负温 应力集中的影响十分突出，引起脆

44、性破坏，故在设计中应采取措施避免或减小应力集中，并选用质量优良的钢材。 残余应力是钢材在热轧、气割、焊接的加热和冷却过程中产生的，在先冷却部分常形成压应力，而后冷却部分则形成拉应力。残余应力对构件的刚度和稳定性都有降低。以上介绍了各种因素对建筑钢材基本性能的影响，研究和分析这些影响的最终目的是了解建筑钢材在什么条件下可能发生脆性破坏，从而采取措施予以防止。一般需要在设计、制造及使用中注意： (1) 合理的设计 构造力求合理，均匀、连续地传递应力，避免构件截面剧烈变化。低温，动力荷载作用时应选择合适的钢材，使所用钢材脆性转变温度低于结构的工作温度。 (2) 正确的制造 严格遵守设计的技术要求，如

45、尽量避免使材料出现应变硬化，正确地选择焊接工艺，保证焊接质量。 (3) 正确的使用 如不在主要结构上任意焊接附加的零件，不任意悬挂重物。单向拉伸 应力达到屈服点时，钢材即进入塑性状态。复杂应力状态 如双向或三向应力作用下，钢材由弹性状态转入塑性状态的条件是按能量强度理论计算的折算应力与单向应力下的屈服点比较来判断： 当 时，为弹性状态； 时为塑性状态。 yfeqyfeqyeqf21323222121对塑性材料，同号应力状态易发生脆断，钢材在异号应对塑性材料，同号应力状态易发生脆断，钢材在异号应力状态时容易发生塑性破坏。力状态时容易发生塑性破坏。正应力与剪应力表示：正应力与剪应力表示：22222

46、23xzyzxyzxzyyxzyxeqfy单轴拉伸单轴拉伸双轴异号受力双轴异号受力双轴同号受力双轴同号受力当当1、2、3为同号应力为同号应力且数值接近时，且数值接近时，即使它们各自都远大于即使它们各自都远大于fy，折算应力折算应力eq仍小于仍小于fy说明钢材很难进入塑性说明钢材很难进入塑性状态状态破坏表现为脆性破坏表现为脆性在实腹梁的腹板中：在实腹梁的腹板中：yzf223当纯剪时：当纯剪时：yzf23yyvyfff58. 03 钢材的抗剪设计强度为：钢材的抗剪设计强度为：yvff58. 0平面应力状态下平面应力状态下yxyyxyxzf2223钢材料在循环荷载作用下，当循环数达到某一定值时，钢材

47、料在循环荷载作用下，当循环数达到某一定值时，钢材发生破坏的现象叫做钢材的疲劳；疲劳属于脆性破坏。钢材发生破坏的现象叫做钢材的疲劳；疲劳属于脆性破坏。内部缺陷内部缺陷-应力集中应力集中-产生微裂纹产生微裂纹-微裂纹在循环微裂纹在循环荷载下扩展荷载下扩展-截面削弱截面削弱-宏观裂纹失稳扩展宏观裂纹失稳扩展-断裂断裂引起疲劳破坏的交变荷载有两种类型引起疲劳破坏的交变荷载有两种类型常幅交变荷载常幅交变荷载常幅疲劳常幅疲劳变幅交变荷载变幅交变荷载变幅疲劳变幅疲劳转动的机械零件转动的机械零件常幅疲劳破坏，常幅疲劳破坏，吊车桥、钢桥吊车桥、钢桥变幅疲劳破坏。变幅疲劳破坏。特征特征a突然性突然性b疲劳破坏的断

48、口与一般脆性断口不同，三个区域：疲劳破坏的断口与一般脆性断口不同，三个区域：裂纹源、裂纹扩展区和断裂区。扩展区表面较光滑，裂纹源、裂纹扩展区和断裂区。扩展区表面较光滑，可见放射和年轮状花纹，是疲劳断裂的主要断口特可见放射和年轮状花纹，是疲劳断裂的主要断口特征。征。c疲劳对缺陷敏感。疲劳对缺陷敏感。缺口缺口裂纹裂纹组织缺陷组织缺陷 疲劳破坏的构件断口上面一部分呈现半椭圆形光滑区，其余部分则为粗糙区。 断口示意断口示意1光滑区；光滑区；2粗糙区粗糙区 出现疲劳断裂时，截面上的应力低于材料的抗拉强度，甚至低于屈服强度。同时，疲劳破坏属于脆性破坏，塑性变形极小，因此是一种没有明显变形的突然破坏，危险性

49、较大。应力幅 应力谱中最大应力与最小应力之差，即 ， 为每次应力循环中的最大拉应力(取正值)， 为每次应力循环中的最小拉应力(取正值)或压应力(取负值)。 常幅疲劳 应力幅保持常量。应力比 为绝对值最小与最大应力之比(拉应力取正值，压应力取负值) ，表示应力循环特征。 -l，为完全对称循环； 0，称为脉冲循环； 在0与-1之间，称为不完全对称循环。 minmaxmaxmin1、 基本概念 t异号应力循环,0t同号应力循环, 0maxminmaxmin2minmaxm平均应力：平均应力：应力比：应力比：maxmin应力辐：应力辐：minmax循环应力和变幅应力循环应力和变幅应力2 影响疲劳强度的

50、主要因素：1）应力集中的影响）应力集中的影响有无缺陷、缺陷的尺寸，有无残余应力。有无缺陷、缺陷的尺寸，有无残余应力。3）应力幅的影响）应力幅的影响minmax2）应力比的影响）应力比的影响maxmin疲劳强度最小时,1C时，称常幅循环时，称常幅循环4）应力循环次数的影响）应力循环次数的影响一般取一般取的的值作为疲劳极限强度。值作为疲劳极限强度。6105nmax根据试验数据画出应力幅与相应的致损循环次数N的关系曲线，按试验数据回归的曲线为平均值曲线。为便于工作，常用双对数坐标轴的方法使曲线改为直线。在双对数坐标图中，疲劳直线方程为： lglglgCn可求得容许应力幅的表达式可求得容许应力幅的表达

51、式C、均为不同构件和连接类别的试验参数。均为不同构件和连接类别的试验参数。1nC循环次数循环次数n应应力力幅幅1234疲劳极限疲劳极限新规范给出的疲劳曲线新规范给出的疲劳曲线(n)图图2.常幅疲劳验算常幅疲劳验算1.对不同的构件和连接类型对不同的构件和连接类型归纳划分为归纳划分为8类类2.对于非焊接结构，对于非焊接结构，使用螺栓连接和构件，残余拉应力很小，疲劳寿命不使用螺栓连接和构件，残余拉应力很小，疲劳寿命不仅与应力幅仅与应力幅有关，也与名义应力比有关，也与名义应力比有关有关3.折算应力幅折算应力幅0minmaxpkminmax7 . 0容许应力设计法容许应力设计法 永久荷载所产生的应力为不

52、变值，没有应力幅。应力幅只由重复作用的可变荷载产生，所以疲劳验疲劳验算按可变荷载标准值进行。荷载计算中不乘以吊车算按可变荷载标准值进行。荷载计算中不乘以吊车动力系数动力系数，试验包括动力作用。试验包括动力作用。焊接部位： 非焊接部位：折算应力幅 minmax7 . 0minmax进行疲劳强度计算时，注意：(1)对直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件， 当应力循环次数 次时才需进行疲劳验算。 (2)容许应力幅法，荷载采用标准值，不考虑荷载分项系数和动力系数，应力按弹性工作计算。 (3)应力幅概念，不论应力循环是拉应力还是压应力，只要应力幅超过容许值就产生疲劳裂纹。但在完全压应力(不出现拉应力)循

53、环中，裂纹不会继续发展，故此种情况可不予验算。 4105n化学成分：碳素钢和合金钢。用途分类：结构钢、工具钢和特殊用途钢(如不锈钢等)。 结构钢：建筑用钢、机械用钢。冶炼方法：转炉钢、平炉钢。转炉钢 采用氧气顶吹转炉钢，碱性侧吹(空气)转炉钢所含杂质多，使钢易脆，质量很低，已取消这种钢的使用。平炉钢 质量好，冶炼时间长，成本高。氧气转炉钢质量与平炉钢相当而成本则较低。脱氧方法：沸腾钢(F)、半镇静钢(b)、镇静钢(Z)和特殊镇静钢(TZ)，镇静钢和特殊镇静钢的代号可以省去镇静钢 脱氧充分，沸腾钢脱氧较差，半镇静钢介于镇静钢和沸腾钢之间。一般采用镇静钢。建筑工程中采用普通碳素结构钢、低合金高强度

54、结构钢和优质碳素结构钢。1、普通碳素结构钢、普通碳素结构钢 按国家标准碳素结构钢GB/T700生产的钢材有Q195、Q215、Q235、 Q255和Q275种品牌。 按质量等级分为A、B、C、D四级。A级钢只保证抗拉强度、屈服点、伸长率，必要时尚可附加冷弯试验的要求。B、C、D钢均保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击韧性（分别为20，0，20)等力学性能。钢的牌号表示方法 屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号(A、B、C、D)、脱氧方法符号（F、Z、TZ）等四个部分按顺序组成。A、B级钢分沸腾钢、镇静钢C级钢全为镇静钢D级钢全为特殊镇静钢举例：Q235AF，Q235B牌号较高的碳素结构

55、钢含碳量较高，强度、硬度高，但塑性差。Q235含碳量在0.22以下，强度适中，塑性、韧性均较好2、优质碳素结构钢与碳素结构钢的区别在于钢中含杂质元素较少，磷、硫等有害元素含量均不大于0.035，其它缺陷限制也较严格l 一类为普通含锰量的钢l 一类为较高含锰量的钢l 两类的钢号均用两位数字表示，它表示钢中的平均含碳量的万分数，前者数字后不加Mn，后者数字后加Mnl45号钢，表示平均含碳量为0.45的优质碳素钢； l 45Mn号钢，表示同样含碳量、但锰的含量也较高的优质碳素钢。3、低合金高强度结构钢含碳量均不大于0.20，合金元素的总量低于5，故称为低合金高强度钢。按国家标准低合金高强度结构钢GB

56、/T1591生产的钢材共有Q295、Q345、Q390、Q420和Q460Q345、Q390和Q420均按化学成分和冲击韧性划分为A、B、C、D、E共5个质量等级，A、B级为镇静钢，C、D、E级为特殊镇静钢，故可不加脱氧方法的符号。钢的牌号如：Q345-B、Q390-C等等。A级无冲击功要求；B级要求提供20 冲击功；C级要求提供0冲击功；D级要求提供-20冲击功； E级要求提供-40冲击功。4、耐大气腐蚀用钢（耐候钢）牌号：屈服点：Q屈服点数值耐候：NH钢材质量等级：C、D、E5、桥梁用结构钢牌号：屈服点字母Q、屈服点数值、桥梁钢的字母q、钢材的质量等级 防止钢材的层状撕裂而采用Z向钢，高层建筑结构用钢板，高强钢丝和钢索材料1、钢材选用原则钢材选用原则目的：安全可靠、经济合理。选择钢材时考虑的因素有： (1)结构的类型和重要程度 按规定的安全等级，一级(重要的)、二级(一般的)和三级(次要的)。安全等级不同，要求的钢材质量也应不同。对重要结构，应考虑选用质量好的钢材，对一般工业与民用建筑结