第2章钢结构材料

1、钢结构的材料钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求钢材的主要性能钢材的主要性能钢材的种类和规格钢材的种类和规格影响钢材性能的因素影响钢材性能的因素钢结构的材料钢结构用钢材的选择钢结构用钢材的选择2.1 钢结构对材料的要求u较高的强度屈服强度与极限抗拉强度屈服强度与极限抗拉强度u足够的变形能力塑性和韧性塑性和韧性塑性破坏塑性破坏脆性破坏脆性破坏断口呈纤维状，色泽发暗，有较大塑性变形，变形持续时间长断口平直，呈光泽的晶粒状，无预兆设计、施工、使用中应加以防止设计、施工、使用中应加以防止u较高的强度屈服强度与极限抗拉强度屈服强度与极限抗拉强度u足够的变形能力u良好的加工性能塑性和韧性塑性和韧性冷加工、

2、热加工、可焊性冷加工、热加工、可焊性l有时需具有适应低温、腐蚀性环境和疲劳荷载作用的能力2.1 钢结构对材料的要求按用途结构钢结构钢工具钢工具钢特殊用钢特殊用钢按化学成分碳素钢碳素钢合金钢合金钢按冶炼方法平炉钢平炉钢转炉钢转炉钢电炉钢电炉钢按脱氧方法沸腾钢沸腾钢半镇静钢半镇静钢特殊镇静钢特殊镇静钢镇静钢镇静钢 2.2.1 钢材的种类碳素结构钢低合金高强度结构钢2.2 钢材的种类和规格A，B，C，D碳素结构钢A A：无冲击功规定；：无冲击功规定；B B：2020，冲击功，冲击功=27J(=27J(纵向纵向) )；C C：00，冲击功，冲击功=27J(=27J(纵向纵向) )；D D：-20-20

3、，冲击功：，冲击功：27J(27J(纵向纵向) )；Q195、Q215、Q235、Q255、Q275数字代表钢材厚度16mm时的屈服强度2.2 钢材的种类和规格 2.2.1 钢材的种类钢材的牌号Q 235-A bQufu-Qufu-汉语拼音屈服首字母汉语拼音屈服首字母屈服强度标准值屈服强度标准值质量等级质量等级A A、B B、C C、D D脱氧方法脱氧方法F F、b b、Z Z、TZTZQ 235-C2.2 钢材的种类和规格 2.2.1 钢材的种类专用结构钢特殊用途的钢结构采用，其钢号应相应的加上特殊用途的钢结构采用，其钢号应相应的加上专业用途代号专业用途代号桥梁、 高层、 压力容器、 船舶q

4、 GJ R CQ 345q2.2 钢材的种类和规格 2.2.1 钢材的种类Q 235GJ低合金高强度结构钢在普通碳素钢中加入一种或几种少量的合金元素，在普通碳素钢中加入一种或几种少量的合金元素，以提高其强度、耐腐性、耐磨性或低温冲击韧性。以提高其强度、耐腐性、耐磨性或低温冲击韧性。Q295，Q345，Q390，Q420，Q460A、B、C、D、EZTZQ 390-E2.2 钢材的种类和规格 2.2.1 钢材的种类-在厚度方向有较好的延展性，有良好的抗层在厚度方向有较好的延展性，有良好的抗层状撕裂能力，适用于高层建筑和大跨度钢结构的状撕裂能力，适用于高层建筑和大跨度钢结构的厚钢板结构。厚钢板结构

5、。Z型钢Z15 Z25 Z35厚度方向性能级别厚度方向性能级别-断面收缩率断面收缩率2.2 钢材的种类和规格 2.2.1 钢材的种类耐候钢-耐候钢是在低碳钢或低合金钢中加入合金元耐候钢是在低碳钢或低合金钢中加入合金元素冶炼成的一种耐腐蚀钢材，在大气作用下，表素冶炼成的一种耐腐蚀钢材，在大气作用下，表面自动生成一种致密的防腐薄膜。面自动生成一种致密的防腐薄膜。高耐候结构钢高耐候结构钢焊接结构用耐候钢焊接结构用耐候钢2.2 钢材的种类和规格 2.2.1 钢材的种类钢板、型钢、冷弯薄壁型钢厚钢板厚钢板：厚度为：厚度为4.560mm，宽度为，宽度为6003000mm，长度为，长度为412m；薄钢板薄钢

6、板：厚度为：厚度为0.354mm，宽度为，宽度为5001 500mm，长度为，长度为0.54m；扁钢板扁钢板：厚度为：厚度为460mm，宽度为，宽度为12200mm，长度为，长度为39m。 u热轧钢板热轧钢板钢板的表示方法：厚厚宽宽长长（单位mm）1280021002.2 钢材的种类和规格 2.2.2 钢材的规格厚钢板厚钢板-用作梁、柱、实腹式框架等构件的腹板和翼缘，以及桁架中用作梁、柱、实腹式框架等构件的腹板和翼缘，以及桁架中的节点板等。的节点板等。薄钢板薄钢板-主要用来制造冷弯薄壁型钢主要用来制造冷弯薄壁型钢扁钢扁钢-可用作组合梁的翼缘板、各种构件的连接板、桁架节点板和零可用作组合梁的翼缘

7、板、各种构件的连接板、桁架节点板和零件等。件等。u热轧钢板热轧钢板特厚钢板特厚钢板-近年来在超高层钢结构中，厚度大于近年来在超高层钢结构中，厚度大于60mm60mm。 2.2 钢材的种类和规格 2.2.1 钢材的种类型钢是钢结构中采用的主要钢材型钢是钢结构中采用的主要钢材u热轧型钢钢结构常用的型钢是钢结构常用的型钢是角钢、工字钢、角钢、工字钢、H型钢、槽钢和钢管型钢、槽钢和钢管2.2 钢材的种类和规格 2.2.1 钢材的种类角钢等边角钢：边长厚度（单位mm）不等边角钢：长边宽短边宽厚度（单位mm）角钢长度一般39m。2.2 钢材的种类和规格 2.2.1 钢材的种类如：L125X8 或L125X

8、80X8注：注：主要用来制作桁架等格构式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。结构的杆件和支撑等连接杆件。工字钢普通工字钢：截面高度（单位cm）轻型工字钢:Q 截面高度（单位cm）注：注：宜作腹板平面内受弯的构件宜作腹板平面内受弯的构件2.2 钢材的种类和规格 2.2.1 钢材的种类工字钢：工工字钢：工+ +高度（高度（cmcm），），如工如工36a36a注：20号以上的工字钢，按腹板厚度分为a,b两种，a腹板较薄H型钢宽翼缘H型钢（HW）中翼缘H型钢（HM）窄翼缘H型钢（HN）表示方法：代号高度h宽度b腹板厚度t1翼缘厚度t2（单位mm）hbt1t22.2 钢材的种类和规格 2

9、.2.1 钢材的种类H型钢2.2 钢材的种类和规格 2.2.1 钢材的种类宽翼缘H型钢 代号HW b=h中翼缘H型钢 代号HM b=(1/22/3h)窄翼缘H型钢 代号HN b=(1/21/3h)补充，工字钢和H型钢的区别1.有热轧工字钢，也有热轧的H型钢。只有焊接的H型钢，没有焊接的工字钢。 2.工字钢都是轧制截面，翼缘内边有1：10坡度。3.H型钢的两条外边内侧没有斜度，是平直的。4.H型钢的轧机是专用轧机，与轧工字钢的不同，H型钢的翼缘都是等厚度的，有轧制截面，也有由3块板焊接组成的组合截面。工字钢都是轧制截面。补充，工字钢和H型钢的区别5.应用方面： 工字型钢不论是普通型还是轻型的，由

10、于截面尺寸均相对较高、较窄，故对截面两个主袖的惯性矩相差较大，因此，一般仅能直接用于在其腹板平面内受弯的构件或将其组成格构式受力构件。对轴心受压构件或在垂直于腹板平面还有弯曲的构件均不宜采用 H型钢由于截面形状合理，它们能使钢材更高地发挥效能，提高承载能力。不同于普通工字型的是H型钢的翼缘进行了加宽，且内、外表面通常是平行的，这样可便于用高强度螺桂和其他构件连接。其尺寸构成合理系列，型号齐全，便于设计选用。 补充，工字钢和H型钢的区别槽钢槽钢：型号等类似于工字钢型号等类似于工字钢。钢管钢管：无缝钢管和焊接钢管无缝钢管和焊接钢管注注：适用于网架、网壳等平面和空间格构式结构的杆件适用于网架、网壳等

11、平面和空间格构式结构的杆件表示方法：表示方法：外径外径壁厚（单位壁厚（单位mm)mm)注：适于作檩条等双向受弯构件（檩条）适于作檩条等双向受弯构件（檩条）2.2 钢材的种类和规格 2.2.1 钢材的种类T型钢宽翼缘T型钢（TW）中翼缘T型钢（TM）窄翼缘T型钢（TN）2.2 钢材的种类和规格 2.2.1 钢材的种类u薄壁型钢薄壁型钢 薄壁型钢系用薄钢板经模压或冷弯而制成，其截面形式及尺寸可薄壁型钢系用薄钢板经模压或冷弯而制成，其截面形式及尺寸可按合理方案设计薄壁型钢能充分利用钢材的强度，节约钢材，所以已按合理方案设计薄壁型钢能充分利用钢材的强度，节约钢材，所以已在我国逐步推广使用。薄壁型钢的壁

12、厚一般为在我国逐步推广使用。薄壁型钢的壁厚一般为1.51.56mm6mm，但承重结构，但承重结构受力的壁厚不宜小于受力的壁厚不宜小于2mm2mm。 2.2 钢材的种类和规格 2.2.1 钢材的种类压型钢板主要用作轻型屋面及墙面等构件。2.3 钢材的主要性能fy -屈服强度屈服强度(%)fufyfefp0.10.15 2.520B BD DC CS SE EP PO O2.3.1 单向均匀拉伸时钢材的性能线弹性线弹性弹性弹性弹塑性弹塑性屈服屈服强化强化颈缩颈缩fp -比例极限比例极限 fe -弹性极限弹性极限fu -极限抗拉强度极限抗拉强度结构设计时钢材强度的结构设计时钢材强度的取值依据取值依据

13、fu/fy -强屈比强屈比极限强度极限强度安全储备安全储备n强度性能fy -屈服强度屈服强度(%)fufyfefp0.10.15 2.520B BD DC CS SE EP PO O2.3.1 单向均匀拉伸时钢材的性能fp -比例极限比例极限 fe -弹性极限弹性极限fu -极限抗拉强度极限抗拉强度n强度性能2.3 钢材的主要性能 钢材在屈服点前接近于理想的弹性体，屈服点后接近于理想的塑性体，故认为钢材是一种理想的理想的弹塑性材料弹塑性材料。(%)yf2.3.1 单向均匀拉伸时钢材的性能2.3 钢材的主要性能 （2 2）塑性：）塑性：钢材受力屈服后能产生显著的残余变形（塑性 变形）而不立即断裂

14、的性质。l0001lll 010AAA 伸长率或断面收缩率 二者越大，塑性性能越好二者越大，塑性性能越好2.3.1 单向均匀拉伸时钢材的性能2.3 钢材的主要性能l0 条件：标准试件，常温（20）下缓慢加载，直到拉断破坏，一次完成。 标准试件l0 / d =5，10；l0标距； d直径2.3.1 单向均匀拉伸时钢材的性能2.3 钢材的主要性能l 弹性模量弹性模量l 泊松比泊松比l 剪变模量剪变模量l 线膨胀系数线膨胀系数l 质量密度质量密度2310206mmNE3 . 023107912mmNEGC06/101237850mkg2.3.1 单向均匀拉伸时钢材的性能2.3 钢材的主要性能2222

15、22()3()eqxyzxyyzzxxyyzzx eqyfeqyfu折算应力：弹性状态弹性状态塑性状态塑性状态2221223311()()() 2eq2.3 钢材的主要性能2.3.2 复杂应力条件下屈服条件2.3.2 复杂应力条件下屈服条件2.3 钢材的主要性能2.3.2 复杂应力条件下屈服条件yxyeqf3各种常见情况的折算应力的简化：各种常见情况的折算应力的简化：平面应力 纯剪应力 0zxzyz0 xyzxzyz222222()3()eqxyzxyyzzxxyyzzx fy2223eqxyxyxy fy只有正应力和剪应力 vyyyxyfff58. 03yeqf223抗剪强度设计值为抗拉抗剪

16、强度设计值为抗拉强度设计值的强度设计值的0.580.58倍倍2.3 钢材的主要性能2.3.2 复杂应力条件下屈服条件da= =180 如图所示将试件弯曲成规定角度后，检查试件弯曲部分的如图所示将试件弯曲成规定角度后，检查试件弯曲部分的表面和侧面无裂纹、裂断分层等现象即为合格。表面和侧面无裂纹、裂断分层等现象即为合格。弯心直径弯心直径冷弯角度冷弯角度2.3 钢材的主要性能2.3.3 冷弯性能2.3 钢材的主要性能 该指标一方面检验钢材承受规定的弯曲变形能力和塑性性能，另一方面还可检验材料内部的冶金缺陷。是一项衡量钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标。 焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢

17、焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材，均应具有冷弯试验的合格保证。材，均应具有冷弯试验的合格保证。2.3 钢材的主要性能2.3.3 冷弯性能 韧性是衡量钢材强度、塑性及材质的一项综合指标，与温度有关。韧性是衡量钢材强度、塑性及材质的一项综合指标，与温度有关。夏比V形缺口CV-摆锤冲击脆断所消耗的功摆锤冲击脆断所消耗的功 韧性是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。 2.3 钢材的主要性能2.3.4 冲击韧性2.3.4 冲击韧性2.3 钢材的主要性能 可焊性：在一定的材料、工艺和结构条件下，钢材经过焊接后在一定的材料、工艺和结构条件下，钢材经过焊接后能获得良好的焊接接头的性能。能获

18、得良好的焊接接头的性能。u焊接后焊缝金属及其附近的热焊接后焊缝金属及其附近的热影响区金属不产生裂纹影响区金属不产生裂纹u性能不低于母材的性质。性能不低于母材的性质。 2.3.5 可焊性2.3 钢材的主要性能2.4 影响钢材性能的因素化学成分成材过程钢材硬化温度应力集中反复荷载作用碳（碳（C） -含碳量越高，强度越高，但其塑性、韧性和焊接性降低，含碳量越高，强度越高，但其塑性、韧性和焊接性降低，特别是低温冲击韧性降低。特别是低温冲击韧性降低。FeC、Mn、Si、S、P、N、O低碳钢：含碳量0.25%中碳钢：含碳量0.25%0.60%高碳钢：含碳量 0.60%焊接结构含碳量应严格控制在焊接结构含碳

19、量应严格控制在0.2%之内之内2.4 影响钢材性能的因素 2.4.1 化学成分的影响FeC、Mn、Si、S、P、N、O锰（锰（Mn）-有益元素，在碳素钢中作为脱氧剂，在合金钢中作为有益元素，在碳素钢中作为脱氧剂，在合金钢中作为合金元素。含量不太多时，能显著改善钢材的冷脆性能，并提高其强合金元素。含量不太多时，能显著改善钢材的冷脆性能，并提高其强度，而又不过多地降低塑性和韧性。度，而又不过多地降低塑性和韧性。硅（硅（SiSi）-有益元素有益元素，强脱氧剂，能使钢材中的纯铁体晶粒细小和散布强脱氧剂，能使钢材中的纯铁体晶粒细小和散布均匀，可提高其强度，而对其塑性和韧性、焊接性无显著的不良影响均匀，可

20、提高其强度，而对其塑性和韧性、焊接性无显著的不良影响2.4 影响钢材性能的因素 2.4.1 化学成分的影响硫（硫（S S）和磷（）和磷（P P） -有害的元素有害的元素。 S- S-热脆热脆 ， P- P-冷脆。冷脆。FeC、Mn、Si、S、P、N、O氧（氧（O O）和氮（）和氮（N N） -有害的元素有害的元素。 O- O-热脆热脆 ， N- N-冷脆。冷脆。2.4 影响钢材性能的因素 2.4.1 化学成分的影响钒、铌、钛钒、铌、钛 -细化晶粒，提高强度，又保持良好的塑性和韧性。细化晶粒，提高强度，又保持良好的塑性和韧性。FeC、Mn、Si、S、P、N、O铬、镍铬、镍 -提高强度。提高强度。

21、V、Nb、Ti、Cr、Ni、Cu铜铜 -提高抗腐蚀性，强度，但对可焊性不利。提高抗腐蚀性，强度，但对可焊性不利。铝铝 -强脱氧剂，能进一步减少钢中有害氧化物，细化晶粒，提高强度强脱氧剂，能进一步减少钢中有害氧化物，细化晶粒，提高强度和低温韧性。和低温韧性。2.4 影响钢材性能的因素 2.4.1 化学成分的影响影响钢材性能的因素化学成分成材过程钢材硬化温度应力集中反复荷载作用钢材的主要性能l三大力学性能指标l复杂应力状态下的屈服条件l冷弯性能l冲击韧性l可焊性yfuf5eqvC冶炼冶炼 2.4.2 成材过程的影响2.4 影响钢材性能的因素转炉炼钢转炉炼钢-氧气顶吹氧气顶吹冶炼冶炼平炉炼钢平炉炼钢

22、转炉炼钢转炉炼钢电炉炼钢电炉炼钢 2.4.2 成材过程的影响2.4 影响钢材性能的因素冶炼冶炼脱氧、浇铸脱氧、浇铸 2.4.2 成材过程的影响2.4 影响钢材性能的因素脱氧浇铸脱氧浇铸沸腾钢沸腾钢特殊镇静钢特殊镇静钢MnSi半镇静钢半镇静钢Al镇静钢镇静钢连铸法连铸法易形成气泡易形成气泡, ,质量不均匀质量不均匀, ,易分层易分层质量优良、均匀，组织致密，杂质少，偏析小质量优良、均匀，组织致密，杂质少，偏析小 2.4.2 成材过程的影响2.4 影响钢材性能的因素冶炼冶炼脱氧、浇铸脱氧、浇铸轧制轧制 2.4.2 成材过程的影响2.4 影响钢材性能的因素轧制轧制u使钢锭中的小气泡和质地疏松部分密实

23、，消除钢材内部组使钢锭中的小气泡和质地疏松部分密实，消除钢材内部组织缺陷和细化钢的晶粒织缺陷和细化钢的晶粒u轧制钢压缩比越大，其强度和韧性也越高轧制钢压缩比越大，其强度和韧性也越高u设计时应尽量避免拉力垂直于板面，以防层间撕裂设计时应尽量避免拉力垂直于板面，以防层间撕裂u钢材顺轧制方向的强度和韧性等比其横向的要好钢材顺轧制方向的强度和韧性等比其横向的要好 2.4.2 成材过程的影响2.4 影响钢材性能的因素冶炼冶炼脱氧、浇铸脱氧、浇铸轧制轧制热处理热处理 2.4.2 成材过程的影响2.4 影响钢材性能的因素热处理热处理高强度的同时能够保持良好的塑性和韧性高强度的同时能够保持良好的塑性和韧性退火

24、退火正火正火淬火淬火回火回火 2.4.2 成材过程的影响2.4 影响钢材性能的因素退火退火正火正火淬火淬火回火回火退火退火：加热到一定温度并保温一段时间，然后以适宜速度冷却，可降低硬度，提高塑性和韧性，改善切削加工性能 正火：正火：加热到临界温度以上，放置空气中自然冷却，其目的是在于使晶粒细化和碳化物分布均匀化。可以提高钢材综合力学性能 淬火：淬火：加热到临界温度以上，保温一段时间，淬火剂使其温度骤然降低，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，但要减少其塑性 回火：将已经淬火的钢重新加热到一定温度，再用一定方法冷却 ，淬火后续工序，降低淬火内应力，降低硬度，提高韧性。如果淬火后

25、不回火，工件容易开裂。 时效硬化时效硬化-随着时间的推移，钢材内部的氮逐渐从铁中析出形成随着时间的推移，钢材内部的氮逐渐从铁中析出形成自由的氮化物自由的氮化物，阻止晶粒滑移，约束钢材的塑性发展。，阻止晶粒滑移，约束钢材的塑性发展。强度提高而塑强度提高而塑性和韧性降低，俗称性和韧性降低，俗称“老化老化”。冷作硬化冷作硬化-在冷加工过程中产生塑性变形后的钢材，在重新加荷时，在冷加工过程中产生塑性变形后的钢材，在重新加荷时，屈服点提高，塑性降低的现象。屈服点提高，塑性降低的现象。 2.4.3 钢材硬化的影响2.4 影响钢材性能的因素 2.4.3 钢材硬化的影响2.4 影响钢材性能的因素200oC25

26、0oC320oC600oC150oC变化不大变化不大蓝脆蓝脆徐变徐变急剧急剧下降下降！蓝脆：某些钢材在200300时颜色发蓝而脆性增加的现象。 2.4.3 钢材硬化的影响2.4 影响钢材性能的因素低温冷脆t ()CV (J)T1T2T0脆性破坏塑性破坏两种破坏兼有冲击韧性与温度的关系曲线转变过渡区在设计中，为避免脆性破坏，在设计中，为避免脆性破坏，结构所处温度应大于结构所处温度应大于T T1 1 2.4.4 温度的影响2.4 影响钢材性能的因素 当构件当构件截面有突变（孔洞、缺口等）或内部缺陷截面有突变（孔洞、缺口等）或内部缺陷时，截面应力分布时，截面应力分布将不再均匀，突变处将产生高于平均应

27、力将不再均匀，突变处将产生高于平均应力3 34 4倍的局部高峰应力。倍的局部高峰应力。应力集中系数应力集中系数同号应力场同号应力场 2.4.5 应力集中的影响2.4 影响钢材性能的因素 2.4.5 应力集中的影响2.4 影响钢材性能的因素截面改变尖锐程度越大的试件，截面改变尖锐程度越大的试件，其应力集中现象就越严重，引其应力集中现象就越严重，引起钢材脆性破坏的危险性越大。起钢材脆性破坏的危险性越大。 2.4.5 应力集中的影响2.4 影响钢材性能的因素在进行钢结构设计时，在进行钢结构设计时，应尽量应尽量使构件和连接节点的形状和构使构件和连接节点的形状和构造合理造合理，防止截面的突然改变。，防止

28、截面的突然改变。在进行钢结构的焊接构造设计在进行钢结构的焊接构造设计和施工时，和施工时，应尽量减少焊接残应尽量减少焊接残余应力余应力。 2.4.5 应力集中的影响2.4 影响钢材性能的因素l构件的应力水平不高或荷载反复次数不多的钢材一般不会发生疲劳构件的应力水平不高或荷载反复次数不多的钢材一般不会发生疲劳破坏。破坏。钢材的疲劳或疲劳破坏钢材的疲劳或疲劳破坏-钢材在循环应力多次反复作用下裂纹生成、扩展以至断裂的现象。l疲劳破坏时，截面的应力低于钢材的抗拉强度，甚至低于屈服点。疲劳破坏时，截面的应力低于钢材的抗拉强度，甚至低于屈服点。l破坏面较整齐，表面有较清楚的疲劳纹理，破坏时没有明显的变形，破坏面较整齐，表面有较清楚的疲劳纹理，破坏时没有明显的变形，属于脆性破坏。属于脆性破坏。 2.4.6 反复荷载的影响2.4 影响钢材性能的因素（1 1）结构或构件的重要性）结构或构件的重要性（2 2）荷载特性）荷载特性（3 3）连接方式）连接方式（4 4）结构的工作条件）结构的工作条件（5 5）钢材厚度）钢材厚度 2.5.12.5.1钢材的选用原则钢材的选用原则2.5 钢结构用钢材的选择n 承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长