大工17秋《钢结构》辅导资料四

钢结构辅导资料四主题：第二章钢结构的材料学习时间：10月23日－10月29日内容：这周我们将学习本门课的第二章钢结构的材料，通过本周的学习，掌握钢结构材料的相关性能的知识。

一、学习要求1、掌握钢材的两种破坏形态；2、掌握钢材的（机械）性能；3、掌握影响钢材性能的因素；4、熟识钢材在复杂应力状态下的屈服条件；5、了解钢材的种类及选用。

二、主要内容基本概念：钢材的塑性和脆性破坏，屈服点和屈服强度，时效硬化和冷作硬化。

知识点：钢材的主要性能，影响钢材性能的因素，脆性破坏的危害，复杂应力状态下的工作性能，钢材的选用。

（一）钢材的两种破坏形态钢材有两种性质完全不同的破坏形式，即塑性破坏和脆性破坏。

钢结构用的材料虽然有较高的塑性和韧性，一般为塑性破坏，但在一定的条件下，仍然有脆性破坏的可能性。

1、塑性破坏是由于变形过大，超过了材料或构件可能的应变能力而产生的，而且仅在构件的应力达到了钢材的抗拉强度允后才发生。

破坏前构件产生较大的塑性变形，断裂后的断口呈纤维状，色泽发暗。

在塑性破坏前，由于总有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。

另外，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、脆性破坏前塑性变形很小，甚至没有塑性交形，计算应力可能小于钢材f，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，特的屈服点y别是缺口和裂纹，常是断裂的发源地。

破坏前没有任何预兆，破坏是突然发生的，断口平直并呈有光泽的晶粒状。

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，危及人民生命财产的安全，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。

图4.1单向拉伸构件的两种破坏形式图4.2单向拉伸试件破坏面图4.3疲劳引起的脆性破坏图4.4疲劳引起的脆性破坏破坏面（二）钢材的（机械）性能1、钢结构对材料的要求钢结构的原材料是钢，钢的种类繁多，性能差别很大，适用于钢结构的钢只是其中的一小部分。

用作钢结构的钢材必须符合下列要求：（1）较高的抗拉强度u f 和屈服点y f ：y f 是衡量结构承裁能力的指标，y f 高则可减轻结构自重，节约钢材和降低造价。

u f 是衡量钢材经过较大变形后的抗拉能力，它直接反映钢材内部组织的优劣，同时u f 高可以增加结构的安全保障。

（2）较高的塑性和韧性：塑性和韧性好，结构在静载和动载作用下有足够的应变能力，既可减轻结构脆性破坏的倾向，又能通过较大的塑性变形调整局部应力，同时又具有较好的抵抗重复荷载作用的能力。

（3）良好的工艺性能(包括冷加工、热加工和可焊性能)：良好的工艺性能不但要易于加工成各种形式的结构，而且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。

此外，根据结构的具体工作条件，有时还要求钢材具有适应低温、高温和腐蚀性环境的能力。

按以上要求，钢结构设计规范具体规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证；焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证；对某些承受动力荷裁的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构尚应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。

2、强度-单项拉伸试验钢材的力学性能指标是钢结构设计的重要依据，而这些指标主要是通过试验来测定的。

钢材的拉伸试验是用规定形状和尺寸的标准试件，在常温 20℃±5℃的条件下，按规定的加载速度在拉力试验机上进行。

拉伸时的应力——应变曲线（σ—ε曲线）：图4.5 低碳钢应力应变曲线 低碳钢在常温下静力拉伸的应力—应变曲线。

图中纵坐标为应力0F A σ=，F 、0A 是试件的受拉荷载和原横截面面积；横坐标为应变0l l ε∆=，0l 为试件原标距长度，l ∆为标距段的伸长量。

该曲线分为五个阶段，如图所示；（1）弹性阶段——图中OAB 段。

OA 段为线弹性，应力与应变成正比，完全符合虎克定律，卸载后无残余变形。

A 点的应力p f 称为比例极限。

AB 段为非线弹性，呈曲线状，B 点的应力e f 称为弹性极限，由于p f 与e f 非常接近，实际应用中认为二者相同。

（2）弹塑性阶段——图中BC 段。

当施加应力σ超过弹性极限e f 后，试件变形包含有弹性变形与塑性变形两部分。

（3）屈服阶段——图中CD 段。

当施加应力达到y f 后，曲线上下波动，y f 称为屈服点或屈服强度。

钢材的应力达到y f 后应变将急剧增长，使钢材产生了不容许的残余变形，以致不能正常使用。

在C 点时卸载残余变形0.2%y ε≈，到达D 点时其残余变形为 2.5%y ε≈。

（4）强化阶段——图中DG 段。

钢材经塑性变形后,曲线回升到G 点，应力达到最大值u f ，称为抗拉强度，它反映了钢材承受荷载的极限能力。

（5）颈缩阶段——图中GH 段，当应力达到抗拉强度u f 后，试件中部截面变细，形成颈缩现象，σε-曲线下降直到HG ，试件拉断。

3、塑性试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百分数，称为伸长率。

当试件标距长度与试件直径d （圆形试件）之比为10时，以10δ表示；当该比值为5时，以5δ表示。

伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性应变的能力。

衡量钢材的塑性指标有两个：(1)断面收缩率：在拉伸试验中，试件拉断后截面面积的缩小值与原截面面积的比值；即010100%A A A ψ-=⨯ 式中：2004d A π=——试件原截面面积；1A ——试件拉断后颈缩处的截面面积ψ值越大，钢材的塑性越好。

(2)伸长率：在拉伸试验中，试件拉断后的伸长量与原标距之比值，即：100100%l l l l lδ-∆==⨯ 式中：0l ——试件原标距长度；1l ——试件拉断后的标距长度。

标准试件在拉伸试验的标距规定有005l d =和0010l d =两种，其拉伸率分别记为5δ和10δ。

伸长率是衡量钢材的塑性变形的发展能力，亦是σ-ε曲线中最大残余变形值，在实际工程中常采用伸长率δ作为控制钢材塑性的指标。

δ的数值可查表、u f 与δ是钢结构设计的三项重要强度和塑性指标。

4、冷弯性能冷弯性能由冷弯试验来确定（图 2.4）。

试验时按照规定的弯心直径在试验机上用冲头加压，使试件弯成180度，如试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。

冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或塑性性能，还能暴露钢材内部的冶金缺陷，如硫、磷偏析和硫化物与氧化物的掺杂情况，这些都将降低钢材的冷弯性能。

因此，冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标。

图4.6钢材冷弯示意图5、韧性钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收能量的能力，是衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、冲击荷载作用等而致脆性断裂的一项机械性能指标。

通常采用梅氏U 形缺口试件或夏氏V 形缺口试件在冲击试验机上进行。

图4.7冲击韧性实验：a 、夏比试件试验；b 、梅氏试件U 形缺口6、可焊性钢材的可焊性，是指在一定的材料、结构和工艺条件下，钢材经过焊接后能够获得良好的焊接接头的性能。

可焊性分为两种：（1）施工上的可焊性，是指在一定的工艺条件下，焊缝金属和近缝区钢材均不产生裂纹。

（2）使用上的可焊性，是指焊接接头和焊缝的机械性能均不低于母材的机械性能。

7、耐久性影响钢材耐久性的因素很多，主要有以下几点：（1）腐蚀性钢材易被腐蚀,主要依靠油漆和加强定期维护措施来解决。

此外，钢中硅和锰的含量过高，会降低钢材抗锈的能力。

（2）时效现象这是指钢材的力学性能随时间的增长而改变的现象，必要时可测定快速时效后的冲击韧性，以鉴定钢材是否适用。

（3）高温和长期荷载的作用在这种情况下钢材的破坏强度远远低于短期的静力拉伸试验强度，必要时还应测定其持久强度。

（4）疲劳现象钢材在长期连续的重复荷载或交变荷载作用下，当钢材应力低于屈服强度y f 时便产生破坏的现象。

综合上述三个实验，得出了钢材的五个力学性能指标 y f 、u f 、δ、KV A 及冷弯性能，按钢结构设计的不同要求，归纳如下：对一般承重结构，要求y f 、u f 、δ得到保证；对重要承重结构，要求y f 、u f 、δ和冷弯性能得到保证；对在常温下承受动荷载作用的重要结构，要求y f 、u f 、δ、KV A 及冷弯性能得到保证；对在低温下承受动荷载作用的重要结构，要求y f 、u f 、δ、冷弯性能、常温KV A 及负温KV A 得到保证。

（三）影响钢材性能的因素1、化学成分钢是由各种化学成分组成的，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。

铁(Fe)是钢材的基本元素，纯铁质软，在碳素结构钢中约占99％，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。

其他元素包括硅 (Si)、锰 (Mn)、硫 (S)、磷 (P)、氮（N)、氧 (O)等。

低合金钢中还含有少量（低于5％)合金元素，如铜 (Cu)、钒 (V)、钛 (Ti)、铌 (Nb)、铬(Cr)等。

在碳素结构钢中，碳是仅次于纯铁的主要元素，它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，同时恶化钢的可焊性和抗腐蚀性。

因此，尽管碳是使钢材获得足够强度的主要元素，但在钢结构中采用的碳素结构钢，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％。

硫和磷(其中特别是硫)是钢中的有害成分，它们降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度。

在高温时，硫使钢变脆，谓之热脆；在低温时，磷使钢变脆，谓之冷脆。

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。

可使用的高磷钢，其含量可达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。

氧和氮都是钢中的有害杂质。

氧的作用和硫类似，使钢热脆；氯的作用和磷类似，使钢冷脆。

由于氧、氮容易在熔炼过程中逸出，一般不会超过极限含量，故通常不要求作含量分析。

硅和锰是钢中的有益元素，它们都是炼钢的脱氧剂。

它们使钢材的强度提高，含量不过高时，对塑性和韧性无显著的不良影响。

在碳素结构钢中，硅的含量应不大于0.3％，锰的含量为0.3％—0.8％。

对于低合金高强度结构钢，锰的含量可达1.0％—1.6％，硅的含量可达0.55％。

钒和钛是钢中的合金元素，能提高钢的强度和抗腐蚀性能，又不显著降低钢的塑性。

铜在碳素结构钢中属于杂质成分。

它可以显著地提高钢的抗腐蚀性能，也可以提高钢的强度，但对可焊性有不利影响。

2、冶金缺陷常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹及分层等。

偏析是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。

非金属夹杂是钢中含有硫化物与氧化物等杂质。