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1、第2章 钢结构的材料及性能,对钢结构用材的要求钢材的主要性能及其鉴定影响钢材性能的因素钢材的延性破坏和非延性破坏循环加载和快速加载建筑钢材的类别及钢材的选用,主要内容：,重点：,对钢结构用材的要求建筑钢材的类别及钢材的选用,对钢结构用材的要求,较高的强度。即抗拉强度fu和屈服点fy比较高。足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。良好的加工性能。即适合冷、热加工，良好的可焊性。适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀)以及重复荷载作用等的性能。容易生产，价格便宜。钢结构设计规范(GB500172002)推荐的普通碳素结构钢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G
2、B50017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。,2.1 钢材的主要性能及其鉴定,图2.1 钢材的一次拉伸应力应变曲线,2.1.1 单向拉伸时的工作性能 条件：常温、静载条件下一次拉伸,颈缩阶段,1.比例极限fP 这是应力-应变图中直线段的最大应力值。严格地说，比f P略高处还有弹性极限，但弹性极限与f P极其接近，所以通常略去弹性极限的点，把fP看做是弹性极限。2.屈服点fy（下屈服点）表示钢材强度的重要指标，设计钢材时可达到的最大应力3.抗拉极限强度fu 无实际意义，表示安全储备的大小。fy/fu 屈强比,强度指标,结论,钢材达到屈服点后将产生很大的塑性变形，不符合使用
3、要求，结构中不允许。因此，屈服点处的应力是计算钢结构强度时允许的最大应力fP fy fu三点接近，在计算钢结构强度时近似将三点合一。屈服点以前的应变很小，屈服点以后的流幅相当长。因此，钢材是一种理想的的弹性塑性材料。即在屈服点以前是弹性的，屈服点以后是塑性的钢材的自强阶段在计算中不利用的，增加安全保障,塑性定义:应力超过屈服点fy后,能产生显著的塑性变形,而 不立即断裂的性质塑性指标:伸长率5和10 伸长率是断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比。取圆形试件直径d的五倍或十倍为标定长度，其相应的伸长率用5和10表示，伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形的能力。结构制造时，这种能力使材料经受剪切
4、、冲压、弯曲及锤击所产生的局部屈服而无明显损坏。,塑性和塑性指标,屈服点、抗拉强度、伸长率 是钢材的三个重要力学性能指标。钢结构中所采用的钢材都应满足钢结构设计规范对这三项力学性能指标的要求。例见p16 表2.2ab,图2.3 钢材的冷弯试验,2.1.2 冷弯性能,根据试样厚度a，按规定的弯心直径d 将试样弯曲180度，其表面及侧无裂纹或分层则为“冷弯试验合格”d随试验的钢材种类及厚度不同而异，如取1.5a 2a 3a,定义：钢材经过冷加工（常温加工）后出现塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力（无裂缝 裂断 起层）,2.1.2 冷弯性能,“冷弯试验合格”：表示材料塑性变形能力符合要求表示钢材的冶金
5、质量(颗粒结晶及非金属夹杂分布，甚至在一定程度上包括可焊性)符合要求因此，冷弯性能是判别钢材塑性变形能力及冶金质量的综合指标。重要结构中需要有良好的冷热加工的工艺性能时，应有冷弯试验合格保证。,2.1.3 冲击韧性（相对于动力荷载）,吸收较多能量才断裂的钢材，是韧性好的钢材。实际工作中，用冲击韧性衡量钢材抗脆断的性能，实际结构中脆性断裂总是发生在有缺口高峰应力的地方,定义：钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力（亦钢材抵抗冲击荷载的能力）,图2.4 钢材的冲击试验,韧性指标：冲击韧性值,梅氏试件u形缺口K:单位面积上所能承受的冲击功夏比试件形缺口Akv：击断标准试件所需之功，可由试验机度盘上
6、直接读取（）,缺口韧性值受温度影响，温度低于某值时将急剧降低。材料由韧性破坏转到脆性破坏叫该种钢材的转变温度T0。在结构设计中要求避免脆性破坏,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。对寒冷地区直接承受较大动力荷载的钢结构，除应具有常温冲击韧性的保证，还要具有负温冲击韧性保证 例p16 表2.2b,2.1.4 可焊性,可焊性定义：钢材在正常施焊条件下焊缝不产生裂纹及焊后力学性能不受影响的性质 钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在0.120.20范围内的碳素钢，可焊性最好。碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆(产生裂纹,
7、断裂)。,2.2 影响钢材性能的因素,钢：含碳量小于2的铁碳合金铸铁：碳大于2结构用钢：碳素结构钢中的低碳钢 低合金结构钢碳素结构钢：由纯铁、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：除上述元素还加入合金元素，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。,2.2.1 化学成分的影响,碳（C）碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素，是影响钢材强度的主要因素 C 增加 强度提高 塑性和韧性、低温冲击韧性下降，同时可焊性、抗腐 蚀性、冷弯性能明显降低。,碳（C）,因此结构用钢的含碳量一般不应超过0.22%，对焊接结构应低于0.2%。,我国钢结
8、构设计规范推荐采用Q235，Q215及以下强度低，Q235以上含碳量高不适建造钢结构,锰（Mn）锰是一种弱脱氧剂，可提高钢材的强度，又能消除硫、氧对钢材的热脆影响，而不显著降低钢材的塑性和韧性。锰在碳素结构钢中的含量为0.3%-0.8%，在低合金钢中一般为1.0%-1.7%。硅（Si）硅是一种强脱氧剂，适量的硅可提高钢材的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性无明显不良影响，但硅含量过大时，会降低钢材的塑性、韧性、抗锈蚀性和可焊性。,有益元素,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，作为锰以外的合金元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑性、
9、韧性。铝（Al）、铬（Cr）、镍（Ni）铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390钢和Q420钢。,硫（S）降低钢材的塑性、韧性、可焊性、抗锈蚀性等，在高温时使钢材变脆，即热脆。因此，钢材中硫的含量不得超过0.05%，在焊接结构中不超过0.045%。磷（P）磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷是碳素钢中的杂质，它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。在高温时磷也能使钢减少塑性。但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。,有害元素,氧（O）、氮（N）氧和氮也是有害杂质，在金属熔化的状态下可以从空气中进入。氧能使钢热脆，其作用
10、比硫剧烈，氮能使钢冷脆，与磷相似。,2.2.2 成材过程的影响,1冶炼炉种平炉：冶炼时间长，质量好且稳定，一次投资大氧气顶吹转炉：效益高，质量同平炉，成本低（）碱性侧吹转炉：质量差 冶炼这一冶金过程形成钢的化学成分与含量，不可避免地存在冶金缺陷，从而确定不同的钢种、钢号及其相应的力学性能。,2.3.2 成材过程的影响,2脱氧方式沸腾钢：Mn弱氧化剂脱氧，脱氧不充分，钢液沸腾镇静钢：Si（Al脱氧 为Mn90倍）脱氧充分，脱氧中液面平静半镇静钢：两者之间 区别：主要机械性能指标如屈服强度、抗拉强度、伸长率相差不大；但焊接性能、冲击韧性、冷脆、抗疲劳、化学成分的偏析明显差别。镇静钢性能较好，指标较
11、高，用于重要结构。沸腾钢用于一般结构（生产成本低）,2.2.2 成材过程的影响,3轧制（钢材的热加工）将钢锭加热至塑性状态（11501300），通过轧钢机热轧成型钢 优点：使金属晶粒变细，使气泡、裂纹等焊合，改善钢材力学性能。薄板因辊轧次数多，其强度比厚板略高钢材的机械性能，强度按厚度划分（表2.2）缺点：浇铸时非金属夹杂物在轧制后能造成钢材分层。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。,2.2.2 成材过程的影响,4热处理热处理的目的在于取得高强度的同时能够保持良好的塑性和韧性。正火：属于最简单的热处理：把钢材加热至850900 oC并保持一段时间后在空气中自然冷却，即为正火。
12、控轧：如果钢材在终止轧制时温度正好控制在上述温度范围，可得到正火的效果，称为控轧。,2.3.2 成材过程的影响,4热处理热处理的目的在于取得高强度的同时能够保持良好的塑性和韧性。回火：是将钢材重新加热至650 oC并保温一段时间，然后在空气中自然冷却。淬火加回火也称调质处理：淬火是把钢材加热至900 oC以上，保温一段时间，然后放入水或油中快速冷却。强度很高的钢材，包括高强度螺栓的材料都要经过调质处理。,2.2.3 影响钢材性能的其它因素 硬化影响,1.冷加工硬化(应变硬化)：在常温下加工叫冷加工,在冷拉、冷拔、冷弯、冲孔和机械剪切冷加工过程中，卸荷后重新加荷，屈服点提高，塑性和韧性降低。,2
13、.时效硬化：加荷到应变硬化阶段卸载后隔一定时间，再重新加载，钢材的强度将继续有所提高,图2.8 钢材的硬化,原因：随着时间的增加，碳化物和氮化物微粒，散布在晶粒的滑动面上，阻碍滑移，阻碍塑性变形发展，强度增加,结论,无论哪一种硬化，都降低钢材的塑性和韧性性能，对钢材不利。普通钢结构中不利用硬化现象提高强度。而对特殊的和重要结构采取措施以消除硬化或减轻硬化的不利影响（钢板因剪切而硬化的边缘部分刨去）。用作冷弯薄壁型钢结构的冷弯型钢，是由钢板或钢带经冷轧成型，或压力机模压成型或弯板机上弯曲成型。薄壁型钢结构设计中允许利用因局部冷加工而提高的强度。,温度的影响,温度升高与降低都使钢材性能发生变化。低
14、温性能更重要。,常温 200 钢材力学性能基本不变200 600 fy Akv 600时强度很低不能承担荷载250附近有兰脆现象: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。兰脆现象:脆性强，不能加工，会断裂,高温对钢材性能的影响,材料转脆，对冲击韧性的影响十分突出。在结构设计中要求避免完全脆性破坏，所以结构所处温度应大于脆性转变温度。冲击韧性指标一定要与温度对应,图2.5 Cv值随温度T的变化,0负温 fy与fu都略高，Akv,复杂应力状态下钢材的屈服条件,第四强度理论（材料力学）,（单向拉伸试验）钢材屈服，材料破坏,折算应力,主应力方向,结论,1 纯剪状态,其中：
15、fv抗剪强度设计值 f 抗拉强度设计值,剪切屈服点不必由试验求取，可通过强度理论得到,2 双向应力状态,1 2相差不大，但各自很大，eq仍较小，强度提高。二向均匀受拉，塑性变形受限制，钢材变脆，产生脆性破坏。,1 2 不要接近，易发生塑性破坏,应力集中 定义：当截面完整性遭到破坏，如有裂纹(内部的或表面的)、孔洞、刻槽、凹角时以及截面的厚度或宽度突然改变时，构件中的应力分布将变得很不均匀。在缺陷或截面变化处附近，应力线曲折、密集、出现高峰应力的现象称为应力集中。结果：孔边应力高峰处将产生双向或三向的应力。这是因为材料的某一 点在x方向伸长的同时，在y方向(横向)将要收缩，当板厚较大时还将引起z
16、方向收缩。,由力学知识知道，三向同号应力且各应力数值接近时，材料不易屈服。当为数值相等三向拉应力时，直到材料断裂也不屈服。没有塑性变形的断裂是脆性断裂。所以，三向应力的应力状态，使材料沿力作用方向塑性变形的发展受到很大约束，材料容易脆性破坏。因此，对于厚钢材应该要求更高的韧性。,图2.8 孔洞、缺口处的应力集中,2.4钢材的脆性断裂（冷脆）,钢材为弹塑性材料，但在特殊条件下可转变为脆性材料,所以不宜把钢材划分为塑性和脆性材料，而应该区分材料可能发生的塑性破坏与脆性破坏,塑性破坏特征：,1 破坏前有较大塑性变形2 达到抗拉强度fY,脆性破坏特征：,1变形很小，破坏突然发生2破坏应力小于fY3断口
17、平直,影响钢材脆断的因素,钢材的质量钢板的厚度加荷的速度应力的性质及大小最低使用温度连接方法应力集中程度,影响钢材脆断的因素,断裂力学是研究钢材脆断的一门新学科,钢材断裂，源于钢材中的一些微小裂纹，要防止断裂，就应设法消除或减少微裂纹。特别是低温区焊接结构,防止钢材脆断措施 见p20,2.6 建筑钢材的类别,碳素结构钢牌号（简称钢号）完整表示方法：Q235质量等级符号 脱氧方式符号 Q 是屈服强度中屈字汉语拼音，后接数字表示以 N/mm2为单位屈服强度 质量等级A、B、C 或 D（D级优）脱氧方式 F 沸腾钢 Z 镇静钢 b半沸腾钢（少）TZ 特殊镇静钢（桥梁用）,可省,1 碳素结构钢,A级钢
18、B级钢有F、Z、b三种脱氧方式，C级钢只有镇静钢。D级钢只有特殊镇静钢,定义：在钢的冶炼过程中添加少量几种合金元素使钢的强度明显提高Q345、Q390 和 Q420 是钢结构设计规范规定采用钢种。钢材牌号：Q 屈服点数值 质量等级（A-E)三部分（脱氧方式略：A、B 级属于镇静钢 C、D、E 级属于特殊镇静钢。）,2 低合金高强度结构钢,不同质量等级是按对冲击韧性（夏比 V 型缺口试验）的要求区分的。A 级无冲击功要求；B 级要求提供 20 冲击功 AKv 34J（纵向）;C 级要求提供0 冲击功 AKV 34J（纵向）;D 级要求提供一 20 冲击功 AKv34J（纵向）;E 级要求提供一
19、40 冲击功 AKv 27J（纵向）。不同质量等级对碳、硫、磷、铝等含量的要求也有区别。,质量等级划分p23,2.6.2 钢材的选择,我国钢结构设计规范中对钢材材性的要求所有承重结构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，对焊接结构应具有碳含量的合格保证焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构应具有冷弯试验的合格保证对需验算疲劳的结构，其钢材需具有冲击韧性要求（表2.3）吊车起重量50T，钢材冲击韧性要求,2.6.2 钢材的选择 P24,选择钢材的目的是要做到结构安全可靠，同时用材经济合理。为此，在选择钢材时应考虑下列各因素：1.结构或构件的重要性；2.荷载性质（静载或动载）3.
20、连接方法（焊接、铆接或螺栓连接）4.工作条件（温度及腐蚀介质）。对于重要结构、直接承受动载的结构、处于低温条件下的结构及焊接结构，应选用质量较高的钢材。,Q235A 钢的保证项目中，碳含量、冷弯试验合格和冲击韧性值并未作为必要的保证条件，所以只宜用于不直接承受动力作用的结构中。当用于焊接结构时，其质量证明书中应注明碳含量不超过 0.2%。当选用 Q235A、B 级钢时，还需要选定钢材的脱氧方法。连接所用钢材，如焊条、自动或半自动焊的焊丝及螺栓的钢材应与主体金属的强度相适应。,2.7 型钢的规格,钢结构构件一般宜直接选用型钢，这样可减少制造工作量，降低造价。型钢有热轧及冷成型两种。1 热轧钢板
21、热轧钢板分厚板及薄板两种，厚板的厚度为 4.5-60mm(用来组成焊接构件和连接钢板)，薄板厚度为0.35-4mm(冷弯薄壁型钢)。在图纸中钢板用“-厚 x 宽 x 长（单位为毫米）”前面附加钢板横断面的方法表示，如：-12 x 800 x 2100等。,图2.14热轧型材的截面,角钢有等边和不等边两种。等边角钢，以边宽和厚度表示，如 L100 x 10为肢宽 100 mm、厚 10mm 的等边角钢。不等边角钢，则以两边宽度和厚度表示，如 L100 x 80 x 10 等。槽钢热轧普通槽钢表示法如 30a 30b 30c，指槽钢外廓高度为 30cm，且腹板厚度不同，a型号厚度最小。见p522
22、工字钢与槽钢相同 I32a I32b I32c,腹板厚度分 a、b 及c三种,2 热轧型钢,H 型钢代号：HW（wide）宽翼缘 H 型钢 宽高比B/H1HM（middle）中翼缘 H 型钢 B/H=1/22/3HN（narrow）窄翼缘 H 型钢 B/H=1/21/3表示方法:先用符号 HW、HM 和 HN 表示 H 型钢类别 后加“高度x 宽度（毫米）”例:HW300 x300，即为截面高度为 300mm，翼缘宽度为 300mm 的宽翼缘 H 型钢。剖分 T 型钢由对应的 H 型钢沿腹板中部对等剖分而成。其表示方法与 H 型钢类同。只要将H换成T,H 型钢与剖分 T 型钢,3 冷弯薄壁型钢 是用 2-6mm 厚的薄钢板经冷弯或模压而成型的（如图示）。压型钢板是近年来开始使用的薄壁型材，所用钢板厚度为 0.4-2mm，用做轻型屋面等构件。,图2.16 冷弯型钢的截面形式,多用于屋面板 楼板中 墙板,热轧型钢的型号及截面几何特性见书后附表。薄壁型钢的常用型号及截面几何特性见 冷弯薄壁型钢结构技术规范 GB 50018 一 2002 的附录。,
