第二章结构钢材及其性能

1、2-1 结构钢材一次拉伸时的力学性能 2-2 结构钢材的力学性能指标 2-3 结构钢材的脆性破坏 2-4 钢材种类和规格,第2章 结构钢材及其性能,一、我国目前建筑钢结构中的常用钢材： 1、碳素结构钢 Q235钢； 2、低合金高强度结构钢 Q345、Q390和Q420钢； 二、结构钢材的标准静力拉伸试验方法,按照GB228-87的规定将钢材加工制成标准试件，在20的室温条件下，在拉伸试验机上进行一次 静力拉伸试验，将试件拉断，得到 应力应变关系曲线， 此曲线可 显示结构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 结构钢材一次拉伸时的力学性能,三、 关系曲线,1、弹性阶段（OA

2、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部分。此阶段卸荷，弹性应变立即恢复，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（亦即塑性流动阶段），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，当应力达到最高点时，试件某一截面发生颈缩现象，承载能力下降，最终试件发生断裂破坏。弹性应变恢复，残余的塑性应变可达20%30%。,三、 关系曲线（续）,2、C点为下屈服点，较为稳

3、定，记为钢材的屈服强度 fy。,3、B点为钢材的抗拉强度 fu。,规范以钢材的屈服点 f y 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=tan=/。,钢材的应变可达2%3%,结构或构件不适于继续承受荷载。,四、理想弹塑性体 五、塑性破坏 钢材的塑性破坏特征：破坏前出现极易被人们察觉的变形，破坏后保留很大的残余变形，破坏延续时间较长，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 / R.,选择屈

4、服点作为结构钢材静力强度承载力极限的依据有哪些？ 屈服点是钢材开始塑性工作的特征点； 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 =1.31.8, 是钢结构的极大后备强度，使钢结构不会发生真正的塑性破坏，安全可靠。,2-2 结构钢材的力学性能,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 是衡量钢材抵抗拉断的性能指标，直接反映钢材内部组织的优劣，是钢结构的强度储备。 注：1、为保证钢材具有足够的安全储备，要求强屈比（ fu / fy ）不低于1.21.3； 2、屈强比越大，强度储备越小，结构不够安全。

5、 3、伸长率 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，抵抗断裂的能力。 4、弹性模量E 弹性模量是变形计算和超静定结构内力分析时必需的钢材性能指标。常取 E=2.06105N/mm2。,3、伸长率 （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部分长度在长试件和短试件中相同，故同一钢材试验所得的5 （短试件的伸长率）比10（长试件的伸长率）大。,钢材单调拉伸应力应变曲线可提供的重要力学性能指标： 屈服点 fy、抗拉强度 fu、伸长率 和弹性模量E 屈服点 fy 是

6、钢结构设计中应力允许达到的最大限值； 抗拉强度 fu 反映钢材受拉时能承受的极限应力； 伸长率 是衡量钢材断裂前所具有的塑性变形能力的指标，其相应伸长率分别用 5 或 10 表示； 弹性模量E是变形计算和超静定结构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能力的综合指标，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向钢是在某一级结构钢（称为母级钢）的基础上，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

7、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表面加工成板条状。根据试件的厚度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，对于接近理想弹性塑性体的结构钢材，最适合采用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

8、时，材料的综合强度指标采用变形时单位体积中积聚的能量来表达； 2、当复杂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1、2、3为同号应力且数值接近时，根据折算应力eq 和 fy 的关系判断，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，以折算应力达到屈服点作为强度极限状态，即折算应力eq fy 时，钢材进入塑性阶段。,2、当1、2、3为异号应力且数值相差较大时，当最大应力尚未达到 fy

9、，而折算应力eq 已达到 fy 时，钢材破坏表现为塑性。,1、对于一般的应力状态，如实腹梁的腹板， y= z=0，则:,2、当钢材处于纯剪状态时，正应力 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，以折算应力达到屈服点作为强度极限状态，即折算应力eq 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抵抗脆性破坏能力的指标，即截面断裂所吸收的能量大小。,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，不容易发生脆断；反之，表明钢材抵抗脆性断裂的能力差，即韧性差。,试验装置-冲击韧性,钢结

10、构设计规范对钢材冲击韧性AKV值有常温和负温的要求，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、钢材的疲劳强度,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、常幅循环荷载当所有应力循环中的应力幅保持常量。,钢材发生疲劳破坏的原因是什么？ 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

11、交变应力中拉应力的反复作用下，在拉应力高峰处会出现微裂纹） 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） 当循环荷载达到一定的循环次数，危险截面减小到一定程度时，危险截面处将发生脆性断裂，出现钢材的疲劳破坏。,1、钢材疲劳破坏的特征和原因,钢材在连续常幅循环荷载的作用下，当循环次数达某一定值时，钢材发生破坏的现象，称为钢材的疲劳破坏。 1、钢材的疲劳破坏属于突然发生的脆性断裂； 2、钢材发生疲劳破坏时，应力远小于材料的静力强度；,钢材发生疲劳破坏的先决条件是形成裂缝。 钢材疲劳破坏的过程是裂缝开展的过程，只承受变化压应力而不出现拉应力时，钢材一般不会发生疲劳破坏。,钢材

12、的疲劳强度都由试验确定； 影响疲劳强度的因素： 构造状况（包括应力集中程度和残余应力）、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。,钢材发生疲劳破坏的截面断口，一般具有光滑和粗糙两个区域。 光滑部分反映裂缝扩张和闭合的过程，是裂缝逐渐扩展引起的，说明疲劳破坏经历了一定的过程； 粗糙部分表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似。,钢结构设计规范规定：疲劳寿命最低值为5104次。(即当构件所受的应力变化循环次数为n 5104时，应进行疲劳强度的计算。), 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

13、位为折算应力幅， = max - 0.7min；,2、常幅疲劳计算,公式说明： 1、疲劳计算时采用荷载的标准值； 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、在应力幅不出现拉应力的位置，可不必进行疲劳验算；, 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 - 0.7min；,根据Palmyren-Miner的线性累积损伤法则，把变幅疲劳折合成常幅疲劳进行计算：,3、变幅疲劳计算,吊车梁所受的循环荷载属于变幅循环荷载，钢结构设计规范提供采用下列公式计算：,4、吊车梁的疲劳计算（容许应力法）,1、碳在

14、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，钢材的强度逐渐提高，塑性、韧性、可焊性和抗锈蚀能力等逐渐下降； 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,钢结构设计规范推荐钢材： 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达到8001200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

15、）。 2、硫元素会降低钢材的冲击韧性、疲劳强度、可焊性和抗锈蚀能力等。,1、 磷元素能够提高钢材的强度和抗锈蚀性，但严重降低钢材的塑性、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，是制作镇静钢的必要元素。 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，同时还能消除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

16、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。钒还能改变碳化物在钢材中的分布状况。 2、在Q345钢基础上，加入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结构。,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，取卸荷后试件的残余应变为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

17、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、下列说法中，（ ）不是将屈服点作为结构钢材静力强度承载力极限的依据。 A.屈服点是钢材开始塑性工作的特征点。 B.钢材达到屈服点时，变形可以恢复，从而保证构件在弹性状态下进行工作。 C.钢材自屈服到最终破坏，需要经历较长的塑性屈服过程，易于发现和采取补救措施。 D.钢材的抗拉强度通常是屈服强度的1.31.8倍，保证了钢结构拥有较大的强度储备。 2、下列试验中，（ ）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 疲劳试验 3、在三

18、向应力状态下，钢材转入塑性状态的综合强度指标称为（ ）（2006.04真题） A.设计应力 B.计算应力 C.容许应力 D.折算应力,4、下列各项中，不影响钢材疲劳强度的因素是（ ） A.应力集中程度和残余应力 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、下列选项中，（ ）的存在可提高钢材的强度和抗锈蚀能力，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，结构钢材最易发生脆性破坏的是（ ） A.单向拉应力状态 B.三

19、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.有裂缝出现 D.变形小或无变形 9、用结构钢材制成的标准试件进行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 进行测试 。 11、我国钢结构设计规范规定，当构件所受的应力变化循环次数为 时，应对构件进行疲劳强度验算。,钢材的破坏形式： 塑性破坏 塑性破坏的主要特征是，经历的时间很长，破坏前具有较大的塑性变形

20、，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，因而危险性很大。 钢材产生脆性破坏的原因主要是构造不合理、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 结构钢材的脆性破坏,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，因而偏析现象比镇静钢严重。,一、冶金缺陷促

21、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。,钢材的使用温度必须高于T1，但不一定高于T2（造成浪费）。,1、在100以内时，对钢材的性能基本没有影响； 2、在100以上时，随温度升高，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，出现蓝脆现象（钢材表面氧化膜呈蓝色），此温度区段对钢材进行热加工时，钢材可能产生裂纹； 4、在250350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、达到600时，强度几乎为零，弹性模量趋于零，

22、塑性急剧上升，钢材处于热塑性状态，承载能力几乎完全丧失；,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，碳和氮化合物将逐渐从晶体中析出，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，发生了一定的塑性变形，这时若把钢材加热至200300时，将促使时效硬化迅速发生，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

23、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，减少了钢材的塑性； 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改变等部位，在力的作用下，在上述部位出现高峰应力，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。沿孔心的危险截面上同时存在着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

24、匀；离圆孔一定距离后， 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原因之一。,防止产生应力集中现象的措施有哪些？ 设计时应尽量避免截面突变、做成圆滑过渡型，必要时可采取表面加工等措施；构件制造、运输和安装过程中，也尽可能防止刻槽等缺陷。,刻槽越尖锐，应力集中现象就越严重，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，因而也就越危险。,2-4 钢材的种类、选择和规格 一、钢种和炉种 1、目前我国在建筑钢结构中，采用的钢材主要有： 碳素结构钢 Q235； 低合金高强度结构钢 Q345

25、、Q390、Q420、 说明：Q是屈服点汉语拼音字母；数字是t16mm钢材的屈服点值； 2、建筑结构中，一般采用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，但成本也较高，很少生产； 氧气转炉钢成本低，质量也不差，近年来大力发展；,1、碳素结构钢 碳素结构钢由字母Q、屈服点数值、质量等级符号及脱氧方法符号等4个部分按顺序组成。 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表示半镇静钢，Z表示镇静钢，TZ表示特殊镇静钢。 说明：1、Z和TZ在钢的牌号中予以省略 2、C级只能

26、是Z，D级只能是TZ。 例如：Q235AF 表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢 Q235B 表示屈服点为235MPa的B级镇静钢 Q235BbZ 表示屈服点为235MPa的B级半镇静钢,二、钢材的牌号和要求,2、低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢由字母Q、屈服点数值、质量等级符号等三部分组成，无脱氧方法（皆为镇静钢）。 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级为镇静钢，C、D、E级为特殊镇静钢，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

27、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）。,根据结构的重要性、所受荷载情况、结构形式、应力状态、采用的连接方法、工作温度以及钢材厚度等因素，选择合适的钢材牌号和等级。,三、钢材的选用,下列情况的承重结构和构件不应采用Q235F： 焊接结构 1、直接承受动力荷载或振动荷载且需验算疲劳的结构； 2、工作温度低于-20的直接承受动力荷载但可不验算疲劳的结构，以及承受静力荷载的受弯及受拉的重要承重结构； 非焊接结构 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劳的结构。,Q235A级钢材的碳含量不作为钢厂供货的保证项目，因而焊接承重结构时不应采

28、用。,三、钢材的选用（续）,1、承重结构 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、焊接结构 尚应具有碳含量的合格保证； 3、焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构 还需具有冷弯试验的合格保证； 4、需验算疲劳的焊接结构 应根据工作温度选择钢材等级，要求有冲击韧性的合格保证； 5、需验算疲劳的非焊接结构 应具有常温冲击韧性的合格保证； 6、当焊接承重结构为防止钢材的层状撕裂时，应采用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结构，宜采用耐候钢，材质符合焊接结构用耐候钢GB/T4172的规定；,钢材有热

29、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20020等。钢板的供应规格如下： 厚钢板：厚4100mm，宽6003000mm，长412m； 薄钢板：厚0.354mm，宽5001500mm，长0.54m；是制造冷弯薄壁型钢的原材料； 扁钢：厚460mm，宽 12 200mm，长39m，是制造螺旋焊接钢管的原材料； 花纹钢板：厚2.58mm，宽6001800mm，长0.612m，主要用作走道板和梯子踏板；,四、钢材规格,1、热轧钢板（续）,建筑钢结构中常用的有角钢、工字钢、槽钢、钢管、H型钢和部分T型钢。,2、热轧型钢,角钢（供应长度一般为419m） 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L125808），或加“边长厚度”（对等边角钢，如L1258）。,2、热