第二章钢材材料解析
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第二章 钢结构的材料
3.人工时效 使钢材产生10%的塑性变形，再加热到 200～300 oC，然后冷却到室温进行试验。这样可使时 效在几小时内完成。
五、复杂应力状态的影响
在复杂应力如平面或立体 应力作用下，钢材的屈服并 不只取决于某一方向的应力， 而是由反映各方向应力综合 影响的 屈服条件来确定。
eq ( x y y z z x ) 3( )
第二节
钢材的主要机械性能
• 钢材的机械性能（力学性能）通常是指钢厂生 产供应的钢材在标准条件下拉伸、冷弯和冲击 等单独作用下显示出的各种机械性能。它们由 相应实验得到，试验采用的试件的制作和试验 方法都必须按照各相关国家标准规定进行。 一、单向拉伸时的性能 标准试件在室温（100C～350C) 、以满足静 力加载的加载速度一次加载所得钢材的应力 ζ ～ ε 应变曲线显示的钢材机械性能如下:：
二、疲劳计算
• 反复荷载作用产生的应力重复一周叫做一个循环。 Δ ζ =ζ max-ζ min称为应力幅，表示应力变化的幅 度。 • 试验表明，焊接结构发生疲劳破坏并不是名义最 大应力ζ max作用的结果，而是焊缝部位足够大小 的应力幅反复作用的结果。非焊接结构的的疲劳 寿命不仅与应力幅有关，还与 其他因素有关。 规范把疲劳计算公式中的应力幅调整为折算应力 幅，以反映其实际工作情况。 • 疲劳计算的公式是以试验为依据的，分为常幅和 变幅疲劳两种情况进行计算。
（2）槽钢
有热轧普通槽钢和轻型槽钢两种。槽 钢规格用槽钢符号 [ 或Q[表示。 例如，普通槽钢[10、[20a，轻型槽钢Q[20a。 （3）工字钢 有普通工字钢和轻型工字钢两种。 例如，普通工字钢I18、I50a，轻型工字钢QI50。 （4）H型钢 H型钢比工字钢的翼缘宽度大并为等 厚度，截面抵抗矩较大且质量较小，便于与其它 构件连接。热轧H型钢分为宽、中、窄翼缘H型钢， 它们的代号分别为HW、HM和HN。例如HW260a、 HM360、HN300b。
五、复杂应力状态的影响
在复杂应力如平面或立体 应力作用下，钢材的屈服并 不只取决于某一方向的应力， 而是由反映各方向应力综合 影响的 屈服条件来确定。
eq ( x y y z z x ) 3( )
第二节
钢材的主要机械性能
• 钢材的机械性能（力学性能）通常是指钢厂生 产供应的钢材在标准条件下拉伸、冷弯和冲击 等单独作用下显示出的各种机械性能。它们由 相应实验得到，试验采用的试件的制作和试验 方法都必须按照各相关国家标准规定进行。 一、单向拉伸时的性能 标准试件在室温（100C～350C) 、以满足静 力加载的加载速度一次加载所得钢材的应力 ζ ～ ε 应变曲线显示的钢材机械性能如下:：
二、疲劳计算
• 反复荷载作用产生的应力重复一周叫做一个循环。 Δ ζ =ζ max-ζ min称为应力幅，表示应力变化的幅 度。 • 试验表明，焊接结构发生疲劳破坏并不是名义最 大应力ζ max作用的结果，而是焊缝部位足够大小 的应力幅反复作用的结果。非焊接结构的的疲劳 寿命不仅与应力幅有关，还与 其他因素有关。 规范把疲劳计算公式中的应力幅调整为折算应力 幅，以反映其实际工作情况。 • 疲劳计算的公式是以试验为依据的，分为常幅和 变幅疲劳两种情况进行计算。
（2）槽钢
有热轧普通槽钢和轻型槽钢两种。槽 钢规格用槽钢符号 [ 或Q[表示。 例如，普通槽钢[10、[20a，轻型槽钢Q[20a。 （3）工字钢 有普通工字钢和轻型工字钢两种。 例如，普通工字钢I18、I50a，轻型工字钢QI50。 （4）H型钢 H型钢比工字钢的翼缘宽度大并为等 厚度，截面抵抗矩较大且质量较小，便于与其它 构件连接。热轧H型钢分为宽、中、窄翼缘H型钢， 它们的代号分别为HW、HM和HN。例如HW260a、 HM360、HN300b。
第二章 结构钢材及其性能
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。
§2.3 钢材的其它性能
2.Z向收缩率
• 当钢材较厚时，或承受沿厚度方向的拉力时，要求钢材具有板厚方向的 收缩率要求，以防厚度方向的分层、撕裂。
3.冲击韧性 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 和焊缝的力学性能不低于母材力学性能。
试件有两种标距：l0/ d0=5 和 l0/ d0=10 相应的伸长率用δ5
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。
§2.2 钢材的主要性能
b) 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。
A0 - A1 100% A1
式中：
A1 A0
A0 ——试件原来的断面面积
可以用折算应力和钢材在单向应力时的屈服点相比较来判断。
2 2 2 2 s eq s x2 s y s z2 - s xs y s ys z s zs x 3 xy yz zx （2.4）
s s 用主应力 s 1 、 2 、 3表示时，有:
或 s eq
此时的[Δζ]即为容许应力幅：
C [s ] N
1
(2 - 9)
式中：系数β、C—为不同构件和连接类别的试验 参数，称疲劳特征参数。
3.变幅疲劳
——当应力循环内的应力幅随机变化时为变幅疲劳。
（a）检算公式
s e s
(2.12)
se—等效常幅疲劳应力幅。
[s]—常幅疲劳的容许应力幅。
疲劳破坏中一些值得注意的问题
（1）疲劳验算采用的是容许应力设计法，而不是以概率论为基础的 设计方法。这主要是因为焊接构件焊缝周围的力学性能非常复杂， 目前还没有较好试验或数值方法对其进行以概率论为基础的研究。 采用荷载标准值计算。 （2）对于只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展， 则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。
第二章 金属材料的塑性变形与性能
9
根据载荷作用性质不同：
a）拉深载荷 --拉力 b）压缩载荷 —压力 c）弯曲载荷 --弯力 d）剪切载荷--剪切力 e）扭转载荷--扭转力
10
2.内力 （1）定义 工件或材料在受到外部载荷作用时，为使其不变形，在 材料内部产生的一种与外力相对抗的力。 （2）大小 内力大小与外力相等。 （3）注意 内力和外力不同于作用力和反作用力。
2
§1.金属材料的损坏与塑性变形
1.常见损坏形式
a）变形
零件在外力作用下形状和尺寸所发生的变化。 （包括：弹性变形和塑性的现象。
c）磨损
因摩擦使得零件形状、尺寸和表面质量发生变化的现象。
3
2.常见塑性变形形式 1）轧制 （板材、线材、棒材、型材、管材）
28
2）应用范围 主要用于：测定铸铁、有色金属及退火、正火、 调质处理后的各种软钢或硬度较低的 材料。 3）优、缺点 优点：压痕直径较大，能比较正确反映材料的平均 性能；适合对毛坯及半成品测定。 缺点：操作时间比较长，不适宜测定硬度高的材料； 压痕较大不适合对成品及薄壁零件的测定。
29
2.洛氏硬度（HR）——生产上应用较广泛 1）定义 采用金刚石压头直接测量压痕深度来表示材料的硬度值。 2）表示方法
11
3.应力 （1）定义 单位面积上所受到的力。 （2）计算公式 σ= F/ S（ MPa/mm2 ） 式中： σ——应力； F ——外力； S ——横截面面积。
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二、金属的变形 金属在外力作用下的变形三阶段： 弹性变形 弹-塑性变形 断裂。 1.特点 弹性变形： 金属弹性变形后其组织和性能不发生变化。 塑性变形： 金属经塑性变形后其组织和性能将发生变化。 2.变形原理 金属在外力作用下，发生塑性变形是由于晶体内部 缺陷—位错运动的结果，宏观表现为外形和尺寸变化。
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。
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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。
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（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。
第二章第四节钢材冷加工-
总的来说，冷加工钢筋尽管强度有一定提高，但 塑性、韧性均有所降低，且大多为作坊式生产，质 量不宜保证，目前使用量呈下降趋势。
3
二、钢材的时效处理
将经过冷加工后的钢材, 在常温下存放15～20 天, 或加热至100～200℃并保持2h左右, 其屈服强 度、抗拉强度及硬度进一步提高, 这个过程称为时效 处理。前者称为自然时效, 后者称为人工时效。
5
三、钢材的热处理
热处理是将钢材按规定的温度制度, 进行加热、保
温和冷却处理, 以改变其组织, 得到所需要的性能的一种
工艺
热处理包括淬火、回火、退火和正火
⑴ 淬火
, 保温, 然后投
入水或矿物油中急冷, 使晶粒细化, 碳的固溶量增加, 强
度和硬度增加, 塑性和韧性明显下降。
⑵ 回火
, 再加热至基本组织
第二章第四节钢材冷加工
1. 冷拉。将热轧钢筋用拉伸设备在常温下拉长，使之产 生一定的塑性变形称为冷拉。冷拉后的钢筋不仅屈服强 度提高20%～30%，同时还增加钢筋长度（4%～10%）， 因此冷拉是节约钢材（一般10%～20%）的一种措施。
钢材经冷拉后屈服阶段缩短，伸长率减小，材质变 硬。
实际冷拉时，应通过试验确定冷拉控制参数。冷拉 参数的控制，直接关系到冷拉效果和钢材质量。
通常对强度较低的钢筋可采用自然时效, 强度较 高的钢筋则需采用人工时效。
钢材经冷加工和时效处理后, 其性能变化规律在 应力—应变图上明显地得到反映, 如图所示。
4
OBCD: 未冷拉钢筋曲线
O'KCD: 冷拉钢筋曲线
O'K'C1D1: 冷拉并经时效处 理钢筋曲线
C1
K1
C
B
K
D1 D
3
二、钢材的时效处理
将经过冷加工后的钢材, 在常温下存放15～20 天, 或加热至100～200℃并保持2h左右, 其屈服强 度、抗拉强度及硬度进一步提高, 这个过程称为时效 处理。前者称为自然时效, 后者称为人工时效。
5
三、钢材的热处理
热处理是将钢材按规定的温度制度, 进行加热、保
温和冷却处理, 以改变其组织, 得到所需要的性能的一种
工艺
热处理包括淬火、回火、退火和正火
⑴ 淬火
, 保温, 然后投
入水或矿物油中急冷, 使晶粒细化, 碳的固溶量增加, 强
度和硬度增加, 塑性和韧性明显下降。
⑵ 回火
, 再加热至基本组织
第二章第四节钢材冷加工
1. 冷拉。将热轧钢筋用拉伸设备在常温下拉长，使之产 生一定的塑性变形称为冷拉。冷拉后的钢筋不仅屈服强 度提高20%～30%，同时还增加钢筋长度（4%～10%）， 因此冷拉是节约钢材（一般10%～20%）的一种措施。
钢材经冷拉后屈服阶段缩短，伸长率减小，材质变 硬。
实际冷拉时，应通过试验确定冷拉控制参数。冷拉 参数的控制，直接关系到冷拉效果和钢材质量。
通常对强度较低的钢筋可采用自然时效, 强度较 高的钢筋则需采用人工时效。
钢材经冷加工和时效处理后, 其性能变化规律在 应力—应变图上明显地得到反映, 如图所示。
4
OBCD: 未冷拉钢筋曲线
O'KCD: 冷拉钢筋曲线
O'K'C1D1: 冷拉并经时效处 理钢筋曲线
C1
K1
C
B
K
D1 D
建筑材料-钢材-钢材基本性能
3）疲劳破坏是在低应力状态下突然发
生的，所以危害极大，往往造成灾难性 的事故。
钢材疲劳曲线示意图
4）疲劳影响因素
疲劳受内部组织和表面质量双重那个影 响。
2.2.1.4 钢材的硬度
1）定义：
硬度是指钢材抵抗硬物体压入钢材的表面的能 力。是材料弹性、塑性、变形强化率、强度和 韧性等参数的综合指标。
布氏法
2.2.1.2 冲击韧性
4）影响冲击韧性的因素
硫、磷含量高，存在化学偏析，
含非金属夹杂物，焊接形成裂纹， 温度降低等，均会降低冲击韧性。
内部组织缺陷、冶金和轧制焊接
质量等关系大。
失效敏感性越大钢材，时效后冲
击韧性和强度降低迅速。
对于承受冲击荷载和振动荷载部
位的钢材，必须考虑冲击韧性。
冲击荷载 钢板 脆断 塑性变形
土木工程材料 第二章 建筑钢材
学习目标
通过本章的学习： （ 1）掌握钢材力学 性能的几个指标参 数：抗拉、冷弯、 冲击韧性、耐疲劳 和硬度等；
本章内容
2.1 建筑钢材基本知识 2.1.1 建筑钢材概述
2.1.2 钢的冶炼加工及其对钢
材质量的影响 2.1.3 钢的分类 2.1.4 钢材的加工 2.2 建筑钢材的主要技术性能 2.2.1 力学性能 2.2.2 工艺性能
长度与原来长度的百分比，伸长率 按试棒长度的不同分为：试棒的标 距等于5倍直径，短试棒求得的伸长 率，代号为 δ5 ；试棒的标距等于 10 倍直径，长试棒求得的伸长率，代 号为δ10。伸长率是钢材发生断裂时 所能承受的永久变形的能力。
l1 l0 1000 0 l0
δ——试件的伸长率，%； l0——拉伸前的标距长度； l1——拉断后的标距长度； l0——拉伸前的标距长度； l1——拉断后的标距长度。
第二章金属材料力学性能基本知识及钢材的脆化
金属材料力学性能基本知识及钢材的脆化金属材料是现代工业、农业、国防以及科学技术各个领域应用最广泛的工程材料，这不仅是由于其来源丰富，生产工艺简单、成熟，而且还因为它具有优良的性能。
通常所指的金属材料性能包括以下两个方面：1．使用性能即为了保证机械零件、设备、结构件等能正常工作，材料所应具备的性能，主要有力学性能(强度、硬度、刚度、塑性、韧性等)，物理性能(密度、熔点、导热性、热膨胀性等)，化学性能(耐蚀性、热稳定性等)。
使用性能决定了材料的应用范围，使用安全可靠性和使用寿命。
2 工艺性能即材料在被制成机械零件、设备、结构件的过程中适应各种冷、热加工的性能，例如锻造，焊接，热处理，压力加工，切削加工等方面的性能。
工艺性能对制造成本、生成效率、产品质量有重要影响。
1．1材料力学基本知识金属材料在加工和使用过程中都要承受不同形式外力的作用，当外力达到或超过某一限度时，材料就会发生变形以至断裂。
材料在外力作用下所表现的一些性能称为材料的力学性能。
锅炉压力容器材料的力学性能指标主要有强度、硬度、塑性、韧性等这些性能指标可以通过力学性能试验测定。
1．1．1 强度金属的强度是指金属抵抗永久变形和断裂的能力。
材料强度指标可以通过拉伸试验测出。
把一定尺寸和形状的金属试样(图1～2)装夹在试验机上，然后对试样逐渐施加拉伸载荷，直至把试样拉断为止。
根据试样在拉伸过程中承受的载荷和产生的变形量之间的关系，可绘出该金属的拉伸曲线(图1—3)。
在拉伸曲线上可以得到该材料强度性能的一些数据。
图1—3所示的曲线，其纵坐标是载荷P(也可换算为应力d)，横坐标是伸长量AL(也可换算为应变e)。
所以曲线称为P—AL曲线或一一s曲线。
图中曲线A是低碳钢的拉伸曲线，分析曲线A，可以将拉伸过程分为四个阶段：1．弹性阶段即曲线的o-e段，在此段若加载不超过e点的应力值，卸载后试件的变形可全部消失，故e点的应力值为材料只产生弹性变形时应力的最高限，称为弹性极限，曲线的o～e’段为直线，在此段内应力与应变成正比，即材料符合虎克定律，该段称为线弹性阶段。
影响钢材性能的因素
（3）钢材硬化 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，从而提高了钢的屈服点，同时降低了钢的塑 性和韧性，这种现象称为冷作硬化或应变硬化。
（4） 温度影响
钢材对温钢材的低温性能更重要。
在正温范围，总的趋势是随着温度的升高，钢材强 度降低，变形增大。约在200℃以内钢材性能没有很大变
第二章 建筑结构材料
本章主要内容
1.影响钢材力学性能的主要因素
1
1.影响钢材力学性能的主要因素 影响钢材力学性能的因素有很多，本节主要讨论化学 成分、冶金缺陷、钢材硬化、应力集中、残余应力、温度 变化及疲劳对钢材性能的影响。
（1）化学成分 碳：形成钢材强度的主要成分。碳含量提高，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，尤其是低温下的冲击韧性也会降低。
“热脆”：硫能生成易于熔化的硫化铁，当热加工及 焊接使温度达800～1000℃时，使钢材出现裂纹、变脆的 现象。
“冷脆”：在低温时，磷使钢材的冲击韧性大幅度下
降的现象。 氧和氮：钢中的有害杂质。氧能使钢热脆，氮能使钢 冷脆。
（2）冶金缺陷的影响 常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹、
分层等，都会使钢材性能变差。
（4）冲击韧性 韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力。韧性是钢材强度和
塑性的综合指标。
冲击韧性随温度的降低而下降。其规律是开始下降缓 慢，当达到临界温度时，突然呈脆性，这种性质称为钢材 的冷脆性。钢材的脆性临界温度越低，低温冲击韧性越好。 对于直接承受动荷载而且可能在负温下工作的重要结 构，应有冲击韧性保证。
3.建筑钢材的设计指标 （1）钢筋的强度标准值和强度设计值 材料强度标准值：正常情况下可能出现的最小材料
（4） 温度影响
钢材对温钢材的低温性能更重要。
在正温范围，总的趋势是随着温度的升高，钢材强 度降低，变形增大。约在200℃以内钢材性能没有很大变
第二章 建筑结构材料
本章主要内容
1.影响钢材力学性能的主要因素
1
1.影响钢材力学性能的主要因素 影响钢材力学性能的因素有很多，本节主要讨论化学 成分、冶金缺陷、钢材硬化、应力集中、残余应力、温度 变化及疲劳对钢材性能的影响。
（1）化学成分 碳：形成钢材强度的主要成分。碳含量提高，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，尤其是低温下的冲击韧性也会降低。
“热脆”：硫能生成易于熔化的硫化铁，当热加工及 焊接使温度达800～1000℃时，使钢材出现裂纹、变脆的 现象。
“冷脆”：在低温时，磷使钢材的冲击韧性大幅度下
降的现象。 氧和氮：钢中的有害杂质。氧能使钢热脆，氮能使钢 冷脆。
（2）冶金缺陷的影响 常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹、
分层等，都会使钢材性能变差。
（4）冲击韧性 韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力。韧性是钢材强度和
塑性的综合指标。
冲击韧性随温度的降低而下降。其规律是开始下降缓 慢，当达到临界温度时，突然呈脆性，这种性质称为钢材 的冷脆性。钢材的脆性临界温度越低，低温冲击韧性越好。 对于直接承受动荷载而且可能在负温下工作的重要结 构，应有冲击韧性保证。
3.建筑钢材的设计指标 （1）钢筋的强度标准值和强度设计值 材料强度标准值：正常情况下可能出现的最小材料