2-结构钢材及其性能

1第二章结构钢材及其性能

补国斌《钢结构》2一、学习目的和要求深刻理解结构钢材一次受拉时的力学性能，各种力学指标的意义和用途，复杂应力状态下的屈服条件，以及冲击指标的意义。理解反复循环荷载作用下钢材疲劳强度，掌握设计规范中的疲劳强度的计算方法。深刻理解钢材脆性破坏的原因和危险后果，及设计中采用的合理防止措施;了解钢材种类和规格，理解如何正确选用钢材。3二、课程内容2.1

结构钢材一次拉伸时的力学性能2.2结构钢材的力学性能指标2.3结构钢材的脆性破坏2.4钢材的种类和规格4三、考核知识点(一) 结构钢材一次拉伸时的力学性能(二) 钢材的静力力学性能指标(三) 钢材的韧性指标(四) 钢材的疲劳强度(五) 结构钢材的塑性破坏和脆性破坏(六)钢材的牌号、规格和合理选用 1领会全过程曲线的四个阶段(一) 结构钢材一次拉伸时的力学性能(1)弹性阶段：应力应变为线性关系，即胡克定律；比例极限与弹性极限(2)弹塑性阶段：应力应变为非线性关系；卸载后有残余变形。屈服点(3)塑性阶段：应力应变形成水平线；屈服平台(4)强化阶段：钢材内部结晶组织重新排列，抵抗外力能力增强，应力应变呈上升的非线性关系。D点极限强度后发生颈缩现象。塑性破坏的概念和特征：P211识记化学成分和钢材轧制对工作性能和力学指标的影响(二) 结构钢材的力学性能指标(1)钢材力学性能指标：屈服点、抗拉强度、伸长率和弹性模量。①屈服点fy表示钢材的静力强度承载力极限，即钢材的抗拉（压和弯）强度标准值；②抗拉强度fu是衡量钢材抵抗拉断的性能指标，直接反映钢材内部组织的优劣，是结构的强度储备。③伸长率δ是衡量钢材塑性性能的一个指标。反映钢材产生巨大变形时，抵抗断裂的能力。δ5>δ10④弹性模量E是变形计算和超静定结构内力分析时必须的钢材性能指标。其他:冷弯180度；Z向收缩率（P23）1识记化学成分和钢材轧制对工作性能和力学指标的影响（P29-31及表2.4）(二) 结构钢材的力学性能指标(2)化学成分：碳素结构钢由钝铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占99％，碳及杂质元素约占1％。碳（C）碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素，是影响钢材强度的主要因素，随着含碳量的增加，强度提高，而塑性和韧性降低、尤其是低温冲击韧性下降，同时可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能明显降低。因此结构用钢的含碳量一般不应超过0.22%，对焊接结构应低于0.2%。硫（S）有害元素，降低钢材的塑性、韧性、可焊性、抗锈蚀性等，在高温时使钢材热脆。钢材中硫的含量不得超过0.05%，在焊接结构中不超过0.045%。磷(P)有害元素，它在低温下使钢冷脆。抗腐蚀能力略提高，可焊性降低。含量不得超过0.045%。2领会钢材以屈服点为强度设计指标的依据（P22）(二) 结构钢材的力学性能指标3领会钢材弹性模量大，弹性变形小（P22）4领会弹塑性范围不大，塑性阶段变形很大，因而结构接近理想弹性-塑性体（P21）5领会抗层状撕裂指标用于厚钢材，又在垂直于厚度方向受拉的情况（P23-6.Z向收缩率）6识记冲击韧性试验方法

领会冲击韧性的意义与相关要求（P25）

衡量抵抗脆性破坏的性能；Akv常温和负温要求；

钢材材质越好，击断试件耗功越大，钢材韧性愈好，不容易发生脆断；温度较低，优先选用冲击韧性好的钢材。7领会钢材高温软化和低温脆性的概念（P32）(二) 结构钢材的力学性能指标(1)高温软化：钢材在高温下，强度将降为0。(2)低温冷脆：温度低于常温时，随着温度降低钢材的脆性倾向将逐渐增加，负温下发生的脆性断裂称为低温冷脆。8识记循环荷载的种类，领会疲劳破坏（P25）(1)常幅循环荷载；(2)变幅循环荷载疲劳破坏的概念，性质：脆性破坏；疲劳强度的影响因素（P26，选择或填空）9简单应用常幅和变幅疲劳（吊车梁）计算方法（P29式2.9和2.13）对疲劳计算仍然沿用容许应力设计法10领会采用能量强度理论确定多轴应力下的屈服条件（P23）(二) 结构钢材的力学性能指标(1)能量强度理论（第四强度理论）：材料由弹性转为塑性状态时，综合强度指标要用变形时单位体积中积聚的能量来衡量。(2)折算应力：应用于钢材时的简化见P24式2.5与2.6。钢材在多轴应力状态下，当处于同号应力场时，产生脆性破坏；异号应力场时，发生塑性破坏。原理见教材P24.1领会钢材的两种可能破坏形式，区别和后果(三) 结构钢材的脆性破坏(1)塑性破坏：破坏前变形大，持续时间长，破坏时平均应力高。有预兆，危险性低。(2)脆性破坏：破坏前变形小，持续时间短，破坏时平均应力低。无预兆，危险性高。脆性破坏的原因（P32共4点）2领会应力集中现象，原因、后果与设计措施(P34)(三) 结构钢材的脆性破坏(1)应力集中：当试件表面不平，有缺口时，在轴心拉力下，截面上应力分布不均，缺口附近应力特别大。（P34图2.17）(2)原因：表面不平或构件中有裂纹、空洞、槽口、凹角等缺陷或厚度、宽度和截面有形状改变。(3)后果：直接导致脆性破坏(4)设计措施：尽量避免截面突变、做成圆滑过渡型、必要时表面加工3领会冶金缺陷和温度变化引起的脆性破坏(P32)(三) 结构钢材的脆性破坏冶金缺陷使钢材变脆：常见冶金缺陷：偏析；非金属夹杂；裂纹温度变化：高温软化和低温冷脆；蓝脆4领会时效硬化与冷作硬化的现象和原因(P33)(三) 结构钢材的脆性破坏冷作硬化：当钢材受荷载作用进入弹塑性阶段及以后时，间接重复加载使弹性变形范围扩大的现象。时效硬化：钢材随时间增长强度提高而塑性和韧性大大降低，属于物理化学现象。相同点：扩大了弹性工作范围，减少了钢材塑性不同点：时效硬化还提高了钢材抗拉强度。1识记建筑结构中采用的钢材牌号和用途(四)

钢材种类和规格钢材牌号的表示方法对于碳素钢由字母Q、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号4个部分按顺序组成。如Q235AF，Q是屈服强度中屈字汉语拼音的字首，235表示以N/mm2为单位屈服强度的大小，A、B、C或D等表示按质量划分的级别。最后还有一个表示脱氧方法的符号如F（沸腾钢）,Z（镇静钢）或bZ（半镇静钢）、TZ（特殊镇静钢）。用途对于重要构件或工作较繁重时，尤其是在负温下工作的焊接结构应采用镇静钢或半镇静钢，其他情况可采用沸腾钢。特种镇静钢对碳、硫、磷的含量限制跟严，属D级，用于特殊需要高质量的焊接结构中。2识记各种钢材的规格和特性(四)

钢材种类和规格钢材有热轧成型和冷轧成型两大类。热轧成型又有钢板和型钢两种。（1）热轧钢板：表示方法为厚×宽×长（2）热轧型钢：2识记各种钢材的规格和特性(四)

钢材种类和规格（2）热轧型钢：角钢——有等边和不等边两种。等边角钢，以边宽和厚度表示，如L100x10为肢宽100mm、厚10mm的等边角钢。不等边角钢，则以两边宽度和厚度表示，如L100x80x10等。槽钢——我国槽钢有两种尺寸系列，即热轧普通槽钢与热轧轻型槽钢。前者的表示法如［30a，指槽钢外廓高度为30cm且腹板厚度为最薄的一种；后者的表示法例如［25Q，表示外廓高度为25cm,Q是汉语拼音“轻”的拼音字首。同样号数时，轻型者由于腹板薄及翼缘宽而薄，因而截面积小但回转半径大，能节约钢材减少自重。不过轻型系列的实际产品较少。2识记各种钢材的规格和特性(四)

钢材种类和规格（2）热轧型钢：工字钢——与槽钢相同，也分成上述的两个尺寸系列：普通型和轻型。与槽钢一样，工字钢外轮廓高度的厘米数即为型号，普通型者当型号较大时腹板厚度分a、b及c三种。轻型的由于壁厚已薄故不再按厚度划分。两种工字钢表示法如：I32c,I32Q等。H型钢——分为宽翼缘H型钢（HW）、中翼缘H型钢（HM）和窄翼缘H型钢（HN）。H型钢型号的表示方法是先用符号HW、HM和HN表示H型钢的类别，后面加“高度（毫米）x宽度（毫米）”,例如HW300x300，即为截面高度为300mm，翼缘宽度为300mm的宽翼缘H型钢。两者差别？3领会据使用要求、条件和受力状况等合理选用钢材(四)

钢材种类和规格选择钢材的目的是要做到结构安全可靠，同时用材经济合理。为此，在选择钢材时应考虑下列各因素：1.结构或构件的重要性；2.荷载性质（静载或动载）;3.连接方法（焊接、铆接或螺栓连接）;4.工作条件（温度及腐蚀介质）。对于重要结构、直接承受动载的结构、处于低温条件下的结构及焊接结构，应选用质量较高的钢材。P37（记牢）承重结构、焊接承重结构及重要的非焊接承重结构、需验算疲劳的焊接结构、需验算疲劳的非承重结构的要求；不应采用Q235F的情况2011.7试题7.冲击韧性值较高的钢材(

)A.设计强度值较高B.弹性模量值较高C.抗脆性破坏的能力较强D.可焊性较好2008.7试题3．钢材的伸长率可以通过下列哪项试验来获得？（）A．冷弯180°试验 B．单向一次拉伸试验C．疲劳试验 D．冲击试验2009.7试题22．钢材承受动力荷载作用时，抵抗脆性破坏的性能用______指标来衡量。2008.7试题5．影响钢材疲劳强度的主要因素不包括（）A．构造状况 B．应力幅C．循环荷载重复的次数 D．钢材的静力强度2008.7试题4．建筑钢材的抗剪屈服点和抗拉屈服点之间的关系是（

）A．fyv=fy B．fyv=fyC．fyv=3fy D．fyv=fy/2012.7试题24．在三向应力状态下，钢材转入塑性状态的综合强度指标称为_________。2010.7试题4.按设计规范直接受动荷载作用的构件，钢材应保证的指标为()A.fu、fy、E、冷弯180°和AKV

B.δ5、fy、E、冷弯180°和AKVC.fu、δ5

、E、冷弯180°和AKV

D.fu、δ5、fy、冷弯180°和AKV2009.7试题2．已知某钢材的屈服强度标准值为250N／mm2，抗拉强度最小值为390N／mm2，材料分项系数为1.087，则钢材的强度设计值应为（

）A．360N／mm2 B．270N／mm2C．