第4章钢结构材料

1、第第4 4章章 钢结构材料钢结构材料4.1 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求4.2 钢材的破坏形式钢材的破坏形式4.3 钢材的主要性能钢材的主要性能4.4 影响钢材性能的因素影响钢材性能的因素4.5 建筑钢材的种类、规格及选用建筑钢材的种类、规格及选用本章内容：本章内容：4.1 4.1 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求 钢材种类繁多，规格、用途也不相同，对建钢材种类繁多，规格、用途也不相同，对建筑结构用钢来说，应具有下列性能：筑结构用钢来说，应具有下列性能： 1.1.较高的强度。即抗拉强度较高的强度。即抗拉强度fu u和屈服点和屈服点fy y比较高。比较高。结构的承载力大，所需的截面小

2、，结构的自重轻。结构的承载力大，所需的截面小，结构的自重轻。 2.2.足够的变形能力。即较好的塑性和韧性。塑足够的变形能力。即较好的塑性和韧性。塑性好，不易发生脆性破坏；韧性好，利于承受动力性好，不易发生脆性破坏；韧性好，利于承受动力荷载。荷载。 3.3.良好的加工性能。适合冷、热加工，良好的良好的加工性能。适合冷、热加工，良好的可焊性。可焊性。 4.4.适应低温、有害介质侵蚀适应低温、有害介质侵蚀( (包括大气锈蚀包括大气锈蚀) )以以及重复荷载作用等的性能。及重复荷载作用等的性能。 5.5.容易生产，价格便宜。容易生产，价格便宜。 据以上要求据以上要求, ,钢结构设计规范钢结构设计规范GB

3、50017-GB50017-20032003推荐的钢材：推荐的钢材： 普通碳素结构钢：普通碳素结构钢：Q235Q235钢钢 低合金高强度结构钢：低合金高强度结构钢：Q345Q345、Q390Q390和和Q420Q420钢钢 塑性破坏塑性破坏：超过屈服点超过屈服点 fy即有明显的塑性变即有明显的塑性变形产生，达到抗拉强度形产生，达到抗拉强度 fu时将在很大变形情况下断时将在很大变形情况下断裂裂; 脆性破坏：脆性破坏：没有塑性变形或在塑性变形很小没有塑性变形或在塑性变形很小时即发生破坏。时即发生破坏。塑性破坏和脆性破坏塑性破坏和脆性破坏4.2 4.2 钢材的破坏形式钢材的破坏形式包括拉伸性能、冷弯

4、性能、冲击韧性和可焊性等。包括拉伸性能、冷弯性能、冲击韧性和可焊性等。4.3 钢材的主要性能钢材的主要性能4.3.1 钢材在单向钢材在单向拉伸时的工作性能拉伸时的工作性能条件：常温、静载条件：常温、静载条件下一次拉伸条件下一次拉伸图图4-1 4-1 钢材的单向一次拉伸应力钢材的单向一次拉伸应力- -应变曲线应变曲线钢材标准试件钢材标准试件 拉力试验机拉力试验机 主要力学指标主要力学指标比例极限比例极限fP屈服点屈服点fy抗拉强度抗拉强度fu伸长率伸长率 5和和10图图4-1 4-1 钢材的单向一次拉伸应力钢材的单向一次拉伸应力- -应变曲线应变曲线 屈服点屈服点作为结构计算中材料强度标准，或材

5、料抗力标准。作为结构计算中材料强度标准，或材料抗力标准。理想弹塑性体的模型。理想弹塑性体的模型。图图4-2 4-2 理想弹塑性体的应力理想弹塑性体的应力- -应变模型应变模型 图图4-3 4-3 钢材的名义屈服点钢材的名义屈服点 伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形的能力。伸伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形的能力。伸长率是指试件被拉断后原标距的伸长值与原标距之比的长率是指试件被拉断后原标距的伸长值与原标距之比的百分数，即百分数，即伸长率伸长率5或或10%100001lll式中式中 l1试件拉断后标距间长度；试件拉断后标距间长度； l0试件原标距长度。试件原标距长度。4.3.2 冷弯性能冷弯性能

6、 根据试样根据试样厚度（厚度（a），），按规定的按规定的弯心直径弯心直径(d)将试样将试样弯曲弯曲180，其，其表面及侧面无裂纹或分层表面及侧面无裂纹或分层 Q235: 纵向试样纵向试样 横向试样横向试样16 a 60mm d = a d = 1.5a 60 a 100 d = 2a d = 2.5a100 a 150 d = 2.5a d = 3a材料塑性变形能力材料塑性变形能力冶金质量冶金质量4.3.3 冲击韧性冲击韧性韧性是钢材断裂时韧性是钢材断裂时吸收机械能吸收机械能能力的量度能力的量度测量方法测量方法梅氏梅氏（Mesnage U-notch）：）：ak(J/cm2)夏比夏比（Char

7、py V-notch）：）： Akv 或或Cv(J)图图4-5 4-5 夏比夏比V V型缺口冲击试验和标准试件型缺口冲击试验和标准试件 钢材质量等级钢材质量等级 环境温度环境温度 CVN冲击功冲击功 -A 不要求不要求 -B 20 27JQ235 -C 027J -D -20 27J -A 不要求不要求 -B 20 34J Q345 -C 0 34J -D -20 34J -E -40 27J钢材冲击韧性要求钢材冲击韧性要求可焊性可焊性 采用采用一般焊接工艺一般焊接工艺就可完成合格的就可完成合格的(无裂纹的无裂纹的)焊缝的性能。钢材的可焊性受焊缝的性能。钢材的可焊性受碳含量和合金元素含碳含量和

8、合金元素含量量的影响。碳含量在的影响。碳含量在0.120.20范围内的碳素钢，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。可焊性最好。碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆。4.3.4 4.3.4 钢材在复杂应力状态下的屈服条件钢材在复杂应力状态下的屈服条件根据形状改变比能理论，三向应力：根据形状改变比能理论，三向应力：yf213232221zs)(21）（）（时，yzsf以主应力表示以主应力表示yzxyzxyxzzyyxzyxf）（）（222222zs3为塑性状态；为塑性状态；为弹性状态。为弹性状态。图图4-6 4-6 复杂应力状态复杂应力状态时，yzsf平面应力平面应力状态状态

9、yxyyxyxf222zs3当只有当只有正应力正应力和和剪应力剪应力时时yf22zs3当承受当承受纯剪纯剪时时yyyff58. 032zs 钢结构设计规范确定钢材钢结构设计规范确定钢材抗剪设计强度抗剪设计强度为为抗拉设计抗拉设计强度强度的的0.580.58倍。倍。 4.4 4.4 影响钢材性能的因素影响钢材性能的因素 钢是含碳量小于钢是含碳量小于2%2%的铁碳合金，碳大于的铁碳合金，碳大于2%2%时为铸铁。制时为铸铁。制造钢结构所用的材料有碳素结构钢中的造钢结构所用的材料有碳素结构钢中的低碳钢低碳钢及及低合金结构钢低合金结构钢。 基本成份为基本成份为FeFe，碳钢中含量占，碳钢中含量占9999

10、，碳及杂质元素约占，碳及杂质元素约占1%1%。 1.1.碳（碳（C C）：）：含含CC使强度使强度塑性、韧性、可焊性塑性、韧性、可焊性，应控，应控制在制在0.22%0.22%，焊接结构应控制在，焊接结构应控制在0.20%0.20%。 2.2.硫（硫（S S）：）：含量含量使强度使强度塑性、韧性、性能冷弯、可塑性、韧性、性能冷弯、可焊性焊性；高温时使钢材变脆；高温时使钢材变脆热脆现象热脆现象。 3.3.磷（磷（P P）：）：低温时使钢材变脆低温时使钢材变脆冷脆现象冷脆现象；其它同；其它同S S； 4.4.1 4.4.1 化学成分的影响化学成分的影响 4.4.氧（氧（O O）、氮（）、氮（N N）

11、：）：O O同同S S；N N同同P P，控制含量，控制含量0.008%0.008%。 5.5.锰（锰（MnMn）：）：含量增加，使强度含量增加，使强度 降低降低S S、O O的热脆影的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大，响，改善热加工性能，对其它性能影响不大，有益有益。 6.6.硅（硅（SiSi）：）：含含SiSi适量使强度适量使强度，塑性、韧性、性能冷，塑性、韧性、性能冷弯、可焊性影响不大，有益，应控制弯、可焊性影响不大，有益，应控制0.120.3%0.120.3%。 7.7.钒（钒（V V）、铌（）、铌（NbNb）、钛（）、钛（TiTi）：）：使强度使强度、保持良、保持良好的塑

12、性、韧性；好的塑性、韧性； 8.8.铝（铝（AlAl）、铬（）、铬（CrCr）、镍（）、镍（N Ni）：）：铝是强脱氧剂，铬、铝是强脱氧剂，铬、镍使强度镍使强度； 常见的冶金缺陷有常见的冶金缺陷有偏析偏析、非金属夹杂非金属夹杂、气孔气孔及及分层分层等。等。 偏析偏析：是指钢中化学成分分布不均匀，特别是硫、磷偏：是指钢中化学成分分布不均匀，特别是硫、磷偏析严重恶化钢材的性能；析严重恶化钢材的性能； 非金属夹杂非金属夹杂：是指钢中含有硫化物、氧化物等杂质；：是指钢中含有硫化物、氧化物等杂质； 气孔气孔：是浇注钢锭时，由于氧化铁与碳作用所生成的一：是浇注钢锭时，由于氧化铁与碳作用所生成的一氧化碳不能

13、充分逸出而滞留在钢锭内形成的微小孔洞。这些氧化碳不能充分逸出而滞留在钢锭内形成的微小孔洞。这些缺陷都将降低钢材的性能。缺陷都将降低钢材的性能。 非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层分层，分层使钢材，分层使钢材沿厚度受拉的性能大大降低。沿厚度受拉的性能大大降低。4.4.2 4.4.2 冶金缺陷冶金缺陷4.4.3 钢材的硬化钢材的硬化 1. 1.冷作硬化冷作硬化 ( (应变硬化应变硬化) ) 2. 2.时效硬化时效硬化 根据其机理不同，钢材的硬化又可分为根据其机理不同，钢材的硬化又可分为冷作硬化冷作硬化和和时效硬化时效硬化两类。两类。4.4.4 温度的影响温度的影响

14、 温度的影响温度的影响 正温范围正温范围 正温范围总的趋势是正温范围总的趋势是随着温度的升高，钢材强随着温度的升高，钢材强度、弹性模量降低，变形度、弹性模量降低，变形增大。增大。250 有兰脆现象有兰脆现象260320 有徐变现象有徐变现象图图4-8 4-8 温度对低碳钢性能的影响温度对低碳钢性能的影响温度转变区温度转变区负温范围负温范围 fy与与fu都增都增高但塑性变形高但塑性变形能力减小，因能力减小，因而材料转脆，而材料转脆，对冲击韧性的对冲击韧性的影响十分突出。影响十分突出。图图4-9 4-9 冲击功冲击功C Cv v与温度的关系与温度的关系 在缺陷或截面在缺陷或截面变化处附近，应力变化

15、处附近，应力线曲折、密集、出线曲折、密集、出现高峰应力的现象现高峰应力的现象称为应力集中。称为应力集中。4.4.5 应力集中的影响应力集中的影响孔洞、缺口处孔洞、缺口处 的应力集中的应力集中图图4-10 4-10 孔洞、缺口处的应力集中孔洞、缺口处的应力集中 双向应力双向应力三向应力三向应力疲劳断裂的概念疲劳断裂的概念 疲劳断裂是微观裂缝在疲劳断裂是微观裂缝在连续重复荷载连续重复荷载作用下不断扩作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。展直至断裂的脆性破坏。裂纹的形成裂纹的形成缓慢扩展缓慢扩展迅速扩展迅速扩展4.4.6 反复荷载作用反复荷载作用 特点：截面上的应力低于材料的抗拉强度，甚至低于屈特点：截

16、面上的应力低于材料的抗拉强度，甚至低于屈服强度。破坏时塑性变形极小，是一种没有明显变形的突然服强度。破坏时塑性变形极小，是一种没有明显变形的突然破坏，属于脆性破坏。破坏，属于脆性破坏。断口示意断口示意4.5 建筑钢材的种类、规格及选用建筑钢材的种类、规格及选用钢种：碳素结构钢、低合金高强度结构钢钢种：碳素结构钢、低合金高强度结构钢钢号：钢号：Q+屈服强度屈服强度+质量等级质量等级+脱氧程度脱氧程度 1.碳素结构钢碳素结构钢 Q195、 Q215 A及及B，Q235 A、B、C及及D， Q255 A及及B、Q275等等质量等级质量等级：AD质量等级由低质量等级由低高，高， 区别：冲击韧性（区别：

17、冲击韧性（CVN）、冷弯性能。）、冷弯性能。4.5.1 建筑钢材的种类建筑钢材的种类 冲击冲击 韧性（韧性（CVN）：）：Q235A：不要求：不要求Q235B：常温（：常温（20 5） 27JQ235C：0 27JQ235D：-2027J 冷弯性能：冷弯性能： A级不要求；级不要求；B、C和和D级钢均要求冷弯性能合格。级钢均要求冷弯性能合格。 脱氧程度：脱氧程度：Z、b、F和和TZ A、B：Z、b、F C：Z D：TZ 1.碳素结构钢碳素结构钢 说明下列钢号代表的意义：说明下列钢号代表的意义： Q235A Q235Ab Q235AF Q235Bb Q235BF Q235C Q235D Q295

18、、Q345、Q390、Q420、Q460等等 质量等级：质量等级：AE质量等级由低质量等级由低高，高， 区别：区别：冲击韧性冲击韧性（CVN）。）。A：不要求：不要求 B：常温（：常温（20 5C）34JC：0C 34J D：-20C 34JE：-40C 27J2.低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢脱氧程度：脱氧程度：Z和和TZ A、B：Z C、D和和E：TZ种类：钢板、型钢种类：钢板、型钢4.5.2 建筑钢材的规格建筑钢材的规格分：厚板分：厚板 4.560mm 薄板薄板 0.354mm。 图纸中钢板的表示方法：宽图纸中钢板的表示方法：宽厚厚长（单位为毫米）长（单位为毫米）600 12 30

19、00角钢角钢 分：等边和不等边两种分：等边和不等边两种等边角钢等边角钢以边宽和厚度表示（单位为毫米）以边宽和厚度表示（单位为毫米）100 10 1.热轧钢板热轧钢板2.热轧型钢热轧型钢不等边角钢不等边角钢以两边宽和厚度表示（单位为毫米）以两边宽和厚度表示（单位为毫米）100 80 10工字钢工字钢 分分: :热轧普通工字钢热轧普通工字钢和和热轧轻型工字钢热轧轻型工字钢热轧普通工字钢热轧普通工字钢以工字钢外廓高度表示（单位为厘米）以工字钢外廓高度表示（单位为厘米）热轧轻型工字钢热轧轻型工字钢以工字钢外廓高度表示（单位为厘米）以工字钢外廓高度表示（单位为厘米）63c32Q热轧普通工字钢热轧普通工字

20、钢热轧轻型工字钢热轧轻型工字钢不等边角钢不等边角钢槽钢槽钢 分分: :热轧普通槽钢和热轧轻型槽钢热轧普通槽钢和热轧轻型槽钢热轧普通槽钢热轧普通槽钢以槽钢外廓高度表示（单位为厘米）以槽钢外廓高度表示（单位为厘米）热轧轻型槽钢热轧轻型槽钢以槽钢外廓高度表示（单位为厘米）以槽钢外廓高度表示（单位为厘米）25Q热轧普通槽钢热轧普通槽钢热轧轻型槽钢热轧轻型槽钢40a钢管钢管 型号可用代号型号可用代号“D D”后加后加“外径外径壁厚壁厚”表示，单表示，单位为位为mm mm ： D100 6H H型钢和剖分型钢和剖分T T型钢型钢 热轧热轧H H型钢分为三类：型钢分为三类：宽翼缘宽翼缘H H型钢（型钢（HWHW）、中翼缘）、中翼缘H H型钢型钢（HMHM）窄翼缘）窄翼缘H H型钢（型钢（HNHN）。）。 H H型钢型号的表示方法：前面是符号型钢型号的表示方法：前面是符号HWHW、HMHM、HNHN表示表示H H型型钢的类别，后面加钢的类别，后面加“截面高度（毫米）截面高度（毫米） 翼缘宽度翼缘宽度腹板厚腹板厚度度翼缘厚度（毫米）翼缘厚度（毫米）”。 HW 300 300 10 15剖分剖分T T型钢也分为三类，表示方法与型钢也分为三类，表示方法与H H型钢类同。型钢类同。TN225200 914 3. 3.冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢 是用是用26