钢结构的材料

钢结构的材料第二章大纲要求:1.了解钢结构的破坏形式；2.掌握结构用钢材的主要性能及其主要机械性能指标；3.掌握影响钢材性能的主要因素;4.了解结构用钢材的种类、牌号、规格；5.了解钢材选择的依据，做到正确选择钢材；6.掌握钢材疲劳的概念和疲劳计算方法。1.较高的强度；2.较好的塑性、韧性；3.良好的加工性能；4.对环境的良好适应性。§2.1钢结构对材料的要求§2.3钢材的主要力学性能（一）强度

标准试件（GB228—63），常温（±20℃）条件下做拉伸试验，缓慢加载，得到应力-应变曲线。工作特性分为4个阶段：弹性阶段弹塑性阶段塑性阶段强化阶段—单轴拉伸试验包括：强度、塑性、韧性、冷弯性能等。弹性阶段（OA）：

0~fp（比例极限）弹性模量：

σ—ε线性关系，变形小，卸载后变形能恢复。弹性模量E由:2.06×105→0弹塑性阶段（AB）

：fp-fy（屈服点）塑性阶段（塑流阶段）：

B-C屈服平台，σ不变，ε不断增长。强化阶段（自强阶段）：

钢材恢复承载能力，当σ→fu时，发生颈缩现象而破坏为塑性破坏。fu

(抗拉强度)：衡量经巨量变形后的抗拉能力；fy（屈服强度）：衡量结构承载能力的指标；均为钢材的静力强度指标。注意：fy是材料的标准强度，非设计强度，通过分析：①钢材的工作性能可以看出理想弹性—塑性体，以fy作弹性、塑性工作的分界点，如此就可用弹性理论进行强度计算。式中：：材料抗力分项系数。fyεσ②以fy作弹性设计时的强度指标依据：a.以fy作弹性、塑性工作的分界点，屈服后，ε＝（2～3）％，易察觉；若ε过大，产生的变形过大，不允许。

b.从fy～fu，塑性工作区很大，有足够的变形保证截面上的应力不超过

fu，fy～fu作为强度储备。fy/fu：屈强比受压、受剪、受弯时的σ～ε关系如何？？？受压、受剪、受弯时的σ～ε关系基本同受拉，受压、受弯的强度指标取受拉时的数值，受剪的强度指标fyv(或τy)=0.58fy钢材屈服点fy

的高低和钢材晶粒的粗细有关，轧制次数多，钢材就薄，晶粒细，材质好，屈服点就高。由此可以得出，相同种类不同厚度的钢材，设计强度是不一样的。据此，«规范»将不同厚度的钢材分组，不同组取不同的强度设计值。牌号厚度或直径/mm抗拉、抗压和抗弯f抗剪fv端面承压（刨平顶紧fceQ235≤16215125325>16~40205120>40~60200115>60~100190110钢材强度设计值N/mm2有屈服点的钢材无屈服点的钢材，如热处理低合金钢，如何确定屈服点？？？

以卸载后残余应变为0.2％时所对应的应力为屈服点。以σ0.2表示，又称为条件屈服点。fu0.2%σ0.2通过单向拉伸试验，得到三个机械性能指标fu、fy、δ：试件的标距长度：拉断后的标距长度δ（伸长率）：衡量塑性变形能力的指标。（二）塑性

衡量塑性变形能力的另一指标：ψ（截面收缩率）。（三）冲击韧性

衡量钢材承受动荷作用时抵抗脆性破坏的指标就是冲击韧性。韧性是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，吸收能量多，韧性好。确定冲击韧性的方法就是冲击试验，试验采用夏比V型缺口试件。Q235钢AKV≥27J(20℃、0℃、-20℃)Q345钢AKV≥34J(20℃、0℃、-20℃)Q390钢AKV≥27J(-40℃)实际结构中，脆断总是发生在缺口应力集中处，因为该处存在同号拉应力场，使塑性变形受到限制。（四）冷弯性能

更严格的衡量塑性变形能力的指标，通过冷弯试验确定。

冷弯试验是按材料的原有厚度经表面加工成板状，作180°冷弯，以弯曲处的外面、侧面不起层、不开裂为合格。不同厚度的钢材，d不同。add+2.1a注意：焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材必须具有冷弯性能的合格保证。

(五)、钢材的焊接性能钢材的焊接性能受含碳量和合金元素含量的影响。碳素钢：当0.12％<C<0.20%时，焊接性能好，含碳量超过上述范围，焊缝和热影响区容易变脆。低合金钢：焊接性能用碳当量CE

来衡量，式中化学符号表示该化学元素含量的百分数。CE≤0.38％时，焊接性能好，可直接施焊；0.38％<CE<0.45%时，施焊前预热，控制焊接工艺；CE≥0.45％时，严格控制焊接工艺和预热温度。

通常采用可焊性试验的方法来检验钢材的焊接性能，从而制定重要结构和构件的焊接制度和工艺。厚度40mm以上钢板，受力时可能会发生层状撕裂，故应满足Z向收缩率要求。Z向收缩率用ΨZ表示:A0：原横截面面积A1：拉断时，断口处横截面面积Z15相应的ψZ＝15％Z15钢Z25相应的ψZ＝25％Z25钢Z35相应的ψZ＝35％Z35钢（六）钢材Z向收缩率——厚度方向断面收缩率薄钢板轧制时，压缩量大，质量好，不易出现层状撕裂，故无此要求。§2.3影响钢材力学性能的主要因素1938~1950年，在-14℃左右的冬季条件下，比利时共有14座大桥断裂。1954年11月，英国制造的32000t油船—世界协和号，在海浪4.5~6m高的大海中航行时，船底断裂。事故原因？？？一、化学成分C

:铁以外最重要的元素，C>0.3%或C<0.1%时，钢材无明显屈服点。

C↑→强度↑、塑性↓、冲击韧性↓、焊接性能↓脆性↑、低温脆断危险↑。钢结构采用低碳钢，C<0.22%，焊接结构C<0.2%S:有害元素，800℃~1000℃时，硫化铁熔化使钢材变脆，因此热加工或焊接时，有可能引起热裂纹，称为“热脆”。

S↑→冲击韧性↓、焊接性能↓疲劳强度↓所以，S≤0.045%（Q235以上钢材）

S≤0.05%（Q235钢材）Mn

:有益元素，弱脱氧剂。提高强度，不过多降低塑性和韧性，消除热脆，改善冷脆；Mn过多，降低焊接性能。P:提高强度和抗锈蚀能力，严重降低塑性、韧性、焊接性能。所以，P<0.04%（Q235以上钢材）

P<0.045%（Q235钢材）Si

:强脱氧剂。Si≤0.2%时，提高强度，而不显著影响塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能；Si含量达1%

，则不然。V:提高强度、抗锈蚀能力，不显著降低塑性。N、O

:有害元素，O→热脆，N→冷脆。二、冶金缺陷缺陷有：偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹、分层等

偏析：化学杂质元素分布的不均匀性，主要的偏析是S、P的偏析，偏析→塑性↓、韧性↓、焊接性能↓、疲劳强度↓。非金属夹杂：钢材中含有氧化物、硫化物，使钢材变脆,降低机械性能和工艺性能。

气孔：CO气体没有逸出形成。

三、钢材的硬化1:钢材中，C、N的固溶物存在于存铁体的结晶体中，随时间增长，它们析出，存在于晶粒之间的间层中，对纯铁体的塑性变形起到抑制作用，使钢材的强度上升，塑性降低，此种现象称“时效硬化”。加热使此过程迅速完成，称“人工时效”。钢材经冷作硬化后又发生时效硬化，称“应变时效”时效硬化(人工时效)与冷作硬化的区别：相同点：扩大了弹性工作范围，减少了塑性。不同点：前者在扩大弹性范围的同时，还提高了抗拉强度，而后者没有提高抗拉强度冷作硬化通常是在经过冷加工后产生的，冷加工区域的边缘会产生冷作硬化，成为产生裂缝的根源。冷加工：在常温或低于再结晶温度的情况下，通过机械的力量使钢材产生所需要的永久塑性变形，获得需要的薄板或型钢的工艺。如冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等。所以，要消除冷作硬化区域（受动荷的重要构件，冷作硬化区域必须除去）。当试件表面不平整，有缺口存在时，在轴心荷载作用下，截面上应力分布不均匀，缺口附近的应力特别高，称应力集中。四、应力集中缺口尖端σmax净截面平均应力：σ0＝N/An

An：净截面面积应力集中系数：k=σmax/σ0

缺口处，σ方向与轴向不一致，力线倾斜，因而产生横向剪力σy。

在孔边缘形成双向拉应力场（若考虑厚度，三向拉应力场），这就是脆断的原因。应力集中现象产生的原因：构件的不正确造型（设计时避免）残余应力（研究不够）非金属夹杂五、加荷速度快速拉伸，沿0B线变化，此时试件的温度有所降低，持荷保持不变，试件吸收热量，产生BA，称“弹性后效”。若突然快速卸荷，沿AC线变化，试件温度上升，随后放热后冷却，回到O点。加荷速度提高，钢材的屈服强度提高，呈脆性，故试验时按规定的速度加荷。通常做法，加载后持荷五分钟后读数，得到准确的试验值。六、温度影响温度从常温下降→fy稍有↑、脆性↑、塑性↓、韧性↓。当温度降到某一数值时，冲击韧性AKV突然显著下降，钢材易产生脆性断裂，称“低温冷脆”。所以，应针对结构所处的温度对钢材提出AKV要求。温度从常温上升，200℃以下，强度↓、塑性↑，250℃左右，强度↑、塑性↓、AKV↓，钢材变脆，称为“蓝脆现象”。所以，经常受高温时，应采取隔热措施。以上介绍影响钢材性能因素的目的是了解钢材在什么条件下发生脆性破坏从而采取措施预防。为了防止脆性破坏的发生，需注意以下三点：合理的设计：构造应合理，应能均匀、连续地传递应力，避免构件截面剧烈变化，合理的选用材料。正确的制造：应严格按照设计要求进行制作，如避免材料出现硬化，要通过扩孔或刨边除掉硬化区，选择合理的焊接工艺，对制作和安装过程中所造成的缺陷应进行清理和修复。正确的使用：不得随意改变结构使用用途或超负荷使用结构，不在主要结构上焊接附加的零件、悬挂重物，避免在运输和安装过程中对结构造成撞击。本节开始时所述事故原因：前者：应力集中、残余应力、低温AKV值太小。后者：大部分板件不满足冲击韧性要求。§2.4复杂应力条件结构钢材的屈服条件双向、三向受力时，不能以单向受力时的fy为屈服点，采用第四强度理论较为合适。oZXY单元体受复杂应力（应力分量）单元体受主应力单向拉伸达塑性状态时，积聚于单位体积中的形状改变能为：三向主应力作用下，单位体积形状改变能为：式中：ν：泊桑比能量理论认为：Uφ=[Uφ]时，多向应力状态下的钢材进入塑性。即由弹性转为塑性状态的工作条件为：

当折算应力σeq＜fy时，弹性；当折算应力σeq＞fy时，塑性。

多向应力下，以折算应力σeq作为强度计算的标准，将折算应力σeq变形为：分析：①有异号应力，且同号应力差较大，就易进入塑性，说明异号应力场下易发生塑性破坏。②三个主应力同号且接近，σeq小，不易进入塑性，直至破坏，也不进入塑性；三向等值压缩时，不会破坏；同号拉应力场下易脆性破坏。用正应力和剪应力表示折算应力：钢结构中，构件厚度小，厚度方向应力小，忽略，形成平面应力状态，因此时屈服，用fyv代替τ，即有：fyv＝0.58fy§2.5钢材的破坏形式塑性破坏：变形很大，是在材料达到fu以后发生的，变形大且时间长，易发现。断口与作用力方向成45°角。脆性破坏：塑性变形很小，甚至没有，应力低于fu

甚至可能低于fy，破坏是突然的。断口齐平，破坏前无预兆。一、塑性破坏二、脆性破坏1、钢材疲劳破坏的特征循环荷载：随时间而变化的荷载，若△σ为常数，即△σ1＝△σ2＝……＝△σn称为常幅应力循环。若△σ为变数，即△σ1≠△σ2≠……≠△σn称为变幅应力循环。应力循环特征用应力比值ρ＝σmin/σmax表示如吊车梁每一个循环中△σ＝σmax-σmin称为应力幅三、疲劳破坏ρ＝0，脉冲循环ρ＝-1，完全对称循环ρ＝1，静力荷载作用-1≤ρ≤1疲劳破坏：钢材在循环荷载作用下，当应力还低于钢材的抗拉强度，甚至低于屈服点时，就发生断裂破坏。钢材中存在一些局部缺陷（如不均匀的杂质，轧制时形成的微裂纹或加工时造成的刻槽、孔洞、裂纹等）在荷载作用下，缺陷处的截面上应力分布不均，形成应力集中现象，在应力高峰附近出现微观裂纹，而在循环荷载作用下，微观裂纹不断扩展，逐渐形成宏观裂纹，这时截面被削弱，裂纹处的应力集中现象更严重，在应力高峰附近形成双向或三向同号拉应力场，使钢材的塑性变形受到限制，荷载循环到一定次数时，削弱处的截面就会发生脆性断裂破坏。疲劳破坏过程一般经历三个阶段，即裂纹的萌生、裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。

破坏前无明显的宏观塑性变形，属于脆性破坏。钢材的疲劳强度由试验确定。影响疲劳强度的最主要因素是构造状况（应力集中程度、残余应力），作用的应力幅△σ，及循环荷载的循环次数。与应力比及钢材种类无关实验证明疲劳强度与静力强度无明显关系。2、常幅疲劳破坏大量疲劳试验证明，应力幅与疲劳寿命n之间呈右图所示关系：当应力幅为△σ1时，循环荷载达n1次时，试件破坏；即：循环荷载循环n1次时，极限应力幅为△σ1；循环荷载循环n2次时，极限应力幅为△σ2。《规范》规定：当应力循环次数n≥5×104时，应进行疲劳计算。根据试验数据，按统计理论得到的回归方程为：考虑安全系数后，得对应于n次循环的容许应力幅为：从式中看出，知道循环荷载的循环次数，就可求得容许应力幅若不发生疲劳破坏，应满足△σ≤[△σ]△σ：计算部位的设计应力幅。焊接结构△σ＝σmax–σmin非焊接结构△σ＝σmax–0.7σmin计算σmax、σmin时，按荷载标准值计算，不考虑动力系数，同时不考虑恒载。注意：以上计算，只适用于常温下，且无强烈腐蚀性环境中，否则，应按有关规定执行。3、变幅疲劳计算实际结构中作用的循环荷载一般都是变幅循环荷载，而不是常幅循环荷载，如吊车梁、振动台等，就是受变幅循环荷载作用。按常幅疲劳计算如何？？？取变幅荷载的最大应力幅，按常幅疲劳计算，但太保守。已知变幅荷载循环规律按线性累积损伤法则，将变幅疲劳折算成常幅疲劳计算。推导出：变幅疲劳的等效应力幅Δσe若变幅荷载作用下不发生疲劳破坏，应满足：△σe≤[△σ][△σ]：按常幅循环预期寿命次的容许应力幅。吊车梁疲劳计算(未知变幅荷载循环规律)受变幅循环荷载作用，若没有测到或无法预测荷载循环规律，按常幅疲劳计算，αf△σ≤[△σ]2×106△σ：在计算部位的设计应力幅（最大应力幅）；[△σ]2×106：循环次数n=2×106次的容许应力幅；αf：欠载效应的等效系数（查表）；考虑实际变幅荷载有时出现低于设计应力幅的情况。说明：此计算适合于重级工作制吊车梁，重级、中级工作制吊车桁架的疲劳计算。对于轻级工作制吊车梁和吊车桁架、大多数中级工作制吊车梁，据经验，可不作疲劳计算。注意：①疲劳极限状态的概念还不清楚，只能沿用

容许应力设计法。②以上讲的疲劳为高周疲劳，此类疲劳的断裂寿命长，应力循环次数≥5×104，断裂应力水平低，σ＜fy，故又称低应力疲劳。另有低周疲劳，其特点是寿命短，循环次数少，应力水平高，低周疲劳的内容忽略。③不出现循环拉应力的部位，不计算疲劳。§2.6结构钢材的种类、规格及其选用一、结构钢材的种类1、按用途分类：结构钢（建筑用钢和机械用钢）、工具钢、特殊钢2、按冶炼方法分类：平炉钢、转炉钢3、按成型方法分类：轧制钢、锻钢和铸钢4、按化学成分分类：碳素钢和合金钢建筑上：碳素结构钢、低合金高强度结构钢和优质碳素结构钢。按脱氧方法分类：沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢（1）碳素结构钢碳素结构钢的牌号是按屈服点的字母、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号的顺序排列。如Q235A·F屈服点的字母：Q屈服点数值：195、215、235、255、275质量等级符号：强度低塑性、韧性差A：供方保证fy、fu、δ5及Si、S、P含量，C、Mn含量不作为交货条件，一般C≥0.2%，不能作为焊接结构供方保证fy、fu、δ5、冷弯性能及C、S、Mn、Si、P含量，C<0.20%←另+20℃的AKV←另0℃的AKV←另-20℃的AKV不同质量等级的同一类钢材，力学性能指标基本相同，化学成分和AKV不同，A级钢不保证冷弯性能。脱氧方法：沸腾钢（F）：Mn为脱氧剂，脱氧不完全，质量差;镇静钢（Z）：Mn、Si为脱氧剂，脱氧完全，质量好;半镇静钢（b）：脱氧程度及质量介于以上两者之间;特殊镇静钢（TZ）：外加铝脱氧，质量更好。A、B级钢：脱氧方法有F、Z、bC级钢：脱氧方法只有ZD级钢：脱氧方法只有TZZ、TZ可省略。（2）低合金高强度结构钢在碳素结构钢中加入少量几种合金元素形成，合金元素的总量低于5％，C≤0.2%，质量好。牌号编制与碳素结构钢相同如Q295、Q345、Q390、Q420、Q460分为A、B、C、D、E五个质量等级，每一级的质量保证项目类似碳素结构钢，

A级钢应进行冷弯试验，

E级质量保证项目同B、C、D，另外还要保证-40℃的AKV。A、B级为镇静钢，C、D、E级为特殊镇静钢，不标注脱氧方法。（3）优质碳素结构钢与碳素结构钢相比，杂质少，S、P含量小于0.035％钢号：如45或45Mn，前面两位数表示含C量的万分数，前者表示含Mn量较少，后者表示含Mn量较多。钢结构中较少应用优质碳素结构钢。二、钢材的规格厚钢板4.5～60mm宽600～3000mm长度4～12m薄钢板0.35～4mm宽500～1500mm长度0.5～4m轻型钢结构扁钢4～60mm宽12～200mm长度3～9m

表示方法：－宽×厚×长（长度可不标）。如－100×6×1000钢板角钢：分为等边角钢和不等边角钢，长度4～19m，表示方法：∠长肢宽×短肢宽×肢厚∠肢宽×肢厚如∠200×125×14。2.型钢工字钢：它的编号以截面高度（cm）表示，长5～19m，如I36a

根据腹板厚度分为a、b、c三类，

a类腹板较薄，用于受弯经济，

c类腹板较厚，不经济，生产较少。

槽钢：编号规则同工字钢，根据截面高度h及厚度分类a(或b、c)

如［28b钢管：表示方法：Φ外径×壁厚，长度3～12m，无缝钢管：壁厚，经济性差，最大可达Φ219焊接卷管：经济性好。tDH型钢：表示方法：代号+高度×宽度b×腹板厚t1×翼缘厚t2HW：表示宽翼缘H型钢HM：表示中翼缘H型钢HN：表示窄翼缘H型钢特点：翼缘较宽且翼缘板的内外表面平行。如:HW400×400×13×21H型钢可剖分为T型钢，代号为TW、TM、TNbht1t2（三）冷弯薄壁型钢壁厚1.5~5mm压型钢板壁厚0.4~1.6mm五、钢材的选用应根据结构的重要性、荷载特征、连接方法、应力状态、工作环境、和钢材厚度等因素综合考虑，既要满足结构安全可靠，又要尽可能节约钢材、降低造价。选材的要求选材原则1.承重结构钢材应具有fu、fy、δ和S、P的合格保证；焊接结构应具有C含量的合格保证；焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构钢材应具有冷弯性能的合格保证。2.主要焊接结构不能采用Q235A级钢。因含碳量不作为交货条件，无法保证含碳量。3.Q235B·F钢，选用厚度不大于25mm，因厚度大，质量不易保证。4.需验算疲劳的结构钢材，应具有常温AKV的保证。非焊接结构、工作温度≤-20℃0℃的AKV(Q235、Q345)-20℃的AKV(Q390、Q420)-20℃＜工作温度≤0℃工作温度≤-20℃0℃的AKV(Q235、Q345)-20℃的AKV(Q390、Q420)-40℃的AKV(Q390、Q420)-20℃的AKV（Q235、Q345)5.下列情况不能采用Q235沸腾钢，①直接受动荷，且需验算疲劳；②直接受动荷，不需验算疲劳，但工作温度≤-20℃；及受静载的受弯和受拉的重要承重结构；工作温度≤-30℃的所有承重结构。非焊接结构：工作温度≤-20℃的直接受动载，且需验算疲劳的结构。6.吊车起重量不小于50t的中级工作制吊车梁，对AKV的要求与需验算疲劳的结构相同。（结合前面吊车梁疲劳验算）。总结：针对结构选材来说：受拉构件的材性要较受压构件为高；

焊接结构的材性要较非焊接结构为高；

受动荷结构的材性要较受静载结构为高；

低温地区结构的材性要较高温地区为高。第二章小结一、钢结构的钢材必须具备以下性能：较高的强度、足够的变形能力、良好的加工性能对环境的良好适应性二、破坏形式脆性破坏如疲劳破坏塑性破坏三、σ～ε关系有屈服点的钢材无屈服点的钢材fy取值？？？受压受弯受剪同受拉fyv=0.58fyfy取决于？？？多向应力下同号？异号？脆性破坏塑性破坏四、机械性能指标fu：衡量经巨量变形后的抗拉能力；fy：衡量钢材承载能力的指标；伸长率：衡量钢材塑性变形能力的指标；冷弯性能：更严格衡量塑性变形能力的指标；Z向收缩率：衡量钢材抗层状撕裂能力的指标；冲击韧性：衡量钢材抵抗动荷能力的指标。五、影响钢材性能的因素化学元素:C、S、Mn、Si、P、V、O、N钢材的焊接性能冶金缺陷：偏析等构造缺陷：应力集中钢材硬化：时效硬化、冷作硬化等加荷速度；温度影响：蓝脆、低温冷脆七、钢材的选用编号及不同质量等级的保证项目六、钢材种类碳素结构钢低合金高强度结构钢优质碳素结构钢简答题1、钢材中碳的含量与钢材的强度、塑性、韧性及可焊性有什么关系？2、常见的冶金缺陷有哪些？3、冷作硬化对钢材的强度、塑性及韧性有什么影响？4、什么是时效硬化？5、钢材的力学性能与温度之间有什么关系？6、什么情况下会发生应力集中？它对构件有什么影响？填空及选择1、冷作硬化会改变钢材的性能，将使钢材的

提高，

降低。2、钢材中氧的含量过多，将使钢材出现

现象。3、时效硬化会改变钢材的性能，将使钢材的

提高，

降低。4、钢材的冲击韧性值越大,表示钢材抵抗脆性断裂的能力越

。5、冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下

和

的综合指标。