钢结构材料及其性能

第二章钢结构材料钢结构北京工业大学建筑工程学院何永发第2章钢结构的材料

Chapter2MaterialofSteelStructure2024/1/19§2.1钢结构对材料的要求（1）较高的强度(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。2024/1/19Chapter2MaterialofSteelStructure§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2024/1/19

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2024/1/192024/1/19（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）

2024/1/192024/1/19剪板自动钢板切割钻孔2024/1/192024/1/192024/1/19§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2024/1/192.3.1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。常为杯形，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。平直和呈有光泽的晶粒。突然发生的，危险性大，应尽量避免。2024/1/192.3.2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。

2024/1/19

（2）钢材的应力-应变关系

A.有屈服点钢材s---e曲线可以分为四个阶段：

(a)弹性阶段(OB段)弹性阶段(OB段)OBCDAE单调拉伸应力-应变曲线OA段：纯弹性阶段

s=EeA点对应的应力：

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点对应的应力：se（弹性极限）屈服阶段（BCD)强化阶段(DE段)颈缩阶段(EF段)2024/1/19（b）屈服阶段（BCD)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。

屈服点fy（屈服强度）：屈服阶段曲线波动部分的最低值。

流幅：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。OBCDAE2024/1/19（c）强化阶段(DE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E——抗拉强度（极限强度）fu

试件所能承受的最大拉应力（d）颈缩阶段(EF段)OBCDAE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F点试件断裂。F2024/1/19B.对无明显屈服点的钢材

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”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。

2024/1/19(3)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（取屈服阶段波动部分的应力最低值），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。（作为钢结构设计可以达到的最大应力）②

抗拉强度fu

应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材破坏前所能承受的最大应力。（强度的安全储备）③

钢材的塑性

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。塑性好坏可用断面收缩率

和伸长率

表示，通过静力拉伸试验得到。

2024/1/19a)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。伸长率δ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。2024/1/19b)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。A0A12024/1/19(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）屈服点之后的流幅现象又接近理想的塑性体，并且流幅的范围（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－应变曲线钢材是符合理想中的弹性-塑性材料

塑性设计2024/1/19

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，试件表和侧面，无裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。

2024/1/192.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。

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。2024/1/193.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。

（2.4.1）2024/1/19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2024/1/192.3.4在复杂应力作用下钢材的屈服条件第四能量强度理论材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积中积聚的能量来表达推导当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能时，钢材即由弹性转入塑性。oZXY单元体受复杂应力状态下的分量单元体受主应力钢材单元体上的复杂应力状态2024/1/19

在三向应力作用下，钢材由弹性状态转变为塑性状态的条件，可以用折算应力和钢材在单向应力时的屈服点相比较来判断。（2.3.1）用主应力、、表示时，有:（）或当 时钢材处于弹性阶段， 时钢材处于塑性阶段。2024/1/19

当钢材厚度较薄时，厚度方向的应力很小，常可忽略不计，这时三向应力状态可以简化为平面应力状态：

（2.3.3）一般梁中只存在正应力σ和剪应力τ，则上式可写为：（2.3.4）纯剪时σ=0则有：（2.3.5）

即钢材的剪切屈服点是拉伸屈服点fy的0.58倍2024/1/19不同受力状态对钢材材性的影响（a）—单向拉伸（b）—双向拉伸（c）—双向异号应力分析结果：

（1）相对于单向拉伸而言，钢材在钢材在双向拉力作用下屈服点和抗拉强度提高，但是塑性下降。

双向应力作用下对钢材材性的影响σ0ε(a)(b)(c)（3）主应力异号时，易屈服，破坏呈塑性，差别越大越明显。

（2）主应力同号时，不易屈服，塑性下降，越接近越明显。2024/1/19§2.4.各种因素对钢材的影响

化学成份的影响

冶金缺陷的影响

钢材硬化的影响

应力集中的影响

温度的影响

荷载类型的影响2024/1/192.4.1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2024/1/19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。

2024/1/19碳（C）：形成钢材强度的主要成分，随其含量增加，强度增加，塑性和韧性降低，可焊性和抗腐蚀性降低。碳素钢按碳含量区分，小于0.25％的为低碳钢，介于0.25％和0.6％之间的为中碳钢，大于0.6％的为高碳钢。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.硫（S）：钢材中的有害元素，具有热脆性（温度达到800-1000℃时，硫化铁会熔化使钢材变脆，从而引发热裂纹）。规范规定结构用钢中硫的含量不得超过0.05%。3.氧（O）：有害杂质，与S相似。

2024/1/194.磷（P）：磷在一定程度上可提高钢的强度和抗锈蚀的能力。钢材中的有害元素，具有冷脆性（温度较低时促使钢材变脆）。因此，磷的含量也要严格控制，规范中规定不得超过0.045%。5.氮（N）：有害杂质，与P相似。6.锰（Mn）：有益元素。在普通碳素钢中，是一种弱脱氧剂，可提高钢材强度，与S形成MnS，熔点1600℃，可以消除硫对钢材的热脆影响。

7.硅（Si）：有益元素。在普通碳素钢中，是一种强脱氧剂，常与锰共同除氧，生成镇静钢。

8.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。9.铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。2024/1/192.4.2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。主要是硫、磷偏析，其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。2024/1/192.4.3钢材的硬化冷作硬化

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。在交变荷载、重复荷载和温度变化等情况下，会加速时效硬化的发展。

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。在高温作用下会快速发展（人工时效）

2024/1/19

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2024/1/192.4.4应力集中的影响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，引起截面中的应力分布不均匀，出现局部高峰应力的现象。应力集中现象。

应力集中现象

有应力集中的钢材，材性变脆。应力集中处常产生三向的同号拉应力，易使钢材开裂时也没有明显的塑性变形。应力集中对塑性良好的钢结构静力强度影响不大，但降低疲劳强度。§2.4各种因素对钢材的影响2024/1/19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100φ10φ1006007005004003002001002024/1/192.4.5荷载类型的影响荷载可分为静力和动力两大类1.加荷速度的影响

这是加载过程中出现的问题。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；静力加载试验一般应加载5分钟后再读数据。2.循环荷载的影响钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤，产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏（疲劳破坏）。2024/1/192.4.6温度的影响正温范围：T升高（1）温度在150℃以内，钢材材质变化很小，钢结构可用于温度不高于150℃的场合。（2）温度在250℃左右的区间内，fu

有局部性提高，冲击韧性降低，出现蓝脆现象。（3）当温度达到600℃时，钢材进入热塑性状态，强度下降严重，将丧失承载能力。

温度对钢材力学性能的影响℃fufyδE负温范围：T下降，随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，逐渐变脆，称为钢材的低温冷脆。钢材的冲击韧性对温度的降低十分敏感。

2024/1/19冲击韧性和温度关系示意图脆性破坏两种破坏均有塑性破坏转变温度区冲击断裂功试验温度T1T0T2（1）冲击功曲线的反弯点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）钢材由塑性破坏转变为脆性破坏是在温度区间T1

～T2内完成的，此温度区间称为钢材的脆性转变温度区。（3）在脆性转变温度以下，钢材表现为完全的脆性破坏；而在全塑性转变温度以上，钢材则表现为完全的塑性破坏。（4）不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度，均应通过试验来确定。在钢结构设计中，为了防止脆性破坏，选用钢材时应使其工作温度大于T1,接近T0。2024/1/192.4.7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、动力荷载的作用、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(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。影响钢材出现脆性破坏的因素合理设计2024/1/19正确制造(1)严格按照设计要求进行制作，不得随意进行钢材代换，不得随意将螺栓连接该为焊接连接，不得随意加大焊缝厚度。(2)为了避免冷作硬化现象的发生，应采用钻孔或冲孔后再扩钻的方法，以及对剪切边进行刨边。(3)为了减少焊接残余应力导致的应力集中，应该制定合理的焊接工艺和技术措施，并由考试合格的焊工施焊，必要时可采用热处理方法消除主要构件中的焊接残余应力。(4)焊接中不得在构件上任意打火起弧，影响焊接的质量，应按照规范的要求进行。2024/1/19合理使用(1)不得随意改变结构使用用途或超负荷使用结构。(2)原设计在室温工作的结构，在冬季停产时要注意保暖。(3)不要在主要结构上任意焊接或附加零件悬挂物。(4)避免因生产和运输不当对结构造成的撞击或机械损伤。(5)平时对结构应注意检察和维护。

2024/1/192.6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2024/1/19钢的种类2024/1/19（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（厚度t≤16mm)的数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四部分按顺序组成。2024/1/19可省略2024/1/19（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（厚度t≤16mm)的数值、质量等级符号等三部分按顺序组成。2024/1/193904202024/1/19（3）优质碳素结构钢(GB/T699-1988)a)磷、硫等有害元素的含量均不大于0.035％，对于其他缺陷的限制也较严格。b)主要用作制造冷拔高强钢丝、高强螺栓以及自攻螺钉等。2024/1/192.6.2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4.5-60600-30004000-12000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2024/1/19（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)2024/1/19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P172附表1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)普通槽钢[高度[5[405～19轻型槽钢Q[高度Q[5Q[40其它几何参数查P173附表22024/1/19H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P80附表52024/1/19T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

32×2.5

351×163～12电焊钢管