钢结构制作与安装（第4版）课件：建筑钢材

建筑钢材1建筑钢材的主要力学性能2影响钢材性能的主要因素3建筑结构用钢的种类、规格及选择1熟悉钢材的主要机械性能及影响因素。2掌握钢材的种类、规格。3能进行钢材的选择。教学内容

学习目标

课题1建筑钢材的力学性能1强度强度是材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力。

体现材料的承载能力。

强度的主要指标有屈服强度fy

和抗拉强度fu

，通过拉伸试验测得。

演示试验

A.有屈服点钢材应力-应变曲线屈服点ƒy：设计时钢材可达到的最大应力。它是钢材开始塑性工作的特征点。抗拉强度fu：钢材破坏前能够承受的最大应力。强屈比：抗拉强度和屈服点之比,反应结构的储备能力。

有屈服点钢材的应力-应变曲线B.对无明显屈服点的钢材的应力-应变曲线

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。

2塑性

塑性：当应力超过屈服点后，能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。

塑性好坏可用伸长率

和断面收缩率

表示，通过拉伸试验测得。A0A1伸长率δ

试件断裂前的永久变形与原标定长度的百比。式中：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。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。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。A0A13韧性----冲击韧性

韧性:材料在冲击载荷作用下,抵抗变形和断裂的能力。

韧性表示钢材抵抗冲击荷载的能力.韧性越好，则发生脆性断裂的可能性越小。是强度与塑性的综合表现。

韧性衡量指标:冲击韧性值，也叫冲击功，用符号Akv表示，单位为J。通过冲击试验测定。

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。4

冷弯性能

冷弯性能是指钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。

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。

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。5良好的工艺性能可焊性：表征钢材焊接后具备良好焊接接头性能的能力（不产生裂纹，焊缝影响区材性满足有关要求）。可焊性分为施工上的可焊性和使用性能上的可焊性。施工上的可焊性：对产生裂纹的敏感性。使用性能上的可焊性：焊接构件在焊接后的力学性能是否低于母材。下一页小结建筑钢材的力学性能一、强度屈服强度fy－设计标准值（设计时可达的最大应力）;抗拉强度fu－钢材的最大应力，fu/fy为钢材的强度安全储备系数。二、塑性材料发生塑性变形而不断裂的性质。用伸长率衡量。三、韧性－钢材在断裂或塑变时吸收能量的能力。

用于表征钢材抗冲击荷载及动力荷载的能力，是强度与塑性的综合表现。用冲击功衡量，分常温与负温要求。四、冷弯性能

钢材发生塑变时对产生裂纹的抵抗能力。是判别钢材塑性及冶金质量的综合指标。五良好的工艺性能

主要指良好的可焊性。课题2各种因素对钢材主要性能的影响FeV主要成分钢材CSiMn有益元素重要元素有害元素PSNO1.化学成份的影响有益元素及影响CC↑使强度↑，塑性、韧性、抗腐蚀性降低、可焊性↓；应控制在≤0.22%，焊接结构应控制在≤0.20%Si强脱氧剂，可细化精粒，含Si适量提高强度，且不影响其它性能，但过量会恶化焊接性和抗锈性.应控制≤0.3%。Mn有益合金元素。弱脱氧剂

，含Mn适量使强度↑，降低S、O的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大。

有害元素及影响S含量↑，使强度↑，塑性、韧性、冷弯性能、可焊性↓；高温时使钢材热脆；不得超过0.05%。P低温时使钢材冷脆；抗腐蚀性略有提高，可焊性降低。不得超过0.045%。O、NO同S；N同P，控制含量≤0.008%。冶金缺陷及影响偏析金属结晶后化学成分分布不均匀，主要是硫、磷偏析，使偏析区钢材的塑性、韧性、可焊性变差。非金属夹杂钢材中的非金属化合物，如硫化物、氧化物，使钢材性能变脆。裂纹钢材中存在的微观裂纹。气泡浇铸时一部分气体不能充分逸出而滞留在钢锭形成的微小空洞。使钢材性能变脆。分层浇铸时的非金属夹杂，在轧制后可能造成钢材分层，使钢材性能变脆。2.冶金与轧制的影响

反复的轧制可以改善钢材的塑性，同时可以使钢材中的气孔、裂纹、疏松等缺陷焊合，使金属晶体组织密实，晶粒细化，消除纤维组织缺陷，使钢材的力学性能提高。3.钢材的硬化

由于某种因素的影响而使钢材强度提高，塑性、韧性下降，增加脆性的现象称之为硬化现象。

硬化对钢材性能的影响a)时效硬化及冷作硬化b)应变时效硬化钢材的硬化：冷作硬化、时效硬化、人工时效钢材的硬化冷作硬化冷加工时（常温进行弯折、冲孔剪切等），钢材发生塑性变形从而使钢材变硬的现象。时效硬化钢材中的C、N，随着时间的增长和温度的变化，形成碳化物和氮化物，使钢材变脆的“老化”现象。人工时效应变时效——钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易析出。即冷作硬化的同时可以加速时效硬化，因此也称“人工时效”

4.应力集中与残余应力的影响应力集中应力集中产生的原因应力集中的影响不正确的设计（构造不合理）、制造（不光滑）及使用（在构件上乱打火等），使钢构件由于截面的改变以及孔洞、凹槽、裂纹等原因在构件内产生应力集中。（1）应力集中使钢材变脆。（2）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。（3）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。残余应力残余应力产生的原因残余应力的影响钢材在冶炼、轧制、焊接、冷加工等过程中，由于不均匀的冷却、组织构造的变化而在钢材内部产生的不均匀的应力。对构件的变形（刚度）、疲劳以及稳定承载力产生不利影响,残余应力的存在易使钢材发生脆性破坏。消除残余应力设备5.复杂应力的影响

钢材在多向同号应力场作用下，一向的变形受到另一向的限制，而使钢材强度增加，塑性、韧性下降，异号应力场时则相反。6、温度的影响

正温影响：总体影响规律为温度上升，钢材的强度降低，塑性、韧性提高，这一现象称之为热塑现象。温度达600o左右时，钢材的强度几乎降至为零，而塑性、韧性极大，易于进行热加工。

需要说明：钢材在300o左右时，强度提高，塑性、韧性下降，钢材表面呈蓝色，这一反覆现象称之为蓝脆现象。钢材在300o以上时应采取隔热措施。

负温影响：随着温度的降低钢材的强度提高，塑性、韧性降低，脆性增大，称之为低温冷脆。

小结：影响钢材机械性能的因素1、化学成分2、冶金缺陷（偏析、非金属夹杂、裂纹）；3、冷作硬化和时效硬化4、应力集中和残余应力的影响5、复杂应力状态6、温度的影响（热脆、低温冷脆）课题3钢材的种类、规格及选择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+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（1）碳素结构钢（GB/T700-1988）

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、脱氧方法符号四部分按顺序组成。牌号Q195Q215Q235Q255Q275特点含碳量、强度↑塑性↓供货提供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

说明：质量等级A保证fy、fu、

保证以及C、Mn、Si、S、P含量、可附加冷弯试验要求B保证fy、fu、

以及冲击韧性、冷弯试验指标、化学成分C、Mn、Si、S、P含量，20℃时的Akv值C保证fy、fu、

以及冲击韧性、冷弯试验指标、化学成分C、Mn、Si、S、P含量，0℃时的Akv值D保证fy、fu、

以及冲击韧性、冷弯试验指标、化学成分C、Mn、Si、S、P含量，-20℃时的Akv值钢材按脱氧方法分：沸腾钢（F）、镇静钢（Z）、特殊镇静钢（Tz）。（2）低合金高强度结构钢(GB/T1591-1994)

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、质量等级符号三部分按顺序组成。牌号Q295Q345Q390Q420Q460特点含碳量、强度↑塑性↓供货提供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（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。注：碳素结构钢分：A、B、C、D四级，含所有脱氧方法。低合金结构钢分：A、B、C、D、E五级，只有镇静钢和特殊镇静钢。

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”

厚度（mm）宽度（mm）长度（mm）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)2、热轧型钢常用的型钢:角钢、工字型钢、槽钢和H型钢、钢管等。

1）角钢角钢分类型号或表示方法最小规格最大规格等边角钢L边长×厚度L20×3L200×24不等边角钢L长边×短边×厚度L25×16×3L200×125×182、热轧型钢常用的型钢:角钢、工字型钢、槽钢和H型钢、钢管等。

2）工字钢工字钢分类型号或表示方法（cm）最小规格最大规格普通工字钢I高度I10I63轻型工字钢QI高度QI10QI702）槽钢槽钢分类型号或表示方法（cm）最小规格最大规格普通槽钢[高度[5[40轻型槽钢Q[高度Q[5Q[403）H型钢H型钢分类表示方法最小规格（mm）最大规格（mm）宽翼缘H型钢HW高×宽×腹板厚×翼缘厚HW100×100×6×8HW400×400×13×21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H100×50×3×3H350×175×4.5×64）T型钢t

5）钢管

T型钢分类型号或表示方法单位mm最小规格最大规格宽翼缘T型钢TW高×宽TW50×100TW200×400中翼缘T型钢TM高×宽TM74×100TW300×300窄翼缘T型钢TN高×宽TN50×50TN350×200钢管分类型号或表示方法单位mm最小规格最大规格热轧无缝钢管

直径×壁厚

32×2.5

351×16电焊钢管（直焊缝、螺旋焊缝）

直径×壁厚

32×2

152×5.56）冷弯薄壁型钢和压型钢板冷弯薄壁型钢（壁厚1.5-6mm）和压型钢板（壁厚0.4-1.6mm），截面形式和尺寸均可按受力特点合理设计，能充分利用钢材的强度，达到节约钢材的目的。在国内外轻钢建筑结构中被广泛应用。冷弯薄壁型钢压型钢板压型钢板的应用1、选择钢材的原则

安全可靠，满足使用要求，经济合理。2、选择钢材时考虑的因素为了保证承重结构的承载能力，防止出现脆性破坏，在选择钢材时应具体考虑以下因素：结构或构件的重要性、荷载特征、连接方式、工作环境、结构的应力状态、钢材的厚度。3建筑结构用钢的选择3、钢材选择的建议1）承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢。

2）承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚具有含碳量的合格保证。3）对于需要验算疲劳的焊接结构和非焊接结构，应具有冲击韧性的合格保证。4）重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于16mm的钢材应具有常温冲击韧性合格的保证。5)当焊接结构为防止钢材的层状撕裂而采用Z向钢时，其材质应符合现行国家标准《厚度方向性能钢板》GB/T5313的规定。6)对于外露环境，且对大气腐蚀有特殊要求的或在腐蚀性气态和固态介质作用下的承重结构，宜采用耐候钢，其质量要求应符合现行国家标准《焊接耐候钢》GB/T4172的规定。

耐候钢，即耐大气腐蚀钢，是介于普通钢和不锈钢之间的低合金钢系列，耐候钢由普碳钢添加少量铜、镍等耐腐蚀元素而成，具有优质钢的强韧、塑延、成型、焊割、磨蚀、高温、抗疲劳等特性。补充1、耐候钢1）耐候钢原理：钢中加入磷、铜