第2章 建筑钢材及性能

钢结构设计课程第二章建筑钢材及其性能土木工程专业本科

CompanyLogo钢结构用材的要求钢材的主要性能影响钢材性能的因素**2建筑钢材及其性能**2.1钢结构用料的要求钢结构的钢材的性能：1、较高的强度：抗拉强度fu和屈服强度fy；2、足够的变形能力：较高的塑性和韧性；3、良好的工艺性能：冷加工、热加工和焊接性能；4、对环境的良好使用。钢结构规范：承重结构采用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；对焊接结构应具有碳含量的合格保证；焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证；对需要验算疲劳强度的结构用钢材，根据具体情况应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。2.1钢结构用料的要求破坏形式特征断口后果塑性破坏构件应力超过屈服点，并且达到抗拉极限强度后，构件产生明显的变形并断裂。断裂时断口与作用力方向呈45°，呈纤维状，色泽发暗在破坏前有很明显的变形，并有较长的变形持续时间，便于发现和补救。脆性破坏在破坏前无明显变形，平均应力也小（一般都小于屈服点），没有任何预兆。断口平直并呈有光泽的晶粒状。突然发生的，危险性大，应尽量避免。2.2钢材的破坏形式2.3钢材的主要性能

按GB将钢材加工成标准试件，在20℃的条件下做拉伸试验，缓慢加载，一次完成，得到应力变形曲线；含碳量为0.1%－0.3%标准试件：Lo/d=5或10；Lo--标距；d--直径OBCDAGH有明显屈服点钢材的σ-ε曲线2.3钢材的主要性能

可划分为以下五个阶段：

(1)弹性阶段(OB段)OA段材料处于纯弹性，即:AB段有一定的塑性变形,但整个OB段卸载时

ε=0弹性模量：E=2.06×105N/mm2其中，A点应力fp称为比例极限。2.3钢材的主要性能2.3钢材的主要性能(2)弹塑性阶段（BC段)

该段很短，表现出钢材的非弹性性质，即卸荷留下永久的残余变形。(3)塑性阶段（CD段)

该段σ基本保持不变（水平),ε急剧增大,称为屈服台阶。变形模量E=0。

该段应力最高点和最低点分别称为上屈服点和下屈服点，下屈服点比较稳定，设计中则以下屈服点为依据。2.3钢材的主要性能（4）强化阶段(DG段)当应力达到G点时，出现颈缩现象，至H点而断裂。随荷载的增加σ缓慢增大,但ε增加较快。曲线最高点处G点的应力fu称为抗拉强度或极限强度。（5）颈缩破坏阶段(GH段)2.3钢材的主要性能无明显屈服点的钢材高强度钢材在拉伸过程中没有明显的屈服台阶，塑性变形小，设计中不宜利用它的塑性。设计时取相当于残余变形为0.2%时所对应的应力作为屈服点—称为条件屈服点或名义屈服点fy=f0.20.2%fuεp2.3钢材的主要性能应力应变曲线的简化设计时将钢材简化为理想弹塑性体钢材在静载作用下：强度计算以fy为依据，fu为结构的安全储备。ε22.5%--3%fy

ε10.15%εσ2.3钢材的主要性能单向拉伸时钢材的机械性能指标（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。2.3钢材的主要性能伸长率当lo/d=5时，用δ5表示当l0/d=10时，用δ10表示（δ5＞δ10）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。钢材的塑性是指：当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。试件断裂时的绝对变形值与原标距长度的百分比，用δ表示。2.3钢材的主要性能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，用表示。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

2.3钢材的主要性能采用短试件l0/d=3，屈服点同单向拉伸时的屈服点。受压时的性能受剪时的性能抗剪强度可由折算应力计算公式得到：2.3钢材的主要性能冷弯性能

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鉴定合格指标：通过冷弯冲头加压，当试件弯曲至180°时，检察试件弯曲部分的外面、里面和侧面，如果没有裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。

焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材必须有冷弯性能的合格保证。冲击韧性冲击韧性——钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。韧性指标用冲击韧性值表示，冲击韧性也叫冲击功，用符号Wkv或Cv表示，单位为J。

冲击韧性由冲击韧性试验确定。2.3钢材的主要性能影响冲击韧性的因素：冲击韧性与试件刻槽有关，常用缺口形式为夏氏V型和梅氏U型，近年来，我国冲击试验已用夏氏V型代替梅氏U型。冲击韧性还与试验的温度有关。根据温度不同，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。2.3钢材的主要性能1.化学成分

2.冶金缺陷3.钢材硬化1.了解影响钢材性能的主要因素2.了解防止脆性断裂破坏的方法4.温度影响

5.应力集中6.荷载的影响2.4各种因素对钢材性能的影响化学成分

普通碳素钢中Fe占99%，C和其他元素仅占1%，但对钢材力学性能有着决定性的影响。普通低合金钢中，合金元素小于5%。

(1)碳（C）：钢材强度的主要来源，随其含量增加，强度增加，塑性、韧性和疲劳强度降低，同时恶化钢的焊接性能和抗腐蚀性。钢结构用钢中，碳含量一般控制在0.22%以下，当其含量在0.2％以下时，可焊性良好。2.4各种因素对钢材性能的影响含碳量对σ-ε关系的影响σ0%TC<0.1%C>0.3%2.4各种因素对钢材性能的影响

(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。

2.4各种因素对钢材性能的影响

(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（热脆）。(8)氮（N）：有害杂质，与P相似（冷脆）。(9)铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。

2.4各种因素对钢材性能的影响冶金缺陷常见的冶金缺陷有：偏析：钢中化学成分不一致和不均匀性称为偏析。主要是硫和磷的偏析，使钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。非金属夹杂：常见的夹杂物为硫化物和氧化物。硫化物使钢材在800～1200℃高温下变脆，氧化物会降低钢材的力学性能和工艺性能。气孔：浇注时由FeO与C作用所生成的CO气体不能充分逸出而留在钢锭内形成的。裂纹：钢材中已出现的局部破坏分层：指沿厚度方向形成层间并不相互脱离的分层。分层处易被锈蚀,且分层使钢材性能变差。2.4各种因素对钢材性能的影响钢材硬化

冷作硬化

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，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象。

时效硬化

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，使钢材的屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下降的现象。

应变时效硬化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，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象。2.4各种因素对钢材性能的影响硬化对钢材性能的影响σ0ε冷作硬化时效硬化冷作硬化后的塑性区243

1fyfpε冷加工及时效冷加工及时效后的塑性区fyσ02.4各种因素对钢材性能的影响

注意:不管哪一种硬化，都要降低钢材的塑性和韧性，对钢材不利。因此钢结构设计中一般不利用硬化后提高的强度，而且对于直接承受动荷载的结构还应设法消除硬化的影响。

eg:经过剪切机剪切的钢板，为了消除剪切边缘的冷作硬化，可采用火焰烧烤使之“退火”或将边缘刨去3～5mm。2.4各种因素对钢材性能的影响温度影响温度对钢材机械性能的影响8006004002000N/mm2Efuδfy20040060020406080δ%220210200190180170160Ex103N/mm2t(0C)2.4各种因素对钢材性能的影响正温范围

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。

250℃左右抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性增加—蓝脆现象，该温度区段称为“蓝脆区”。260～320℃产生徐变现象。600℃左右弹性模量趋于零，承载能力几乎完全丧失。2.4各种因素对钢材性能的影响当温度低于常温时，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。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2.4各种因素对钢材性能的影响应力集中应力集中的概念

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，形成所谓应力集中现象。

孔洞及槽孔处的应力集中现象yzσyσxσzxσxσyσ0σ011σxσyσ0σ0112.4各种因素对钢材性能的影响应力集中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，脆性破坏的倾向愈大。1020300.425100ε%σ(N/mm2)①①②②③③④④φ10测距100φ10φ100600700500400300200100应力集中对σ-ε曲线关系的影响2.4各种因素对钢材性能的影响荷载的影响加荷速度的影响

加荷速度过快，构件来不及变形，得到的屈服点也高，且呈脆性。特别在低温时对钢材性能的影响要比常温下大得多。因此，试验时需规定加载速度。循环荷载的影响

钢材在直接的连续反复的动力荷载作用下，损伤会逐渐累积，缺陷会发展成微观裂纹，继而发展到宏观裂纹，截面削弱到一定程度而突然破坏（这种现象叫疲劳破坏）。2.4各种因素对钢材性能的影响防止脆性断裂的方法

(1)合理选择钢材温度——冷脆转变温度低厚度——薄

(2)合理设计考虑材料的断裂韧性水平、最低工作温度、荷载特征、应力集中等因素后，再选择合理的结构型式，尤其是合理的构造细节十分重要。设计时应力求使缺陷引起的应力集中减少到最低限度，尽量保证结构的几何连续性和刚度的连贯性。2.4各种因素对钢材性能的影响

(3)合理制作和安装冷加工——栓孔钻、扩焊接——合理工艺、参数，减小焊接残余应力，如厚钢板，焊前预热，焊后保温安装——减小装配残余应力

(4)合理使用及维修措施——避免突然荷载2.4各种因素对钢材性能的影响疲劳破坏特征

1.概念

钢材在连续反复荷载的作用，当应力低于抗拉强度，甚至低于屈服强度时发生突然断裂的现象，这种现象称为钢材的疲劳。

2.疲劳破坏的机理疲劳破坏是积累损伤的结果。破坏过程：缺陷→微观裂纹→宏观裂纹→断裂。

3.疲劳破坏与脆性破坏比较2.5钢材的疲劳破坏相同点：突然断裂，断裂时名义应力都低于屈服点不同点之一：

疲劳破坏裂纹扩展稳定，缓慢，多次反复加载脆性破坏裂纹扩展不稳定，迅速，一次加载就可能破坏不同点之二：疲劳破坏断口分为疲劳区和瞬断区（疲劳区记载了裂缝扩展和闭合的过程，颜色发暗，表面有较清楚的疲好纹理，呈沙滩状或波纹状。）脆性破坏闪光的晶粒状2.5钢材的疲劳破坏影响疲劳破坏的主要因素

构造细节——应力集中程度和残余应力大小

荷载循环次数＞5×104次，验算疲劳

荷载引起的循环应力特征应力幅（焊接结构）应力比（非焊接结构）注意：与钢材的静力强度和最大应力无明显关系不出现拉应力，不会发生疲劳破坏。2.5钢材的疲劳破坏几个概念

循环荷载——结构或构件承受的随时间变化的荷载。应力循环——构件截面应力随时间的变化。

应力循环次数——结构或构件破坏时所经历的应力变化次数。应力比——循环应力中绝对值最小的峰值应力σmin与绝对值最大的峰值应力σmax之比。ρ=σmin

/σmax(拉应力取正号而压应力取负号)2.5钢材的疲劳破坏

应力幅Δσ——在循环荷载作用下，应力从最大到最小重复一次为一次循环，最大应力与最小应力之差为应力幅:

Δσ=σmax-σmin为常量常幅循环：为变量变幅循环：此处σmax为最大拉应力，取正值，σmin为最小拉应力或压应力。（拉应力取正号而压应力取负号）+σ-σt2.5钢材的疲劳破坏

循环应力谱完全对称循环σr=fy△σ△σtρ=σmin/σmax=

-1σminσmax+σ-σ0脉冲循环σr=fy△σ△σtρ=σmin/σmax=0+σ-σ02.5钢材的疲劳破坏

循环应力谱+σ-σ不完全对称循环二σr=fy△σ△σt0＞ρ=σmin/σmax＞

-1σminσmax0不完全对称循环一σr=fy△σ△σt0＞ρ=σmin/σmax＞

-1σminσmax+σ-σ02.5钢材的疲劳破坏常幅疲劳当应力循环内的应力幅保持常量时，称为常幅疲劳。

对焊接结构：σr=fy△σ△σtρ=σmin/σmax=-1σminσmax+σ-σ02.5钢材的疲劳破坏可以看出，由于焊接残余应力焊缝附近主体金属的最大应力已达fy，因此，有应力增大时保持fy不变应力减小时从名义应力比真实应力比2.5钢材的疲劳破坏

应力幅对焊接结构的疲劳强度有很大影响，而与名义最大应力σmax和应力比ρ无关。

可见，只要△σ为常数，不管名义ρ为何值，真实ρ也为常数，因此：1.容许应力幅[Δσ]

根据试验数据可以绘出构件或连接的应力幅Δσ与相应的致损循环次数N的关系曲线，按试验数据回归的Δσ-N曲线为平均曲线(图a)，取对数坐标(图b)。2.5钢材的疲劳破坏图2.6.8Δσ-N曲线(a)0N2S2S(b)0N=5×104N=5X106............b12.5钢材的疲劳破坏考虑试验数据的离散性,取平均值减去2倍lgN的标准差s作为疲劳强度下限，当lgΔσ为正态分布时,保证率为97.7%。

则对应疲劳寿命n的容许应力幅可由直线斜截式方程求出：（y=kx+b）取系数：lgC是延长直线与横坐标的交点是直线的斜率2.5钢材的疲劳破坏2.5钢材的疲劳破坏此时的Δσ即为容许应力幅：式中：系数β、C—为不同构件和连接类别的试验参数，称疲劳特征参数。2.5钢材的疲劳破坏常幅疲劳验算式中：Δσ—计算部位的应力幅对于焊接结构:Δσ=σmax-σmin对于非焊接结构：Δσ=σmax-0.7σmin(折算应力幅）σmax、σmin

—计算部位每次应力循环中的最大拉应力和最小拉应力或压应力（压应力取负值）。[Δσ]—常幅疲劳的容许应力幅2.5钢材的疲劳破坏验算公式的几点补充说明

（1）计算时用荷载的标准值。（2）由于来源于试验，已考虑动力效应，计算时不再考虑动力系数。（3）公式同样适用剪应力情况验算。（4）针对不同构造和受力特点的钢结构和连接（应力集中和残余应力分布程度不同）,GB50017-2003把各种不同的构造划分为8个类别，给出了8个类别的C、β值。2.5钢材的疲劳破坏参数Ｃ和β的取值33333344β0.410.650.961.472.183.268611940Ｃ×101287654321构件和连接类别疲劳容许应力幅[]与应力循环次数n的关系曲线123456784003002001008060105234567891062×1065×106107n[△σ]/（N/mm2）2.5钢材的疲劳破坏

编号越大，其应力集中、残余应力情况越严重，其C值越小，容许应力幅[Δσ]越小。

（5）钢材种类不同，静力强度差别较大，而公式中[Δσ]无差别。

试验表明：对目前常用的构件和连接，疲劳强度一般与所用钢材的屈服强度无关。

所以，不能通过提高钢材屈服强度来提高抗疲劳能力。2.5钢材的疲劳破坏

（6）对非焊接结构，残余应力影响较小，疲劳寿命主要与最大应力、应力比有关，但为统一采用一种验算公式，引入了折算应力幅概念。

（7）完全压应力状态不验算疲劳。规范规定：在应力循环中不出现拉应力部位可不计算疲劳。2.3钢材的主要性能变幅疲劳

——当应力循环内的应力幅随机变化时为变幅疲劳。Δσi-1Δσ2Δσ1Δσiσt变幅荷载循环2.3钢材的主要性能

按用途钢可分为：结构钢、工具钢和特殊钢。按冶炼方法，钢可分为转炉、平炉和电炉。按照脱氧方法和程度的不同，可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。按化学成分，钢又可分为碳素钢和低合金钢。

1.碳素结构钢

命名方式:由四部分组成，依次是屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号，如:Q235-A·F。2.6钢材的种类说明：（1）质量等级符号A、B、C、D是根据钢材的化学成分和冲击韧性不同共化分为4个等级。

Q235--质量等级（A、B、C、D）脱氧方法（F、Z、b、Tz）

A—保证fu、fy、δ，P、S含量

B—保证fu,fy,δ,冷弯，常温时Cv，P，S，C含量；

C—保证fu,fy,δ,冷弯，0oC时Cv，P，S，C含量;D—保证fu,fy,δ,冷弯，-20oC时Cv，P，S，C含量;2.6钢材的种类

（2）脱氧方法符号也有四种，F代表沸腾钢，b代表半镇静钢，Z代表镇静钢，TZ代表特种镇静钢，在具体标注时Z和TZ可以省略。

（3）规范GB50017将Q235牌号的钢材选为承重结构用钢。其化学成分和脱氧方法、拉伸和冲击试验以及冷弯试验结果均应符合规范GB/T700-2006的要求。2.6钢材的种类2.低合金高强度结构钢

低合金高强度结构钢是在钢的冶炼过程中适量添加几种合金元素（合金元素总量不超过5%）,使钢的强度明显提高。

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A、B、C、D、E五等（其中E主要是要求-40℃的冲击韧性）,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,故可不加脱氧方法的符号。2.6钢材的种类

根据钢材厚度（直径）≤16mm时的屈服点不同，分为Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等，其中Q345、Q390和Q420钢材都有较高的强度和较好的塑性、韧性和焊接性能，是钢结构设计规范推荐采用的钢种。2.6钢材的种类钢材的选择1.选择钢材的一般原则

（1）结构或构件的重要性

（2）荷载情况静力荷载作用下可选择经济性较好的Q235钢材；动力荷载作用下应选择综合性能较好钢材。（3）连接方法（焊接连接、螺栓连接）焊接结构对材质的要求严格，应严格控制C、S、P的极限含量；非焊接结构对C的要求可降低一些。2.7钢材的选择

（4）结构所处的工作条件（环境温度，腐蚀等）,低温下工作的结构应选择低温脆断性能好的镇定钢。（5）钢材的厚度厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。2.钢材选择的注意事项

（1）承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢，其质量应分别符合国家标准《碳素结构钢》GB/T700和《低合金高强度结构钢》GB/T1591的规定。2.7钢材的选择

（2）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。（3）对于需要验算疲劳的焊接结构，应具有常温冲击韧性的合格保证；当结构工作温度等于或低于0℃但高于－20℃时，Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性合格的保证；对于Q390钢和Q420钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证。2.7钢材的选择

当结构工作温度等于或低于－20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证；对Q390和Q420钢应具有－40℃冲击韧性的合格保证。

（4）对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温冲击韧性的合格保证，当结构工作温度等于或低于－20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性合格的保证；对Q390钢和Q420钢应具有－20℃冲击韧性的