2 钢结构的材料2013.4

1、 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料2 2 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料l 钢结构对材料性能的要求钢结构对材料性能的要求l 钢材的性能钢材的性能 钢结构的材料分钢结构的材料分钢材钢材和和连接材料连接材料两类，关系到钢结构两类，关系到钢结构的计算理论，同时对钢结构的制造、安装、使用、造价、的计算理论，同时对钢结构的制造、安装、使用、造价、安全等均有

2、直接联系。本章简要介绍钢材钢材的主要性能安全等均有直接联系。本章简要介绍钢材钢材的主要性能以及各种因素对钢材性能的影响；钢材的种类、规格及选以及各种因素对钢材性能的影响；钢材的种类、规格及选择原则。择原则。l 影响钢材性能的因素影响钢材性能的因素l 钢材的种类、规格和选用钢材的种类、规格和选用 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料2.1 2.1 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求n 较高的强度较高的强度减轻结构自重，节约钢材减轻结构自重，节约钢材n 较好塑性和韧性较好塑性和韧性足够的变形能力和抵抗脆性足够的变形能力和抵抗脆

3、性破坏的能力破坏的能力n 良好的加工性能良好的加工性能适应冷、热加工，可焊性好适应冷、热加工，可焊性好n 对环境的良好适应性对环境的良好适应性耐腐蚀、耐火、耐疲劳耐腐蚀、耐火、耐疲劳2.1 2.1 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料古罗马万神庙（公元前古罗马万神庙（公元前120120年），年），墙厚墙厚5.9m5.9m，从墙到穹顶均用混凝土，从墙到穹顶均用混凝土浇筑，穹顶从根部逐渐减薄，浇筑，穹顶从根部逐渐减薄，最薄最薄处处1.5m1.5m厚厚。穹顶直径。穹顶直径43.3m43.3m，

4、顶部，顶部园洞直径园洞直径8.9m8.9m，穹顶高也是，穹顶高也是43.3m43.3m。 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料这是一副剖析古希腊石梁、石柱建筑这是一副剖析古希腊石梁、石柱建筑结构构成的图，石柱的距离受石梁的结构构成的图，石柱的距离受石梁的跨度限制，一般在跨度限制，一般在3m3m左右。左右。 中山博览中心中山博览中心( (主桁架最大跨度达到了主桁架最大跨度达到了9090米米 ) ) Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料2.2 2.2 钢材的性

5、能钢材的性能p 钢材的破坏形式钢材的破坏形式p 钢材的机械性能钢材的机械性能p 钢材的其它性能钢材的其它性能p 在复杂应力作用下钢材的屈服条件在复杂应力作用下钢材的屈服条件2.2 2.2 钢材的性能钢材的性能 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料2.2.1 2.2.1 钢材的破坏形式钢材的破坏形式特特 征征断断 口口后后 果果 塑性破坏塑性破坏（延性破坏）（延性破坏）构件应力超过屈构件应力超过屈服点，并且达到服点，并且达到抗拉极限强度后，抗拉极限强度后，构件产生明显的构件产生明显的变形并断裂。变形并断裂。常为杯形，呈纤常为杯

6、形，呈纤维状，色泽发暗。维状，色泽发暗。在破坏前有很明在破坏前有很明显的变形，并有显的变形，并有较长的变形持续较长的变形持续时间，便于发现时间，便于发现和补救。和补救。 脆性破坏脆性破坏在破坏前无明显在破坏前无明显变形，平均应力变形，平均应力也小（一般都小也小（一般都小于屈服点），没于屈服点），没有任何预兆。有任何预兆。平直和呈有光泽平直和呈有光泽的晶粒。的晶粒。突然发生的，危突然发生的，危险性大，应尽量险性大，应尽量避免。避免。2.2 2.2 钢材的性能钢材的性能 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料2.2.2 2.2.2

7、 钢材的机械性能钢材的机械性能 钢材的机械性能可用钢材在标准条件下的单向拉伸、冷弯和钢材的机械性能可用钢材在标准条件下的单向拉伸、冷弯和冲击等试验，测定其冲击等试验，测定其强度强度、塑性塑性和和韧性指标韧性指标加以衡量。加以衡量。2.2 2.2 钢材的性能钢材的性能 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料弹性阶段弹性阶段( (OB段段) )O1.1.强度强度A. A. 有屈服点钢材有屈服点钢材-曲线可以分为四个阶段：曲线可以分为四个阶段：EBCDEApf单向拉伸应力单向拉伸应力- -应变曲线应变曲线yf屈服阶段（屈服阶段（BC

8、D)BCD)uf强化阶段强化阶段(DE(DE段段) )颈缩阶段颈缩阶段(EF(EF段段) ) 屈服点屈服点fy应力应变曲应力应变曲线开始产生塑性流动时对线开始产生塑性流动时对应的应力，它是衡量钢材应的应力，它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。度设计值的重要指标。（作为作为钢结构设计钢结构设计可以达可以达到的最大应力）到的最大应力） 弹性模量弹性模量E =2.06105N/mm2材料抵抗外力作用时不致破坏的能力。材料抵抗外力作用时不致破坏的能力。 抗拉强度抗拉强度fu应力应变应力应变曲线最高点对应的应力，曲线最高点对应的应力，它是钢材破坏前所能承受它是钢材

9、破坏前所能承受的最大应力。的最大应力。（强度的安（强度的安全储备）全储备）2.2 2.2 钢材的性能钢材的性能 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料B.B.对无明显屈服点的钢材对无明显屈服点的钢材设计时以卸载后试件中残余应变为设计时以卸载后试件中残余应变为0.20.2所对应的应力所对应的应力 作为屈服点作为屈服点“条件屈服点条件屈服点”或或“名义屈服点名义屈服点”fy=f0.20.2%fup 无屈服点钢材的应力无屈服点钢材的应力- -应变曲线应变曲线没有明显屈服点的没有明显屈服点的钢钢材在拉伸过程中没有材在拉伸过程中没有屈服

10、阶段，塑性变形屈服阶段，塑性变形小，破坏突然。小，破坏突然。 2.2 2.2 钢材的性能钢材的性能 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料 是指钢材是指钢材在外力作用下产生永久变形时抵抗断裂的能力在外力作用下产生永久变形时抵抗断裂的能力。可由。可由静力拉伸试验的机械性能指标伸长率静力拉伸试验的机械性能指标伸长率 和截面收缩率和截面收缩率 来衡量。来衡量。2.2.塑性塑性LodNNNLdN%100001-lll l0 原标距长原标距长 l1 拉断后标距长度拉断后标距长度 d0 试件直径试件直径试件有两种标距：试件有两种标距：l0

11、/d0=5 和和 l0/d0=10 相应的伸长率用相应的伸长率用 5和和 10表示。表示。伸长率伸长率 试件试件断裂断裂时时的永久变形与原标定长度的百比。的永久变形与原标定长度的百比。2.2 2.2 钢材的性能钢材的性能 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料b) ) 断面收缩率断面收缩率 是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比。小值与原断面面积比值的百分比。 %100010-AAA式中：式中： A0 试件原断面面积试件原断面面积 A1 试件拉断后颈缩区的断面面积试件拉

12、断后颈缩区的断面面积 断面收缩率断面收缩率 越大，钢材的塑性越好。由于在测量试件的断面面积时容易越大，钢材的塑性越好。由于在测量试件的断面面积时容易产生较大的误差，因而钢材塑性指标仍然采用产生较大的误差，因而钢材塑性指标仍然采用伸长率伸长率作为保证要求。作为保证要求。A0A12.2 2.2 钢材的性能钢材的性能 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料单向拉伸时钢材的机械性能指标单向拉伸时钢材的机械性能指标 抗拉强度抗拉强度fu应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材破应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材破坏前所能承受的最大应力

13、。坏前所能承受的最大应力。（是结构强度的安全储备，直接反（是结构强度的安全储备，直接反应钢材内部组织的优劣）应钢材内部组织的优劣） 伸长率伸长率 ( (断面收缩率断面收缩率 ）反应钢材反应钢材承受静力荷载时能产生塑承受静力荷载时能产生塑性变形而不立即断裂的能力。性变形而不立即断裂的能力。 屈服点屈服点fy应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力（取屈服阶段波动部分的应力最低值），它是衡量钢材的承载（取屈服阶段波动部分的应力最低值），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。（能力和确定钢材强度设计值的重要指标。（作为钢材强度的标作为钢材强度的

14、标准值，是准值，是钢结构设计钢结构设计可以达到的最大应力）可以达到的最大应力）原因在于：（原因在于：（1）fe、fp、fy非常接近，三者合一，可认为弹性与塑性的分非常接近，三者合一，可认为弹性与塑性的分界点；（界点；（2）fy以后，塑性变形很大，一旦超载，易被发现加固补救。以后，塑性变形很大，一旦超载，易被发现加固补救。由于此时变形巨量，应变是弹性应变的由于此时变形巨量，应变是弹性应变的200倍，实用价值不大倍，实用价值不大2.2 2.2 钢材的性能钢材的性能 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料 冷弯性能是判别钢材塑性变形

15、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。能力和冶金质量的综合指标。3.3.冷弯性能冷弯性能钢材在冷加工（常温下加工）钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对发生裂缝产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力。的抵抗能力。 鉴别指标鉴别指标：当试件弯曲至：当试件弯曲至180180时，时，试件表和侧面，无裂纹、断裂或试件表和侧面，无裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。分层，即认为试件冷弯性能合格。 2.2 2.2 钢材的性能钢材的性能 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料4.4.冲击韧性冲击韧性是指钢材在塑性变形

16、和断裂过程中吸收能量是指钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的的能力的的能力。反映钢材抵抗冲击荷载、动力荷。反映钢材抵抗冲击荷载、动力荷载的能力。衡量韧性指标用载的能力。衡量韧性指标用冲击韧性冲击韧性值表示，值表示，也叫冲击功，用符号也叫冲击功，用符号A Akvkv表示，单位为表示，单位为J J。 冲击韧性试验冲击韧性试验冲击韧性还与试验的温度有关。我国钢材标准冲击韧性还与试验的温度有关。我国钢材标准中将试验分为四档，即中将试验分为四档，即+20, 0+20, 0，-20-20和和- -4040时的冲击韧性。温度越低，冲击韧性越低。时的冲击韧性。温度越低，冲击韧性越低。5.5.可焊性可焊性 指在

17、一定的焊接方法、焊接材料、焊接工指在一定的焊接方法、焊接材料、焊接工艺及结构形式条件下，获得合格焊缝的难易程艺及结构形式条件下，获得合格焊缝的难易程度。好的可焊性是指焊接安全、可靠、不发生度。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。母材力学性能。 2.2 2.2 钢材的性能钢材的性能（缺口净面积）（冲击功）nkkAAa Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料6.6.复杂应力作用下钢材的屈服条件复杂应力作用下钢材的屈服条件 钢材在双向或三向

18、应力作用时，称之为复杂应力作用。此时钢材的屈钢材在双向或三向应力作用时，称之为复杂应力作用。此时钢材的屈服不能以某一方向的应力达到服不能以某一方向的应力达到fy来来判定。判定。按材料力学能量强度理论以折算应按材料力学能量强度理论以折算应力与单向应力时的力与单向应力时的fy比较比较，来判断钢材是否由弹性状态转变为塑性状态。，来判断钢材是否由弹性状态转变为塑性状态。oxzyyzyxxyxzzyzxZXY单元体受复杂应力单元体受复杂应力状态下的分量状态下的分量112233单元体受单元体受主应力主应力钢材单元体上的复杂应力状态钢材单元体上的复杂应力状态2222223zsxyzxyyzzxxyyzzx

19、-（2.2.1）三向应力作用时：三向应力作用时：2.2 2.2 钢材的性能钢材的性能 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料用主应力用主应力 、 、 表示时，有表示时，有: :123222123122331()zs -（2.2.2）2221223311()()() 2zs-或或当当时钢材处于弹性阶段，时钢材处于弹性阶段，时钢材处于塑性阶段。时钢材处于塑性阶段。yzsfyzsf 当钢材厚度较薄时，厚度方向的应力很小，常可忽略不计，与当钢材厚度较薄时，厚度方向的应力很小，常可忽略不计，与Z Z有有关者均为零，这时三向应力状态可以简

20、化为平面应力状态关者均为零，这时三向应力状态可以简化为平面应力状态： 2223zsxyxyxy -（2.2.3）2.2 2.2 钢材的性能钢材的性能222222y3zsxyzxyyzzxxyyzzxf - Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料一般梁中只存在正应力一般梁中只存在正应力 和剪应力和剪应力 ，则上式可写为：，则上式可写为：223zs（2.2.4）纯剪时纯剪时 =0 =0 则有：则有：233zs（2.2.5）yyff58. 031 即钢材的剪切屈服点是即钢材的剪切屈服点是拉伸屈服点拉伸屈服点fy的的0.58 倍倍当当

21、 zs=fy 则有：则有：2.2 2.2 钢材的性能钢材的性能 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料不同受力状态对钢材材性的影响不同受力状态对钢材材性的影响（a）单向拉伸单向拉伸（b）双向拉伸双向拉伸（c）双向异号应力双向异号应力分析结果：分析结果： （1 1）相对于单向拉伸而言，钢材在）相对于单向拉伸而言，钢材在钢材在双向拉力作用下屈服点和抗钢材在双向拉力作用下屈服点和抗拉强度提高，但是塑性下降。拉强度提高，但是塑性下降。 双向应力作用下对双向应力作用下对钢材材性的影响钢材材性的影响0yfbyfcyf(a)(b)(c)（3

22、 3）主应力）主应力异号异号时，易屈服，强度时，易屈服，强度降低降低，塑性，塑性提高提高，差别越大越明显。，差别越大越明显。 （2 2）主应力）主应力同号同号时，不易屈服，强时，不易屈服，强度度提高，提高，塑性塑性降低降低，越接近越明显。，越接近越明显。2.2 2.2 钢材的性能钢材的性能 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料2.3 2.3 各种因素对钢材的影响各种因素对钢材的影响u 化学成份的影响化学成份的影响u 钢材生产过程的影响钢材生产过程的影响u 钢材硬化的影响钢材硬化的影响u 应力集中的影响应力集中的影响 u 温度

23、的影响温度的影响u 荷载类型的影响荷载类型的影响2.3 2.3 各种因素对钢材的影响各种因素对钢材的影响 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料2.3.1 2.3.1 化学成份的影响化学成份的影响钢材的化学成分直接影响钢的组织构造，从而影响钢材的力学性能。钢材的化学成分直接影响钢的组织构造，从而影响钢材的力学性能。纯铁纯铁FeFe（占（占97%-9997%-99）碳碳C C变脆（强度变脆（强度，塑性、韧性、可焊性，抗腐蚀性塑性、韧性、可焊性，抗腐蚀性）其它主要元素其它主要元素硫硫S S热脆热脆、韧性、疲劳强度、抗锈蚀性、可焊性

24、、韧性、疲劳强度、抗锈蚀性、可焊性磷（磷（P P）强度、抗锈蚀能力强度、抗锈蚀能力塑性、韧性、冷弯性能、可焊性塑性、韧性、冷弯性能、可焊性，冷脆，低温工作性能差。冷脆，低温工作性能差。氧氧O O 影响同硫影响同硫氮（氮（N N）影响同磷）影响同磷硅硅SiSi 适量适量强度强度，塑性、韧性、冷弯性能、可焊性变化不大，塑性、韧性、冷弯性能、可焊性变化不大锰锰MnMn强度强度消除热脆，改善冷脆，塑性韧性降低不显著消除热脆，改善冷脆，塑性韧性降低不显著钒钒(V)(V)、钛、钛(Ti)(Ti)、铌、铌(Nb) (Nb) 等等适量适量强度、韧性强度、韧性、塑性良好塑性良好钢钢有有益益元元素素有有害害元元素

25、素2.3 2.3 各种因素对钢材的影响各种因素对钢材的影响 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料铁（铁（FeFe）是钢材的基本元素，普通碳素钢中占）是钢材的基本元素，普通碳素钢中占99%99%，此外还，此外还有碳（有碳（C C）、硅（）、硅（SiSi）、锰（）、锰（MnMn）等有益元素，及硫（）等有益元素，及硫（S S）、）、磷（磷（P P）、氧（）、氧（O O）、氮（）、氮（N N）等有害元素，这些总含量不大，）等有害元素，这些总含量不大，约约1%1%，但对钢材力学性能却有很大影响。低合金钢中有，但对钢材力学性能却有很大影

26、响。低合金钢中有5%5%的合金元素，如铜的合金元素，如铜(Cu)(Cu)、钒、钒(V)(V)、钛、钛(Ti)(Ti)、铌、铌(Nb)(Nb)、铬、铬(Cr)(Cr)等。等。 2.3 2.3 各种因素对钢材的影响各种因素对钢材的影响 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料碳（碳（C）：形成钢材强度的主要成分，随其含量增加，强度增形成钢材强度的主要成分，随其含量增加，强度增加，塑性和韧性降低，可焊性和抗腐蚀性降低。加，塑性和韧性降低，可焊性和抗腐蚀性降低。 碳素钢按碳含量区分，小于碳素钢按碳含量区分，小于0.25的为低碳钢，介于的

27、为低碳钢，介于0.25和和0.6之间的为中碳钢，大于之间的为中碳钢，大于0.6的为高碳钢。钢结构用钢中，的为高碳钢。钢结构用钢中，碳含量一般控制在碳含量一般控制在0.22%以下，焊接结构的钢材含碳量应控制以下，焊接结构的钢材含碳量应控制在在0.12%0.2之间。之间。 2. 硫（硫（S）：钢材中的有害元素，具有热脆性（温度达到钢材中的有害元素，具有热脆性（温度达到800-1000时，硫化铁会熔化使钢材变脆，从而引发热裂纹）。规时，硫化铁会熔化使钢材变脆，从而引发热裂纹）。规范规定结构用钢中硫的含量不得超过范规定结构用钢中硫的含量不得超过0.055%。3. 氧（氧（O）：有害杂质，与：有害杂质，

28、与S相似。相似。 控制在控制在0.05%。4.磷（磷（P）：磷在一定程度上可提高钢的强度和抗锈蚀的能力。钢磷在一定程度上可提高钢的强度和抗锈蚀的能力。钢材中的有害元素，具有冷脆性（温度较低时促使钢材变脆）。因此，材中的有害元素，具有冷脆性（温度较低时促使钢材变脆）。因此，磷的含量也要严格控制，规范中规定不得超过磷的含量也要严格控制，规范中规定不得超过0.045%。2.3 2.3 各种因素对钢材的影响各种因素对钢材的影响 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料5.氮（氮（N）：有害杂质，：有害杂质，与与P相似相似。含氮量不应超过

29、。含氮量不应超过0.008%6.锰（锰（Mn）：有益元素。在普通碳素钢中，是一种弱脱氧剂，可有益元素。在普通碳素钢中，是一种弱脱氧剂，可提高钢材强度，与提高钢材强度，与S形成形成MnS，熔点，熔点1600，可以消除硫对钢材的，可以消除硫对钢材的热脆影响。普通碳素钢中含量约为热脆影响。普通碳素钢中含量约为0.3%0.8% ，低合金钢中含量低合金钢中含量约为约为1.2%1.6% 7.硅（硅（Si）：有益元素。在普通碳素钢中，是一种强脱氧剂，常与有益元素。在普通碳素钢中，是一种强脱氧剂，常与锰共同除氧，生成镇静钢。锰共同除氧，生成镇静钢。 8.钒（钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物具有

30、高温：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。稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。9.铜（铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。2.3 2.3 各种因素对钢材的影响各种因素对钢材的影响 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料2.3.2 2.3.2 钢材生产过程的影响钢材生产过程的影响l 偏析偏析 金属结晶后化学成分分布不均匀的现象。主要是硫、磷偏析，金属结晶后化学成分分布不均匀的现象。主要是硫、磷偏析，其后果是偏析区钢材的塑性、韧性、

31、可焊性变坏。其后果是偏析区钢材的塑性、韧性、可焊性变坏。l 裂纹裂纹 钢材中存在的微观裂纹。钢材中存在的微观裂纹。l 非金属夹杂非金属夹杂 指钢材中的非金属化合物，如硫化物、氧化物，他们指钢材中的非金属化合物，如硫化物、氧化物，他们使钢材性能变脆。使钢材性能变脆。l 气泡气泡 浇铸时由浇铸时由FeOFeO和和C C作用所生成的作用所生成的COCO气体不能充分逸出而滞留在气体不能充分逸出而滞留在钢锭那形成的微小空洞。钢锭那形成的微小空洞。l 分层分层 浇铸时的非金属夹杂在轧制后可能造成钢材的分层。浇铸时的非金属夹杂在轧制后可能造成钢材的分层。 钢材的生产要经过钢材的生产要经过冶炼、冶炼、浇铸浇铸

32、、轧制轧制、热处理热处理等工艺过程，钢等工艺过程，钢材的化学成分与含量是在冶炼和浇注过程中形成的，多道工序可能材的化学成分与含量是在冶炼和浇注过程中形成的，多道工序可能出现化学成分偏析、夹杂、裂纹、分层等缺陷影响钢材性能。出现化学成分偏析、夹杂、裂纹、分层等缺陷影响钢材性能。2.3 2.3 各种因素对钢材的影响各种因素对钢材的影响 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料2.3 2.3 各种因素对钢材的影响各种因素对钢材的影响 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的

33、材料冶冶 炼炼 冶炼是将生铁水、废钢和石灰石等原料加入炼钢炉（氧气转炉、电冶炼是将生铁水、废钢和石灰石等原料加入炼钢炉（氧气转炉、电炉等），再用燃料（纯氧、煤气或重油等）加热燃烧至温度约炉等），再用燃料（纯氧、煤气或重油等）加热燃烧至温度约1650，使铁水中多余的碳和硫、磷等元素，在高温下经过溶化、氧化、还原等使铁水中多余的碳和硫、磷等元素，在高温下经过溶化、氧化、还原等物理化学反应过程而被除去，从而炼成合乎化学成分要求的各类钢种。物理化学反应过程而被除去，从而炼成合乎化学成分要求的各类钢种。浇浇 注注u 浇注浇注是指把熔炼好的钢液做成注入钢锭模经冷却后钢锭或钢坯。是指把熔炼好的钢液做成注入钢

34、锭模经冷却后钢锭或钢坯。u 用用连续铸造法连续铸造法生产钢坯的工艺和设备，由于机械化、自动化程度高生产钢坯的工艺和设备，由于机械化、自动化程度高的优势，已经逐渐取代了笨重而复杂的的优势，已经逐渐取代了笨重而复杂的铸锭铸锭工艺和设备。工艺和设备。u 钢液中残留的钢液中残留的氧氧会使钢材晶粒粗细不均并发生会使钢材晶粒粗细不均并发生热脆热脆，即冶炼过程中生，即冶炼过程中生成成氧化铁氧化铁等杂质，降低钢材的力学性能，因此需要对钢液进行等杂质，降低钢材的力学性能，因此需要对钢液进行脱氧。脱氧。u 脱氧：脱氧：在浇注过程中加入与氧亲和力比铁高的脱氧剂来排除或减少氧在浇注过程中加入与氧亲和力比铁高的脱氧剂来

35、排除或减少氧化铁含量。化铁含量。 脱脱 氧氧2.3 2.3 各种因素对钢材的影响各种因素对钢材的影响 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料按按脱脱氧氧程程度度不不同同2.3 2.3 各种因素对钢材的影响各种因素对钢材的影响 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料轧轧 制制u 指将钢坯加热至塑性状态（指将钢坯加热至塑性状态（1150-13001150-1300），通过一），通过一系列不同形状和孔径的轧钢机，依靠外力改变其形状，系列不同形状和孔径的轧钢机，依靠外

36、力改变其形状，生产出各种厚度的钢板和型钢。生产出各种厚度的钢板和型钢。2.3 2.3 各种因素对钢材的影响各种因素对钢材的影响 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料2.3 2.3 各种因素对钢材的影响各种因素对钢材的影响 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料剪剪 板板剪剪板板钻钻 孔孔2.3 2.3 各种因素对钢材的影响各种因素对钢材的影响2.3.3 2.3.3 钢材的硬化（冷加工过程）钢材的硬化（冷加工过程）冲冲 孔孔 Chapter 2 Materia

37、l of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料冷作硬化冷作硬化在冷加工或一次加载使钢材产生较大的塑性变形的情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，况下，卸载后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象的现象 。局部硬化局部硬化时效硬化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，使钢材的的固熔物质析出，使钢材的屈服点和抗拉强度提高屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性塑性和韧性下降下降的现象的现象。随时间使力学性能改变随时间使力学性能

38、改变。应变时效硬化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。效硬化现象。 时效硬化的过程有长有短（几天至几十年），但在材料经塑性变时效硬化的过程有长有短（几天至几十年），但在材料经塑性变形（约形（约10%10%）后加热到）后加热到250250，可使时效硬化快速发展，秩序几个小时，可使时效硬化快速发展，秩序几个小时即可完成即可完成人工时效。人工时效。对于特别重要的结构使用的钢材时效，然后对于特别重要的结构使用的钢材时效，

39、然后测定其冲击韧性。测定其冲击韧性。 2.3 2.3 各种因素对钢材的影响各种因素对钢材的影响 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料2.3.4 2.3.4 应力集中的影响应力集中的影响 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，引起截面中的应力分布不均匀，出现局部高化、形状变化和内部缺陷等，引起截面中的应力分布不均匀，出现局部高峰应力的现象。峰应力的现象。应力集中应力集中现象。现象。 影影响响l 有应力集中的钢材，有应力集

40、中的钢材，材性变脆材性变脆。l 应力集中处常产生三向的同号拉应力，易使钢材开裂时也没有明显的塑性变形。应力集中处常产生三向的同号拉应力，易使钢材开裂时也没有明显的塑性变形。l 应力集中对塑性良好的钢结构应力集中对塑性良好的钢结构静力强度影响不大静力强度影响不大，但，但降低疲劳强度降低疲劳强度。由于构件形状或截面的突然变化及缺陷导由于构件形状或截面的突然变化及缺陷导致结构局部应力大大超越其平均值的现象。致结构局部应力大大超越其平均值的现象。 应力集中应力集中l 钢材要有良好的塑性；钢材要有良好的塑性；l 园滑而渐变的过渡构造设计；园滑而渐变的过渡构造设计；l 减少轧制、焊接的缺陷。减少轧制、焊接

41、的缺陷。对对策策 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料不同槽口试件静力拉伸试验的应力不同槽口试件静力拉伸试验的应力应变曲线应变曲线 应力集中对应力集中对-曲线关系的影响曲线关系的影响 可以看出截面槽口可以看出截面槽口改变愈急剧，应力集改变愈急剧，应力集中现象愈厉害，其抗中现象愈厉害，其抗拉强度愈高，但塑性拉强度愈高，但塑性愈差，破坏的脆性倾愈差，破坏的脆性倾向愈大。向愈大。1020300.425100%(N/mm2)10测距10010100600700500400300200100 Chapter 2 Material of

42、 Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料2.3.5 2.3.5 荷载类型的影响荷载类型的影响荷载可分为静力和动力两大类荷载可分为静力和动力两大类1.1.加荷速度的影响加荷速度的影响 这是加载过程中出现的问题。加荷速度过快，构件来不及变这是加载过程中出现的问题。加荷速度过快，构件来不及变形，得到的屈服点也高，且呈脆性。特别在低温时对钢材性能的形，得到的屈服点也高，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。影响要比常温下大得多。 因此，试验时需规定加载速度；静力加载试验一般应加载因此，试验时需规定加载速度；静力加载试验一般应加载5 5分分钟后再读数据。钟后再读

43、数据。2.2.循环荷载的影响循环荷载的影响 钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤，产生裂纹及钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤，产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏裂纹逐渐扩展，直到最后破坏（疲劳破坏）（疲劳破坏）。 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料2.3.6 2.3.6 温度的影响温度的影响正温范围：正温范围：T T升高升高（1 1）温度在）温度在150150以内，钢材材质变以内，钢材材质变化很小，钢结构可用于温度不高于化很小，钢结构可用于温度不高于150150的场合。的场合。（2 2）温度在）温度在2502

44、50左右的区间内，左右的区间内，fu u 有局部性提高，冲击韧性降低，出现有局部性提高，冲击韧性降低，出现蓝脆现象。蓝脆现象。（3 3）当温度达到）当温度达到600600时，钢材进入时，钢材进入热塑性状态，强度下降严重，将丧失热塑性状态，强度下降严重，将丧失承载能力。承载能力。 温度对钢材力学性能的影响温度对钢材力学性能的影响)N/mm(2(%)fufyE负温范围：负温范围：T T下降下降，随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，逐渐变脆，称为钢材的低，逐渐变脆，称为钢材的低温冷脆低温冷脆。钢材的冲击韧性对温度的降低十分。钢材的冲击韧性对

45、温度的降低十分敏感。敏感。 高温软化，低温冷脆高温软化，低温冷脆 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料2.4 2.4 建筑用钢种类、规格和选用建筑用钢种类、规格和选用2.4.1 2.4.1 建筑用钢的品种建筑用钢的品种品种品种特点特点碳素结构钢碳素结构钢用于结构的普通低碳钢用于结构的普通低碳钢低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢普通低碳钢普通低碳钢+ +若干种合金元素若干种合金元素（锰、钒、钛、铌等，总量（锰、钒、钛、铌等，总量5%5%）优质碳素结构钢优质碳素结构钢有害元素少的碳素钢有害元素少的碳素钢+ +热处理热处理钢索钢

46、索钢丝、平行钢丝索、钢绞线钢丝、平行钢丝索、钢绞线钢丝绳等钢丝绳等2.4 2.4 建筑用钢种类、规格和选用建筑用钢种类、规格和选用 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料钢的种类钢的种类 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料（1 1）碳素结构钢（）碳素结构钢（GB/T700-2006GB/T700-2006）Q275Q215Q255Q235规范推荐规范推荐提供提供fy、fu、 保证以及冲击韧性、冷弯试验指标保证以及冲击韧性、冷弯试验指标化学成分化学成分C、M

47、n、Si、S、P保证保证供货供货含碳量、强度含碳量、强度塑性塑性特点特点Q195牌号牌号 碳素结构钢的牌号由代表碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母屈服点的字母Q Q、屈服点（厚、屈服点（厚度度t16mm)t16mm)的数值、质量等级符号、脱氧方法符号的数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四部等四部分按顺序组成。分按顺序组成。 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料可可省省略略 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料（2 2）低合金高强度结构钢）低合金高强度结构钢

48、(GB/T 1591-2008)(GB/T 1591-2008)Q460Q345规范推荐规范推荐Q420规范推荐规范推荐Q390规范推荐规范推荐提供提供fy、fu、 保证以及冲击韧性、冷弯试验指标保证以及冲击韧性、冷弯试验指标化学成分化学成分C、Mn、Si、S、P、V、Ti保证保证供货供货含碳量、强度含碳量、强度特点特点Q295牌号牌号塑性塑性 低合金高强度结构钢的牌号由代表低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服点的字母屈服点的字母Q Q、屈、屈服点（厚度服点（厚度t16mm)t16mm)的数值、质量等级符号的数值、质量等级符号等三部分按顺等三部分按顺序组成。序组成。 Chapter 2 Mate

49、rial of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料390420 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料2.4.2 2.4.2 钢材的规格钢材的规格1.1.热轧钢板热轧钢板a) 分为分为厚钢板、薄钢板厚钢板、薄钢板和和扁钢。扁钢。b) 表示方法：在符号表示方法：在符号“-”后加后加“宽度宽度厚度厚度长度长度” c) 供应规格供应规格 （单位：（单位：mm） 厚度厚度 宽度宽度 长度长度 厚钢板厚钢板4.5-60600-30004000-12000薄钢板薄钢板0.35-4500-1500500-4000

50、扁钢扁钢4-6012-2003000-9000热轧钢板、钢带热轧钢板、钢带热轧型钢（焊接）热轧型钢（焊接）冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢冷轧钢板、钢带冷轧钢板、钢带 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料2.2.热轧型钢热轧型钢角钢角钢工字钢工字钢槽钢槽钢H H型钢型钢T T型钢型钢钢管钢管等边角钢等边角钢不等边角钢不等边角钢角钢分类角钢分类型号或表示方法型号或表示方法最小规格最小规格最大规格最大规格长度长度等边角钢等边角钢L边长边长厚度厚度L203L20024400019000不等边角钢不等边角钢L长边长边短边短边厚度厚度L251

51、63L20012518角钢规格角钢规格 (单位单位mm) Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料工字钢分类工字钢分类型号或表示方法型号或表示方法单位单位cm最小规格最小规格最大规格最大规格长度长度(m)普通工字钢普通工字钢I高度高度I10I63519轻型工字钢轻型工字钢QI高度高度QI10QI70工字钢规格工字钢规格槽钢规格槽钢规格工字钢分类工字钢分类型号或表示方法型号或表示方法单位单位cm最小规格最小规格最大规格最大规格长度长度(m)普通槽钢普通槽钢高度高度540519轻型槽钢轻型槽钢Q高度高度Q5Q40 Chapter 2

52、 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料H H型钢规格型钢规格H型钢分类型钢分类型号或表示方法型号或表示方法单位单位mm最小规格最小规格最大规格最大规格长度长度(m)宽翼缘宽翼缘H型钢型钢HW高高宽宽腹板腹板厚厚翼缘厚翼缘厚HW10010068HW4004001321615中翼缘中翼缘H型钢型钢HM高高宽宽腹板腹板厚厚翼缘厚翼缘厚HM15010069HW6003001220窄翼缘窄翼缘H型钢型钢HN高高宽宽腹板腹板厚厚翼缘厚翼缘厚HN1005057HN7003001324高频焊接高频焊接H型钢型钢H高高宽宽腹板厚腹板厚翼缘厚翼缘厚H1005033

53、H3501754.56612 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料T T型钢规格型钢规格t钢管规格钢管规格 H型钢分类型钢分类型号或表示方法型号或表示方法单位单位mm最小规格最小规格最大规格最大规格长度长度(m)宽翼缘宽翼缘T型钢型钢TW高高宽宽TW50100HW200400615中翼缘中翼缘T型钢型钢TM高高宽宽TM74100HW300300窄翼缘窄翼缘T型钢型钢TN高高宽宽TN5050HN350200钢管分类钢管分类型号或表示方法型号或表示方法单位单位mm最小规格最小规格最大规格最大规格长度长度(m)热轧无缝钢管热轧无缝

54、钢管 直径直径壁厚壁厚 322.5 35116312电焊钢管电焊钢管（直焊缝、螺旋焊缝）（直焊缝、螺旋焊缝） 直径直径壁厚壁厚 322 1525.5 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料3.3.冷弯薄壁型钢和压型钢板冷弯薄壁型钢和压型钢板冷弯薄壁型钢（冷弯薄壁型钢（壁厚壁厚1.5-6mm1.5-6mm）和压型钢板）和压型钢板（壁厚壁厚0.4-1.6mm0.4-1.6mm），），截面形式和尺寸均可按截面形式和尺寸均可按受力特点合理设计，能受力特点合理设计，能充分利用钢材的强度，充分利用钢材的强度，达到节约钢材的目的。达到节约钢

55、材的目的。在国内外轻钢建筑结构在国内外轻钢建筑结构中被广泛应用。中被广泛应用。冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢压型钢板压型钢板 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料压型钢板的应用压型钢板的应用 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料2.4.3 2.4.3 钢材的选择钢材的选择 选择钢材的原则选择钢材的原则：安全可靠，：安全可靠，满足使用要求，经济合理。满足使用要求，经济合理。 为了保证承重结构的承载能力，为了保证承重结构的承载能力，防止出现脆性破坏，在选择钢材时防止

56、出现脆性破坏，在选择钢材时应具体考虑以下因素：应具体考虑以下因素：结构或构件的重要性结构或构件的重要性、荷载性质、荷载性质、连接方式、连接方式、工作环境工作环境、结构的应力结构的应力状态状态、钢材的厚度钢材的厚度。 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料考虑结构特点考虑结构特点结构结构重要性重要性重要重要一般一般次要次要荷载荷载特征特征动载动载静载静载工作工作环境环境工作工作温度温度环境环境介质介质低温低温常温常温腐蚀性腐蚀性一般一般连接连接方式方式焊接焊接非焊接非焊接应力应力状态状态拉力拉力压力压力钢材钢材厚度厚度厚板厚板薄

57、板薄板 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料GB50017-2003GB50017-2003规定规定（强制性条文）（强制性条文）1.1.承重结构的钢材宜采用承重结构的钢材宜采用Q235Q235钢、钢、Q345Q345钢、钢、Q390Q390钢和钢和Q420Q420钢，钢，其质量应分别符合国家标准其质量应分别符合国家标准碳素结构钢碳素结构钢GB/T700GB/T700和和低合低合金高强度结构钢金高强度结构钢GB/T1591GB/T1591的规定。当采用其他牌号的钢材时的规定。当采用其他牌号的钢材时，应符合相应有关标准的规定和要

58、求。，应符合相应有关标准的规定和要求。 2. 2. 承重结构采用的钢材应具有承重结构采用的钢材应具有抗拉强度抗拉强度、伸长率伸长率、屈服强度屈服强度和和硫、磷硫、磷含量的合格保证，对于焊接结构尚应具有含量的合格保证，对于焊接结构尚应具有含碳量含碳量的合的合格保证。格保证。3.3.焊接承重结构焊接承重结构以及以及非焊接承重结构非焊接承重结构采用的钢材还应有采用的钢材还应有冷弯试冷弯试验验的合格保证。的合格保证。 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料4.4.重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于重要的受拉或受弯的焊接构件中，

59、厚度大于等于16mm16mm的钢的钢材应具有常温冲击韧性合格的保证。材应具有常温冲击韧性合格的保证。 5.5.当焊接结构为防止钢材的层状撕裂而采用当焊接结构为防止钢材的层状撕裂而采用Z Z向向钢时，其材钢时，其材质应符合现行国家标准质应符合现行国家标准厚度方向性能钢板厚度方向性能钢板GB/T5313GB/T5313的规的规定。定。 6.6.对于外露环境，且对大气腐蚀有特殊要求的或在腐蚀性气对于外露环境，且对大气腐蚀有特殊要求的或在腐蚀性气态和固态介质作用下的承重结构，宜采用耐候钢，其质量要态和固态介质作用下的承重结构，宜采用耐候钢，其质量要求应符合现行国家标准求应符合现行国家标准焊接耐候钢焊接耐候钢GB/T4172GB/T4172的规定。的规定。 Chapter 2 Material of Steel Structure2 2 钢结构的材料钢结构的材料（一般性条文）（一般性条文）3. 3. 对于需要对于需要验算疲劳的焊接结构验算疲劳的焊接结构的钢材，应具有常温冲击韧性的的钢材，应具有常温冲击韧性的合格保证。对结构工作温度合格保证。对结构工作温度不高于不高于00 但但高于高于-20-20 时，时，Q235Q235