第二章 钢结构的材料

钢材应力－应变（ 钢材应力－应变（σ－ε）曲线
理想弹塑性体应力－应变（σ 理想弹塑性体应力－应变（σ－ε）曲线
§ห้องสมุดไป่ตู้-2 钢材的性能
2、塑性
钢材的塑性： 钢材的塑性：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
伸长率δ ：试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的 百分数
§2-4 影响钢材性能和脆性破坏的因素
五、复杂应力作用与应力集中的影响
多向同号应力场作用下，一向的变形受到另一向的限制，钢材强度 增加，塑性、韧性下降，异号应力场时则相反 钢结构构件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变 化、内部缺陷等使一些区域产生局部高峰应力——应力集中现象 化、内部缺陷等使一些区域产生局部高峰应力——应力集中现象
§2-2 钢材的性能
一、机械性能
拉伸试验
荷载－变形（F－∆L）曲线 应力－应变（σ－ε）曲线
§2-2 钢材的性能
1、强度
根据钢材单向拉伸性能曲线，工程应用，钢材的性能按理想弹塑性体考虑， 根据钢材单向拉伸性能曲线，工程应用，钢材的性能按理想弹塑性体考虑， fy为钢材拉、压强度标准值。 为钢材拉、压强度标准值。
●
据以上要求, 钢结构设计规范》GB50017-2003推荐承重结构 据以上要求,《钢结构设计规范》GB50017-2003推荐承重结构 用钢宜采用：炭素结构钢中的Q235 Q235钢及低合金高强结构钢中的 用钢宜采用：炭素结构钢中的Q235钢及低合金高强结构钢中的 Q345、Q390和Q420钢四种钢材 Q345、Q390和Q420钢四种钢材。
§2-5 钢和钢材的种类及选用
一、钢结构用钢的种类及钢的牌号
低合金高强度结构钢： 含碳量均不大于0.20％，强度的提高主要依靠添加少量几种合金元 含碳量均不大于0.20％，强度的提高主要依靠添加少量几种合金元 素来达到，合金元素总量低于5 素来达到，合金元素总量低于5％ 共有Q295、Q345、Q390、Q420和Q460五种牌号 共有Q295、Q345、Q390、Q420和Q460五种牌号 Q345、Q390和Q420均按化学成分和冲击韧性由低到高划分为A Q345、Q390和Q420均按化学成分和冲击韧性由低到高划分为A、 B、C、D、E共5个质量等级（ Q345 较为常用） 优质碳素结构钢： 碳素结构钢的主要区别在于钢中含杂元素较少，磷、硫等有害元素 的含量均不大于0.035％，其它缺陷的限制也较严格，具有较好的 的含量均不大于0.035％，其它缺陷的限制也较严格，具有较好的 综合性能 共有两大类：普通含锰量的钢和较高含锰量的钢 由于价格较高，钢结构中使用较少，仅用经热处理的优质碳素结构 钢冷拔高强钢丝或制作高强螺栓、自攻螺钉等 （各种常用结构钢材化学成分及机械性能参见教材表2.1~2.4） （各种常用结构钢材化学成分及机械性能参见教材表2.1~2.4）
钢来说，主要有一下几个方面的要求: 钢来说，主要有一下几个方面的要求: 较高的强度：结构的承载力大，所需的截面小， 1、较高的强度：结构的承载力大，所需的截面小，结构 的自重轻； 的自重轻； 较好的塑性及韧性：塑性好，不易发生脆性破坏； 2、较好的塑性及韧性：塑性好，不易发生脆性破坏；韧 性好，利于承受动力荷载； 性好，利于承受动力荷载； 良好的加工性能与耐久性：包括可焊性、 3、良好的加工性能与耐久性：包括可焊性、冷弯性能以 及耐腐性能； 及耐腐性能； 专用的特种性能：耐候、耐火、 向性能。 4、专用的特种性能：耐候、耐火、Z向性能。
§2-4 影响钢材性能和脆性破坏的因素
二、冶炼、浇铸、轧制和热处理的影响
可能产生：偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹及分层 可能产生：偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹及分层
三、钢材的硬化
冷作硬化：钢结构在冷加工过程中使钢材产生很大塑性变形，引 冷作硬化： 起强度提高，塑性、韧性降低 时效硬化（老化）： ）：随着时间的增长，纯铁体中残留的碳、氧固 时效硬化（老化）：随着时间的增长，纯铁体中残留的碳、氧固 溶物质逐步析出，形成自由的碳化物或氧化物微粒，约束纯铁体 的塑性变形，强度提高，塑性、韧性下降 应变时效: 应变时效:即应变硬化后又加时效硬化
§2-5 钢和钢材的种类及选用
三、钢材的品种和规格
2、热轧型钢 （1）角钢：
等边角钢 不等边角钢 等边（等肢）—符号“ 等边（等肢）—符号“L”＋“边长×厚度” 边长×厚度” 不等边（不等肢）—符号“ 不等边（不等肢）—符号“L”＋“长边宽×短边宽×厚度” 长边宽×短边宽×厚度” 主要用来制作桁架等格构式结构的杆件和支撑等连接杆件
§2-4 影响钢材性能和脆性破坏的因素
四、温度的影响
总趋势：温度升高，钢材强度降低，应变增大；温度降低，钢材强 总趋势：温度升高，钢材强度降低，应变增大；温度降低，钢材强 度略有增加，塑性和韧性降低而变脆 约在200° 约在200°C以内，温度升高，钢材力学性能变化不大 250° 250°C左右时，钢材抗拉强度提高，塑性、韧性下降，表面氧化膜 呈蓝色——蓝脆现象 呈蓝色——蓝脆现象 260°C~320° 260°C~320°C时，应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继 续变形——徐变现象 续变形——徐变现象 温度在430° 540° 之间，屈服点和极限强度显著下降，达到600° 温度在430°C-540°C之间，屈服点和极限强度显著下降，达到600°C 时强度几乎等于零 在负温范围内，钢材的冲击韧性突然急剧下降，试件断口属脆性破 坏——冷脆现象（脆性转变温度区——钢材由韧性状态向脆性状态 ——冷脆现象 冷脆现象（脆性转变温度区——钢材由韧性状态向脆性状态 转变的温度区）
A
A
§2-2 钢材的性能
二、可焊性能
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。 影响钢材可焊性的因素很多：钢材的品种、化学 成分及规格等自身的因素外，还与节点的复杂程 度、约束程度、焊接工艺等有关，故易焊钢材的 可焊性好。反之难焊钢材可焊性差
§2-2 钢材的性能
根据试件原标距长度 l0与试件 中间部分的直径d0 的比值为10或 5而分为δ10或δ5
断面收缩率： 断面收缩率：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率
§2-2 钢材的性能
3、冷弯性能
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 冷弯性能实验是用弯心直 径为d 径为d的冲头对试件压弯 180度，然后检查试件表面， 180度，然后检查试件表面， 以不出现裂纹和分层为合 以不出现裂纹和分层为合 格。
三、特种性能 1、耐火性能 2、耐候性能 3、Z向性能
§2-3 钢材的破坏形式
两种性质完全不同的破坏形式：
塑性破坏
破坏前有较大变形，有预兆，断裂时断口呈纤维状， 色泽发暗
脆性破坏
破坏前无明显变形，无预兆，断裂时断口平齐，呈 有光泽的晶粒状
脆性破坏没有任何预兆，破坏速度极快，无法察觉和补救， 脆性破坏没有任何预兆，破坏速度极快，无法察觉和补救，且一旦 没有任何预兆 发生常引发整个结构的破坏，后果严重，故在钢结构的设计、 发生常引发整个结构的破坏，后果严重，故在钢结构的设计、施工 和使用过程中， 和使用过程中，要特别注意防止发生脆性破坏
§2-5 钢和钢材的种类及选用
二、钢材的选用
选用原则 总的原则：安全可靠 总的原则：安全可靠 经济合理 需考虑因素： 结构的重要性 荷载性质 应力特征 选用建议
承重结构采用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 焊接结构应保证碳的极限含量 焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材应具有冷弯试验的合 格保证 需要验算疲劳以及主要的受拉或受弯的焊接结构的钢材应具有的冲击韧性 合格保证
§2-5 钢和钢材的种类及选用
三、钢材的品种和规格
2、热轧型钢 （2）工字钢、H型钢、T型钢 工字钢、H型钢、T型钢：
工字钢 H型钢及T型钢 型钢及T 工字钢—符号“ ＋号数（截面高cm）＋类别（a 工字钢—符号“I”＋号数（截面高cm）＋类别（a、b、c腹板厚度） H型钢—符号“HW、HM、HN”＋“高H×宽B×腹板厚t1×翼缘t2” 型钢—符号“HW、HM、HN” 腹板厚t 翼缘t T型钢—符号“TW、TM、TN”＋“高H×宽B×腹板厚t1×翼缘t2” 型钢—符号“TW、TM、TN” 腹板厚t 翼缘t
第二章
钢结构的材料
钢结构的材料不仅密切关系到钢结构 的计算理论，同时还对钢结构的制造、 安装、造价、安全等均有直接联系。所 以，本章内容是学习钢结构的基础。学 习时，应全面了解钢材的性能，从而做 到正确选择建筑钢材。
§2-1 钢结构对钢材性能的要求
●钢材种类繁多，规格、用途也不相同，对建筑结构用 钢材种类繁多，规格、用途也不相同，
§2-4 影响钢材性能和脆性破坏的因素
一、化学成分
铁：钢的基本元素 ，普通碳素钢中占99% 铁：钢的基本元素 ，普通碳素钢中占99% 碳：碳含量增加，提高钢材强度，降低塑性、韧性、耐腐蚀性、 疲劳强度和冷弯性能，恶化钢材可焊性 硅、锰：脱氧剂，提高钢材强度 硅、锰：脱氧剂，提高钢材强度 钒、钛：提高钢的强度和抗腐蚀性 钒、钛：提高钢的强度和抗腐蚀性 硫、磷：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，分别加剧 硫、磷：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，分别加剧 热脆和冷脆，磷能提高强度和抗锈性 热脆和冷脆，磷能提高强度和抗锈性 氧、氮：分别加剧热脆和冷脆 氧、氮：分别加剧热脆和冷脆 铜：降低可焊性，提高钢的强度和抗腐蚀性 铜：降低可焊性，提高钢的强度和抗腐蚀性
六、残余应力及重复荷载的影响
残余应力对构件的刚度和稳定性都有所降低。（后文阐述） 重复荷载作用表现于钢材的“疲劳” 重复荷载作用表现于钢材的“疲劳”。 （后文阐述）
§2-4 影响钢材性能和脆性破坏的因素