第2章钢结构的材料

1、1.了解钢材的破坏形式和主要性能。 2.了解影响钢材性能的主要因素。 3.了解钢材疲劳破坏及计算方法。 4.了解钢材的种类及选用原则要求。,2.1 钢结构对材料的要求 2.2 钢材的破坏形式 2.3 钢材的主要性能 2.4 各种因素对钢材主要性能的影响 2.5 复杂应力作用下钢材的屈服条件 2.6 钢材的疲劳 2.7 钢的种类和钢材的规格,本章目录,基本要求,第2.1节 钢结构对材料的要求,1. 概述2. 钢结构对材料的基本要求,了解钢结构对材料性能的基本要求,本节目录,基本要求,2.1.1 概述,含碳量小于2的铁碳合金称作钢，含碳量大于2时称作铁。钢材种类繁多，性能差别很大，适用于钢结构只是

2、其中一小部分。,（1）较高的抗拉强度 fu和屈服点 fy；fy是衡量结构承载力的指标， fy高则可减轻结构自重，节约钢材和降低造价。fu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fu 高可以增加结构的安全保障。 （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(低温、高温、腐蚀等)。,2.1.2 钢结构对材料的基本要求,第2.2节 钢材的破坏形式,钢材的两种破坏形式,了解钢材的破坏形式和特点,本节目录,基本要求,2.2.1 钢材的两种破坏形式,第2.3节 钢材的主要性能,1. 受拉、受压及受剪时的性能2. 冷弯性能 3

3、. 冲击韧性,掌握钢材的主要力学性能要求及含义,本节目录,基本要求,2.3.1 受拉、受压及受剪时的性能,1、钢材在单向一次拉伸下的工作性能,试验条件：标准试件（GB/T228），常温（205）下缓慢加载，一次完成。含碳量为0.1%0.3%。 标准试件：Lo/d=5或10；Lo-标距；d -直径,图2.3.1,2、有明显屈服点钢材的-曲线,2、有明显屈服点钢材的-曲线,图2.3.3,可划分为以下五个阶段：,(1)弹性阶段(OB(OE)段),OA(OP)段材料处于纯弹性，即:,AB(PE)段有一定的塑性变形, 但整个OB(OE)段卸载时 = 0,弹性模量：E=206103N/mm2,其中，A(P

4、)点应力 f p称为比例极限。,(2)弹塑性阶段（BC(ES)段),该段很短，表现出钢材的非弹性性质，即卸荷留下永久的残余变形。,(3)塑性阶段（CD(SC)段),该段基本保持不变（水平),急剧增大,称为屈服台阶。变形模量E = 0。,该段应力最高点和最低点分别称为上屈服点和下屈服点，下屈服点比较稳定，设计中则以下屈服点为依据。 f y称为屈服点。,（4）强化阶段(DG(CB)段),当应力达到G(B)点时，出现颈缩现象，至H(D)点而断裂。,随荷载的增加，缓慢增大,但增加较快。曲线最高点处G(C)点的应力 fu称为抗拉强度或极限强度。,（5）颈缩破坏阶段(GH(BD)段),3、应力应变曲线的简

5、化,设计时将钢材简化为理想弹塑性体,钢材在静载作用下： 强度计算以屈服点的应力fy为依据，抗拉强度fu为材料的安全储备。,4、对无明显屈服点的钢材,高强度钢材在拉伸过程中没有明显的屈服台阶，塑性变形小，设计中不宜利用它的塑性。,设计时取相当于残余变形为0.2%时所对应的应力作为屈服点称为条件屈服点或名义屈服点f0.2 。,5、单向拉伸时钢材的机械性能指标,（1）屈服点 fy 应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力，它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。,（2）抗拉强度 fu 应力应变曲线最高点对应的应力,它是钢材最大的抗拉强度。,（3）伸长率,当lo/d=5时，用5表示 当l

6、0/d=10时，用10表示,（5 10）,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。 钢材的塑性是指：当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。,试件断裂时的绝对变形值与原标距长度的百分比，用表示。,（4）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，用表示。,式中： A0 试件原来的断面面积 A1 试件拉断后颈缩区的断面面积,图2.3.6,采用短试件l0/d=3，屈服点同单向拉伸时的屈服点。,6、受压时的性能,7、受剪时的性能,抗剪强度可由折算应力计算公式得到：,2.3.2 冷弯性能,冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶

7、金质量的综合指标,鉴定合格指标：通过冷弯冲头加压，当试件弯曲至180时，检查试件弯曲部分的外面、里面和侧面，如果没有裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。,图2.3.7,2.3.3 冲击韧性,冲击韧性钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。,用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。韧性指标用冲击韧性值表示，冲击韧性也叫冲击功，用符号Wkv或Cv表示，单位为J。,冲击韧性由冲击韧性试验确定。,图2.3.8,图2.3.9 冲击韧性演示,影响冲击韧性的因素：,冲击韧性与试件刻槽有关，常用缺口形式为夏氏V型和梅氏U型，近年来，我国冲击试验已用夏氏V型代替梅氏U型。,冲击韧性还与试验的温度有

8、关。根据温度不同，我国钢材标准中将试验分为四档，即+20, 0，-20和-40时的冲击韧性。 温度越低，冲击韧性越低。,钢材的机械性能指标,屈服点 fy 抗拉强度 fu 伸长率 冷弯试验 冲击韧性 Cv,小结,第2.4节 各种因素对钢材主要性能的影响,1. 化学成分2. 冶金缺陷 3. 钢材硬化,1.了解影响钢材性能的主要因素,本节目录,基本要求,2.了解防止脆性断裂破坏的方法,4. 温度影响5. 应力集中 6. 荷载的影响,2.4.1 化学成分,普通碳素钢中Fe占99%，C和其他元素仅占1%，但对钢材力学性能有着决定性的影响。 普通低合金钢中合金元素小于5%。,(1)碳（C）：钢材强度的主要

9、来源，随其含量增加，强度增加，塑性、韧性和疲劳强度降低，同时恶化钢的焊接性能和抗腐蚀性。钢结构用钢中，碳含量一般控制在0.22%以下，当其含量在0.2以下时，可焊性良好。,(2)硫（S）：有害元素，热脆性。不得超过0.045%。 (3)磷（P）：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。不得超过0.045%。 (4)锰（Mn）：合金元素,弱脱氧剂。与S形成MnS,熔点1600,可以消除一部分S的有害作用。 (5)硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。,(6)钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。 (7)氧（O）：有害杂质，与S相似（热脆）。

10、 (8)氮（N）：有害杂质，与P相似（冷脆） 。 (9)铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。,2.4.2 冶金缺陷,常见的冶金缺陷有： 偏析：钢中化学成分不一致和不均匀性称为偏析。主要是硫和磷的偏析，使钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。 非金属夹杂：常见的夹杂物为硫化物和氧化物。硫化物使钢材在800 1200高温下变脆，氧化物会降低钢材的力学性能和工艺性能。 气孔：浇注时由FeO与C作用所生成的CO气体不能充分逸出而留在钢锭内形成的。 裂纹：钢材中已出现的局部破坏 分层：指沿厚度方向形成层间并不相互脱离的分层。分层处易被锈蚀, 且分层使钢材性能变差。,2.4.3 钢材硬化,冷作硬化

11、在冷加工或一次加载使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸载后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象。,时效硬化随着时间的增加，纯铁体中有一些数量极少的碳和氮的固熔物质析出，使钢材的屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下降的现象。,应变时效硬化钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体晶体中的固溶碳和氮更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象。,图2.4.3,注意:不管哪一种硬化，都要降低钢材的塑性和韧性，对钢材不利。因此钢结构设计中一般不利用硬化后提高的强度，而且对于直接承受动荷载的结构还应设法消除硬化的影响。 例如，经过剪切机剪切的钢板，为了消除剪切边缘的冷作硬化，可采用火焰烧

12、烤使之“退火”或将边缘刨去35mm。,2.4.4 温度影响,1正温范围,200以内对钢材性能无大影响，该范围内随温度升高总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大。,250左右抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性增加蓝脆现象，该温度区段称为“蓝脆区”。 260320产生徐变现象。 600左右弹性模量趋于零，承载能力几乎完全丧失。,当温度低于常温时，钢材的脆性倾向随温度降低而增加，材料强度略有提高，但其塑性和韧性降低，该现象称为低温冷脆。,2负温范围,2.4.5 应力集中,1.应力集中的概念 在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化和内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保

13、持均匀，而是在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓应力集中现象。,2.应力集中的影响,可以看出截面槽口改变愈急剧，应力集中现象愈厉害，其抗拉强度愈高，但塑性愈差，脆性破坏的倾向愈大。,3.减小应力集中现象的措施,由于钢材具有良好的塑性性能，在一定程度上能促使应力进行重分配，当承受静力荷载且在常温下工作时，只要符合规范规定的设计要求，可以不考虑应力集中的影响。但在负温下或动力荷载作用下工作的结构，应力集中的不利影响将十分突出，往往是引起脆性破坏的根源。故在设计中应采取措施避免或减少应力集中，并选用质量优良的钢材。,2.4.6 反复荷载作用,1.加荷速度的影响 加荷速度过快，构件来不及变形，得到的屈

14、服点也高，且呈脆性。特别在低温时对钢材性能的影响要比常温下大得多。因此，试验时需规定加载速度。,2. 循环荷载的影响 钢材在直接的连续反复的动力荷载作用下，损伤会逐渐累积，缺陷会发展成微观裂纹，继而发展到宏观裂纹，截面削弱到一定程度而突然破坏（这种现象叫疲劳破坏）。,本节讨论：防止脆性断裂的方法,(1)合理设计 合理的设计应该在考虑材料的断裂韧性水平、最低工作温度、荷载特征、应力集中等因素后，再选择合理的结构型式，尤其是合理的构造细节十分重要。 设计时应力求使缺陷引起的应力集中减少到最低限度，尽量保证结构的几何连续性和刚度的连贯性。,(2)合理制作和安装 冷加工栓孔 钻、扩 焊接合理工艺、参数

15、，减小焊接残余应力，如厚钢板，焊前预热，焊后保温 安装减小装配残余应力,(3)合理使用及维修措施避免突然荷载；防锈；避免撞击和机械损伤；保持使用温度等。,(4)合理选择钢材 温度冷脆转变温度低于结构的工作温度 厚度薄,第2.5节 复杂应力作用下钢材的屈服条件,1.掌握复杂应力作用钢材屈服条件及应用,基本要求,基本假定：,（1）材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积中积聚的能量来表达；,（2）当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能时，钢材即由弹性转入塑性。,在三向应力作用下，钢材由弹性状态转变为塑性状态的条件，可用按能量强度理论计算的折算应力red和钢材在单向应力下的屈服点fy相比较

16、来判断，即,1.以一般应力分量表示,2.以主应力表示,对于薄板，厚度方向的应力很小，常可忽略不计，这时三向应力状态可简化为平面应力状态，式（2-1）成为,3.几种特殊情况,一般的梁，只存在正应力和剪应力，则：,纯剪时 = 0 ，则有,即：钢材的剪切屈服点是单轴拉伸屈服点 fy的0.58倍。 因此，规范规定：钢材的抗剪设计强度为抗拉设计强度的0.58 倍。,第2.6节 钢材的疲劳,1. 疲劳破坏特征2. 常幅疲劳 3. 变幅疲劳,1.了解钢材疲劳破坏的特征 2. 掌握疲劳破坏的计算方法,本节目录,基本要求,疲劳破坏特征,1.概念 钢材在连续反复荷载的作用，当应力低于抗拉强度，甚至低于屈服强度时发

17、生突然断裂的现象，这种现象称为钢材的疲劳。,2.疲劳破坏的机理 疲劳破坏是积累损伤的结果。 破坏过程：缺陷微观裂纹宏观裂纹断裂。,通常钢结构的疲劳破坏属于高周低应变疲劳，即总应变幅小，破坏前荷载循环次数多，循环次数N5104，应进行疲劳计算。,相同点：突然断裂，断裂时名义应力都低于屈服点,不同点之一： 疲劳破坏 裂纹扩展稳定，缓慢，多次反复加载 脆性破坏 裂纹扩展不稳定，迅速，一次加载就可能 破坏,不同点之二： 疲劳破坏 断口分为疲劳区和瞬断区（疲劳区记载了裂 缝扩展和闭合的过程，颜色发暗，表面有较 清楚的疲好纹理，呈沙滩状或波纹状。瞬断 区真实反映了当构件截面因裂缝扩展削弱到 一临界尺寸时脆

18、性断裂的待点，瞬断区晶粒 粗亮） 脆性破坏 闪光的晶粒状,3.疲劳破坏与脆性破坏比较,4. 影响疲劳破坏的主要因素,构造细节应力集中程度和残余应力大小,荷载循环次数5104次，验算疲劳,荷载引起的循环应力特征 应力幅（焊接结构） 应力比（非焊接结构）,5.几个概念,循环荷载结构或构件承受的随时间变化的荷载。,应力循环构件截面应力随时间的变化。,应力循环次数结构或构件破坏时所经历的应力变 化次数。,应力比循环应力中最小的峰值应力min与最大的峰值应力max绝对值之比。= min /max(拉应力取正号而压应力取负号),应力幅在循环荷载作用下，应力从最大到最小重复一次为一次循环，最大应力与最小应力

19、之差为应力幅: =max-min,此处max为最大拉应力，取正值，min为最小拉应力或压应力。（拉应力取正号而压应力取负号）,循环应力谱,循环应力谱,2.6.1 常幅疲劳 当应力循环内的应力幅保持常量时，称为常幅疲劳。,可以看出，由于焊接残余应力焊缝附近主体金属的最大应力已达 fy，因此，有,应力增大时保持 fy不变,应力减小时从,名义应力比,真实应力比,应力幅对焊接结构的疲劳强度有很大影响，而与名义最大应力max和应力比无关。,可见，只要为常数，不管名义为何值，真实也为常数，因此：,1.容许应力幅,根据试验数据可以绘出构件或连接的应力幅与相应的致损循环次数N的关系曲线，按试验数据回归的-N曲

20、线为平均曲线(图a)，取对数坐标(图b)。,考虑试验数据的离散性,取平均值减去2倍lgN的标准差s作为疲劳强度下限，当lg为正态分布时,保证率为97.7%。,则对应疲劳寿命n的容许应力幅可由直线斜截式方程求出：（y=kx+b）,取系数：lgC是延长直线与横坐标的交点,此时的即为容许应力幅：,式中：系数、C为不同构件和连接类别的试验参数，称疲劳特征参数。,2. 常幅疲劳验算,式中： 计算部位的应力幅 对于焊接结构: =max-min 对于非焊接结构：=max-0.7min(折算应力幅） max、min 计算部位每次应力循环中的最大拉应力和 最小拉应力或压应力（压应力取负值）。 常幅疲劳的容许应力

21、幅,3. 验算公式的几点补充说明,（1）计算时用荷载的标准值。 （2）由于来源于试验，已考虑动力效应，计算时不再考虑动力系数。 （3）公式同样适用剪应力情况验算。 （4）针对不同构造和受力特点的钢结构和连接（应力集中和残余应力分布程度不同）,GB50017-2003把各种不同的构造划分为8个类别，给出了8个类别的C、值。,编号越大，其应力集中、残余应力情况越严重，其C值越小，容许应力幅越小。,（5）钢材种类不同，静力强度差别较大，而公式中 无差别。,试验表明：对目前常用的构件和连接，疲劳强度一般与所用钢材的屈服强度无关。,所以，不能通过提高钢材屈服强度来提高抗疲劳能力。,（6）对非焊接结构，残

22、余应力影响较小，疲劳寿命主要与最大应力、应力比有关，但为统一采用一种验算公式，引入了折算应力幅概念。,（7）完全压应力状态不验算疲劳。 规范规定：在应力循环中不出现拉应力部位可不计算疲劳。,2.6.3 变幅疲劳 当应力循环内的应力幅随机变化时为变幅疲劳。,对于受随机荷载作用的变幅疲劳计算，通常近似按线性疲劳累积损伤原则将变化的应力幅折算成等效常应力幅e，然后令,ni以应力循环次数表示的结构预期使用寿命； ni预期使用寿命内应力幅水平达到i的应力循环次数。 常幅疲劳的容许应力幅,对于吊车梁，按下式计算其疲劳强度：,式中：,注意： （1）疲劳强度计算用容许应力幅法，荷载应采用标准值，不考虑荷载分项

23、系数和动力系数，而且应力按弹性工作计算。 （2） 在完全压应力（不出现拉应力）循环中，裂纹不会继续发展，不会发生疲劳破坏，规范规定此种情况可不予验算。 （3）与钢材的静力强度和最大应力无明显关系，疲劳容许应力幅与钢材牌号无关。,第2.7节 钢材的种类和规格,1. 钢材的种类2. 钢材的选择 3. 钢材的规格,1.了解钢材的种类、命名和选择,本节目录,基本要求,2.了解钢材的主要规格,2.7.1 钢材的种类,按用途钢可分为：结构钢、工具钢和特殊钢。 按冶炼方法，钢可分为转炉、平炉和电炉。 按照脱氧方法和程度的不同，可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。 按化学成分，钢又可分为碳素钢和低合金

24、钢。,1.碳素结构钢,命名方式:由四部分组成，依次是屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号，如 Q235-AF。,说明：（1）质量等级符号A、B、C、D是根据钢材的化学成分和冲击韧性不同共化分为4个等级。,Q235-质量等级（A、B、C、D） 脱氧方法（F、Z、b、Tz） A 保证fu、fy、，P、S含量 B 保证fu,fy,冷弯，常温时Cv，P，S，C含量； C 保证 fu,fy,冷弯，0oC时Cv，P，S，C含量; D 保证fu,fy,冷弯，-20oC时Cv，P，S，C含量;,（2）脱氧方法符号也有四种，F代表沸腾钢，b代表半镇静钢，Z代表镇静钢，TZ代表特种镇静钢，在具体

25、标注时Z和TZ可以省略。,（3）规范GB50017将Q235牌号的钢材选为承重结构用钢。其化学成分和脱氧方法、拉伸和冲击试验以及冷弯试验结果均应符合规范GB/T700-2006的要求。,2.低合金高强度结构钢,低合金高强度结构钢是在钢的冶炼过程中适量添加几种合金元素（合金元素总量不超过5%）,使钢的强度明显提高。,低合金高强度结构钢的牌号命名与碳素结构钢相似,只是质量等级分为A、B、C、D、E五等（其中E主要是要求-40 的冲击韧性）,低合金高强度结构钢采用的脱氧方法均为镇静钢或特殊镇静钢,故可不加脱氧方法的符号。,根据钢材厚度（直径）16mm时的屈服点不同，分为Q295、Q345、Q390、

26、Q420、Q460等，其中Q345、Q390和Q420钢材都有较高的强度和较好的塑性、韧性和焊接性能，是钢结构设计规范推荐采用的钢种。,3.优质碳素结构钢,优质碳素结构钢主要应用于钢结构某些节点或用作连接件。,高性能建筑结构钢材（GJ钢）主要用于建造高层建筑结构、大跨度结构及其他重要建筑结构。,4.建筑结构用钢板,2.7.2 钢材的选择,1.选择钢材的一般原则,（1）结构或构件的重要性 （2）荷载情况 静力荷载作用下可选择经济性较好的Q235钢材； 动力荷载作用下应选择综合性能较好钢材。 （3）连接方法（焊接连接、螺栓连接） 焊接结构对材质的要求严格，应严格控制C、S、P的极限含量；非焊接结构对C的要求可降低一些。,（4）结构所处的工作条件（环境温度，腐蚀等） 低温下工作的结构应选择低温脆断性能好的镇定钢。 （5）钢材的厚度 厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。,2.钢材选择的建议,（1）承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢，其质量应分别符合国家标准碳素结构钢GB/T700和低合金高强度结构钢GB/T1591的规定。,（2）承重结构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，对焊接结构尚具有含碳量的合格保证。 （3）对于需要验算疲劳的焊接结构，应具有常温冲击韧性的合格保证；当结构工作温度等于或低于0但高于20时，Q235钢