长春工程学院教案用纸

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序号2

教法提示

2钢结构的材料

本章要紧内容：了解钢结构对钢材的要求；把握钢材的破坏形式、钢材的要紧性能、

钢材的破坏形

响钢材性能的因素。

式，钢材的要

本章重点：（1）钢材的破坏形式；

紧性能，钢阻

（2）钢材的要紧性能；

碍钢材性能的

（3）阻碍钢材性能的因素。

因素。

本章难点：阻碍钢材性能的因素。

2.1钢结构对材料的要求

对钢材的差不多要求：

较高的抗拉强度和屈服点；

(1)fufy

(2)较高的塑性和韧性；

(3)良好的工艺性能(包括冷加工、热加工和焊接性能)。

此外，依照结构的具体工作条件，有时还要求钢材具有适应低温、高温顺腐蚀性

环境的能力。

按以上要求，钢结构设计规范具体规定：承重结构采纳的钢结材应具有抗拉强度、

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纳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，依照具体情形应当具有常温或负温冲击韧性的合

格保证。

2.2钢材的破坏形式

钢材有两种性质完全不同的破坏形式，即塑性破坏和脆性破坏。提问：塑性、

塑性破坏：断口呈纤维状，色泽发暗。脆性破坏的区

脆性破坏：破坏前没有任何预兆，破坏是突然发生的，断口平直并呈有光泽的晶别。

粒状。

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2.3钢材的要紧性能

教法提示

钢材的要紧性能是机械性能，可通过某些试验（拉伸、冷弯、冲击）确定。

2.3.1强度性能

钢材标准试件在常温静荷载情形下，单向平均受拉试验时的荷载变形（⊿）曲

-F-L

线或应力-应变（σ-ε）曲线，如图2.1所示。

图2.1碳素结构钢的应力-应变曲线提问：条件屈

高强度钢没有明显的屈服点和屈服台阶。这类钢的屈服条件是依照试验分析结果

服点。

而人为规定的，故称为条件屈服点（或屈服强度）。条件屈服点是以卸荷后试件中残余

应变为0.2所对应的应力定义的（有时用表示），见图2.2。由于这类钢材不具有

%f0.2

明显的塑性平台，设计中不宜利用它的塑性。

图2.2高强度钢的应力-应变关系

塑性：在静力荷载作用下，钢材吸取变形能的能力。

LL

δ—延伸率（塑性性能）10100%

L

0

2.3.2冷弯性能

冷弯性能是检验钢材弯曲变形能力或塑性性能，依旧显示钢材内部缺陷状况的一

项指标；是鉴定钢材在弯曲状态下塑性应变能力和钢材质量的综合指标。

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教法提示

图2.3钢材冷弯试验示意图

2.3.3冲击韧性

冲击韧性：在动力荷载作用下，材料吸取能量的能力。

韧性是钢材抗击冲击荷载的能力，它用材料在断裂时所吸取的总能量来量度（）。

Cv

韧性是钢材强度和塑性的综合指标。

图2.4冲击韧性试验

钢材性能可用五项机械性能指标衡量：f、f、δ、1800C冷弯、冲击韧性a。

uyk

衡量钢材承担动力荷载作用时抗击脆性破坏的性能。

ak

2.4各种因素对钢材性能的阻碍

2.4.1化学成分

钢中差不多元素：Fe、C、Si、Mn、S、P、O、N。

一般碳素钢中，Fe占99%，其余元素占1%，低合金钢中，除了上述元素外，还有一定

合金元素（镍、钒、钛等）（含量5%）。

各种元素对钢材机械性能的阻碍如下。

碳C：含量增加，钢材强度提高，而塑性、韧性和疲劳强度低。同时焊接性能和

抗腐蚀性恶化。一样在碳素结构钢中不应超过0.22%；在焊接结构中还应低于0.2%。

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硅Si：碳素结构钢中应操纵≤0.3%,在低合金高强度钢中硅的含量可达0.55%。

教法提示

锰Mn：含Mn适量使强度↑，降低S、O的热脆阻碍，改善热加工性能，对其它性

能阻碍不大，有益。在碳素结构钢中锰的含量为0.3%～0.8%，在低合金高强度

钢中锰的含量可达1.0%～1.6%。

硫S：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在高温时，使钢材变脆，称之

为热脆。含量应不超过0.045%。(有害成分)

磷P：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在低温时，使钢材变脆，称之

为冷脆。含量应不超过0.045%。能够提高强度和抗锈蚀性。(有害成分)

氧O：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在高温时，发生热脆。(有害

成分)

氮N：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在低温时，发生冷脆。(有害

成分)

钒和钛：是钢中的合金元素，能提高钢的强度和抗腐蚀性能，又不显著降低钢的

塑性。

铜：可显著提高钢的抗腐蚀性能，也能够提高钢的强度，但对焊接性能有不利阻

碍。

2.4.2冶金缺陷

在冶炼、轧制过程中常常显现的缺陷有偏析、非金属夹杂、裂纹、夹层及气孔等。

图2.5钢锭剖面

1、偏析：钢中化学成分不一致和不平均性，要紧的偏析是硫、磷，将严峻恶化钢

材的性能,使偏析区钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。

2、非金属夹杂：钢材中存在非金属化合物（硫化物、氧化物），使钢材性能变脆。

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3、裂纹、分层：在轧制中可能显现，阻碍钢材的冷弯性能。

教法提示

图2.6钢的轧制使晶粒细化

(a)冷静钢锭,钢液含硫0.032%(b)沸腾钢锭,钢液含硫0.04%

图2.7钢锭中硫的偏析

图2.8型钢硫的偏析

2.4.3钢材的硬化

冷作硬化——当加载超过材料比例极限卸载后，显现残余变形，再次加载则屈服

推广时效冷作

点提高，塑性和韧性降低的现象，也称“应变硬化”。

硬化的特点。

时效硬化——随时刻的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。

应变时效——钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易析出。即冷作硬化的同时

能够加速时效硬化，因此也称“人工时效”。

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2.4.4温度阻碍

教法提示

钢材性能随温度变动而变化。总的趋势是：温度升高，钢材强度降低，应变增大；

反之，温度降低，钢材强度会略有增加，塑性和韧性却会降低而变脆，见图2.9。

图2.9温度对钢材机械性能的阻碍

温度升高，在200℃以内钢材性能没有专门大变化，430～540℃之间强度急剧下降，让学生摸索：

600℃时强度专门低不能承担荷载。但在250℃左右，钢材的强度反而略有提高，同时“三脆”的区

塑性和韧性均下降，材料有转脆的倾向，钢材表面氧化膜出现蓝色，称为蓝脆现象。别。

钢材应幸免在蓝脆温度范畴内进行热加工。当温度在260～320℃之间时，在应力连续

不变的情形下，钢材以专门缓慢的速度连续变形，此种现象称为徐变现象。

当温度从常温开始下降，专门是在负温度范畴内时，钢材强度虽有些提高，但其

塑性和韧性降低，材料逐步变脆，这种性质称为低温冷脆。图2.10是钢材冲击韧性与

温度的关系曲线。由图可见，随着温度的降低，C值迅速下降，材料将由塑性破坏转变

v

为脆性破坏，同时可见这一转变是在一个温度区间TT内完成的，此温度区TT称为钢

1212

材的脆性转变温度区，在此区间内曲线的反弯点（最陡点）所对应的温度T称为脆性

0

转变温度。假如把低于T完全脆性破坏的最高温度T作为钢材的脆断设计温度即可保

01

证钢结构低温工作的安全。

图2.10冲击韧性与温度的关系曲线

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2.4.5应力集中教法提示

构件上孔洞、刻槽、凹角、裂纹以及截面厚度或宽度改变等部位，在力作用下，

该处显现高峰应力，而其它部位应力较低，截面应力分布不平均现象——应力集中。

应力集中系数kmax

应力集中是造成构件脆性破坏的要紧缘故之一。

应力集中系数越大，变脆的倾向越严峻。

图2.11孔洞及槽孔处的应力集中

2.5复杂应力作用下钢材的屈服条件

在单轴应力作用下f时钢材屈服，构件由弹性工作状态转为塑性工作状态。

y

在多轴应力作用下钢材的屈服条件不能以某一轴向应力超过某屈服点来判别，而

是按材料力学的能量强度理论运算折算应力与钢材在单轴应力作用下的f比较判定。

y

图2.12复杂应力

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当用应力重量表示时：

教法提示

222()3(222)

redxyzxyyzzxxyyzzx

当用主应力表示时：

1

222

red2122331

在一般梁中，一样只存在正应力和剪应力

232

red

讨论：

（1）当三个主应力同号且数值接近时，即使专门大，但钢材专门难屈服，发生脆

性破坏。

（2）有异号应力，且同号两个应力差较大，即使f，但可能大于f，

yredy

发生塑性破坏。

f

纯剪：32y0.58f

red3y

2.7钢材的种类和规格

提问：选择钢

2.7.1钢材的种类

材应该从哪几

(1)按用途：结构钢、工具钢、专门钢(如不锈钢等)。个方面考虑，

(2)按冶炼方法：转炉钢、平炉钢。引出选择钢材

(3)按脱氧方法：沸腾钢、冷静钢、专门冷静钢。要考虑的因

(4)按成型方法：轧制钢、锻钢、铸钢。素。

(5)按化学成分：碳素钢、合金钢。

在建筑工程中采纳的是：

碳素结构钢、低合金高强度结构钢、优质碳素结构钢。

一般碳素钢（碳素结构钢）、（低合金结构钢）：

牌号有四部分组成：

①Q——代表屈服点的字母；

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②屈服点的数值——195、215、235、255、275、345、390等；

教法提示

③质量等级符号——A、B、C、D四个等级（一般碳素钢）

——A、B、C、D、E五个等级（一般低合金钢）

④脱氧方法符号——F代表沸腾钢、b代表半冷静钢、z代表冷静钢、Tz代表专门

冷静钢。

优质碳素结构钢：

要紧用于钢结构某些节点或用作连接件。

建筑结构用钢板：

高性能建筑结构钢材(GJ钢)，牌号由以下组成：

①Q——代表屈服强度的字母；

②屈服点的数值；

③代表高性能建筑结构用钢的汉语拼音字母GJ；

④质量等级符号——B、C、D、E四个等级

关于厚度方向性能钢板，在质量等级后面加上厚度方向性能级别（Z15、Z25、Z35）。

适用于建筑高层建筑结构、大跨度结构及其他重要建筑结构。

2.7.2钢材的选择

确定钢材种类及其质量等级。

1、结构的重要性

安全等级不同，所选钢材的质量等级也不应不同，重要的结构构件选用质量好的

钢材。

2、荷载特点

荷载为静力或