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第二章 钢结构材料,本 章 内 容,2.1 钢材的力学性能 2.2 钢材的破坏形态 2.3 影响钢材性能的因素 2.4 钢材的分类 2.5 钢材的选用 2.6 钢材的规格,2.1 钢材的力学性能,2.1.1 钢材的强度 强度是钢材的一项主要机械性能，可通过单向拉伸实验确定。 图2.1 钢材的应力-应变关系,2.1 钢材的力学性能,2.1.1 钢材的强度 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，所以通常略去弹性极限的点，把 P看做是弹性极限。 2.屈服点y 应变在P之后不再与应力成正比，而是渐渐加大，应力-应变间成曲线关系，一直到屈服点。 3.抗拉强度u 屈服平台之后，应变增长时又需有应力的增长，但相对地说应变增加得快，呈现曲线关系直到最高点。,2.1 钢材的力学性能,2.1.1 钢材的强度 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，所以通常略去弹性极限的点，把 P看做是弹性极限。 2.屈服点y 应变在P之后不再与应力成正比，而是渐渐加大，应力-应变间成曲线关系，一直到屈服点。 3.抗拉强度u 屈服平台之后，应变增长时又需有应力的增长，但相对地说应变增加得快，呈现曲线关系直到最高点。,2.1 钢材的力学性能,2.1.2 钢材的塑性 钢材的塑性一般是钢材破坏前产生塑性变形的能力。衡量钢材塑性的好坏的主要指标是伸长率和截面收缩率。 图2.2 拉伸试件,2.1 钢材的力学性能,2.1.3 钢材的冷弯性能 钢材的冷弯性能是衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时，抵抗产生裂纹能力的一项指标，由冷弯试验确定。 它还是显示钢材内部缺陷状况的一项指标；是鉴定钢材在弯曲状态下塑性应变能力和钢材质量的综合指标。 图2.3 钢材冷弯试验示意图,2.1 钢材的力学性能,2.1.4 钢材的冲击韧性 钢材的冲击韧性是也称作缺口韧性，是衡量钢材在冲击荷载作用下，抵抗脆性断裂能力的一项力学指标，通常采用在材料试验机上对标准试件进行冲击荷载试验来测定。 它用材料在断裂时所吸收的总能量来量度（Ak）。韧性是钢材强度和塑性的综合指标。 图2.4 钢材冲击韧性,2.2 钢材的破坏形态,钢材的破坏形态： 1、塑性破坏：是构件应力超过屈服点fy，并达到抗拉极限强度fu后，构件产生明显的塑性变形而断裂，其断口常为杯形，呈纤维状，色泽发暗。破坏前有明显的变形，且有较长的变形持续时间，便于发现和补救。 2、脆性破坏：破坏前无明显变形，平均应力低于抗拉强度fu，甚至是低于屈服强度fy，其断口平直，呈有光泽的晶粒状。破坏系突然，无明显预兆，此破坏危险性极大，应尽量避免。,2.2 钢材的破坏形态,2.2.1 钢材的脆性破坏 1、产生原因：裂纹、材料的韧性 、钢材化学成分 、冶金缺陷、钢板厚度、加载速度、应力性质和大小、最低使用温度、连接方法和应力集中等。 2、提高钢材抗脆性断裂性能的主要措施有： 1）合理设计 2）合理制作 3）合理使用,2.2 钢材的破坏形态,2.2.2 钢材的疲劳破坏 1、疲劳破坏：钢材或构件在连续反复荷载作用下，在应力远低于极限强度，甚至还低于屈服强度的情况下也会发生破坏，这种破坏称之为疲劳破坏（fatigue failure）。 2、疲劳强度：疲劳破坏时，钢材达到的最大应力称之为疲劳强度。 影响疲劳强度的因素：应力的种类（拉应力、压应力、剪应力和复合应力等）、应力循环形式、应力循环次数、应力集中程度和残余应力等。,2.3 影响钢材性能的因素,2.3.1 化学成分 1、钢是含碳量小于2%的铁碳合金。钢中基本元素：Fe、C、Si、Mn、S、P、N、O。 2、普通碳素钢中， Fe占99%，其余元素占1%。在低合金钢中，除了上述元素外，还有一定合金元素（镍、钒、钛等）（含量低于5%）,2.3 影响钢材性能的因素,2.3.1 化学成分 碳C ：含量增加，钢材强度提高，而塑性、韧性和疲劳强 度低。同时焊接性能和抗腐蚀性恶化。一般在碳素 结构钢中不应超过0.22%，在焊接结构中还应低于 0.2 %。 硫S：有害元素，常以硫化铁形式夹杂于钢中。当温度达 8001000时，硫化铁会熔化使钢材变脆，因而在 进行焊接或热加工时，有可能引发热裂纹，称为热脆。 降低钢材的塑性、韧性、可焊性、疲劳强度和抗锈蚀 性能。含量应不超过0.055%。,2.3.1 化学成分 磷P：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在低温 时，使钢材变脆，称之为冷脆。含量应不超过0.050% 。 可以提高强度和抗锈蚀性。(有害成分) 锰Mn：含Mn适量使强度，降低S、O的热脆影响，改善热 加工性能，对其它性能影响不大,有益.在碳素结构 钢中锰的含量为0.3%0.8%，在低合金高强度钢 锰的含量可达0.8%1.8%。 硅Si：碳素结构钢中应控制0.3 %, 在低合金高强度钢中 硅的含量可达0.55 %。,2.3.1 化学成分 铝Al：强脱氧剂，还能细化晶粒，可提高钢的强度和低温韧性 ，在要求低温冲击韧性合格保证的低合金钢中，其含量 不小于0.015%。 氧O：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在高温时 ，发生热脆。 (有害成分) 氮N：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在低温时 ，发生冷脆。 (有害成分),2.3 影响钢材性能的因素,2.3.2 生产工艺影响 1、冶炼：电炉钢、平炉钢和氧气转炉钢 2、浇铸：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢、特殊镇静钢 3、轧制： 2.3.3 钢材硬化 时效硬化：钢材仅随时间增长而变脆的现象称为时效硬化 应变硬化：钢材经冷加工（冷拉、冷弯等）而产生塑性变形， 卸载后重新加载，可使钢材屈服点得到提高，但钢 材塑性和韧性明显降低的现象，称为应变硬化（冷 作硬化） 应变时效硬化：钢材经应变硬化后，其时效硬化速度将加快， 从而在较短时间内钢材又产生显著的时效硬化的现 象，称为应变时效硬化,2.3 影响钢材性能的因素,2.3.4 温度影响 时，钢材性能变化不大； 达250附近时，钢材抗拉强度略有提高，而塑性、韧性均下降，此时加工有可能产生裂缝。因钢材表面氧化膜呈蓝色，此现象称“蓝脆现象”； 以后，屈服点和极限强度明显下降； 时强度几乎等于零。 2.3.5 应力集中影响 当构件截面发生急剧变化，出现几何不连续现象（如：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），使构件截面上的一些区域产生局部高峰应力，此谓应力集中现象。,2.4 钢材的分类,建筑用钢主要为 ： 1、碳素结构钢 2、低合金高强度结构钢 3、优质碳素钢 4、优质钢丝绳 5、建筑结构用钢板 6、耐候耐火钢,2.4 钢材的分类,1、碳素结构钢 现行的国家标准碳素结构钢（GB700-2006） 牌号： Q195、Q215、Q235、Q275 质量等级分为A、B、C、D四级 A级无冲击功规定，对冷弯试验只在需方有要求时才进行； B级要求提供20C时冲击功不小于27J； C级要求提供0C时冲击功不小于27J； D级要求提供-20C时冲击功不小于27J。 同时，B、C、D级还要求提供冷弯试验合格证书。,2.4 钢材的分类,1、碳素结构钢 钢的牌号有四部分组成： 1、Q代表屈服强度的字母； 2、屈服点的数值195、215、235、275； 3、质量等级符号 A、B、C、D四个等级(碳素结构钢) A、B、C、D、E五个等级（低合金高强度结构钢） 4、脱氧方法符号F代表沸腾钢、z代表镇静钢、 Tz代表特殊镇静钢。,2.4 钢材的分类,2、低合金高强度结构钢 现行的国家标准低合金高强度结构钢 （GB/T 1591-2008） 牌号： Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、 Q690八种 交货时供方应提供力学性能质保书，其内容为： 屈服强度（fy）、极限强度（fu）、伸长率（5或10） 和冷弯试验；还要提供化学成分质保书；需要进行疲劳验 算的结构钢材，尚应具有冲击韧性合格的要求。,2.4 钢材的分类,3、优质碳素结构钢 含碳量小于0.8的碳素钢 现行的国家标准优质碳素结构钢技术条件 （GB 699-1999） 分为三类：低碳钢（C0.25%） 中碳钢（C为0.25-0.6%） 高碳钢（C0.6%） 4、优质钢丝绳,2.4 钢材的分类,5、建筑结构用钢板（GJ钢） 现行的国家标准建筑结构用钢板 （GB/T198792005） GJ钢与碳素结构钢、低合金高强度结构钢的主要差异有：规定了屈强比和屈服强度的波动范围；规定了碳当量CE和焊接裂纹敏感性指数Pcm；降低了P、S的含量，提高了冲击功值；降低了强度的厚度效应等。 GJ钢牌号：Q345GJCZ25 Q屈服强度数值、GJ 高性能建筑结构用钢、 C 质量等级符号（B、C、D、E）、 Z 厚度方向性能级别 四部分按顺序组成。,2.4 钢材的分类,6、耐候耐火钢 耐候钢（即耐大气腐蚀钢）是介于普通钢和不锈钢之间的 低合金钢系列。 由普碳钢添加少量铜、镍等耐腐蚀元素而成，它具有耐 锈，使构件抗腐蚀延寿、减薄降耗，省工节能等特点。 600时的屈服强度达到常温规格值的三分之二。,2.5 钢材的选用,确定钢材种类及其质量等级： 钢材的选用原则 1、结构的重要性 安全等级不同，所选钢材的质量等级也应不同，重要的结 构构件选用质量好的钢材。 2、荷载特征 荷载为静力或动力荷载，应选用各项性能不同的钢材。 3、连接方法 焊接应选择可焊性好的钢材；非焊接结构对含碳量可降低 要求。,2.5 钢材的选用,确定钢材种类及其质量等级： 钢材的选用原则 4、结构所处的温度和环境 处于负温下工作时，选用负温冲击合格的钢材，结构周围 有腐蚀介质存在时要选用抗锈性好的钢材。 5、结构的受力性质 经常承受拉力的构件，应选用质量较好的钢材 。 6、结构形式与钢材厚度 钢材厚度较大的受拉和受弯构件，对材性要求应高一些。,2.6 钢材的规格,钢结构采用的型材有： 热轧成型：钢板、型钢、圆钢、钢管 冷弯成型：薄壁型钢、焊接钢管 1、热轧钢板 “-” 宽度厚度长度（mm） 2、热轧型钢 （1）热轧角钢 等肢角钢 L肢宽肢厚 不等肢角钢 L长肢宽短肢宽肢厚 （2）热轧工字钢 普通工字钢 “I”和号数(代表截面高度厘米数) 轻型工字钢 “QI”和号数(代表截面高度厘米数) 20号以上的工字钢，按腹板厚度同一号数又分a、b、c 三类。,2.6 钢材的规格,2、热轧型钢 （3）热轧槽钢 普通槽钢 “”和号数 轻型槽钢 “Q”和号数 14号以上的槽钢，按腹板厚度同一号数又分a 、b、c 三类 （4）H型钢(高X宽X腹板厚X翼缘厚）部分T型钢 宽翼缘H型钢（HW,HM,HN)，用于轴压、压弯构件