单元二项目一材料

单元二项目一材料钢结构的材料MaterialofSteelStructure???

回顾1.钢材比混凝土容重大，但为什么说钢结构比混凝土结构自重轻？结构自重轻会带来哪些好处？2.钢结构和其他结构相比有哪些优缺点？3.试举例说明钢结构的哪些应用，分别由什么特点决定？4.计算钢构件强度、连接强度以及构件稳定性时，应采用荷载设计值还是标准值？计算变形呢？2.掌握结构用钢材的主要性能及其机械性能指标；3.掌握影响钢材性能的主要因素特别是导致钢材变脆的主要因素；4.熟悉结构用钢材的种类、牌号、规格；5.理解钢材选择的依据，做到正确选择钢材；6.掌握钢材疲劳的概念和机理。

1.了解钢结构的两种破坏形式；教学要求:§2.1钢结构对材料的要求（1）较高的抗拉强度fu和屈服点fy；（2）足够的变形能力——良好塑性和韧性（3）良好的加工性能——适应冷、热加工，可焊性好（4）对环境的良好适应性——耐腐蚀、耐火、耐疲劳

钢结构的材料关系到钢结构的计算理论，同时对钢结构的制造、安装、使用、造价、安全等均有直接联系。本章简要介绍钢材的生产过程和组织构成，重点介绍钢材的主要性能以及各种因素对钢材性能的影响；钢材的种类、规格及选择原则。强度——材料抵抗外力作用时不致破坏的能力。§2.2钢材的生产钢材的生产大致分为炼铁、炼钢和轧制三道工序。电炉钢是利用电热原理，在电弧炉内冶炼。（质量好，但耗电量大，成本高，一般只用来冶炼特种用途的钢材。）

炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。转炉钢是利用高压空气或氧气使炉内生铁熔液的碳和其它杂物氧化，在高温下使铁液变为钢液。（生产周期短，效率高，质量好，成本低，已经成为国内外发展最快的炼钢方法。）平炉钢是利用煤气和其它燃料供应热能，把废钢、生铁熔液或铸铁块和不同的合金元素等冶炼成各种用途的钢。（生产周期长，效率低，成本高，现已逐步被转炉钢所取代。）（1）炼钢

浇注是指把熔炼好的钢液做成钢锭或钢坯。用连续铸造法生产钢坯的工艺和设备，由于机械化、自动化程度高的优势，已经逐渐取代了笨重而复杂的铸锭工艺和设备。

钢液从出炉到浇筑的过程中，会析出氧气并生成氧化铁。钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不均匀并发生热脆，降低钢材的力学性能。按照钢液在炼钢炉中进行脱氧的方法和程度不同，碳素结构钢可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。

（2）浇注（3）脱氧2022/12/232022/12/23（4）加工（热加工、冷加工和热处理）

热处理

指通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢材的组织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺。（退火、正火、淬火和回火）

热加工

指将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状，生产出各种厚度的钢板和型钢。（热加工的开轧和锻压温度控制在1150-1300℃）

冷加工

指在常温下对钢材进行加工。（冷作硬化现象）

2022/12/232022/12/23剪板自动钢板切割钻孔2022/12/232022/12/232022/12/23§2.3钢材的主要性能

钢材的破坏形式

单向拉伸时的工作性能

钢材的其它性能

在复杂应力作用下钢材的屈服条件2022/12/232.3.1钢材的破坏形式特征断口后果

塑性破坏（延性破坏）构件产生明显的变形并断裂。常为杯形，呈纤维状，色泽发暗。在破坏前有很明显的变形，及较长的变形持续时间，便于发现和补救。

脆性破坏破坏前无明显变形和预兆。平直和呈有光泽的晶粒。突然发生的，危险性大，应尽量避免。2022/12/232.3.2单向拉伸时的工作性能

（1）试验条件（a）试件的尺寸要符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽等缺陷。试件的标定长度取其直径的5或10倍。（b）荷载要分级逐次增加，直到试件破坏。（c）试验温度要控制在室温20℃左右。

2022/12/23应力应变曲线低碳钢拉伸试验

（2）钢材的应力-应变关系

A.有屈服点钢材s---e曲线可以分为五个阶段：(a)弹性阶段(OB’段)弹性阶段(OB段)OB’BCAD单调拉伸应力-应变曲线OA段：纯弹性阶段

s=EeA点：sp（比例极限）AB’段：有一定的塑性变形,但整个OB’段卸载后变形消失,e=0B’点：se（弹性极限）屈服阶段（BC)强化阶段(CD段)颈缩阶段(DE段)E由于比例极限与弹性极限极为接近，故通常略去弹性极限的点，把σp看作弹性极限。（b）弹塑性阶段（AB)塑性变形：卸载后试件不能完全恢复原来的长度。不能恢复的这一部分变形称为塑性变形或永久变形。

B点：屈服点fy（屈服强度）：屈服阶段曲线波动部分的最低值。弹性模量：由A点处的E=2.06×105MPa逐渐下降，至B点趋于0。

特点：应力与应变进入非线性的弹塑性阶段，不再成正比关系，应变不再保持直线变化而呈曲线关系。OB’BCAD2022/12/23E塑性变形或永久变形屈服上限屈服下限（c）屈服阶段（BC)B点：屈服点fy（屈服强度）：屈服阶段曲线波动部分的最低值。流幅/台阶：从屈服阶段的开始到曲线再度上升的应变幅度称为流幅。

特点：应力与应变进入非线性的弹塑性阶段，不再成正比关系，应变增加很快，应力-应变曲线呈锯齿形波动，出现应力不增加而应变仍然在继续发展。OB’BCAD2022/12/23E（d）应变硬化（强化）阶段(CD段)钢材内部晶粒重新排列，恢复承载能力，随荷载的增加σ缓慢增大,但ε增加较快，最终应力达到最高点D——抗拉强度（极限强度）fu

试件所能承受的最大拉应力（e）颈缩阶段(DE段)OB’BCAD截面出现了横向收缩，截面面积开始显著缩小，塑性变形迅速增大，应力不断降低，变形却延续发展，直至E点试件断裂。E2022/12/23B.对无明显屈服点的钢材

fy=f0.20.2%fuεp

无屈服点钢材的应力-应变曲线没有明显屈服点的钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变形小，破坏突然。

2022/12/23设计时以卸载后试件中残余应变为0.2％所对应的应力作为屈服点——“条件屈服点”或“名义屈服点”(4)应力应变曲线的简化曲线简化的依据：1）钢材在屈服点之前的性质接近理想的弹性体。2）从开始屈服到破坏，塑性区变形范围很大（e≈0.15％-2.5％）已足够用来考虑结构或构件的塑性变形的发展。ε2.5%

fy

ε0

0.15%ε

简化的应力－应变曲线2022/12/23约为弹性变形区的200倍（3）单向拉伸时钢材的机械性能指标(3项力学指标fy、fu、δ)

（1）屈服点fy--应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力，它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。（2）抗拉强度fu--应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材最大的抗拉强度。（3）伸长率δ

试件断裂前的永久变形与原标定长度的百比。

l0—

原标距长

l1

—拉断后标距长度

d0

—试件直径试件有两种标距：l0/d0=5

和l0/d0=10

相应的伸长率用δ5和δ10表示。实际工程中以伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形能力。2022/12/23（4）断面收缩率是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比。

式中：

A0

——试件原来的断面面积

A1

——试件拉断后颈缩区的断面面积

断面收缩率越大，钢材的塑性越好。由于在测量试件的断面面积时容易产生较大的误差，因而钢材塑性指标仍然采用伸长率作为保证要求。A0A12022/12/23

2.3.3钢材的其它性能

冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标。1.冷弯性能钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力。鉴别指标：当试件弯曲至180°时，试件表面和侧面，无裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。

2022/12/23动画2.冲击韧性韧性反映钢材抵抗冲击荷载、动力荷载的能力，是钢材在变形和断裂中吸收能量的度量。衡量韧性指标用冲击韧性值表示，也叫冲击功，用符号Akv表示，单位为J。Akv值越高，韧性越好。冲击韧性试验一般采用试件长55mm，截面10×10mm2，中间一小槽。在摆锤式冲击试验机上进行试验，冲断试件后，读出摆锤消耗的功。冲击韧性试验冲击韧性还与试验的温度有关。我国钢材标准中将试验分为四档，即+20℃,0℃，-20℃和-40℃时的冲击韧性。温度越低，冲击韧性越低。2022/12/233.可焊性

好的可焊性是指焊接安全、可靠、不发生焊接裂缝，焊接接头和焊缝的力学性能不低于母材力学性能。

影响钢材可焊性的因素

钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在0.12%～0.20%范围内的碳素钢，可焊性最好（如Q235B）。对于高强度低合金钢中，低合金元素大多对可焊性有不利影响，我国行业标准JGJ81-2002《建筑钢结构焊接技术规程》推荐使用碳当量来衡量低合金钢的可焊性。当碳当量小于0.38%，钢材的可焊性好(如Q235.Q345)，可不采取措施直接施焊。

2022/12/23钢材的机械性能指标1、屈服点fy2、抗拉强度fu3、伸长率δ4、断面收缩率5、冷弯性能6、冲击韧性Akv

小结2022/12/23§2.4.各种因素对钢材的影响1、化学成份的影响2、冶金缺陷的影响3、钢材硬化的影响5、应力集中的影响7、温度的影响8、重复荷载作用的影响（疲劳）2022/12/234、复杂应力的影响

6、残余应力的影响2.4.1化学成份的影响钢材的化学成分直接影响钢的组织构造，从而影响钢材的力学性能。纯铁Fe（占99％）碳C↑→变脆（强度↑，塑性、韧性、可焊性，抗腐蚀性↓）其它主要元素硫S→热脆、韧性、疲劳强度、抗锈蚀性、可焊性↓磷（P）→强度、抗锈蚀能力↑塑性、韧性、冷弯性能、可焊性↓，冷脆，低温工作性能差。氧O影响同硫氮（N）影响同磷硅Si↑适量→强度↑，塑性、韧性、冷弯性能、可焊性变化不大锰Mn↑→强度↑消除热脆，改善冷脆，塑性韧性降低不显著钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)等适量→强度、韧性↑、塑性良好钢有益元素有害元素2022/12/23铁（Fe）是钢材的基本元素，普通碳素钢中占99%，此外还有碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）等有益元素，及硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等有害元素，这些总含量不大，约1%，但对钢材力学性能却有很大影响。低合金钢中有＜5%的合金元素，如铜(Cu)、钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)、铬(Cr)等。

2022/12/231.碳（C）：钢材强度的主要来源，随其含量增加，强度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。一般控制在0.22%以下，在0.2％以下时，可焊性良好。

2.硫（S）：有害元素，热脆性。不得超过0.05%。

3.磷（P）：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。不得超过0.045%。

4.锰（Mn）：合金元素。弱脱氧剂。与S形成MnS，熔点1600℃，可以消除一部分S的有害作用。5.硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。6.钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。7.氧（O）：有害杂质，与S相似。8.氮（N）：有害杂质，与P相似。9.铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。2.4.2冶金缺陷的影响

1.偏析金属结晶后化学成分分布不均匀的现象。后果是偏析区钢材的塑性、韧性、可焊性变坏。

3.裂纹钢材中存在的微观裂纹。

2.非金属夹杂指钢材中的非金属化合物，如硫化物、氧化物，他们使钢材性能变脆。4.气泡浇铸时由FeO和C作用所生成的CO气体不能充分逸出而滞留在钢锭那形成的微小空洞。5.分层浇铸时的非金属夹杂在轧制后可能造成钢材的分层。2022/12/23脱氧方法用锰、硅、铝作为脱氧剂进行脱氧（deoxidize）.它们之间的脱氧能力比为锰:硅:铝=1:5:90。按脱氧程度或方法不同而分为沸腾钢(F)、镇定钢(Z)、半镇定钢(b)和特殊镇定钢(TZ)。沸腾钢组织不够致密，成分不太均匀，硫、磷等杂质偏析较严重，故质量较差。但因其成本低、产量高，故被广泛用于一般工程。镇静钢成本较高，但其组织致密，成分均匀，含硫量较少，性能稳定，故质量好。适用于预应力混凝土等重要结构工程。半镇静钢质量较好。特殊镇静钢质量最好，适用于特别重要的结构工程。时效硬化——随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象，即强度提高，塑性降低。冷作硬化——钢材受荷超过弹性范围以后，若重复地卸载、加载，将使钢材弹性极限提高，塑性降低的现象。也称“应变硬化”。应变时效硬化——钢材产生塑性变形时，C、N化合物更易析出，即冷作硬化的同时将钢材加热可加速时效硬化，即结合了应变硬化和时效硬化，因此也称“人工时效”。2.4.3钢材的硬化

硬化对钢材性能的影响a)时效硬化及冷作硬化b)应变时效硬化2022/12/23卸载加载卸载加载冷作及时效前钢材在单向拉伸时，以屈服点为临界点，作为由弹性工作状态转入塑性工作状态的标志。实际钢结构中，钢材常是在两向或三向的复杂应力状态下工作，这时钢材的屈服并不取决于某一个方向的应力，而是由反映各方向应力综合影响的相当应力（也称折算应力）来表示。

当σeq<fy时，钢材处于弹性阶段；

当σeq≥

fy时，钢材处于塑性阶段。

2.4.4复杂应力的影响根据强度理论，三维应力场的折算应力（equivalentstress）计算表达式为：实验表明，复杂应力对钢材性能的影响是：钢材受同号复杂应力作用时，强度提高，塑性降低，性能变脆；钢材受异号复杂应力作用时，强度降低，塑性增加。2.4.5应力集中的影响

应力集中现象2022/12/231.应力集中的概念

构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变时，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处有高峰应力—应力集中。不同槽口试件静力拉伸试验的应力——应变曲线

应力集中对σ-ε曲线关系的影响

可以看出截面槽口改变愈急剧，应力集中现象愈厉害，其抗拉强度愈高，但塑性愈差，破坏的脆性倾向愈大。1020300.425100ε%σ(N/mm2)①①②②③③④④φ10测距100φ10φ1006007005004003002001002022/12/233.减小应力集中现象的措施

<1:2.5

由于钢材具有良好的塑性性能，当承受静力荷载且在常温下工作时，只要符合规范规定的设计要求，可以不考虑应力集中的影响。2.4.6残余应力的影响

残余应力是钢材在热轧、焊接时加热和冷却过程中产生的，先冷却的部分常形成压应力，而后冷却的部分则形成拉应力。钢材中的残余应力是自相平衡的，与外荷载无关，对构件的强度极限状态承载力没有影响力，但能降低构件的刚度和稳定性。对钢材进行“退火”热处理，在一定程度上可以消除一些残余应力。压应力拉应力

1．正温范围

200℃以内对钢材性能无大影响，该范围内随温度升高总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大。220210200190180170160Ex1038006004002000N/mm2Efuδfy200400600温度对钢材机械性能的影响20406080δ%T(0C)2.4.7温度的影响250蓝脆现象E趋于零，承载能力几乎完全丧失

当温度低于常温时，钢材的脆性倾向随温度降低而增加，材料强度略有提高，但其塑性和韧性降低，该现象称为低温冷脆。

2．负温范围脆性破坏转变过渡区段塑性破坏反弯点试验温度T0C冲击断裂功CvT1T2T0冲击韧性与温度的关系曲线T0称为临界温度。界限温度T1和T2分别为脆性转变温度和全塑性转变温度。2.4.8荷载类型的影响2022/12/23一）、概念1、循环荷载——结构或构件承受的随时间变化的荷载。2、疲劳破坏——在循环荷载（连续反复荷载）作用下，经过有限次循环，结构或构件在低于抗拉强度，甚至低于屈服强度的应力状态下断裂的现象，称之为疲劳。3.疲劳破坏的机理

疲劳破坏是积累损伤的结果。缺陷→微观裂纹→宏观裂纹。4.疲劳破坏的特征属于脆性破坏，截面平均应力小于屈服点。2.4.9防止脆性断裂的方法外因钢材在构造和加工工程中引起的应力集中、低温影响、重复荷载的作用、冷作硬化和应变时效硬化等。内因钢材的化学成分、组织构造和缺陷等影响钢材出现脆性破坏的因素2022/12/23(1）合理的选用钢材;(2）对于低温工作和受动力荷载的钢结构，应使所选钢材的脆性转变温度低于结构的工作温度;(3)尽量使用较薄的型钢和板材，使其具有良好的冲击韧性;(4）设计时结构的构造要合理，避免构件截面的突然改变，使之能均匀、连续的传递应力，从而减小构件的应力集中。合理设计2.6建筑用钢种类、规格和选用2.6.1建筑用钢的种类品种特点碳素结构钢用于结构的普通低碳钢低合金高强度结构钢普通低碳钢+若干种合金元素（锰、钒等，总量<5%）优质碳素结构钢有害元素少的碳素钢+热处理钢索钢丝、平行钢丝索、钢绞线钢丝绳等2022/12/23钢的种类2022/12/23（1）碳素结构钢（GB/T700-1988）Q275Q215Q255Q235规范推荐提供fy、fu、保证以及冲击韧性、冷弯试验指标化学成分C、Mn、Si、S、P保证供货含碳量、强度↑塑性↓特点Q195牌号

碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点的数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四部分按顺序组成。2022/12/23可省略2022/12/23（最差）（最优）Q235-C代表的意义？（2）低合金高强度结构钢(GB/T1591-1994)Q460Q345规范推荐Q420规范推荐Q390规范推荐提供fy、fu、保证以及冲击韧性、冷弯试验指标化学成分C、Mn、Si、S、P、V、Ti保证供货含碳量、强度↑特点Q295牌号塑性↓

低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点的数值、质量等级符号等三部分按顺序组成。2022/12/233904202022/12/232.6.2钢材的规格（1）热轧钢板a)分为厚钢板、薄钢板和扁钢。b)表示方法：在符号“-”后加“宽度×厚度×长度”

c)供应规格（单位：mm）

厚度宽度长度厚钢板4-60600-30004000-12000薄钢板0.35-4500-1500500-4000扁钢4-6012-2003000-9000热轧钢板、钢带热轧型钢（焊接）冷弯薄壁型钢冷轧钢板、钢带2022/12/23（2）热轧型钢角钢工字钢槽钢H型钢T型钢钢管等边角钢不等边角钢角钢分类型号或表示方法最小规格最大规格长度等边角钢L边长×厚度L20×3L200×244000～19000不等边角钢L长边×短边×厚度L25×16×3L200×125×18角钢规格(单位mm)2022/12/23工字钢分类型号或表示方法单位cm最小规格最大规格长度(m)普通工字钢I高度I10I635～19轻型工字钢QI高度QI10QI70工字钢规格槽钢规格其它几何参数查P274附表3-3槽钢分类型号或表示方法单位cm最小规格最大规格长度(m)普通槽钢[高度[5[405～19轻型槽钢Q[高度Q[5Q[40其它几何参数查P275附表3-42022/12/23H型钢规格H型钢分类型号或表示方法单位mm最小规格最大规格长度(m)宽翼缘H型钢HW高×宽×腹板厚×翼缘厚HW100×100×6×8HW400×400×13×216～15中翼缘H型钢HM高×宽×腹板厚×翼缘厚HM150×100×6×9HW600×300×12×20窄翼缘H型钢HN高×宽×腹板厚×翼缘厚HN100×50×5×7HN700×300×13×24高频焊接H型钢H高×宽×腹板厚×翼缘厚H100×50×3×3H350×175×4.5×66～12其它几何参数查P276附表3-52022/12/23T型钢规格t钢管规格H型钢分类型号或表示方法单位mm最小规格最大规格长度(m)宽翼缘T型钢TW高×宽TW50×100HW200×4006～15中翼缘T型钢TM高×宽TM74×100HW300×300窄翼缘T型钢TN高×宽TN50×50HN350×200钢管分类型号或表示方法单位mm最小规格最大规格长度(m)热轧无缝钢管直径×壁厚32×2.5351×163～12电焊钢管（直焊缝、螺旋焊缝）直径×壁厚32×2152×5.5其它几何参数查P279附表3-62022/