2 第2章 钢结构的材料
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钢结构的材料
钢结构的材料
钢结构作为一种常见的建筑结构材料，具有许多优点，如高强度、耐腐蚀、可
塑性好等特点，因此在现代建筑中得到了广泛的应用。
在钢结构中，材料的选择对于结构的性能和稳定性起着至关重要的作用。
下面将就钢结构中常用的材料进行介绍。
首先，钢结构中最常用的材料就是碳素钢。
碳素钢具有良好的可塑性和焊接性，同时具有较高的强度，因此在一般建筑中被广泛使用。
然而，碳素钢的耐腐蚀性较差，因此在潮湿或腐蚀环境中需要进行防护措施，以延长其使用寿命。
其次，不锈钢也是钢结构中常用的材料之一。
不锈钢具有良好的耐腐蚀性，因
此在潮湿或腐蚀环境中具有较好的稳定性，同时不锈钢还具有较高的强度和硬度，因此在特殊环境或对材料要求较高的场合得到广泛应用。
另外，钢结构中还常用合金钢。
合金钢通过添加一定比例的合金元素，如铬、镍、钼等，可以显著改善钢的性能。
合金钢具有较高的强度、硬度和耐磨性，因此在一些对材料要求较高的工程中得到了广泛应用。
除了上述几种常用的钢结构材料外，钢结构中还有一些新型材料得到了发展和
应用，如高强度钢、耐磨钢等。
这些新型材料具有更高的强度、更好的耐磨性能，可以满足一些特殊工程对材料性能的要求。
总的来说，钢结构的材料选择应根据具体的工程要求和使用环境来进行合理选择。
不同的材料具有不同的特点和适用范围，因此在工程设计中需要根据实际情况进行综合考虑，以确保结构的安全和稳定。
希望本文对钢结构材料的选择有所帮助。
钢结构复习题
第2章钢结构材料一、选择题1 钢材在低温下，强度——，塑性——，冲击韧性——。
(A)提高 (B)下降 (C)不变 (D)可能提高也可能下降2 钢材的设计强度是根据——确定的。
(A)比例极限 (B)弹性极限 (C)屈服点 (D)极限强度3 在构件发生断裂破坏前，有明显先兆的情况是——的典型特征。
(A)脆性破坏 (B)塑性破坏 (C)强度破坏 (D)失稳破坏4 结构工程中使用钢材的塑性指标，目前最主要用——表示。
(A)流幅 (B)冲击韧性 (C)可焊性 (D)伸长率5 钢材牌号Q235，Q345，Q390是根据材料——命名的。
(A)屈服点 (B)设计强度 (C)标准强度 (D)含碳量6 钢材经历了应变硬化(应变强化)之后——。
(A)强度提高 (B)塑性提高 (C)冷弯性能提高 (D)可焊性提高7 型钢中的H钢和工字钢相比，——。
(A)两者所用的钢材不同 (B)前者的翼缘相对较宽(C)前者的强度相对较高 (D)两者的翼缘都有较大的斜8 同类钢种的钢板，厚度越大，——。
(A)强度越低 (B)塑性越好 (C)韧性越好 (D)内部构造缺陷越少 是钢材的——指标。
9k(A)韧性性能 (B)强度性能 (C)塑性性能 (D)冷加工性能10符号L 125X80XlO表示——。
(A)等肢角钢 (B)不等肢角钢 (C)钢板 (D)槽钢11钢材的冷作硬化，使——。
(A)强度提高，塑性和韧性下降 (B)强度、塑性和韧性均提高(C)强度、塑性和韧性均降低 (D)塑性降低，强度和韧性提高12 承重结构用钢材应保证的基本力学性能内容应是——。
(A)抗拉强度、伸长率 (B)抗拉强度、屈服强度、冷弯性能(C)抗拉强度、屈服强度、伸长率 (D)屈服强度、伸长率、冷弯性能13 对于承受静荷载常温工作环境下的钢屋架，下列说法不正确的是——。
(A)可选择Q235钢 (B)可选择Q345钢(C)钢材应有冲击韧性的保证 (D)钢材应有三项基本保证13 钢材的三项主要力学性能为——。
第二章钢结构的材料2
耐久性需要考虑的有耐腐蚀性、“时效”
现象、疲劳现象等。 耐腐蚀性
钢材在潮湿或腐蚀性环境中工作，需要注 意防锈涂装。 时效
随着时间的增长，钢材的力学性能有所改 变称作时效。
23
疲劳
钢材在多次循环反复荷载作用下，即使 应力低于屈服点σs也可能发生破坏的现象 称疲劳破坏
持久强度
高温和长期荷载作用下，其屈服强度有
1.较高的抗拉强度σb和屈服点σs； 2.较好的塑性、韧性； 3.良好的工艺性能（冷、热加工，可焊性）； 4.对环境的良好适应性。
3
钢材性能的要求主要有： • 强度 • 塑性 • 韧性 • 冷弯性 • 耐久性 • 可焊性 • Z向伸缩率
4
强度 强度是材料受力时抵抗破坏的能力。说明钢
材强度性能的指标有弹性模量E、比例极限σp、 屈服点σs和抗拉强度σb（fu ）等。这些指标可 以根据钢材标准试件一次单向拉伸试验确定。
ε0 ε ε
0.15% 2.5%-3%
1)σs与σp相差很小； 2)超过 σs到屈服台阶终
止的变形约为2.5%-3%，足以满足考虑结 构的塑性变形发展的 要求。
14
（2）钢材在静载作用下：
强度计算以σs为依据; σb为结构的安全储备。
（3）断裂时变形约为弹性变形的200倍，在破坏前
产生明显可见的塑性
采用短试件l0/d=3, 屈服点同单向拉伸时的屈服点。 （三）受弯时的性能
同单向拉伸时的性能，屈服点也相差不多。
（四）受剪时的性能
抗剪强度可由折算应力计算公式得到：
fvfy y3
（ 23 ）G 79 103N m m 2
18
二、冲击韧性
衡量钢材在动力（冲击）荷载、复杂应 力作用下抗脆性破坏能力的指标，用断裂时吸 收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。
现象、疲劳现象等。 耐腐蚀性
钢材在潮湿或腐蚀性环境中工作，需要注 意防锈涂装。 时效
随着时间的增长，钢材的力学性能有所改 变称作时效。
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疲劳
钢材在多次循环反复荷载作用下，即使 应力低于屈服点σs也可能发生破坏的现象 称疲劳破坏
持久强度
高温和长期荷载作用下，其屈服强度有
1.较高的抗拉强度σb和屈服点σs； 2.较好的塑性、韧性； 3.良好的工艺性能（冷、热加工，可焊性）； 4.对环境的良好适应性。
3
钢材性能的要求主要有： • 强度 • 塑性 • 韧性 • 冷弯性 • 耐久性 • 可焊性 • Z向伸缩率
4
强度 强度是材料受力时抵抗破坏的能力。说明钢
材强度性能的指标有弹性模量E、比例极限σp、 屈服点σs和抗拉强度σb（fu ）等。这些指标可 以根据钢材标准试件一次单向拉伸试验确定。
ε0 ε ε
0.15% 2.5%-3%
1)σs与σp相差很小； 2)超过 σs到屈服台阶终
止的变形约为2.5%-3%，足以满足考虑结 构的塑性变形发展的 要求。
14
（2）钢材在静载作用下：
强度计算以σs为依据; σb为结构的安全储备。
（3）断裂时变形约为弹性变形的200倍，在破坏前
产生明显可见的塑性
采用短试件l0/d=3, 屈服点同单向拉伸时的屈服点。 （三）受弯时的性能
同单向拉伸时的性能，屈服点也相差不多。
（四）受剪时的性能
抗剪强度可由折算应力计算公式得到：
fvfy y3
（ 23 ）G 79 103N m m 2
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二、冲击韧性
衡量钢材在动力（冲击）荷载、复杂应 力作用下抗脆性破坏能力的指标，用断裂时吸 收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。
2钢结构的材料
back
14
总结： 总结：防止脆性断裂的方法 (1) 合理设计。 首先，应正确选用钢材。随着钢材强度的提高，其韧性和工艺性能一般都有所下降。因 此，不宜采用比实际需要强度更高的材料。同时，对于低温下工作、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，例如，分别选择适当质量 等级的Q235、Q345等钢材，并应尽量使用较薄的型钢和板材。构造应力求合理，避免 构件截面的突然改变，使之能均匀、连续地传递应力，减少构件和节点的应力集中。 (2) 正确制造。 应严格按照设计要求进行制作，例如不得随意进行钢材代换，不得随意将螺栓连接改 为焊接连接，不得随意加大焊缝厚度等等。应尽量采用钻孔或冲孔后再扩钻，以及对 剪切边进行刨边等方法来避免冷作硬化现象。为了保证焊接质量，尽量减少焊接残余 应力，应制定合理的焊接工艺和技术措施。 (3) 合理使用。 不得随意改变结构使用用途或任意超负荷使用结构；原设计在室温工作的结构，在冬 季停产检修时要注意保暖；不在主要结构上任意焊接附加零件悬挂重物；避免因生产 和运输不当对结构造成撞击或机械损伤；平时应注意检查和维护等。
2、钢材选择的建议 （1）、承重结构的钢材应保证抗拉强度、屈服点、伸长率和硫、 磷的极限含量，对焊接结构尚应保证碳的极限含量。 （2）、焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构的钢材应具有冷 弯试验的合格保证。 （3）、对于需要验算疲劳的以及主要的受拉或受弯的焊接结构的 20 钢材，应具有常温冲击韧性的合格保证。 back
注意： 1、为了简化订货，选择钢材时要尽量统一规格，减少钢材牌号和型材的 种类，还要考虑市场的供应情况和制造厂的工艺可能性。对于某些拼接组 合结构（如焊接组合梁、桁架等）可以选用两种不同牌号的钢材，受力大、 由强度控制的部分（如组合梁的翼缘、桁架的弦杆等），用强度高的钢材； 受力小、由稳定控制的部分（如组合梁的腹板、桁架的腹杆等），用强度 低的钢材，可达到经济合理的目的。 2、随着经济全球化时代的到来，不少国外钢材进入了中国的建筑领域。 由于各国的钢材标准不同，在使用国外钢材时，必须全面了解不同牌号钢 材的质量保证项目，包括化学成分和机械性能，检查厂家提供的质保书， 并应进行抽样复验，其复验结果应符合现行国家产品标准和设计要求，方 可与我国相应的钢材进行代换。
水工钢结构-2.钢结构的材料和计算方法
单向拉伸时钢材的力学性能指标
（1）屈服强度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。
（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。 屈强比大好还是小好？
（3）伸长率δ
用轧钢机将钢锭轧成钢胚，再通过一系列不同形状和孔径的轧 机，轧成所需形状和尺寸的钢材。 钢材的热轧成型，压密钢的晶粒，改善钢的材质。薄的钢材， 辊轧次数多，压缩比大，因而屈服点及伸长率均大于厚板。 钢材的力学性能按板厚或直径分组。
3.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，此时截面中的应力分布不再保持均匀，而是 在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓应力集中现象。
2、三向应力状态（Mises yield condition)
2 2 2 2 2 s eq s x s y s z2 - (s xs y s ys z s zs x ) 3( xy yz zx） f y
或 s eq
1 2 2 2 [(s x - s y ) 2 (s y - s z ) 2 (s z - s x ) 2 ] 3( xy yz zx） f y 2
冲击能 CV Pl (cos - cos )
P—摆锤重力 l — 摆长
附录一 表4
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 和焊缝的冲击韧性以及热影响区的塑性和力学性能都不低于母材。
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）ຫໍສະໝຸດ 碳含量再高可使焊缝和热影响 区变脆。
第二章钢结构材料
作用则属于连续交变荷载，或称循环荷载。
1） 加载速度的影响
高于此温度时，不论 何种加载方式材料的 韧性性能均好。T3
低于此温度时，不论 何种加载方式材料的 韧性性能均差。T1
常温下某温度时，静载下材料 的韧性最好，中等加载速度下 次之，冲击加载最差。T2
2）循环荷载的影响
钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐积累损伤、 产生裂纹、裂纹逐渐扩展，直到最后破坏，这种现
锰、硅含量不高时可提高钢材强度，但又不会过多 降低塑性和冲击韧性，不过量时是有益元素。
硫、磷、氧、氮均是有害元素，一般情况下其含量
元旦应严格控制。（但也有例外） 2-4-2 钢材的焊接性能 指钢材经过焊接后能获得良好的焊接接头的性能。 包括焊缝金属和近缝区钢材在施焊时不开裂、焊接
构件在施焊后的机械性能不低于母材。
达到屈服点作为评价钢结构承载能力极限状态的标
志，即取屈服强度作为钢材的标准强度。 钢材的伸长率是反映钢材塑性的指标之一。反映钢 材塑性的另一个指标是截面收缩率。 伸长率δ等于试件拉断后原标距间的伸长量和原标 距比值的百分率。原标距长度有10倍标距δ 和5倍标
10
距δ5两种。
断面收缩率ψ是试件拉断后，颈缩区的断面面积 缩小值与原断面面积比值的百分率。 由单向拉伸试验还可以看出钢材的韧性好坏。 韧性用材料破坏过程中单位体积吸收的总能量来衡 量，包括弹性能和非弹性能两部分，其值等于应力
力集中。应力高峰值及应
力分布不均匀的程度与杆件 截面变化急剧的程度有关。
实验表明，应力集中处，不仅有纵向应力，还有横向应力， 常常形成同号应力场，有时还会有三向的同号应力场。这种同 号应力场导致钢材塑性降低，脆性增加，结构发生脆性破坏的 危险性增大。
钢结构的材料
[7]大跨度结构应优先选用钢材，其主要原因是。
A、钢结构具有良好的装配性
B、钢材的韧性好
C、钢材接近均质等向体，力学计算结果与实际结果最符合
D、钢材的重量与强度之比小于混凝土等其他材料
[8]当钢材具有较好的塑性时，焊接残余应力
A、降低结构的静力强度
B、提高结构的静力强度
C、不影响结构的静力强度
D、与外力引起的应力同号，将降低结构的静力强度
第二章、钢结构的材料
一、单项选择题 (15 小题,共 15.0 分) [1]钢材在复杂应力状态下的屈服条件是由( )等于单向拉伸时的屈服点决定的。
A、最大主拉应力
B、最大剪应力
C、最大主压应力
D、极限强度折算应力
[2]符号
表示。
A、等肢角钢
B、不等肢角钢
C、钢板
D、槽钢
[3]在多轴应力状态下，钢材强度的计算标准为
[7]Q215 钢与 Q235 钢相比，( )钢含碳量较高。 [8]复杂应力状态下钢材发生屈服是以( )来衡量的。
[9]某构件当其可靠指标 减小时，相应失效概率将随之( )。
[10]钢结构规范采用近似概率极限状态设计法，规定结构或构件要满足两种极限状态，第极 限状态为( )，第二极限状态为( )。 [11]钢结构强度设计是以钢材的( )作为静力强度的标准值的。 [12][13]近似概率极限状态设计方法是以( )来衡量结构或构件的可靠程度的。 [14]钢材受三向同号拉应力作用时，由于塑性变形受到约束，虽然其( )提高了，但塑性、 韧性却降低了。
[2]钢材的抗剪设计强度 与 f 有关，一般而言 =（ ）。
[3]衡量钢材抵抗冲击荷载能力的指标称为（ ），它的值越小，表明击断时间所耗的能量 越（ ），钢材的韧性越（ ）。 [4]钢材的设计强度等于钢材的屈服强度 fy 人除以( )。 [5]钢结构是用( )和各种( )和( )等制成的结构。
不宜把钢材划分为塑性和脆性材料
设 计 原 理
260-320oC时有徐变现象。
兰脆现象指温度在250oC左右的区间内，fu有局部性提 高，fy也有回升现象，同时塑性有所降低，材料有转脆倾 向。在兰脆区进行热加工，可能引起裂纹。徐变现象指
·
第2章 钢结构的材料 -24-
·
在应力持续不变的情况下钢材以很缓慢的速度继续变形的
现象。设计时以规定150oC为适宜，超过之后结构表面即需
·
第2章 钢结构的材料 -9-
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缺口韧性值受温度影响，温度低于某值时将急剧降低。
设计处于不同环境温度的重要结构，尤其是受动载作用的
结构时，要根据相应的环境温度对应提出冲击韧性的保证
要求。
钢 结
构
设
计
原
理
·
图2.4 钢材的冲击试验
第2章 钢结构的材料 -10-
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2.2.4 可焊性
可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合格的(无裂
图2.1 钢材的一次拉伸应力－应变曲线
第2章 钢结构的材料 -3-
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1.比例极限P
这是应力-应变图中直线段的最大应力值。严格地说，比
P略高处还有弹性极限，但弹性极限与 P极其接近， 钢
所以通常略去弹性极限的点，把 P看做是弹性极限。
结 构
2.屈服点y
设 计 原
应变在P之后不再与应力成正比，而是渐渐加大，应力 理
构钢Q235钢和低合金高强度结构钢Q345、Q390及Q420是
符合上述要求的。
选用GB50017规范还未推荐的钢材时，需有可靠依据。以
确保钢结构的质量。
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第2章 钢结构的材料 -2-
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2.2 钢材的主要性能及其鉴定
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18
(二)冲击韧性 钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的 能力，是衡量钢材在冲击荷载作用下抵抗脆性破 坏能力的指标。如图2-8，Akv愈大，钢材在断裂时 吸收的能量越多，其韧性愈好。
19
图2-8冲击韧性试验（单位：mm）
(三)冷弯性能 冷弯性能由冷弯试验来确定。试验时按规定 的弯心直径在试验机上用冲头对试件加压，使其 弯成180°，如图2-9所示。如试件外表面不出现 裂纹和分层即为合格。
5
(3)阶段Ⅲ：塑性阶段（屈服阶段、BC段） 屈服点fy:应力达到屈服点fy后，应力-应变关系 呈水平线段BC，称为屈服平台，钢材表现为完全 塑性，整个屈服平台对应的应变幅称为流幅(约为 0.15%~2.5%)，流幅越大，钢材的塑性越好。 (4) 阶段Ⅳ：应变硬化阶段（强化阶段、CD段） 抗拉强度fu：经过屈服阶段后，钢材内部组织重新 排列并建立了新的平衡，产生了继续承受增长荷载的 能力，此阶段的应力-应变为上升的非线性关系，直至 应力达到最大值，称为抗拉强度fu。
图2-12碳素结构钢牌号中符号含义
35
图2-3 理想弹-塑性 应力-应变曲线图
7
高强度钢材没有明显屈服点和屈服平台，这类 钢的屈服点是根据实验分析结果人为规定的，称为 条件屈服点，用f0.2表示，定义为试件卸载后其残余 应变为0.2%对应的应力，如图2-4所示。
图2-4高强度钢的应力-应变曲线
8
二、反复荷载作用下钢材的性能 (一)高周疲劳破坏(疲劳破坏)
30
(二)钢材硬化的影响 （1）时效硬化（老化） 钢材随存放时间延长，其强度提高，塑性和 韧性降低现象，称为时效硬化，见图2-10（a）。
•
图2-10 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
31
(二)钢材硬化的影响 （2)冷作硬化（应变硬化） 指当钢材冷加工(剪、冲、拉、弯等)超过其弹 性极限后卸载，出现残余塑性变形，再次加载时 弹性极限或屈服点提高的现象，见图2-10（a）。 （3）应变时效 在钢材产生一定数量的塑性变形后，已经冷 作硬化的钢材又发生时效硬化的现象，称为应变 时效，见图2-10（b）。为了加速时效硬化进程， 人工加载让钢材先产生10%左右的塑性变形，然 后加热至250℃，并保温一小时后自然冷却，称为 人工时效。
23
(二)有益元素 （1）锰（Mn） 锰能显著提高钢材的强度而不过多地降低塑 性和冲击韧性。锰有脱氧作用，是弱脱氧剂。锰 还能消除硫对钢材的热脆影响。 （2）硅（Si） 硅是强脱氧剂。硅能使钢材的粒度变细，控 制适量时可提高强度而不显著影响塑性、韧性、 冷弯性能及可焊性。
24
(二)有益元素 （3）钒（V）、铌（Nb）、钛（Ti） 钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低 合金钢都含有这三种元素，既可提高钢材强度， 又能保持良好的塑性、韧性。 （4）铝(A1)、铬(Cr)、镍(Ni) 铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅能 进一步减少钢材中的有害氧化物，而且能细化晶 粒。
13
图2-7复杂应力状态
14
当用主应力表示时
eq
1 [( 1 2 ) 2 ( 2 3 ) 2 ( 3 1 ) 2（ ] 2-1） 2
当用应力分量表示时
2 2 2 2 2 eq x y z2 ( x y x z y z ) 3( xy xz yz )
6
(5)阶段Ⅴ：颈缩阶段（DE段） 在承载力最弱的截面处，横截面急剧收缩—— 颈缩，变形也随之剧增，荷载下降，直至断裂。 对于没有缺陷和残余应力 影响的试件,可认为钢材是图23所示理想弹-塑性体，经历两 个阶段，即假定钢材应力小于 fy时是完全弹性的，应力超过 fy后则是完全塑性的。设计时 ，取fy作为强度限值，而取fu 作为材料的强度储备。
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三、制作加工、安装和使用过程的影响 (一) 热处理的影响 某些高强度钢材在轧制后经过热处理才出厂。 （1）正火 把钢材加热至850~900℃并保持一段时间后在 空气中自然冷却。 （2）回火 将钢材重新加热至650℃并保温一段时间，然 后在空气中自然冷却。 （3）淬火 把钢材加热至900℃以上，保温一段时间，然 后放入水或油中快速冷却。
21
第三节 影响钢材性能的主要因素 一、化学成分的影响
钢是含碳量小于2％的铁碳合金，碳大于2％时则为铸铁。钢结构 所用的钢材主要为碳素钢中的低碳钢和普通低合金钢。 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%。低合金结构钢中，除上述元素外还加入少量合金元 素，后者总量通常不超过 3％。碳及其他元素虽然所占比重不大，但对 钢材性能却有重要影响。
27
(二)浇铸 冶炼好的钢水出炉后，注入模具，浇铸成钢 锭或钢坯。浇铸和脱氧同时进行，因脱氧程度不 同，分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢。 钢在冶炼及浇铸过程中产生冶金缺陷。常见 的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔及裂纹等 。
28
(三)轧制 轧制在1200～1300℃高温下进行。钢材轧制 能使金属的晶粒变细，也能使气泡、裂纹等焊合， 消除显微组织缺陷，因而改善了钢材的力学性能。 薄板因辊轧次数多，其强度比厚板略高。浇铸时 的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层，所 以分层是钢材尤其是厚板的一种缺陷。设计时应 尽量避免拉力垂直于板面的情况，以防止层间撕 裂。
（2-2）
当σeq< fy时，钢材处于弹性阶段； 当σeq≥ fy时，钢材处于塑性阶段。 三轴拉应力作用下，破坏表现为脆性。 有一向为异号应力，且同号两个应力相差又较大， 破坏为塑性。
15
平面应力状态
eq 1 2
2 1 2 2
2 2 2 σ eq σ x σy σ x σ y 3τ xy
33
(三)温度影响 （2）负温范围 随着温度下降，钢材强度略有提高，但塑性 、韧性降低，钢材的脆性倾向增加，对冲击韧性 的影响十分突出。如图2-11所示。
图2-11Akv随温度T的变化
34
第四节 钢材的种类、规格和选用原则 一、钢材的种类 (一) 碳素结构钢
牌号： Q195 ， Q215A 及 B ， Q235A 、 B 、 C 及 D ， Q255 A 及 B 以及 Q275。含碳量越多，屈服点越高，塑性越低。符号含义见图2-12。
图2-9 钢材冷弯试验示意图
20
三、加工性能
钢材应具有良好的冷、热加工，不因制作加工对强度、塑性及韧 性带来较大的有害影响，同时还应具有良好的可焊性。
钢材的可焊性受含碳量和合金元素含量的影响，含碳量在 0.12%~0.20%范围的碳素钢可焊性良好。含碳量再提高会使焊缝和热影 响区变脆，从而降低可焊性。提高钢材强度的合金元素大多也对可焊性 有不利影响。可焊性与焊接材料、焊接方法、焊接工艺参数及工艺措施 都有一定关系。
名义应力低于屈服点、材料处于弹性阶段，当荷载循环达到一定 次数后，钢材会发生突然脆性断裂破坏，疲劳计算方法详见第9章。
(二)低周疲劳破坏 反复应力高于屈服强度、材料处于弹塑性阶段， 反复荷载会使钢材的残余应变逐渐增长，最后产生 突然破坏。
9
(三)包辛格（Bauschinger）效应
钢材在受拉产生塑性变形后， 卸载并反向加载使钢材受压，抗压屈 服强度会降低，如图 2-5 所示，应力 —应变曲线形成滞回环（滞回曲线）， 滞回环所围面积代表荷载循环一次单 位体积的钢材所吸收的能量。
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(一)基本元素 （1）铁（Fe） 铁是钢材中最基本的元素，钢中铁元素含量一 般超过97%。对于碳素钢而言，其铁素体的晶粒越 细，钢的性能越好。 （2）碳（C） 碳的含量提高，则钢材强度提高，但同时钢材 的塑性、韧性、冷弯性能、可焊性及抗锈蚀能力下 降。按碳的含量区分，小于0.25％的为低碳钢，大 于0.25%而小于0.6%的为中碳钢，大于0.6%的为高 碳钢。建筑钢结构用的钢材基本上都是低碳钢。
（2-3） （2-4） （2-5） （2-6）
普通梁
σ eq σ 2 3τ 2
受纯剪时
σ eq 3τ
fy 3
2
0.58 f y
（2-7）
16
第二节 钢结构对钢材性能的要求 一、强度
屈服强度是衡量结构承载能力和确定强度设计值的重要指标，屈 服点高可以减小截面，从而减轻自重，节约钢材，降低造价；抗拉强度 是是衡量钢材抵抗拉断的性能指标，抗拉强度高，可以增加结构的安全 保障。屈强比 fy/fu是钢材强度储备的系数，屈强比越低，安全储备越 大。
图2-5 钢材滞回曲线
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三、复杂应力状态下钢材的性能
钢结构构件中经常存在孔洞、槽口、凹角、截面的厚度和宽度的 突然改变及钢材的内部缺陷等。此时，构件中的应力分布变得很不均匀， 在缺陷或截面变化处附近将产生局部高峰应力，其余部分应力较低，如 图2-6所示，这种现象称为应力集中。应力集中产生的高峰应力区附近 总是存在平面或三维应力场，有使钢材变脆的趋势。
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(三)温度影响 （1）正温范围 当温度逐渐升高时，钢材的强度、弹性模量 不断降低，变形能力则不断增大。 ≤200℃ 性能变化不大。 250℃左右 蓝脆。 260~320℃ 徐变现象。 >300℃时， 强度、弹性模量显著下降，塑 性变形显著增大。 >400℃ 强度、弹性模量急剧降低， 600℃ 几乎丧失承载能力。 超过150℃之后钢结构表面需加设隔热保护层 。
3
图2-1 静力拉伸试验 的标准试件
图2-2钢材一次单向拉伸 简化应力-应变曲线
4
(1)阶段Ⅰ：弹性阶段（OA段） 比例极限fp: E E=2.06×105N/mm2 卸除荷载后试件的变形将完全恢复。 (2)阶段Ⅱ：弹塑性阶段（AB段） ζ与ε呈非线性关系，应力增加时，相应增加的 应变除弹性应变外还有塑性应变，卸载时，其中塑 性应变不能恢复，称为残余应变。B点对应应力fy 称为屈服点（又称屈服强度），对应的应变约为 0.15%。
(二)冲击韧性 钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的 能力，是衡量钢材在冲击荷载作用下抵抗脆性破 坏能力的指标。如图2-8，Akv愈大，钢材在断裂时 吸收的能量越多，其韧性愈好。
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图2-8冲击韧性试验（单位：mm）
(三)冷弯性能 冷弯性能由冷弯试验来确定。试验时按规定 的弯心直径在试验机上用冲头对试件加压，使其 弯成180°，如图2-9所示。如试件外表面不出现 裂纹和分层即为合格。
5
(3)阶段Ⅲ：塑性阶段（屈服阶段、BC段） 屈服点fy:应力达到屈服点fy后，应力-应变关系 呈水平线段BC，称为屈服平台，钢材表现为完全 塑性，整个屈服平台对应的应变幅称为流幅(约为 0.15%~2.5%)，流幅越大，钢材的塑性越好。 (4) 阶段Ⅳ：应变硬化阶段（强化阶段、CD段） 抗拉强度fu：经过屈服阶段后，钢材内部组织重新 排列并建立了新的平衡，产生了继续承受增长荷载的 能力，此阶段的应力-应变为上升的非线性关系，直至 应力达到最大值，称为抗拉强度fu。
图2-12碳素结构钢牌号中符号含义
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图2-3 理想弹-塑性 应力-应变曲线图
7
高强度钢材没有明显屈服点和屈服平台，这类 钢的屈服点是根据实验分析结果人为规定的，称为 条件屈服点，用f0.2表示，定义为试件卸载后其残余 应变为0.2%对应的应力，如图2-4所示。
图2-4高强度钢的应力-应变曲线
8
二、反复荷载作用下钢材的性能 (一)高周疲劳破坏(疲劳破坏)
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(二)钢材硬化的影响 （1）时效硬化（老化） 钢材随存放时间延长，其强度提高，塑性和 韧性降低现象，称为时效硬化，见图2-10（a）。
•
图2-10 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
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(二)钢材硬化的影响 （2)冷作硬化（应变硬化） 指当钢材冷加工(剪、冲、拉、弯等)超过其弹 性极限后卸载，出现残余塑性变形，再次加载时 弹性极限或屈服点提高的现象，见图2-10（a）。 （3）应变时效 在钢材产生一定数量的塑性变形后，已经冷 作硬化的钢材又发生时效硬化的现象，称为应变 时效，见图2-10（b）。为了加速时效硬化进程， 人工加载让钢材先产生10%左右的塑性变形，然 后加热至250℃，并保温一小时后自然冷却，称为 人工时效。
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(二)有益元素 （1）锰（Mn） 锰能显著提高钢材的强度而不过多地降低塑 性和冲击韧性。锰有脱氧作用，是弱脱氧剂。锰 还能消除硫对钢材的热脆影响。 （2）硅（Si） 硅是强脱氧剂。硅能使钢材的粒度变细，控 制适量时可提高强度而不显著影响塑性、韧性、 冷弯性能及可焊性。
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(二)有益元素 （3）钒（V）、铌（Nb）、钛（Ti） 钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低 合金钢都含有这三种元素，既可提高钢材强度， 又能保持良好的塑性、韧性。 （4）铝(A1)、铬(Cr)、镍(Ni) 铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅能 进一步减少钢材中的有害氧化物，而且能细化晶 粒。
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图2-7复杂应力状态
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当用主应力表示时
eq
1 [( 1 2 ) 2 ( 2 3 ) 2 ( 3 1 ) 2（ ] 2-1） 2
当用应力分量表示时
2 2 2 2 2 eq x y z2 ( x y x z y z ) 3( xy xz yz )
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(5)阶段Ⅴ：颈缩阶段（DE段） 在承载力最弱的截面处，横截面急剧收缩—— 颈缩，变形也随之剧增，荷载下降，直至断裂。 对于没有缺陷和残余应力 影响的试件,可认为钢材是图23所示理想弹-塑性体，经历两 个阶段，即假定钢材应力小于 fy时是完全弹性的，应力超过 fy后则是完全塑性的。设计时 ，取fy作为强度限值，而取fu 作为材料的强度储备。
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三、制作加工、安装和使用过程的影响 (一) 热处理的影响 某些高强度钢材在轧制后经过热处理才出厂。 （1）正火 把钢材加热至850~900℃并保持一段时间后在 空气中自然冷却。 （2）回火 将钢材重新加热至650℃并保温一段时间，然 后在空气中自然冷却。 （3）淬火 把钢材加热至900℃以上，保温一段时间，然 后放入水或油中快速冷却。
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第三节 影响钢材性能的主要因素 一、化学成分的影响
钢是含碳量小于2％的铁碳合金，碳大于2％时则为铸铁。钢结构 所用的钢材主要为碳素钢中的低碳钢和普通低合金钢。 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%。低合金结构钢中，除上述元素外还加入少量合金元 素，后者总量通常不超过 3％。碳及其他元素虽然所占比重不大，但对 钢材性能却有重要影响。
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(二)浇铸 冶炼好的钢水出炉后，注入模具，浇铸成钢 锭或钢坯。浇铸和脱氧同时进行，因脱氧程度不 同，分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢。 钢在冶炼及浇铸过程中产生冶金缺陷。常见 的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔及裂纹等 。
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(三)轧制 轧制在1200～1300℃高温下进行。钢材轧制 能使金属的晶粒变细，也能使气泡、裂纹等焊合， 消除显微组织缺陷，因而改善了钢材的力学性能。 薄板因辊轧次数多，其强度比厚板略高。浇铸时 的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层，所 以分层是钢材尤其是厚板的一种缺陷。设计时应 尽量避免拉力垂直于板面的情况，以防止层间撕 裂。
（2-2）
当σeq< fy时，钢材处于弹性阶段； 当σeq≥ fy时，钢材处于塑性阶段。 三轴拉应力作用下，破坏表现为脆性。 有一向为异号应力，且同号两个应力相差又较大， 破坏为塑性。
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平面应力状态
eq 1 2
2 1 2 2
2 2 2 σ eq σ x σy σ x σ y 3τ xy
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(三)温度影响 （2）负温范围 随着温度下降，钢材强度略有提高，但塑性 、韧性降低，钢材的脆性倾向增加，对冲击韧性 的影响十分突出。如图2-11所示。
图2-11Akv随温度T的变化
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第四节 钢材的种类、规格和选用原则 一、钢材的种类 (一) 碳素结构钢
牌号： Q195 ， Q215A 及 B ， Q235A 、 B 、 C 及 D ， Q255 A 及 B 以及 Q275。含碳量越多，屈服点越高，塑性越低。符号含义见图2-12。
图2-9 钢材冷弯试验示意图
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三、加工性能
钢材应具有良好的冷、热加工，不因制作加工对强度、塑性及韧 性带来较大的有害影响，同时还应具有良好的可焊性。
钢材的可焊性受含碳量和合金元素含量的影响，含碳量在 0.12%~0.20%范围的碳素钢可焊性良好。含碳量再提高会使焊缝和热影 响区变脆，从而降低可焊性。提高钢材强度的合金元素大多也对可焊性 有不利影响。可焊性与焊接材料、焊接方法、焊接工艺参数及工艺措施 都有一定关系。
名义应力低于屈服点、材料处于弹性阶段，当荷载循环达到一定 次数后，钢材会发生突然脆性断裂破坏，疲劳计算方法详见第9章。
(二)低周疲劳破坏 反复应力高于屈服强度、材料处于弹塑性阶段， 反复荷载会使钢材的残余应变逐渐增长，最后产生 突然破坏。
9
(三)包辛格（Bauschinger）效应
钢材在受拉产生塑性变形后， 卸载并反向加载使钢材受压，抗压屈 服强度会降低，如图 2-5 所示，应力 —应变曲线形成滞回环（滞回曲线）， 滞回环所围面积代表荷载循环一次单 位体积的钢材所吸收的能量。
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(一)基本元素 （1）铁（Fe） 铁是钢材中最基本的元素，钢中铁元素含量一 般超过97%。对于碳素钢而言，其铁素体的晶粒越 细，钢的性能越好。 （2）碳（C） 碳的含量提高，则钢材强度提高，但同时钢材 的塑性、韧性、冷弯性能、可焊性及抗锈蚀能力下 降。按碳的含量区分，小于0.25％的为低碳钢，大 于0.25%而小于0.6%的为中碳钢，大于0.6%的为高 碳钢。建筑钢结构用的钢材基本上都是低碳钢。
（2-3） （2-4） （2-5） （2-6）
普通梁
σ eq σ 2 3τ 2
受纯剪时
σ eq 3τ
fy 3
2
0.58 f y
（2-7）
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第二节 钢结构对钢材性能的要求 一、强度
屈服强度是衡量结构承载能力和确定强度设计值的重要指标，屈 服点高可以减小截面，从而减轻自重，节约钢材，降低造价；抗拉强度 是是衡量钢材抵抗拉断的性能指标，抗拉强度高，可以增加结构的安全 保障。屈强比 fy/fu是钢材强度储备的系数，屈强比越低，安全储备越 大。
图2-5 钢材滞回曲线
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三、复杂应力状态下钢材的性能
钢结构构件中经常存在孔洞、槽口、凹角、截面的厚度和宽度的 突然改变及钢材的内部缺陷等。此时，构件中的应力分布变得很不均匀， 在缺陷或截面变化处附近将产生局部高峰应力，其余部分应力较低，如 图2-6所示，这种现象称为应力集中。应力集中产生的高峰应力区附近 总是存在平面或三维应力场，有使钢材变脆的趋势。
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(三)温度影响 （1）正温范围 当温度逐渐升高时，钢材的强度、弹性模量 不断降低，变形能力则不断增大。 ≤200℃ 性能变化不大。 250℃左右 蓝脆。 260~320℃ 徐变现象。 >300℃时， 强度、弹性模量显著下降，塑 性变形显著增大。 >400℃ 强度、弹性模量急剧降低， 600℃ 几乎丧失承载能力。 超过150℃之后钢结构表面需加设隔热保护层 。
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图2-1 静力拉伸试验 的标准试件
图2-2钢材一次单向拉伸 简化应力-应变曲线
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(1)阶段Ⅰ：弹性阶段（OA段） 比例极限fp: E E=2.06×105N/mm2 卸除荷载后试件的变形将完全恢复。 (2)阶段Ⅱ：弹塑性阶段（AB段） ζ与ε呈非线性关系，应力增加时，相应增加的 应变除弹性应变外还有塑性应变，卸载时，其中塑 性应变不能恢复，称为残余应变。B点对应应力fy 称为屈服点（又称屈服强度），对应的应变约为 0.15%。