第二章钢结构的材料

第2章钢结构的材料

主要内容：重点：钢材的基本性能及影响因素

1钢材的主要性能指标2钢材的疲劳破坏3钢材的类别及选用4钢材的基本性能及其影响因素，钢材的性能指标，疲劳破坏的概念和疲劳验算方法

在建筑钢结构工程和桥梁钢结构工程中，规范推荐的普通碳素结构钢是Q235，低合金高强度结构钢是Q345、Q390和Q420。

钢材在单向均匀受拉时的应力-应变关系2.1

弹性阶段(OE段)

屈服阶段(ESC段)

强化阶段(CB段)

颈缩阶段(BD段)钢结构用钢的几项重要性能指标2.21.强度和变形指标：弹性阶段，比例极限：应力-应变关系曲线中直线段的最大应力值。屈服阶段，屈服强度：屈服平台的最低应力值，作为材料强度的依据。强化和颈缩阶段，抗拉强度：曲线最高点对应的应力值。钢结构用钢的几项重要性能指标2.22.塑性性能指标：

钢材的塑性性能可用伸长率和断面收缩率衡量。（2-1）试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百分数。

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。

伸长率断面收缩率（2-2）钢结构用钢的几项重要性能指标2.23.物理性能指标：弹性模量E（N/mm2）剪变模量G（N/mm2）线膨胀系数α（以每℃计）质量密度ρ

（kg/m3）206×10379×10312×10-67850钢材和钢铸件的物理性能指标

表2-14.钢材的韧性：

钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，它是钢材强度和塑性的综合性能，是判断钢材是否出现脆性破坏最主要的指标。韧性指标一般由冲击试验获得，称为冲击韧性指标，用表示。韧性钢结构用钢的几项重要性能指标2.24.钢材的韧性：

冲击试验的试件一般采用带V形缺口的Charpy试件，尺寸为10mm×10mm×55mm。在一种专门的夏比试验机上进行。当摆锤在一定高度落下试件被冲断后，摆锤所做的冲击功与试件缺口处净截面面积之比为冲击韧性，单位为J（焦耳）。冲击试验冲击韧性值越大，说明试件所代表的钢材断裂前吸收的能量越大，韧性越好，强度和塑性综合性能越优越。

我国钢材标准中将试验分为四档，即+20℃时的，0℃时的，-20℃时的，-40℃时的。钢结构用钢的几项重要性能指标2.25.钢材的冷弯性能：

试验时按照规定的弯心直径在试验机上用冲头缓慢加压，使试件弯成180度，如果试件外面、里面和侧面均不出现裂纹或分层，即为合格。

冷弯试验

冷弯性能是判别钢材塑性变形能力及冶金质量的综合指标。冷弯试验是鉴定钢材质量（主要是塑性和可焊性）的一种良好方法，常作为静力拉伸试验和冲击试验的补充试验。

钢结构用钢的几项重要性能指标2.26.钢材的可焊性：

焊缝及其附近金属的焊接安全可靠，不发生或者少发生焊接裂缝，其塑性和力学性能都不低于母材。可焊性低碳钢低合金钢

当含碳量控制在0.12%-0.20%，含锰量小于0.7%，含硅量小于0.4%，含硫量和含磷量小于0.045%时，具有较好的可焊性。用碳当量CE衡量（2-3）钢结构用钢的几项重要性能指标2.26.钢材的可焊性：

焊缝及其附近金属的焊接安全可靠，不发生或者少发生焊接裂缝，其塑性和力学性能都不低于母材。可焊性低碳钢低合金钢

当含碳量控制在0.12%-0.20%，含锰量小于0.7%，含硅量小于0.4%，含硫量和含磷量小于0.045%时，具有较好的可焊性。用碳当量CE衡量（2-3）

当钢材的碳当量小于0.38%时其可焊性是好的，Q345钢属于这种情况。钢结构用钢的几项重要性能指标2.27.钢材沿厚度方向的性能：

由较厚钢板组成的焊接承重结构，在焊接过程中或者在厚度方向受拉作用时，常常会产生与厚度方向垂直（称为Z方向）的裂纹，出现层状撕裂。为了避免这种情况发生，采用“厚度方向性能钢板”是必要的。

现行国家标准《厚度方向性能钢板》（GB/T5313）把它分为Z15、Z25、Z35三个级别，这种钢板被严格控制含硫量和断面收缩率，三个级别钢板的含硫量分别不大于0.01%，0.007%和0.005%；单个试件的断面收缩率分别不小于10%，15%和25%，同时三个试件断面收缩率的平均值也分别不小于15%。25%和35%。

钢材在单轴反复应力作用下的工作性能

2.3钢材在单轴轴反复应力力作用下的的工作特性性，可用应应力-应变试验曲曲线表示。。当构件反复应力，即材料处于弹性阶段时，在反复应力作用下钢材的材性无变化，也不存在残余变形。

当钢材的反复应力，即材料处于弹塑性阶段时，重复应力和反复应力引起塑性变形的增长。

钢材在单轴反复应力作用下的工作性能

2.3钢材在多次次重复的循循环应变作作用下滞回回环丰满而而稳定。这是钢材一一种极好的的性能，为为钢结构在在地震作用用下耗能能能力提供了了保障。钢材在复杂应力作用下的工作性能

2.4对于接近理理想弹塑性性材料的钢钢材，按照照能量理论论(或第四强度度理论)，在三向应应力作用下下，有：（2-4）

由（2-4）式可见，当、、为同号应力且数值接近时，即使他们都大于，折算应力仍小于，说明材料很难进入塑性状态。当平面或立体应力皆为拉应力时，材料处于脆性状态，破坏时没有明显的塑性变形。疲劳破坏2.5是指在连续续反复荷载载作用下，，钢材或钢钢构件的应应力低于极极限强度，，甚至低于于屈服强度度而发生的的破坏。疲劳破坏疲劳破坏过过程截面上的微小缺陷开始形成裂纹

裂纹缓慢扩展

TypeC裂纹达到临界尺寸而迅速断裂疲劳破坏2.5应力比：1.基本概念：其中，为绝对值最小的应力，为绝对值最大的应力，拉应力取正值，压应力取负值。疲劳破坏2.51.基本概念：应力幅：——应力幅

；表示应力变化的幅度，总为正值。——应力循环中的最大拉应力，取正值；

——应力循环中的最小拉应力或压应力，拉应力取正值，压应力取负值。（2-9）焊接部位的疲劳强度主要与应力幅有关，而与应力比、名义应力、及钢材的静力强度的关系不是非常密切。

注：应力幅计算式（2-9）中的、，与应力比中的、的意义是不相同的。疲劳破坏2.51.基本概念：疲劳寿命和和疲劳强度度：

材料或构件发生疲劳破坏时，应力幅的大小和应力循环次数N有关。较小的N达到疲劳破坏所必须的相对大些，这时的应力幅称为对应循环次数N的疲劳强度。同样，对应的应力循环次数N称为材料或构件的疲劳寿命。疲劳强度极极限：

当应力幅小到一定程度时，无论应力循环多少次也不会发生疲劳破坏，这个应力幅称为疲劳强度极限，简称疲劳极限。疲劳破坏2.52.钢材的疲劳劳破坏：影响钢材疲疲劳强度的的因素：反复荷载引引起的应力力种类（如如拉应力、、压应力、、剪应力、、复杂应力力等）外部因素

应力循环的的形式和次次数钢材内部残残余应力的的大小内部因素

钢材内部应应力集中的的程度疲劳破坏2.53.钢结构的疲疲劳破坏及及影响因素素：钢构件和钢钢结构的疲疲劳破坏时时的截面特特点：光滑区（图图中1区）：微观裂纹在在连续反复复作用应力力下逐步扩扩展，裂纹纹两侧的材材料时而相相互挤压时时而分离，，形成光滑滑区；粗糙区（图图中2区）：裂纹在长期期连续反复复应力作用用下日益扩扩展使构件件截面被逐逐渐削弱，，直至截面面残余部分分不足以抵抵抗破坏时时，构件会会突然断裂裂。表面呈呈颗粒状的的粗糙区就就是由撕裂裂作用而形形成的。疲劳破坏2.53.钢结构的的疲劳破破坏及影影响因素素：影响钢构构件和结结构疲劳劳强度的的因素：：构件形状状变化（截面形形状突变变、截面面削弱，，构件表面面凹凸不不平等）构件内部部存在的的残余应应力应力集中中：程度越严严重，钢钢构件越越容易发发生疲劳劳破坏，，疲劳强强度就越越低。钢构件产产生应力集中中的主要原原因：构件在冷冷加工过过程中的的加工硬硬化会导导致应力力集中和和韧性降降低疲劳破坏2.54.钢结构的的疲劳验验算：对于直接接承受动动力荷载载重复作作用的钢钢结构构构件，如如吊车梁梁、桥梁梁等以及及它们的的连接，，当实际际应力循循环次数数n>5×104次时，才才需要进进行疲劳劳计算。。钢构件和和连接形形式的分分类：常见的钢钢结构构构件和连连接形式式，按应力集中中程度的大大小，由由低至高高分为8个类别。。第1类为基本本无应力力集中影影响的无无连接处处的主体体金属，，应力集集中程度度最弱。。第8类则为应应力集中中程度最最严重的的角焊缝缝。第2至第7类是有不不同程度度应力集集中的主主体金属属。（见见附表9-1）疲劳破坏2.54.钢结构的的疲劳验验算：容许应力力幅的计计算：（2-10）N——应力循环次数（预期使用寿命）；

C、β——疲劳特征参数，确定构件和连接分类后按表2-2取值参数C、β值表2-2构件和连接类别12345678C1940×1012

861×10123.26×10122.18×10121.47×10120.96×10120.65×10120.41×1012β44333333疲劳破坏2.54.钢结构的的疲劳验验算：常幅疲劳的验验算：永久荷载产生生的应力值为为不变值，不不产生应力幅幅。应力幅只只由重复作用用的可变荷载载产生，所以以疲劳计算时时，取重复作作用的可变荷载标准准值来计算应力幅幅。

（2-11）式中，

——对焊接部位为应力幅：，对非焊接部位为计算应力幅：，应力以拉为正，压为负；——常幅度疲劳的容许应力幅；先由附表9-1确定构件和连接的类别，再由表2-2查取参数C、β

；见式（2-10）。一般应选取受拉区应力集集中较严重处处进行疲劳强度度验算。疲劳破坏2.54.钢结构的疲劳劳验算：变幅疲劳的验验算：

（2-12）式中，

——变幅疲劳的等效应力幅，按下式确定:——以应力循环次数表示的结构预期使用寿命；

——预期使用寿命内，相应于应力幅的应力循环次数；

(1)已知设计应力力谱:对变幅疲劳，，若能预测结结构使用寿命命期间各种荷荷载的频率分分布、应力幅幅水平以及频频次分布总和和所构成的设设计应力谱，，则可将其折折算为等效常常幅疲劳，按按下式计算：：（2-13）疲劳破坏2.54.钢结构的疲劳劳验算：变幅疲劳的验验算：(2)重级工作制吊吊车梁和重级级、中级工作作制吊车桁架架的疲劳计算算:规范规定按照照简化的常幅幅疲劳进行计计算：（2-15）式中，αf

——欠载效应的等效系数，见表2-3；

——循环次数n为2×106次的容许应力幅，见表2-4；也可按式（2-10）计算。影响钢材性能的主要因素2.6影响因素化学成分冶金缺陷钢材硬化温度应力集中影响钢材性能的主要因素2.61.化学成分的影影响：钢材的基本成成份为Fe，碳钢中Fe含量占99％，其余C、Si、Mn等为杂质元素素，S、P、N、O为冶炼过程中中不易除尽的的有害元素。。碳（C）：含C↑，使强度↑，，塑性、韧性性、可焊性↓↓，应控制在在0.22%，焊接结构应应控制在≤0.20%。锰（Mn）：锰是有益元素素，它能显著提高高钢材强度但但不过多降低低塑性和冲击击韧性。锰是是弱脱氧剂。。但是锰可使使钢材的可焊焊性降低，故故含量有限制制。硅（Si）：硅是有益元素素，也是强脱氧剂剂。硅能使钢钢材的粒度变变细，控制适适量时可提高高强度而不显显著影响塑性性、韧性、冷冷弯性能及可可焊性。硅的的含量过量时时则会恶化可可焊性及抗锈锈蚀性。钒（V）、铌（Nb）、钛（Ti）：钒、铌、钛都都能使钢材晶晶粒细化。我国的低合金金钢都含有这这三种元素，，既可提高钢钢材强度，又又保持良好的的塑性、韧性性。影响钢材性能的主要因素2.61.化学成分的影影响：铝（Al）、铬（Cr）、镍（Ni）铝是强脱氧剂剂，用铝进行补补充脱氧，不不仅进一步减减少钢中的有有害氧化物，，而且能细化化晶粒。铬和镍是提高高钢材强度的的合金元素，用于Q390钢和Q420钢。硫（S）：硫是有害元素素，当热加工及焊焊接使温度达达800～1000℃时，可能出现现裂纹，称为为热脆。硫还还能降低钢的的冲击韧性，，同时影响疲疲劳性能与抗抗锈蚀性能。。一般不得超超过0.045～0.05%。磷（P）磷是有害元元素，它在低温下下使钢变脆脆，这种现现象称为冷冷脆，其含含量应限制制在0.045%以内。氧（O）、氮（N）：氧和氮也是是有害杂质质，氧能使钢热热脆，其作作用比硫剧剧烈，氮能能使钢冷脆脆，与磷相相似。碳素结构钢钢和低合金金高强度钢钢的化学成成分分别见见附录1附表1-1和附表1-2。影响钢材性能的主要因素2.62.冶金缺陷的影响响：是指钢中化学成成分的不一致和和不均匀性。常见的冶金缺陷陷有偏析、非金金属夹杂、气孔孔、裂纹及分层层等。是指钢中含有的的硫化物与氧化化物等杂质。。是浇注钢锭时，，由氧化铁与碳碳作用所生成的的一氧化碳气体体不能充分逸出出而形成的。这些缺陷都将影影响钢材的力学学性能。偏析非金属夹杂气孔影响钢材性能的主要因素2.63.钢材硬化的影响：：是指冷拉、冷弯、冲孔孔、机械剪切等冷冷加工使钢材产生生很大塑性变形，，从而提高了钢的的屈服点，同时降降低了钢的塑性和和韧性。也称为应变硬化。冷作硬化是指氮和碳，随着时间间的增长逐渐从纯纯铁中析出，形成成自由碳化物和氮氮化物，对纯铁体体的塑性变形起遏遏制作用，从而使使钢材的强度提高高，塑性、韧性下下降，俗称老化。。时效硬化硬化的结果总是要要降低钢材的塑性性和韧性，因此一一般不利用硬化所所提高的强度，同同时要保证硬化化后钢材抗脆断的的能力。影响钢材性能的主要因素2.64.温度的影响：正温范围内（0℃以上）：总的趋势是：温度度升高，钢材强度度降低，应变增大大；反之，温度降降低，钢材强度会会略有增加，塑性性和韧性却会降低低而使钢材变脆(见图2-16)。T≤200℃时，钢材性能没有有很大变化；T在250℃左右，钢材的强度度反而略有提高，，同时塑性和韧性性均下降，材料有有转脆的倾向，钢钢材表面氧化膜呈呈现蓝色，称为蓝蓝脆现象。影响钢材性能的主要因素2.64.温度的影响：正温范围内（0℃以上）：T在260℃～320℃时，在应力持续不不变的情况下，钢钢材以很缓慢的速速度继续变形，此此种现象称为徐变变现象。T在430℃～540℃之间强度急剧下降降，600℃时强度很低不能承承担荷载。影响钢材性能的主要因素2.64.温度的影响：正温降到负温时（（特别是0℃以下）：接近或达到负温度度范围内时，钢材材强度虽有提高，，但其塑性和韧性性降低，材料逐渐渐变脆，这种性质质称为低温冷脆。。低温冷脆由图2-17可见，随着温度的的降低冲击韧性值值迅速下降，材料料将由塑性破坏转转变为脆性破坏。。这一转变是在一一个温度区间T1~T2内完成的，此温度度区称为钢材的脆脆性转变温度区，，在此区内曲线的的反弯点T0所对应的温度称为为转变温度。影响钢材性能的主要因素2.65.应力集中的影响：：在钢构件中经常存存在着截面改变、、孔洞、槽口、凹凹角以及钢材内部部缺陷等。此时，，构件中的应力分分布将不再保持均均匀，而是在某些些区域产生局部高高峰应力，在另外外一些区域则应力力降低，形成所谓谓应力集中现象（（见图2-18）。应力集中应力集中造成双向向或三向应力场的的复杂应力状态，，从而使钢材塑性性降低，容易产生生脆性破坏！在负温或动力荷载载作用下工作的结结构，应力集中的的不利影响将十分分突出，往往是引引起脆性破坏的根根源，故在设计中中应采取措施避免免或减小应力集中中。钢结构用材的种类和规格2.71.钢材的种类：平炉钢：冶炼时间间长，成本较高。。沸腾钢（代号F）：脱氧较差。半镇静钢（代号b）：脱氧充分。按冶炼方法分：转炉钢：生产效率率高，成本低，已已成为炼钢的主要要方式。按脱氧方法分：镇静钢（代号Z）：脱氧程度介于于沸腾钢和镇静钢钢之间。特殊镇静钢（代号TZ）：加强脱氧剂铝或钛钛补充脱氧的镇静静钢。钢结构用材的种类和规格2.71.钢材的种类：轧制钢(热轧、冷轧)、锻钢、铸钢。。按成型方法分类：：钢结构用的钢材主主要有两种：碳素结构钢和低合金钢。结构钢的表示方法法：Q屈服强度中屈字汉语拼音的字首阿拉伯字—表示屈服强度的大小，单位：表示按质量划分的级别：A、B、C、D脱氧方法的符号（Z、TZ可省略）F-沸腾钢b-半镇静钢Z-镇静钢TZ-特殊镇静钢钢结构用材的种类和规格2.71.钢材的种类：（1）碳素结构钢：钢号中质量分级由由A到D，表示质量由低到到高。A级钢——冲击韧性不作为要要求条件，冷弯试试验只在需方要求求时进行；B级钢——要求常温（20±5℃）冲击韧性值Akv≥27J、冷弯合格；C级钢——要求（0℃）冲击韧性值Akv≥27J、冷弯合格；D级钢——要求负温（－20℃）冲击韧性值Akv≥27J、冷弯合格；对Q235钢来说，A、B两级的脱氧方法可可以是Z、b或F，C级只能是Z，D级只能是TZ。碳素结构钢按现行行标准规定的化学学成分和机械性能能取值，见附表1-1和附表1-2。钢结构用材的种类和规格2.71.钢材的种类：（2）低合金钢：A级钢——冲击韧性不作为要要求条件，冷弯试试验只在需方要求求时进行；B级钢——要求常温（20±5℃）冲击韧性值Akv≥34J、冷弯合格；C级钢——要求（0℃）冲击韧性值Akv≥34J、冷弯合格；D级钢——要求负温温（－20℃）冲击韧韧性值Akv≥34J、冷弯合合格；低合金钢钢是在钢钢的冶炼炼过程中中添加少少量几种种合金元元素（合合金元素素的总量量低于5﹪），使钢钢的强度度明显提提高，故故称低合合金高强强度结构构钢。分为Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五种牌号号，中中间的三三种为钢钢结构的的常用钢钢种。这三种种钢都包包括A、B、C、D、E五种质量量等级。。E级钢——要求负温温（－40℃）冲击韧韧性值Akv≥27J、冷弯合合格；低合金高高强度结结构钢的的A、B级属于镇镇静钢(Z)，C、D、E级属于特特殊镇静静钢(TZ)。钢结构用材的种类和规格2.71.钢材的种种类：（3）优质碳素素结构钢钢：优质碳素素结构钢钢是碳素素钢经过过热处理理，如调调质处理理和正火火处理得得到综合合性能较较好。它它与碳素素钢的主主要区别别在于杂杂质元素素少，其其他缺陷陷也受到到严格限限制。用用于高强强度螺栓栓的8.8级优质碳碳素钢（（45号钢）和和10.9级低合金金高强度度钢的强强度较高高，塑性性和韧性性也比较较优越。。（4）耐候钢和和耐火钢钢：耐候钢：：在钢冶冶炼过程程中，加加入少量量特定的的合金元元素，，使之在在金属基基体表面面上形成成保护层层，以提提高钢材材耐大气气腐蚀性性能。耐火钢：：在钢种种加入少少量的贵贵金属钼钼、铬、、铌等，，具有较较好抗高高温性能能，特别别是在高高温下具具有较高高强度。。钢结构用材的种类和规格2.72.钢材的选选择：正确选择择钢材的的目的是是保证结结构安全全可靠、、经济合合理。选用原则结构的重要性性荷载情况连接方法钢材厚度和结结构形式结构所处的温温度和环境选材应考虑的的主要因素对于重要结构构、直接承受受动载的结构构、处于低温温条件下的结结构及焊接结结构，应选用用质量较高的的钢材。具体体建议见教材材。选用建议钢结构用材的种类和规格2.73.钢材的规格：：钢结构采用用的钢材主主要有钢板板、型钢、、圆钢、薄薄壁型钢和和焊接钢管管等，型钢有热轧轧及冷成型型两种。钢结构用材的种类和规格2.73.钢材的规格格：（1）钢板：分厚板、薄薄板及扁钢钢三种。钢板扁钢厚钢板(厚度4.5～60mm，宽度700～3000mm)，热轧成型型。主要用用作梁、柱柱、实腹式式框架等构构件的腹板板和翼缘，，以及桁架架中的节点点板。薄钢板(厚度为0.35～4mm，宽度500～1800mm)，冷轧成型型。主要用用于制造冷冷弯薄壁型型钢。扁钢(厚度为4～60mm，宽度12～200mm)。主要用于于组合梁的的翼缘板、、各种构件件的连接板板、桁架节节点板和零零件等。表示方法：：—宽度×厚度×长度，单单位：mm钢板和扁钢钢的规格见见附表3-X。钢结构用材的种类和规格2.73.钢材的规格格：（2）角钢：分不等边和和等边两种种。不等边角钢钢的表示方方法为：L长边宽×短边宽×厚度，单位位：mm等边角钢以以边宽和厚厚度表示：：L边宽×厚度，单位位：mm角钢的规格格见附表3-5和附表3-6。钢结构用材的种类和规格2.73.钢材的规格格：（3）工字钢：热轧成型，，有普通工工字钢和轻轻型工字钢钢之分。用号数表示示，号数即即为其截面面高度的厘厘米数；20号以上的工工字钢，同同一号数有有三种腹板板厚度，分分别为a、b、c三类。轻型工字钢钢的腹板和和翼缘均较较普通工字字钢薄，因因而在相同同重量下其其截面模量量和回转半半径均较大大。普通工字钢钢的规格见见附表3-1。钢结构用材的种类和规格2.73.钢材的规格格：（3）槽钢：热轧成型，，有普通槽槽钢和轻型型槽钢两种种。以其截面高高度的厘米米数编号。。号码相同的的轻型槽钢钢，其翼缘缘较普通槽槽钢宽而薄薄，腹板也也较薄，回回转半径较较大，重量量较轻。普通槽钢的的规格见附附表3-4。钢结构用材的种类和规格2.73.钢材的规格格：（4）H型钢和剖分T型钢：有热轧成型型和焊接两两种。H型钢的规格格见附表3-2，剖分T型钢的规格格见附表3-3。宽翼缘H型钢：代号号HW，翼缘宽度度B与截面高度度H相等H型钢分为：：中翼缘H型钢：代号号HM，B2/3H窄翼缘H型钢：代号号HN，B=(1/3～1/2)H剖分T型钢由对应的H型钢沿腹板板剖分而成成；对应于于宽翼缘、、中翼缘、、窄翼缘，，其代号分分别为TW、TM和TN。H型钢和剖分分T型钢的规格格标记均采采用截面高高度H×截面宽度B×