钢结构课件第二章

第二章钢结构的材料1.掌握对钢结构用材的要求；2.掌握钢材的主要性能及其鉴定、影响钢材性能的因素及破坏形式；3.能够正确选用钢材；了解建筑钢材的类别及其表达方式。

大纲要求

第2章

钢结构的材料

2.1钢结构对材料的要求钢的种类繁多，性能差别很大，适用于钢结构的只有碳素钢及合金钢中少数几种。钢结构的钢必须符合下列要求：(1)较高的抗拉强度和屈服点。是衡量结构承载能力的指标，高则可减轻结构自重。是衡量钢材经过较大变形后的抗拉能力，反映钢材内部组织的优劣，高可以增加结构的安全保障。(2)足够的变形能力较高的塑性和韧性，塑性和韧性好，减轻结构脆性破坏的倾向，通过较大的塑性变形调整局部应力，具有较好的抵抗重复荷载作用的能力。

2.1钢结构对材料的要求(3)良好的工艺性能(包括冷加工、热加工和可焊性能)易于加工成各种形式的结构，不致因加工而对结构的强度、塑性、韧性等造成较大的不利影响。根据具体工作条件，有时还要求具有适应低温、高温和腐蚀性环境的能力。设计规范规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度（tensilestrength）、伸长率(elongation)、屈服点(yieldpoint)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；焊接承受结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材应具有冷弯试验的合格保证。《钢结构设计规范》3.3.32.2钢材的破坏形式钢材有两种性质完全不同的破坏形式：塑性破坏和脆性破坏。

塑性破坏（ductilefracture）：由于变形过大，超过了材料或构件可能的应变能力，在构件的应力达到了钢材的抗拉强度后才发生。

破坏特点：破坏前构件产生较大的塑性变形。由于较大的塑性变形发生，且变形持续的时间较长，很容易及时发现而采取措施予以补救，不致引起严重后果。塑性变形后出现内力重分布，使结构中原先受力不等的部分应力趋于均匀，因而提高结构的承载能力。

2.2钢材的破坏形式

脆性破坏(brittlefracture)：破坏前塑性变形很小，甚至没有塑性变形，计算应力可能小于钢材的屈服点，断裂从应力集中处开始。冶金和机械加工过程中产生的缺陷，特别是缺口和裂纹，常是断裂的发源地。

破坏特点：破坏前没有任何预兆，破坏是突然发生的。由于脆性破坏前没有明显的预兆，无法及时觉察和采取补救措施，而且个别构件的断裂常引起整个结构塌毁，后果严重，损失较大。在设计、施工和使用钢结构时，要特别注意防止出现脆性破坏。

2.3钢材的主要性能钢材标准试件在常温、静载情况下，单向均匀受拉试验时得到的应力－应变曲线可获得许多有关钢材性能的信息。d拉伸试验：标准试件，常温，静载（缓慢加载），一次完成（均匀拉伸）。一、单向拉伸时的钢材性能钢材单向拉伸试验动画2.3钢材的主要性能一、单向拉伸时的钢材性能ABOEDCABOEDC2.3钢材的主要性能一、单向拉伸时的钢材性能1.阶段划分OB段：弹性阶段OA段：线弹性阶段（比例极限）AB段：非线性弹性阶段（弹性极限）ABOEDC2.3钢材的主要性能一、单向拉伸时的钢材性能1.阶段划分非弹性性质，卸载曲线成为与OA平行的直线，留下永久型的残余变形。屈服点yeildpointBC段：弹塑性阶段ABOEDC2.3钢材的主要性能一、单向拉伸时的钢材性能1.阶段划分CD段：塑性阶段屈服平台，应力保持不变，应变继续增加ABODC2.3钢材的主要性能一、单向拉伸时的钢材性能1.阶段划分DE段：强化阶段随荷载的增加σ缓慢增大,但ε增加较快材料强度又有所增加E颈缩现象（necking）极限抗拉强度ABODC2.3钢材的主要性能一、单向拉伸时的钢材性能2.理想弹塑体EfyεO对于没有缺陷和残余应力影响的试件，比例极限和屈服点比较接近，且屈服点前的应变很小。为了简化计算，假定屈服点前钢材为完全线弹性，屈服点后为完全塑性，把钢材视为理想的弹塑体。这种简化，与实际误差不大，大大方便计算，成为钢结构设计的理论基础。ABODC2.3钢材的主要性能一、单向拉伸时的钢材性能3.强度性能指标Efp—比例极限(proportionallimit),钢材线弹性阶段的最大应力值，弹性极限fe是与其数值上很接近，故通常只提比例极限。ABODC2.3钢材的主要性能一、单向拉伸时的钢材性能3.强度性能指标Efy—屈服点，进入塑性阶段的应力值，当构件中的应力达到屈服点时，结构会因过度的塑性变形而不适合继续承载，是钢结构设计中应力允许达到的最大限值。ABODC2.3钢材的主要性能一、单向拉伸时的钢材性能3.强度性能指标Efu—抗拉强度(tensilestrength),钢材受拉时所能承受的极限应力。衡量钢材经过巨量变形后的抗拉能力，反映钢材的内部优劣。强度计算以fy作为强度限值，fu为结构的安全储备。2.3钢材的主要性能4.塑性性能伸长率(elongation)它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。当l0/d=5时，用δ5表示，当l0/d=10时，用δ10表示。一、单向拉伸时的钢材性能构件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比。二、冷弯性能(cold-bendingbehavior)2.3钢材的主要性能冷弯性能由冷弯试验来确定。试验时按照国家规定的弯心直径在试验机把试件弯曲180°，如试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。二、冷弯性能2.3钢材的主要性能检验材料承受规定的弯曲变形能力的大小；显示其内部的冶金缺陷。规范规定，焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材，均应具有冷弯试验的合格保证。判断钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标。三、冲击韧性(notchtoughness)2.3钢材的主要性能冲击韧性试验，也称缺口韧性，通常用带有夏比V型缺口的标准试件做冲击试验，以冲断试件所消耗的能量大小，用Cv来表示，以此判断钢材冲击韧性的高低。三、冲击韧性2.3钢材的主要性能冲击韧性试验可获得钢材的一种动力性能。冲击韧性是钢材强度和塑性的综合指标。冲击韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力。由于低温对钢材的脆性破坏有显著影响，在寒冷地区承受动力作用的重要承重结构，不但要求钢材具有常温(20℃)冲击韧性指标，还要求具有负温(0℃、-20℃或-40℃)冲击韧性指标。钢材单调拉伸应力－应变曲线提供了三个重要的力学性能指标：抗拉强度fu、伸长率δ和屈服点fy。抗拉强度fu是钢材一项重要强度指标，反映钢材受拉时能承受的极限应力；伸长率δ是衡量钢材断裂前所具有的塑性变形能力的指标，其相应伸长率分别用δ5或δ10表示；屈服点fy是钢结构设计中应力允许达到的最大限值。冷弯性能是判断钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标。冲击韧性是钢材强度和塑性的综合指标，判断钢材的动力性能。总结

可焊性：采用一般焊接工艺就可完成合格的（无裂纹的）焊缝的性能。可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。（1）碳素钢的可焊性最好：碳含量0.12%～0.20%（2）低合金钢的可焊性：碳当量碳当量小于0.38%时，可焊性很好。钢材可焊性的优劣实际上是指钢材在采用一定的焊接方法、焊接材料、焊接工艺参数及一定的结构形式等条件下，获得合格焊缝的易难程度。可焊性稍差的钢材，要求更为严格的工艺措施。四、可焊性2.4各种因素对钢材主要性能的影响一、化学成分的影响钢由各种化学成分组成，化学成分及其含量对钢的性能特别是力学性能有着重要的影响。普通碳素钢中铁(Fe)占99%，其他杂质元素占1%；普通低合金钢中合金元素＜5%。碳和其他元素仅占1％，但对钢材的力学性能却有着决定性的影响。在碳素钢中，碳（C）是仅次于纯铁的主要元素。碳（C）直接影响钢材的强度、塑性、韧性和可焊性等。碳含量增加，钢的强度提高，而塑性、韧性和疲劳强度下降，可焊性降低，抗腐蚀性降低。因此，对含碳量要加以限制，一般不应超过0.22％，在焊接结构中还应低于0.20％。

2.4各种因素对钢材主要性能的影响一、化学成分的影响硫(S)和磷(P)(特别是硫)—有害成分

降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度。高温时，硫使钢变脆—热脆；低温时，磷使钢变脆—冷脆。一般硫的含量应不超过0.045％，磷的含量不超过0.045％。但是，磷可提高钢材的强度和抗锈性。高磷钢，磷含量可达0.12％，这时应减少钢材中的含碳量，以保持一定的塑性和韧性。氧(O)和氮(N)—有害杂质

氧使钢热脆；氮使钢冷脆。由于氧、氮容易在熔炼过程中逐出，一般不会超过极限含量，故通常不要求做含量分析。

硅(Si)和锰(Mn)—有益元素

炼钢的脱氧剂。使钢材的强度提高，含量适宜时，对塑性和韧性无显著的不良影响。钒(V)和钛(Ti)—合金元素

提高钢的强度和抗腐蚀性能，又不显著降低钢的塑性。

铜(Cu)—在碳素结构钢中属于杂质成分，

可以显著提高钢的抗腐蚀性能和钢的强度，但对可焊性有不利影响。常见的冶金缺陷—偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹及分层等。

偏析

钢中化学成分不一致和不均匀性，特别是硫、磷偏析严重恶化钢材的性能。

非金属夹杂

钢中含有硫化物与氧化物等杂质。

气孔浇注钢锭时，由氧化铁与碳作用所生成的一氧化碳气体不能充分逸出而形成的。

分层

浇注时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层，会严重降低钢材的冷弯性能。冶金缺陷对钢材性能的影响，不仅在结构或构件受力工作时表现出来，有时在加工制作过程中也可表现出来。二、冶金缺陷的影响

时效硬化（俗称老化）高温时熔化于铁中的氮和碳，随着时间的增长逐渐从纯铁中析出，形成自由氮化物和碳化物，对纯铁体的塑性变形起遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性、韧性下降。

冷作硬化(或应变硬化)

冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大塑性变形，卸载后再重新加载，从而提高了钢的屈服点，同时降低了钢的塑性和韧性。三、钢材硬化的影响三、钢材硬化的影响人工时效----时效硬化的过程一般很长，但如在材料塑性变形后加热，可使时效硬化发展特别迅速。应变时效----应变硬化(冷作硬化)后又加时效硬化。一般钢结构中，不利用硬化提高的强度，有些重要结构要求对钢材进行人工时效后检验其冲击韧性，以保证足够的抗脆性破坏能力。另外，应将局部硬化部分用刨边或扩钻予以消除。在钢材产生一定塑性变形后，铁素体晶体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。四、温度的影响

钢材性能随温度变化

温度升高，钢材强度降低，应变增大；温度降低，钢材强度略有增加，塑性和韧性却会降低而变脆。200℃以内钢材性能没有很大变化，430℃~540℃之间强度急剧下降，600℃时强度很低不能承担荷载。8006004002000N/mm2Efuδfy200400600温度对钢材机械性能的影响20406080δ%220210200190180170160Ex103T(0C)8006004002000N/mm2Efuδfy200400600温度对钢材机械性能的影响20406080δ%220210200190180170160Ex103T(0C)600℃左右弹性模量趋于零，承载能力几乎完全丧失

蓝脆现象

250℃左右，钢材的强度略有提高，同时塑性和韧性均下降，材料有转脆的倾向，钢材表面氧化膜呈现蓝色。钢材应避免在蓝脆温度范围内进行热加工。

徐变现象

当温度在260℃~320℃时，在应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形。低温冷脆

当温度从常温开始下降，特别是在负温度范围内时，钢材强度虽有提高，但其塑性和韧性降低，材料逐渐变脆。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四、温度的影响随着温度的降低，Cv值迅速下降，材料将由塑性破坏转变为脆性破坏，同时可见这一转变是在一个温度区间T1~T2内完成的，此温度区T1~T2称为钢材的脆性转变温度区。转变温度区内曲线的反弯点(最陡点)所对应的温度T0称为转变温度。如果把低于T0完全脆性破坏的最高温度T1作为钢材的脆断设计温度即可保证钢结构低温工作的安全。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钢材的工作性能和力学性能指标是以轴心拉杆件中应力沿截面均匀分布的情况作为基础的。实际上存在着孔洞、截面突变以及钢材内部缺陷等。构件中的应力分布不再均匀，某些区域产生局部高峰应力，另外一些区域应力降低，形成所谓应力集中现象。高峰区的最大应力与净截面的平均应力之比称为应力集中系数。研究表明，应力高峰区存在着同号的双向或三向应力，使钢材变脆。应力集中系数愈大，变脆的倾向愈严重。钢材塑性较好，在一定程度上能促使应力进行重分配，使应力趋于平缓。五、应力集中的影响五、应力集中的影响静载、常温

可不考虑应力集中的影响。动载、负温

应力集中的影响十分突出，引起脆性破坏，故在设计中应采取措施避免或减小应力集中，并选用质量优良的钢材。六、反复荷载作用的影响反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。疲劳

在直接的连续反复的动力荷载作用下，根据试验，钢材的强度将降低，即低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的极限强度。疲劳破坏表现为突然发生的脆性断裂。实际上疲劳破坏是累积损伤的结果。材料总是有“缺陷”的，在反复荷载作用下，先在其缺陷发生塑性变形和硬化而生成一些极小的裂痕，此后这种微观裂痕逐渐发展成宏观裂纹，试件截面削弱，而在裂纹根部出现应力集中现象，使材料处于三向拉伸应力状态，塑性变形受到限制，当反复荷载达到一定的循环次数时，材料终于破坏，并表现为突然的脆性断裂。介绍了各种因素对建筑钢材基本性能的影响，研究和分析这些影响的最终目的是了解建筑钢材在什么条件下可能发生脆性破坏，从而可以采取措施予以防止。为了防止脆性破坏的发生，一般需要在设计、制造及使用中注意：(1)

合理的设计

构造力求合理，均匀、连续地传递应力，避免构件截面剧烈变化。低温，受动力作用时应选择合适的钢材，使所用钢材的脆性转变温度低于结构的工作温度。(2)

正确的制造

严格遵守设计的技术要求，例如尽量避免使材料出现应变硬化，要正确地选择焊接工艺，保证焊接质量。(3)

正确的使用

例如，不在主要结构上任意焊接附加的零件，不任意悬挂重物。总结2.5

复杂应力作用下钢材的屈服条件单向拉伸应力达到屈服点时，钢材即进入塑性状态。复杂应力状态

如平面或立体应力作用下，钢材由弹性状态转入塑性状态的条件是按能量强度理论计算的折算应力与单向应力下的屈服点相比较来判断：当＜时，为弹性状态；≥时为塑性状态。

１）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；２）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。能量强度理论的假定oZXY单元体受复杂应力（应力分量）单元体受主应力2.5

复杂应力作用下钢材的屈服条件1.以应力分量表示2.以主应力表示材料处于弹性状态材料处于塑性状态＜2.5

复杂应力作用下钢