第二章 钢结构的材料

第二章钢结构的材料第一节钢结构对钢材性能的要求钢材的种类繁多，碳素钢有上百种，合金钢有300多种，它们的性质、用途以及价格都不同。钢结构常常需要在不同的环境和条件下承受各种形式的作用（荷载、基础不均匀沉降、温度等），所以要求钢材应具有良好的机械性能（强度、塑性、韧性）和加工性能（冷热加工和焊接性能），才能保证结构安全可靠。符合钢结构要求的钢材只有少数几种，如碳素钢中的Q235钢，低合金钢中的Q345钢（16Mn钢）、Q390钢（15MnV)钢和Q420钢（15MnVN）等。

2023/2/61一、强度表明钢材强度性能的指标有弹性模量E，比例极限σp，屈服强度σs和抗拉强度σb等。它们是根据钢材标准试件单向拉伸试验确定的。2023/2/621、弹性阶段

σp；弹性模量（在钢结构设计中，对所有钢材统一取E＝2.06×105N/mm2）；σe

2、弹塑性阶段变形由弹性变形与塑性变形组成3、屈服阶段上下屈服点；屈服强度σs是钢结构材料的一项重要力学性能，是静力强度承载力极限；流幅2023/2/632023/2/644、强化阶段钢材经历了屈服阶段较大的塑性变形后，金属内部结构得到了调整，产生了继续承受增长荷载的能力。σb为材料的强度储备。

5、颈缩阶段在承载力最薄弱处开始出现局部横向收缩。2023/2/65由此可把钢材看作理想弹塑性体，即在屈服点前是完全弹性的，屈服点后是完全塑性的；屈服强度σs作为强度承载力极限状态的标志。钢材的物理性能指标：①弹性模量E＝206×10³（N/mm²）②剪切模量G＝79×10³（N/mm²）；③线膨胀系数α＝12×10-6；④质量密度ρ＝7850kg/m3。2023/2/66二、塑性

钢材的塑性一般指应力超过屈服强度以后能产生显著的塑性（残余）变形而不立即断裂的性质。钢结构要求钢材具有良好的塑性。衡量钢材塑性性能的指标是伸长率δ和断面收缩率ψ，二者都是通过标准试件的拉伸试验测定的。2023/2/67三、韧性韧性是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，是衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、冲击荷载作用等而导致脆性断裂能力的一项机械性能。钢结构要求钢材要有良好的韧性。一般情况下，塑性好的钢材其韧性也好。韧性指标由冲击韧性值ak或Ak表示，是由标准试件冲击试验获得的。

ak

＝Ak/A（J/cm2）2023/2/68钢材的冲击韧性，受温度影响较大，（与钢材质量、缺口形状、加载温度有关），当温度低于某一负温值时，冲击韧性值会急剧降低。因此，设计处于低温的重要结构，尤其受动载作用的结构时，不但要求保证常温（20℃）下的冲击韧性，还要保证负温（-20℃或-40℃）下的冲击韧性。2023/2/69四、冷弯性能钢材的冷弯性能是用来衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时，对产生裂纹的抵抗能力。它由冷弯实验来确定。要求不分层、不裂纹。2023/2/610冷弯实验不仅能直接反映钢材的弯曲变形能力和塑性性能，还能显示钢材的内部冶金缺陷（如分层、非金属夹碴等）状况，是判断钢材塑性变形能力及冶金质量的综合指标。重要结构中需要保证钢材有足够塑性时，均应进行冷弯试验。2023/2/611五、耐久性影响钢材耐久性的因素很多1、钢材的耐腐蚀性差，必须采取防护措施。2、钢材的“时效”现象，即钢材的力学性能随时间增长而改变的现象（塑性韧性降低）。3、持久强度钢材在高温和长期荷载作用下，屈服强度比短期的单向拉伸试验时低得多，因此对此类钢材要测定其“持久强度”。4、疲劳强度2023/2/612六、可焊性钢材的可焊性是指在一定的焊接工艺和结构形式条件下，能获得良好焊接接头的性能。焊接钢结构要求钢材要具有良好的可焊性。钢材的可焊性用可焊性试验来判断。2023/2/613一、化学成分的影响钢的主要化学成分是铁（Fe）和少量的碳(C)。此外还有锰（Mn）、硅（Si）等有利元素，以及难以除尽的有害元素如硫（S）和磷（P）等。碳的含量对钢的强度、塑性、韧性和可焊性有决定性的影响。含碳量增加，钢材的屈服强度和抗拉强度增高，但同时塑性、韧性冷弯性能、可焊性降低。因此结构钢材的含碳量不能过高，一般不超过0.22％，对于焊接结构则应低于0.2％

第二节影响钢材力学性能的主要因素2023/2/614锰（Mn）和硅（Si）是钢材中的有利元素，可提高钢材的强度但不影响钢材的其它性能。但是含量不能过高。硫（S）和磷（P）是极为有害的成分。它们降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳性能。硫（S）和磷（P）可在高温和低温时使钢材变脆，分别称为“热脆”和“冷脆”，所以要严格限制其含量。

化学成分的影响（续）2023/2/615二、冶金工艺的影响冶炼方法—我国目前钢结构的冶炼方法主要是平炉和氧气顶吹转炉两种，生产出的钢材质量优良，大体相同；电炉钢质量最好，但成本最高，土建少用。冶金缺陷—常见的有偏析、非金属夹碴、气孔及裂缝等。偏析是指钢锭各部分的化学成分不一致，例如顶部的硫磷含量偏多等；非金属夹碴通常指钢中的硫化物和氧化物，钢材受力时可能成为脆性断裂的裂缝源，非常有害；气孔是由于CO气体不能充分逸出而留在钢锭内形成的；裂缝是钢材中已经出现的局部破坏。第二节影响钢材力学性能的主要因素（续）2023/2/616脱氧方法—可分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢三种。

沸腾钢用锰（Mn）脱氧，不充分，质量不好，成本低；

镇静钢除用锰脱氧外，还用适量的硅作脱氧剂，脱氧完全，气体容易逸出，没有沸腾现象，质量好，但成本高；

半镇静钢性能介于沸腾钢和镇静钢之间。另外还有特殊镇静钢，是用硅脱氧后再用更强的脱氧剂铝补充脱氧，其冲击韧性特别是低温冲击韧性都较高。沸腾钢比镇静钢的冶金缺陷多。由于沸腾钢成本较低，我国低碳钢大量采用沸腾钢。只有当承受动力荷载、冲击韧性要求较高时或处于低温的结构才考虑采用镇静钢。对低温要求更高时可考虑采用特殊镇静钢。冶金工艺的影响（续）2023/2/617轧制方法—钢材的轧制过程使得金属的晶粒变细，在压力作用下也使得气孔、裂缝焊合，因而可以改善钢材的力学性能。薄板因多次辊轧而比厚板强度更高。经过双向轧制的钢板也比只经过单向轧制的钢板的性能要好。冶金工艺的影响（续）2023/2/618三、钢材硬化的影响时效硬化—钢材随时间的增长，其屈服强度和抗拉强度提高，而塑性、韧性降低的现象。发生时效硬化的过程可以从几小时到几十年。冷作硬化—钢材经过冷加工（拉、剪、冲、压、拔等）后，屈服强度提高而塑性、韧性降低的现象。它增加了钢材脆性断裂的可能性。

第二节影响钢材力学性能的主要因素（续）2023/2/619四、温度的影响温度的升高和降低都会使钢材的力学性能发生变化。在正温度范围内（0℃以上），温度升高不超过200℃时，钢材的性能变化不大；在250℃左右，钢材的抗拉强度略有提高，但塑性和韧性均下降，此时钢材表面氧化膜呈兰色，称为“兰脆现象”。此时钢材的破坏常呈脆性破坏特征。因此应避免在兰脆温度范围内对钢材进行热加工。当温度超过300℃后，钢材的屈服点明显下降，达到600℃时，几乎失去承载力。第二节影响钢材力学性能的主要因素（续）2023/2/620在负温度范围内（0℃以下），随着温度降低，钢材的强度虽有所提高，但塑性和韧性均下降，材料逐渐变脆，这种性质称为低温冷脆。设计选用钢材时应使其T1值低于钢结构所处的工作环境，才可保证钢结构低温工作的安全。温度的影响（续）材料由塑性破坏转变为脆性破坏是在一个温度区间T1～T2内完成的，称此温度区间为钢材的冷脆转变温度区，曲线反弯点对应的温度T0称为冷脆转变温度（冷脆临界温度)。2023/2/621五、应力集中和残余应力应力集中—实际构件中常常有孔洞、裂纹、槽口等缺陷，使构件截面突然改变，在有缺陷或截面变化处附近，应力线弯曲而密集，出现高峰应力，这种现象称为应力集中。应力集中程度很高时，往往形成双向或三向拉应力，容易导致构件脆性断裂。残余应力—钢材在轧制、焊接或气割过程中，由于不均匀的加热和冷却而产生的应力。残余应力的存在，将使构件的刚度和稳定性都有所降低，增加了脆断的危险。六、加荷速度和重复荷载作用的影响随着加荷速度的提高，钢材屈服点也提高，但脆性也会增加。在重复荷载作用下，容易产生疲劳破坏。第二节影响钢材力学性能的主要因素（续）2023/2/622七、应力状态的影响单向应力状态下，当应力达到屈服点σs时，钢材屈服，由弹性进入塑性状态。复杂应力状态下（如有两三个轴向应力和剪应力共同作用时），钢材是否进入屈服，则应根据“能量强度理论”，用折算应力σr与单向拉伸时的屈服强度σs相比较来判断：第二节影响钢材力学性能的主要因素（续）2023/2/623实际工作中，钢材有两种性质不同的破坏形式：塑性破坏和脆性破坏。（疲劳破坏是钢材在多次反复荷载作用下引起的断裂破坏，其性质属于脆性断裂。）一、塑性破坏（延性破坏）

是指钢材产生很大的变形，经历时间又很长的破坏。它是钢材晶粒中对角面上的剪应力值超过抵抗能力而引起的晶粒相对滑移的结果。由于结构在破坏前出现很大的变形，所以很易及时发现并补救。塑性变形使结构出现内力重分布，使结构或构件中某些原先受力不等的部分的应力趋于均匀，提高了结构的承载力。第三节钢材的破坏形式2023/2/624二、脆性破坏（脆性断裂）

是指钢材在变形很小的情况下，突然发生的断裂破坏。脆性破坏是拉应力将钢材晶粒拉断的结果。破坏发生时的名义应力往往低于钢材的屈服强度。由于破坏前变形很小且发生突然，难以采取补救措施，因而危害极大。影响脆性破坏的因素很多，主要有：

—钢材的质量；

—应力状态：三向受拉时易出现由最大主应力σ1引起的脆断；高度的应力集中以及残余应力均易产生三向拉应力，而厚板也为三向拉应力的形成提供了条件（板越厚，对横向收缩的约束力越大），当钢板厚度在6mm以下时，可不考虑钢材的脆断；

—低温：冷脆转变温度；当温度低于T1时，易发生脆断；当温度介于T1与T2之间时，有尖锐缺口的试件发生脆断，而无缺口的试件发生塑性破坏。第三节钢材的破坏形式（续）2023/2/625疲劳破坏

是指钢材在连续反复或循环荷载作用下，当应力循环次数n达到某个大数时，发生的突然的脆断。破坏时钢材的应力低于抗拉强度甚至低于屈服强度。是一种无明显变形的突然断裂，危害极大。疲劳破坏的机理钢结构中总存在有微观裂纹或类似的缺陷，再加上在反复荷载作用下，在试件的高度应力集中处（如截面改变处）首先出现塑性变形，引起钢材硬化，逐渐形成晶粒中的微观裂纹。在多次反复荷载作用下，微观裂纹逐渐扩展为宏观裂纹，是净截面积不断减小。当截面削弱到一定程度时，应力增大，净截面承载力不足以承受外力，构件就会突然断裂，发生疲劳破坏。

第四节钢材的疲劳破坏2023/2/626疲劳破坏与脆性破坏的比较—相同点：都表现为突然断裂，裂源都是某些引起应力高度集中的缺口或缺陷，断裂时的名义应力都低于屈服点；

—不同点：疲劳破坏需要多次反复加载，经历的时间较长，出现宏观裂缝后，有相当长而比较稳定的裂纹发展过程，直到断裂前才变得不稳定；脆性破坏则是裂纹出现后就迅速扩展并破坏，发展过程是突然的、不稳定的，而且往往一次加载就可能造成灾难。第四节钢材的疲劳破坏（续）2023/2/627影响疲劳破坏的主要因素

—构件的构造和连接形式，它们和应力集中程度及残余应力有关：—荷载的循环次数;—荷载引起的应力状况；由于疲劳破坏的实质是断裂，而断裂主要是拉出来的，所以一般认为，如果循环荷载引起的应力不出现拉应力，则钢结构不会发生疲劳破坏。疲劳计算

应力幅与应力循环特征值（应力比）的概念；第四节钢材的疲劳破坏（续）2023/2/628一、钢材的种类碳素钢和低合金钢1、碳素钢（含碳量为0.03~0.25%的低碳钢）

质量等级：A、B、C、D四级；A—只保证抗拉强度、屈服点和伸长率；B、C、D—保证抗拉强度、屈服点和伸长率、冷弯性能和冲击韧性（分别为＋20℃、0℃和－20℃），同时严格控制C、S、P的极限含量；钢号：Q235-A、Q235-B、Q235-C、Q235-D等；对镇静钢、半镇静钢、沸腾钢以及特殊镇静钢，分别用字母Z、b、F、TZ表示。2、低合金钢（各种合金元素总含量不超过5％的钢）质量等级：A、B、C、D、E五级；A、B、C、D的规定同碳素结构钢，E级要求－40℃的冲击韧性；钢号：Q345-A、Q390-B、Q420-C等。第五节钢材的种类及选用2023/2/629二、钢材的规格热轧钢板：①厚钢板