钢结构设计原理第2章 钢结材料课件

第二章

钢结构材料2.1对钢结构用材的要求2.2钢材的主要性能及其鉴定2.3影响钢材性能的因素2.4钢材的延性破坏和非延性破坏2.5建筑钢材的类别及钢材的选用本章内容：2.1对钢结构用材的要求＊用作钢结构的钢材的性能：1、较高的强度即抗拉强度fu和屈服点fy比较高2、足够的变形能力即塑性和韧性性能好3、良好的加工性能适合冷、热加工，良好的可焊性包括拉伸性能、冷弯性能、冲击韧性和可焊性等。2.2钢材的主要性能及其鉴定2.2.1单向拉伸时的工作性能

条件：常温、静载条件下一次拉伸主要力学指标﹡比例极限P﹡屈服点y﹡抗拉强度u﹡伸长率5和10

屈服点钢材计算模型＊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。2.2.2冷弯性能

根据试样厚度（a），按规定的弯心直径(d)将试样弯曲180度，其表面及侧面无裂纹或分层

Q235:纵向试样横向试样16a60mmd=ad=1.5a60<a100d=2ad=2.5a100<a150d=2.5ad=3a表示的性能：﹡材料塑性变形能力﹡冶金质量2.2.3冲击韧性﹡韧性是钢材断裂时吸收机械能能力的量度﹡测量方法梅氏（MesnageU-notch）：ak(J/cm2)夏比（CharpyV-notch）：Akv或Cv(J)

钢材质量等级环境温度CVN冲击功-A不要求-B20℃27JQ235

-C0℃27J-D-20℃27J-A不要求-B20℃34J

Q345

-C0℃34J-D-20℃34J-E

-40℃27J钢材冲击韧性要求2.2.5钢材性能的鉴定《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205—2001)检验指标:

﹡屈服强度﹡抗拉强度﹡伸长率﹡冷弯性能﹡冲击韧性﹡工艺性能﹡化学成分

※检查项目:质量合格证明文件、中文标识、检验报告

※对于需要复验的钢材，按国家有关标准执行：H型钢取翼缘部位；钢板、钢带拉伸和弯曲取横向试样；冲击韧性取纵向试样。2.2.5钢材性能的鉴定

包括化学成分、成材过程、其他

2.3.1化学成分

碳素结构钢由钝铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占99％，碳及杂质元素约占1％。低合金结构钢中，除上述元素外还加入合金元素，后者总量通常不超过3％。2.3影响钢材性能的因素﹡硅（Si）硅是一种强脱氧剂，适量的硅可提高钢材的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性无明显不良影响，但硅含量过大时，会降低钢材的塑性、韧性、抗锈蚀性和可焊性。﹡钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti)钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢都含有这三种元素，作为锰以外的合金元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑性、韧性。化学元素﹡铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni)铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390钢和Q420钢。﹡硫（S）硫是一种有害元素，降低钢材的塑性、韧性、可焊性、抗锈蚀性等，在高温时使钢材变脆，即热脆。因此，钢材中硫的含量不得超过0.05%，在焊接结构中不超过0.045%。化学元素﹡磷(P)

磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷是碳素钢中的杂质，它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。在高温时磷也能使钢减少塑性。但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。﹡氧(O)、氮(N)

氧和氮也是有害杂质，在金属熔化的状态下可以从空气中进入。氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈，氮能使钢冷脆，与磷相似。化学元素＊轧制钢材的轧制能使金属的晶粒变细，也能使气泡、裂纹等焊合，因而改善了钢材的力学性能。

＊热处理热处理的目的在于取得高强度的同时能够保持良好的塑性和韧性。正火（850~900℃）回火（650℃）淬火（900℃）调质处理（淬火加回火）2.3.2成材过程的影响2.3.3影响钢材性能的其他因素﹡冷加工硬化(应变硬化)

2.3.3影响钢材性能的其他因素

﹡温度的影响

正温范围

正温范围总的趋势是随着温度的升高，钢材强度降低，变形增大。

fy与fu都增高但塑性变形能力减小，因而材料转脆，对冲击韧性的影响十分突出。温度转变区负温范围

在缺陷或截面变化处附近，应力线曲折、密集、出现高峰应力的现象称为应力集中。应力集中孔洞、缺口处的应力集中﹡疲劳断裂的概念疲劳断裂是微观裂缝在连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。裂纹的形成缓慢扩展迅速扩展2.4.2循环荷载效应﹡应力比﹡应力幅﹡平均应力关于循环荷载的几个概念﹡一个循环:连续重复荷载之下应力往复变化一周完全对称循环(＝-1)静荷载作用(＝+1)脉冲循环(＝0)一般应力循环(-1<<+1)△-n曲线

根据试验数据可以画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△-n曲线疲劳验算及容许应力幅（n≥5×104）﹡容许应力方法﹡重复可变荷载，标准值，不乘动力系数△—对焊接结构为应力幅△＝max-min；

对非焊接部位为计算应力幅△＝max-0.7min[△]—常幅疲劳的容许应力幅。与构造细部和疲劳寿命有关，和钢材种类无关。常幅疲劳:

变幅疲劳—线性累积损伤准则

f——中、重级吊车荷载折算成2106时的欠载效应等效系数，根据对国内吊车荷载谱的调查统计结果，重级工作制硬勾吊车为1.0，重级工作制软勾吊车为0.8，中级工作制吊车为0.5。2.4.3快速加荷效应

快速加荷使钢材fy、fu偏高。影响能量吸收的能力，随着加荷速率的减小，曲线向温度较低的方向移动。

﹡缓慢加荷：=10-5s-1

﹡中速加荷：=10-3s-1

﹡动力加荷：=10s-1除遭遇强烈地震外，建筑结构通常为静态的结构，即考虑荷载动力系数后按静态结构对待，但承受多次循环荷载时要验算疲劳。按应变速率=d/dt把加荷速率分3级：2.5建筑钢材的类别及钢材的选用﹡钢种：碳素结构钢、低合金高强度结构钢﹡钢号：Q+屈服强度+质量等级+脱氧程度1、碳素结构钢(GB700)Q195、Q215A及B，Q235A、B、C及D，

Q255A及B、Q275等﹡质量等级：A→D质量等级由低→高，区别：冲击韧性（CVN）、冷弯性能。2.5.1建筑钢材的类别

﹡冲击韧性（CVN）：Q235A：不要求Q235B：常温（205℃）27JQ235C：0℃27JQ235D：-20℃27J

﹡冷弯性能：A级不要求；B、C和D级钢均要求冷弯性能合格。脱氧程度：Z、b、F和TZA、B：Z、b、FC：ZD：TZ

1、碳素结构钢(GB700)

说明下列钢号代表的意义：Q235AQ235AbQ235AFQ235BbQ235BFQ235CQ235DQ295、Q345、Q390、Q420、Q460等﹡质量等级：A→E质量等级由低→高，区别：冲击韧性（CVN）。A：不要求B：常温（2050C）34JC：00C34JD：-200C34JE：-400C27J2、低合金高强度结构钢(GB/T1591)﹡脱氧程度：Z和TZA、B：ZC、D和E：TZ﹡种类：平行钢丝束、钢绞线和钢丝绳﹡材料：优质碳素钢经过多次冷拔而成，分为光面钢丝和镀锌钢丝﹡抗拉强度：1570—1700N/mm2﹡特点：松弛3、高强钢丝和钢索材料平行钢丝束由7根、19根、37根或61根钢丝组成钢绞线亦称单股钢丝绳，由多根钢丝捻成。钢丝绳多由7股钢绞线捻成，以一股钢绞线为核心，外层的6股钢绞线沿同一方向缠绕。﹡原则：安全可靠、经济合理﹡考虑因素：结构或构件的重要性；荷载性质（静载或动载）;连接方法（焊接、铆接或螺栓连接）;工作条件（温度及腐蚀介质）。对于重要结构、直接承受动载的结构、处于低温条件下的结构及焊接结构，选用质量较高的钢材。2.5.2钢材的选择﹡构件钢材Q235A：不直接承受动荷载、非焊接Q235(345)B、C、D：需要验算疲劳的适用温度Q390(420)B、C、D、E：需要验算疲劳的适用温度脱氧方法﹡连接钢材

与主体金属强度相适应：Q235→E43Q345→E50Q390、Q420→E552.5.2钢材的选择种类：钢板、型钢热轧钢板

-厚宽长（mm）:-104002000

厚板：4.5~60mm；薄板：0.35~4mm热轧型钢

﹡角钢L10010、L100808

﹡槽钢32a、32Q

﹡工字钢I32c，I32Q2.5.3型钢规格﹡H型钢HW、HM、HN：HW300300﹡剖分T型钢TW、TM、TN：TW150300﹡钢管dt：

10062.5.3型钢规格冷弯薄壁型钢

2~6mm冷弯型钢的截面形式﹡钢结构用钢材的性能要求较高的强度足够的变形能力良好的加工性能﹡钢材在单向拉伸时的主要性能屈服点抗拉强度伸