《钢结构基础》课件 第2章 钢结构用钢材

2.1钢材的基本要求和主要性能2.1钢材的基本要求和主要性能2.1.1建筑钢材的基本要求

1.强度：屈服强度

、抗拉强度2.塑性：伸长率、断面收缩率、冷弯性能、冲击韧度3.可焊性4.化学成份2.1钢材的基本要求和主要性能2.1.2钢材的拉伸试验图2.1应力应变曲线2.1钢材的基本要求和主要性能标准试件钢材的拉伸试验试验过程2.1钢材的基本要求和主要性能标准试件拉伸试验机颈缩断裂破坏受力的五个阶段：

①弹性阶段(曲线的OB段)。σP

②弹塑性阶段(曲线的BC段)。③屈服阶段(曲线的CD段)。fy④应变硬化阶段(曲线的DF段)。fu⑤颈缩阶段(曲线的EF段)2.1.3钢材的强度：

强度：抵抗破坏的能力1.屈服强度fy：可利用的强度指标，设计依据

2.极限抗拉强度fu2.1钢材的基本要求和主要性能2.1.4钢材的塑性：塑性：抵抗变形的能力

伸长率：δ＝（L1-L0

）/L0×100%

断面收缩率：ψ=（A0－A1）/A0×100%

2.1钢材的基本要求和主要性能2.1.5冷弯试验性能钢材的冷弯性能是衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时，对产生裂纹的抵抗能力的一项指标。2.1钢材的基本要求和主要性能2.1.6韧性 钢材的冲击韧度是衡量钢材在冲击荷载作用下，抵抗脆性断裂的能力的一项力学性能指标。2.1钢材的基本要求和主要性能2.1.7可焊性钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件下，获得性能良好的焊接接头。焊接过程中要求焊缝及焊缝附近金属不产生热裂纹或冷却收缩裂纹；在使用过程中焊缝处的冲击韧性和热影响区内塑性良好，不低于母材的力学性能。2.1钢材的基本要求和主要性能小结

本讲学习了钢材的力学性能，钢材受力的5个阶段，强度指标中只有屈服强度fy是可利用的强度指标，是设计依据。钢材的塑性指标有伸长率、断面收缩率、冷弯性能、冲击韧性、可焊性。2.1钢材的基本要求和主要性能2.2影响钢材性能的主要因素2.2影响钢材性能的主要因素2.2.1化学成分的影响碳素结构钢中铁含量占99％以上，其余是碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)及硫(S)、磷(P)、氧(O)、氮(N)等冶炼过程中留在钢中的杂质元素表2-1各种元素对钢材性能的影响。

2.2影响钢材性能的主要因素2.2.2冶炼、浇注、轧制过程及热处理的影响

缺陷有偏析、夹层、裂纹

钢材分类：沸腾钢、镇静钢及特殊镇静钢2.2影响钢材性能的主要因素2.2.3残余应力的影响残余应力是一种自相平衡的应力钢材中残余应力的特点是应力自相平衡且与外荷载无关。残余应力对构件强度极限状态承载力没有影响，但使构件刚度减小，使钢材抗冲击断裂能力及抗疲劳破坏能力降低。2.2影响钢材性能的主要因素2.2.4应力集中的影响

钢材中的应力在缺陷区域的某些部位将出现局部高峰应力。应力集中的部位，孔洞、缺口、凹槽，或采用变厚度、变宽度的截面。

2.2影响钢材性能的主要因素复杂应力的影响钢材受同号复杂应力作用时，强度提高，塑性降低，性能变脆；钢材受异号复杂应力作用时，强度降低，塑性增加。2.2影响钢材性能的主要因素2.2.5温度的影响温度在200℃以上时总的趋势是强度降低，塑性增大；达600℃时，其承载能力几乎丧尽。负温度范围内，钢材的强度虽略有提高，但其塑性和韧性降低（变脆），

2.2影响钢材性能的主要因素2.2.6钢材的冷作硬化和时效

时效硬化、冷作硬化（应变硬化）

重复荷载作用的影响（疲劳）

钢材承受重复变化的荷载作用时，材料强度降低，破坏提早，这种现象称为疲劳破坏。疲劳破坏的特点是强度降低，材料转为脆性，破坏突然。2.2影响钢材性能的主要因素2.2.7钢材的防护1.钢材脆性断裂的预防2.钢结构的防火保护3.钢结构防腐蚀措施2.2影响钢材性能的主要因素小结：

本讲学习了影响钢材性能的因素有化学成分、钢材制造过程、钢材硬化、复杂应力、应力集中、残余应力、温度变化及疲劳等，在钢材选用时应加以注意，发挥有利因素，避免不利因素，根据结构要求正确选用钢材。2.2影响钢材性能的主要因素2.3钢材的种类、规格与选用2.3钢材的种类、规格与选用2.3.1钢材的种类

1.按建筑用途分类:有碳素结构钢、焊接结构用耐候钢、高耐候性结构钢、桥梁用结构钢等专用结构钢。建筑结构钢中常用的为碳素结构钢、低合金钢和桥梁用结构钢。

建筑结构用钢主要是碳素结构钢和低合金钢两种。

2.3钢材的种类、规格与选用2.按化学成分分类（1）碳素结构钢：只使用低碳钢，含碳量不大于0.25％。

《碳素结构钢》标准中钢材牌号表示方法由字母Q、屈服点数值(N／mm2)、质量等级代号(A、B、C、D)及脱氧方法代号(F、Z、TZ)四个部分组成。Q是“屈”字汉语拼音的首位字母，质量等级中以A级最差、D级最优，F、Z、TZ则分别是“沸”、“镇”及“特镇”汉语拼音的首位字母，分别代表沸腾钢、镇静钢及特殊镇静钢，其中代号Z、TZ可以省略。2.3钢材的种类、规格与选用

国家标准《碳素结构钢》（GB700）将碳素结构钢按屈服点数值分为5个牌号：Q195、Q215、Q235、Q255及Q275，钢结构设计标准(GBJ50017—2017)中所推荐的碳素结构钢是Q235钢。

钢号的代表意义：

例Q235—A，代表屈服点为235N／mm2的A级镇静碳素结构钢；

Q235—BF：代表屈服点为235N／mm2的B级沸腾碳素结构钢。2.3钢材的种类、规格与选用（2）低合金钢：是在冶炼碳素结构钢时增加一些合金元素炼成的钢，目的是提高钢材的强度、冲击韧性、耐腐蚀性等，而不太降低其塑性。

《低合金高强度结构钢》标准中钢材全部为镇静钢或特殊镇静钢，所以它的牌号就只由Q、屈服点数值及质量等级三个部分组成，其中质量等级有A～E五个级别。

《低合金高强度结构钢》（GB／T1591）将低合金高强度结构钢按屈服点数值分为5个牌号：Q295、Q355、Q390、Q420及Q460，所推荐的低合金高强度结构钢是Q345、Q390及Q420钢。2.3钢材的种类、规格与选用

（3）桥梁用结构钢按现行国家标准GB/T714—2015《桥梁用结构钢》规定,桥梁用结构钢分为Q235q,Q355q,Q370q,Q420q,Q460q,Q500q,Q550q,Q620q,Q690q共9个牌号。

钢的牌号由代表屈服强度的汉语拼音字母、屈服强度数值、桥字的汉语拼音字母、质量等级符号等几个部分组成。2.3钢材的种类、规格与选用例如:Q420qD。其中:

Q—桥梁用钢屈服强度的“屈”字汉语拼音的首位字母;

420—屈服强度数值,单位MPa;

q—桥梁用钢的“桥”字汉语拼音的首位字母;

D—质量等级为D级。

当要求钢板具有耐候性能或厚度方向性能时,则在上述规定的牌号后分别加上代表耐候的汉语拼音字母“NH”或厚度方向(Z向)性能级别的符号,例如:Q420qDNH或Q420qDZ15。2.3钢材的种类、规格与选用(4)热处理低合金钢低合金钢可用适当的热处理方法来进一步提高其强度且不显著降低其塑性和韧性,这种钢的屈服点超过700N/mm2。3.按硫、磷含量及机械性能分类(1)普通钢:S含量≤0.05%,P含量≤0.045%。(2)优质钢:S含量≤0.045%,P含量≤0.04%,同时具有较好的机械性能。(3)高级优质钢:S含量≤0.035%,P含量≤0.03%,同时具有良好的机械性能。

2.3钢材的种类、规格与选用4.按炼钢炉炉种分类

按炼钢炉炉种分类,有平炉钢、氧气顶吹转炉钢、碱性侧吹转炉钢及电炉钢等。建筑结构用的碳素钢及低合金钢由前两种炉炼成。

5.按浇注脱氧程度分类(1)沸腾钢(2)镇静钢2.3钢材的种类、规格与选用2.3.2钢材的规格1.热轧钢板2.3钢材的种类、规格与选用2.热轧型钢：常用形式有角钢、工字钢和槽钢2.3钢材的种类、规格与选用角钢:分等边和不等边两种。以边宽和厚度来表示。2.3钢材的种类、规格与选用2.3钢材的种类、规格与选用工字钢、槽钢、钢管冷弯薄壁型钢2.3钢材的种类、规格与选用2.3钢材的种类、规格与选用压型钢板2.3钢材的种类、规格与选用2.3钢材的种类、规格与选用2.3.3钢材的选用和保证项目

1.选用原则：保证结构安全可靠、经济合理，节约钢材。考虑因素：结构的重要性、荷载特性、连接方式、结构的工作环境温度、钢材厚度。2.3钢材的种类、规格与选用2.钢结构对钢材的要求作为钢结构的钢材必须具备下列性能:（1）较高的强度。fy较高,可减小构件截面,减轻自重,抗拉强度fu高,可增加结构构件的安全保障。（2）足够的变形能力。塑性、韧性好。（3）良好的加工性能。适合冷、热加工和良好的焊接性能。2.3钢材的种类、规格与选用3.钢材的选用

承重结构所用的钢材应具有屈服强度、抗拉强度、断后伸长率和硫、磷含量的合格保证,对焊接结构尚应具有碳当量的合格保证。

相关规定：见教材4.钢材的技术标准

国家标准中规定了各种钢号钢材的技术标准,包括力学性能和化学成分的各项指标作为钢材出厂的合格与否的标准限值。2.3钢材的种类、规格与选用本章小结1.建筑钢材要求强度高、塑性韧性好,焊接结构还要求可焊性好。2.衡量钢材强度的指标是屈服点fy、抗拉强度fu,衡量钢材塑性的指标是伸长率δ和冷弯试验合格,衡量钢材韧性的指标是冲击韧性值Akv。3.碳素结构钢的主要化学成分是铁和碳,其他为杂质成分;低合金高强度钢主要化学成分除铁和碳外,还有总量不超过5%的合金元素,如锰、钒、铜等,这些元素以合金的形式存在钢中,可以改善钢材性能。

此外低合金高强度钢中也有杂质成分,如硫、磷、氧、氮等是有害成分,应严格控制其含量。对于焊接结构,含碳量不宜过高,要求控制在0.2%以下。2.3钢材的种类、规格与选用4.影响钢材机械性能的因素除化学成分外,还有冶炼轧制工艺(脱氧程度:沸腾钢、镇静钢等,缺陷:偏析、非金属夹渣、裂纹、分层等)、加工工艺(冷作硬化、残余应力)、受力状态(复杂应力)、构造情况(孔洞、截面突变引起应力集中)、重复荷载(疲劳)和环境温度(低温、高温)等因素。2.3钢材的种类、规格与选用5.钢材有两种破坏形式:塑性破坏和脆性破坏。脆性破坏时变形小,破坏突然发生,危险性大,为此应注意:①要根据具体情况合理选用钢材品种;②采购钢材时严格按规定查验进货钢材的各项指标;③充分了解上述各项影响钢材机械性能的因素,注意钢材在各种因素影响下由塑性转向脆性的可能性,并在设计、制造、安装中采取措施严加防止。6.随着生产发展,国家标准及产品规格会不断修改,市场供货情况也会因时因地有所变化,因此选购钢材时应注意根据现行国家标准及产品规格,以及当时当地具体情况。2.3钢材的种类、规格与选用第2章小结第2章小结1.建筑钢材要求强度高、塑性韧性好,焊接结构还要求可焊性好。2.衡量钢材强度的指标是屈服点fy、抗拉强度fu,衡量钢材塑性的指标是伸长率δs和冷弯试验合格,衡量钢材韧性的指标是冲击韧性值Akv

。第2章小结3.碳素结构钢的主要化学成分是铁和碳,其他为