2-第二章-结构钢材及其性能

§2-1构造钢材一次拉伸时的力学性能§2-2构造钢材的力学性能指标§2-3构造钢材的脆性破坏§2-4钢材种类和规格第2章构造钢材及其性能一、我国目前建筑钢构造中的常用钢材：1、碳素构造钢—Q235钢；2、低合金高强度构造钢—Q345、Q390和Q420钢；二、构造钢材的标准静力拉伸试验方法依据GB228-87的规定将钢材加工制成标准试件，在20℃的室温条件下，在拉伸试验机上进展一次静力拉伸试验，将试件拉断，得到应力应变σ—ε关系曲线，此曲线可显示构造钢材一次拉伸时的工作性能，进而获得钢材的力学性能。§2-1构造钢材一次拉伸时的力学性能三、σ—ε关系曲线1、弹性阶段〔OA阶段〕此阶段钢材的变形很小，卸荷后变形可完全恢复，应力应变符合胡克定律。2、弹塑性阶段〔AC阶段〕应力应变成非线性关系。应力增加时，增加的应变包括弹性应变和塑性应变两局部。此阶段卸荷，弹性应变马上恢复，塑性应变不能恢复。3、塑性阶段〔CF阶段〕应力应变关系成水平线段，通常称为屈服平台〔亦即塑性流淌阶段〕，钢材表现出完全塑性，此阶段终了的应变可达2%~3%。4、强化阶段〔FB阶段〕应力应变呈上升的非线性关系，当应力到达最高点时，试件某一截面发生颈缩现象，承载力气下降，最终试件发生断裂破坏。弹性应变恢复，剩余的塑性应变可达20%~30%。三、σ—ε关系曲线〔续〕2、C点为下屈服点，较为稳定，记为钢材的屈服强度fy。3、B点为钢材的抗拉强度fu。《标准》以钢材的屈服点fy作为强度承载力极限。1、A点为比例极限fp，通常以比例极限作为弹性阶段的终点；钢材的弹性模量记为E，E=tanα=σ/ε。钢材的应变可达2%~3%,构造或构件不适于连续承受荷载。四、抱负弹塑性体五、塑性破坏钢材的塑性破坏特征：破坏前消逝极易被人们觉察的变形，破坏后保存很大的剩余变形，破坏连续时间较长，非突发性。一、单向应力状态下的静力力学性能指标1、屈服点fy钢材的强度承载力是以屈服点为极限的，屈服点fy称为钢材的抗拉〔抗压和抗弯〕强度标准值，强度设计值f=fy/γR.选择屈服点作为构造钢材静力强度承载力极限的依据有哪些？屈服点是钢材开头塑性工作的特征点；从屈服到钢材破坏，整个塑性工作区域比弹性工作区域约大200倍，且抗拉强度和屈服点之比〔强屈比〕fu/fy=1.3~1.8,是钢构造的极大后备强度，使钢构造不会发生真正的塑性破坏，安全牢靠。§2-2构造钢材的力学性能一、单向应力状态下的静力力学性能指标2、抗拉强度fu抗拉强度fu是衡量钢材反抗拉断的性能指标，直接反映钢材内部组织的优劣，是钢构造的强度贮存。注：1、为保证钢材具有足够的安全贮存，要求强屈比〔fu/fy〕不低于1.2~1.3；2、屈强比越大，强度贮存越小，构造不够安全。3、伸长率δ伸长率是衡量钢材塑性性能的指标。它反映钢材产生巨大变形时，反抗断裂的力气。4、弹性模量E弹性模量是变形计算和超静定构造内力分析时必需的钢材性能指标。常取E=2.06105N/mm2。3、伸长率δ〔续〕原标距间长度的伸长值与原标距比值的百分率。式中：l0——试件原标距长度；

l1——试件拉断后标距间的长度。d0——试件标距长度内的直径；

由于试件破坏时的颈缩局部长度在长试件和短试件中一样，故同一钢材试验所得的δ5〔短试件的伸长率〕比δ10〔长试件的伸长率〕大。钢材单调拉伸应力－应变曲线可供给的重要力学性能指标：屈服点fy、抗拉强度fu、伸长率δ和弹性模量E屈服点fy是钢构造设计中应力允许到达的最大限值；抗拉强度fu反映钢材受拉时能承受的极限应力；伸长率δ是衡量钢材断裂前所具有的塑性变形力气的指标，其相应伸长率分别用δ5或δ10表示；弹性模量E是变形计算和超静定构造内力分析时必需的钢材性能指标。一、单向应力状态下的静力力学性能指标5、冷弯180°冷弯180°试验是严格表示钢材塑性变形力气的综合指标，直接反映材质的优劣。6、Z向收缩率钢板厚度较大时，非金属夹杂缺陷越多，焊缝越厚，焊接应力和变形越大。Z向钢是在某一级构造钢〔称为母级钢〕的根底上，经过特殊冶炼、处理的钢材，含硫量为一般钢材的1/5以下，截面收缩率在15%以上。我国生产的Z向钢板的标志是在母级钢钢号后面加上Z向钢板等级标志Z15、Z25和Z30，Z字后面的数字为截面收缩率的指标〔%〕。试验时，按材料的原有厚度经外表加工成板条状。依据试件的厚度a，按规定的弯心直径d，在压力机上通过冷弯冲头加压，将试件弯曲180°，检查试件弯曲处的外表和侧面，以不开裂、不起层为合格。弯心直径d的规定： Q235钢 d=1.5a；Q345钢、Q390钢和Q420钢，d=2a；冷弯试验二、多轴应力状态下钢材的屈服条件多轴应力状态下，对于接近抱负弹性—塑性体的构造钢材，最适合承受材料力学中的能量强度理论来确定钢材在多轴应力状态下的屈服条件。能量强度理论1、材料由弹性状态转入塑性状态时，材料的综合强度指标承受变形时单位体积中积聚的能量来表达；2、当简洁应力状态下的变形能等于单轴受力时的变形能时，钢材即由弹性状态转入塑性状态，但材料的体积不变。结论-钢材在多轴应力状态下：1、当处于同号应力场时，钢材易产生脆性破坏；2、当处于异号应力场时，钢材将发生塑性破坏。1、当σ1、σ2、σ3为同号应力且数值接近时，依据折算应力σeq和fy的关系推断，钢材很难进入塑性状态，材料破坏表现为脆性破坏。说明：钢材处于三向应力状态时，以折算应力到达屈服点作为强度极限状态，即折算应力σeq≥fy时，钢材进入塑性阶段。2、当σ1、σ2、σ3为异号应力且数值相差较大时，当最大应力尚未到达fy，而折算应力σeq已到达fy时，钢材破坏表现为塑性。1、对于一般的应力状态，照实腹梁的腹板，σy=σz=0，则:2、当钢材处于纯剪状态时，正应力σ

均为0，则：钢材的剪切模量和弹性模量的相互关系：说明：钢材处于三向应力状态时，以折算应力到达屈服点作为强度极限状态，即折算应力σeq≥fy时，钢材进入塑性阶段。三、钢材的韧性指标冲击韧性是评定带缺口的标准试件在冲击荷载作用下反抗脆性破坏力气的指标，即截面断裂所吸取的能量大小。试验结论：钢材的材质越好，击断试件所耗的功就越大，说明钢材的韧性越好，不简洁发生脆断；反之，说明钢材反抗脆性断裂的力气差，即韧性差。试验装置-冲击韧性《钢构造设计标准》对钢材冲击韧性AKV值有常温存负温的要求，例如：1、Q235B级钢，常温AKV值不得低于27J；2、Q345B级钢，常温AKV值不得低于34J；3、Q345D级钢，-20℃时AKV值不得低于34J；四、钢材的疲乏强度1、循环荷载作用下的应力谱—由循环荷载所引起的构件中的循环应力变化。2、应力幅〔△〕—每次应力循环中最大拉应力max〔取正值〕和最小拉应力或压应力min〔拉应力取正值，压应力取负值〕之差。3、常幅循环荷载—当全部应力循环中的应力幅保持常量。钢材发生疲乏破坏的缘由是什么？1、缺陷〔不均匀杂质，轧制形成的微裂纹，加工造成的刻槽、孔洞和裂纹等。〕2、微观裂纹〔在交变应力中拉应力的反复作用下，在拉应力顶峰处会消逝微裂纹〕3、宏观裂纹〔循环荷载作用下，裂缝不断开展，有效截面面积不断减小〕当循环荷载到达确定的循环次数，危急截面减小到确定程度时，危急截面处将发生脆性断裂，消逝钢材的疲乏破坏。1、钢材疲乏破坏的特征和缘由钢材在连续常幅循环荷载的作用下，当循环次数达某确定值时，钢材发生破坏的现象，称为钢材的疲乏破坏。1、钢材的疲乏破坏属于突然发生的脆性断裂；2、钢材发生疲乏破坏时，应力远小于材料的静力强度；钢材发生疲乏破坏的先决条件是形成裂缝。钢材疲乏破坏的过程是裂缝开展的过程，只承受变化压应力而不消逝拉应力时，钢材一般不会发生疲乏破坏。钢材的疲乏强度都由试验确定；影响疲乏强度的因素：构造状况〔包括应力集中程度和剩余应力〕、作用的应力幅、循环荷载的重复次数n，和钢材的静力强度并无明显关系。钢材发生疲乏破坏的截面断口，一般具有光滑和粗糙两个区域。光滑局部反映裂缝扩张和闭合的过程，是裂缝渐渐扩展引起的，说明疲乏破坏经受了确定的过程；粗糙局部说明钢材最终断裂具有一瞬间的脆性破坏性质，和拉伸试件的破坏断口颇为相像。《钢构造设计标准》规定：疲乏寿命最低值为5×104次。(即当构件所受的应力变化循环次数为n≥5×104时，应进展疲乏强度的计算。)

—对应于n次循环的容许应力幅；对焊接部位为应力幅，

=

max

-

min；对非焊接部位为折算应力幅，

=

max

-0.7

min；2、常幅疲乏计算公式说明：1、疲乏计算时承受荷载的标准值；2、由于[]来源于试验，已考虑动力效应，故计算时不必考虑动力系数；3、在应力幅不消逝拉应力的位置，可不必进展疲乏验算；

—对应于n次循环的容许应力幅；对焊接部位为应力幅，

=

max

-

min；对非焊接部位为折算应力幅，

=

max

-0.7

min；依据Palmyren-Miner的线性累积损伤法则，把变幅疲乏折合成常幅疲乏进展计算：3、变幅疲乏计算吊车梁所受的循环荷载属于变幅循环荷载，《钢构造设计标准》供给承受以下公式计算：4、吊车梁的疲乏计算〔容许应力法〕—欠载效应的等效系数；[

]2×106—循环次数为2×106的容许应力幅；1、碳在钢中〔低合金钢除外〕是除铁以外含量最多的元素，直接影响钢材的强度、塑性和韧性、可焊性、抗腐蚀性。2、随含碳量的提高，钢材的强度渐渐提高，塑性、韧性、可焊性和抗锈蚀力气等渐渐下降；3、当含碳量超过0.3%时，钢材的抗拉强度提高很多，却失去了明显的屈服点，且塑性很小；当含碳量少于0.1%时，塑性很好而强度很低，也没有明显的屈服点；五、化学成分及轧制工艺与钢材性能的关系《钢构造设计标准》推举钢材：含碳量一般不超过0.22%，属于低碳钢。

碳元素1、硫元素会引起钢材的“热脆现象”〔即硫元素在钢材温度到达800～1200℃时将生成硫化铁而熔化，使钢材变脆，因而在焊接或热加工时，可能引起热裂纹现象〕。2、硫元素会降低钢材的冲击韧性、疲乏强度、可焊性和抗锈蚀力气等。1、磷元素能够提高钢材的强度和抗锈蚀性，但严峻降低钢材的塑性、冷弯性能、冲击韧性和可焊性。2、磷元素会引起钢材的“冷脆现象”，即在低温下，钢材易产生低温脆断。硫元素〔有害元素〕磷元素〔有害元素〕1、硅元素是较强的脱氧剂，是制作冷静钢的必要元素。2、适量的硅可提高钢材的强度，而对塑性、韧性和可焊性的不良影响不太显著；1、锰元素是一种弱脱氧剂；2、锰元素可提高钢材的强度却不明显影响塑性，同时还能消退硫引起钢材热脆并改善钢材的冷脆倾向。锰元素〔有益元素、合金元素〕硅元素〔合金元素〕1、钒元素可提高钢材的强度，细化晶粒，提高淬硬性，有时效硬化作用，钒的碳化物可提高钢材的高温硬度。钒还能转变碳化物在钢材中的分布状况。2、在Q345钢根底上，参与一些钒元素可提高强度、改善可焊性，得到Q390钢和Q420钢，适用于制造高、中压力容器、桥梁、船舶、起重机和其他荷载大的焊接构造。1、氧的作用与硫类似，使钢产生“热脆”。2、氮的作用同磷类似，能显著降低钢材的塑性和韧性，冷弯性能和焊接性能，使钢材产生“冷脆”。钒元素〔合金元素〕氧、氮元素〔有害元素〕说明：对于无明显屈服点的钢材，取卸荷后试件的剩余应变为0.2%对应的应力作为屈服点，称为条件屈服点或假想屈服点。〔a〕有明显屈服点的低碳钢〔b〕无明显屈服点的低碳钢应力应变曲线材质和辊轧次数有很大关系，辊压次数越多，晶粒越细，钢材的质量就越好，故薄钢材的屈服点比厚钢材的高。1、以下说法中，〔〕不是将屈服点作为构造钢材静力强度承载力极限的依据。A.屈服点是钢材开头塑性工作的特征点。B.钢材到达屈服点时，变形可以恢复，从而保证构件在弹性状态下进展工作。C.钢材自屈服到最终破坏，需要经受较长的塑性屈服过程，易于觉察和实行补救措施。D.钢材的抗拉强度通常是屈服强度的1.3~1.8倍，保证了钢构造拥有较大的强度贮存。2、以下试验中，〔〕可以获得钢材的伸长率指标？A.单向拉伸试验B冷弯试验C.冲击试验D疲乏试验3、在三向应力状态下，钢材转入塑性状态的综合强度指标称为〔〕〔2023.04真题〕A.设计应力B.计算应力C.容许应力D.折算应力4、以下各项中，不影响钢材疲乏强度的因素是〔〕A.应力集中程度和剩余应力B.作用的应力幅C.钢材的静力强度 D.循环荷载的重复次数5、以下选项中，〔〕的存在可提高钢材的强度和抗锈蚀力气，但会在温度较低时促使钢材变脆。A.矾B.锰C.硅D.磷6、在钢材所含化学元素中，均为有害杂质的一组是〔〕A.碳、磷、硅B.硫、磷、锰C.硫、氧、氮D.碳、锰、矾7、在下述各应力状态中，构造钢材最易发生脆性破坏的是〔〕A.单向拉应力状态B.三向等值拉应力状态C.单向压应力状态D.一向压应力—两向拉应力状态8、构件发生脆性破坏时，其特点是〔〕。A.变形大B.破坏持续时间长C.有裂缝消逝D.变形小或无变形9、用构造钢材制成的标准试件进展一次单向拉伸试验时，其平均应力—应变关系曲线〔关系曲线〕可分为弹性阶段、、、和颈缩阶段。10、对于厚度较大的钢材，为防止材料在焊接或承受厚度方向的拉力作用下发生分层撕裂破坏，须对钢材的进展测试。11、我国钢构造设计标准规定，当构件所受的应力变化循环次数为时，应对构件进展疲乏强度验算。钢材的破坏形式：塑性破坏塑性破坏的主要特征是，经受的时间很长，破坏前具有较大的塑性变形，破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。脆性破坏脆性破坏的主要特征是，破坏前没有明显的变形和征兆，断口平齐，呈有光泽的晶粒状，破坏往往发生在瞬时，因而危急性很大。钢材产生脆性破坏的缘由主要是构造不合理、使用不恰当和环境温度的变化，以及化学成分和冶金缺陷等。§2-3构造钢材的脆性破坏常见的冶金缺陷有：偏析、非金属夹杂〔非金属化合物，如硫化物、氧化物等〕、裂纹和起层。偏析—钢材中化学杂质元素〔主要是硫和磷〕成分分布的不均匀性；说明：1、当杂质元素集中在钢材的某些部位时，将使偏析区钢材的塑性、韧性和可焊性变差。2、沸腾钢由于杂质元素的含量较多，因而偏析现象比冷静钢严峻。 一、冶金缺陷促使钢材变脆二、温度变化促使钢材变脆高温软化：钢材在高温下，强度将下降为零；低温冷脆：钢材在负温下易发生脆性断裂。钢材的使用温度必需高于T1，但不愿定高于T2〔造成铺张〕。1、在100℃以内时，对钢材的性能根本没有影响；2、在100℃以上时，随温度上升，钢材的强度、弹性模量降低，塑性增大。3、在250℃左右，钢材的抗拉强度略有提高，塑性降低，呈现脆性，消逝蓝脆现象〔钢材外表氧化膜呈蓝色〕，此温度区段对钢材进展热加工时，钢材可能产生裂纹；4、在250~350℃时，钢材将产生蠕变〔固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象〕；5、到达600℃时，强度几乎为零，弹性模量趋于零，塑性急剧上升，钢材处于热塑性状态，承载力气几乎完全丧失；正温范围钢材受荷载作用进入弹塑性阶段及以后时，间歇重复加载将使弹性变形范围扩大，这种现象称为冷作硬化。钢材中以固溶体的形式存在的少量碳和氮化合物，随着时间的增长，碳和氮化合物将渐渐从晶体中析出，形成自由的碳化物和氮化物微粒，散布于晶粒之间，对纯铁体的塑性变形起着遏制作用，使钢材的强度提高，而塑性和韧性大大降低，钢材性能的这种随时间的变化称为时效硬化，属于物理化学现象。钢材在荷载作用下，发生了确定的塑性变形，这时假设把钢材加热至200~300℃时，将促使时效硬化快速发生，一般仅需几个小时，这种方法称为人工时效。三、时间和间歇加载促使钢材变脆时效硬化、人工时效与冷作硬化的异同点：1、三种方法均扩大了弹性范围，削减了钢材的塑性；2、时效硬化和人工时效在扩大弹性范围的同时，提高了钢材的抗拉强度。钢材的应力-应变图形——冷作硬化与时效硬化构件上的孔洞、刻槽、凹角、裂纹以及截面厚度或宽度转变等部位，在力的作用下，在上述部位消逝顶峰应力，而其他部位应力较低，截面应力分布不均匀的现象称为应力集中。四、不合理构造促使钢材变脆—应力集中现象图示为钢材上开有圆孔时，各不同截面上的应力分布规律。沿孔心的危急截面上同时存在着x和y双向同号应力，且分布很不均匀〔钢材在同号应力场作用下，将发生脆性破坏〕；离开圆孔后，只有应力x，但分布很不均匀；离圆孔确定距离后，x才分布均匀；四、不合理构造促使钢材变脆—应力集中现象〔续〕应力集中是造成构件脆性破坏的主要缘由之一。防止产生应力集中现象的措施有哪些？ 设计时应尽量避开截面突变、做成圆滑过渡型，必要时可实行外表加工等措施；构件制造、运输和安装过程中，也尽可能防止刻槽等缺陷。刻槽越锋利，应力集中现象就越严峻，钢材的强度提高，但无明显的屈服点，且塑性大大降低，钢材变得越脆；钢材的脆性越大，使试件破坏所需的功就越小，因而也就越危急。§2-4钢材的种类、选择和规格一、钢种和炉种1、目前我国在建筑钢构造中，承受的钢材主要有：碳素构造钢 Q235；低合金高强度构造钢Q345、Q390、Q420、说明：Q是屈服点汉语拼音字母；数字是t≤16mm钢材的屈服点值；2、建筑构造中，一般承受钢材的炉种有氧气转炉和平炉两种。平炉冶炼的钢材质量高，但本钱也较高，很少生产；氧气转炉钢本钱低，质量也不差，近年来大力进展；1、碳素构造钢 碳素构造钢由字母Q、屈服点数值、质量等级符号及脱氧方法符号等4个局部按挨次组成。质量等级按有害成分硫、磷含量由多到少的规律，Q235钢材分为四个等级，分别由A、B、C、D符号表示。脱氧方法〔冶炼时钢水脱氧程度的不同〕以F表示沸腾钢，bZ表示半冷静钢，Z表示冷静钢，TZ表示特殊冷静钢。说明：1、Z和TZ在钢的牌号中予以省略2、C级只能是Z，D级只能是TZ。例如：Q235A·F表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢Q235B表示屈服点为235MPa的B级冷静钢Q235B·bZ表示屈服点为235MPa的B级半冷静钢二、钢材的牌号和要求2、低合金高强度构造钢低合金高强度构造钢由字母Q、屈服点数值、质量等级符号等三局部组成，无脱氧方法〔皆为冷静钢〕。 Q345、Q390和Q420均按化学成分和冲击韧性划分为A、B、C、D、E共5个质量等级，A、B级为冷静钢，C、D、E级为特殊冷静钢，故可不加脱氧方法的符号。例如：Q390A表示屈服点为390MPa的A级钢；二、钢材的牌号和要求〔续〕不同质量等级的同一类钢材，力学性能指标fy、fu都一样，只是5、化学成分和冲击韧性AKV值有所不同。〔见表2.7〕。 依据构造的重要性、所受荷载状况、构造形式、应力状态、承受的连接方法、工作温度以及钢材厚度等因素，选择适宜的钢材牌号和等级。三、钢材的选用以下状况的承重构造和构件不应承受Q235F：焊接构造1、直接承受动力荷载或振动荷载且需验算疲乏的构造；2、工作温度低于-20℃的直接承受动力荷载但可不验算疲乏的构造，以及承受静力荷载的受弯及受拉的重要承重构造；非焊接构造1、工作温度低于或等于-20℃的直接承受动力荷载且需验算疲乏的构造。Q235A级钢材的碳含量不作为钢厂供货的保证工程，因而焊接承重构造时不应承受。三、钢材的选用〔续〕1、承重构造钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证；2、焊接构造尚应具有碳含量的合格保证；3、焊接承重构造以及重要的非焊接承重构造 还需具有冷弯试验的合格保证；4、需验算疲乏的焊接构造 应依据工作温度选择钢材等级，要求有冲击韧性的合格保证；5、需验算疲乏的非焊接构造应具有常温冲击韧性的合格保证；6、当焊接承重构造为防止钢材的层状撕裂时，应承受Z向钢，材质符合《厚度方向性能钢板》GB/T53B的规定；7、对耐腐蚀有特殊要求或在腐蚀性气态和固态介质作用下的承重构造，宜承受耐候钢，材质符合《焊接构造用耐候钢》GB/T4172的规定；钢材有热轧成型和冷轧成型两大类。1、热轧钢板钢板有厚钢板、薄钢板、扁钢、花纹钢板。钢板截面的表示方法为在符号“－”后加“宽度×厚度”，如－200×20等。钢板的供给规格如下：厚钢板：厚4~100mm，宽600~3000mm，长4~12m；薄钢板：厚0.35~4mm，宽500~1500mm，长0.5~4m；是制造冷弯薄壁型钢的原材料；扁钢：厚4~60mm，宽12~200mm，长3~9m，是制造螺旋焊接钢管的原材料；花纹钢板：厚2.5~8mm，宽600~1800mm，长0.6~12m，主要用作走道板和梯子踏板；四、钢材规格1、热轧钢板〔续〕建筑钢构造中常用的有角钢、工字钢、槽钢、钢管、H型钢和局部T型钢。2、热轧型钢角钢〔供给长度一般为4~19m〕角钢分为等边的和不等边两种。角钢型号的表示方法：在符号“L”后加“长边宽×短边宽×厚度”〔对不等边角钢，如L125×80×8〕，或加“边长×厚度”〔对等边角钢，如L125×8〕。2、热轧型钢〔续〕同一号码的角钢有几种不同的厚度，薄肢角钢的截面惯性矩对单位长度重量的比值较大，因而比较经济。工字钢工字钢有一般工字钢、轻型工字钢和H型钢三种。工字钢按腹