1、第二章 钢结构的材料,学习本章的主要目的是如何选择钢材。这就要求首先掌握钢材的性能，其中最重要的是脆性断裂。,第一节 钢结构对材料的要求第二节 钢材的主要机械性能第三节 影响钢材性能的主要因素第四节 钢材的疲劳第五节 钢材的钢种、钢号及选择第六节 国外钢材品种和钢号简介,2,第一节 钢结构对材料的要求,1.塑性破坏：材料产生较大塑性变形后才发生的破坏，破坏前有明显的预兆，不是突然破坏；由于塑性变形使应力分布趋于均匀，因此会提高结构承载力。,一、钢材的破坏形式: 因钢材的组织及受力状态不同，有塑性破坏和脆性破坏两种形式。,2.脆性破坏: 钢材在变形很小的情况下突然发生断裂破坏。脆性破坏前没有预兆
2、，是突然的，危害往往极大，设计中应严格控制。脆性破坏的根本原因是由于冶金及加工过程中的缺陷引起的应力集中而致。,3,二、钢结构对所用材料的要求-物美价廉,强度fy、fu高:材质好强度高可减轻结构自重。 塑性、韧性、耐久性好:可调节峰值应力，防止脆性破坏，抗动力荷载好，耐疲劳。良好的加工性能:冷、热加工和可焊性好。耐腐性好.价格便宜.低温、高温等环境的适应能力强。,4,钢结构设计规范（GB50017)推荐使用：碳素结构钢中的Q235钢、低合金结构钢中的Q345钢、Q390钢、Q420钢。其它种类钢材可供使用,但需有可靠的依据，以确保钢结构的质量。专用钢结构用材见相关规范。,返回,5,第二节钢材的
3、主要机械性能,一、单向拉伸时的性能,标准试件在室温（100C350C) 、以满足静力加载的加载速度一次加载所得钢材的应力应变曲线显示的钢材机械性能如下：,钢材的机械性能（力学性能）通常是指钢厂生产供应的钢材在标准条件下拉伸、冷弯和冲击等荷载单独作用下显示出的各种机械性能。它们由相应实验得到，试验采用试件的制作和试验方法都必须按照国家标准规定进行。,6,(1)弹性阶段: fp，与呈线性关系，称该直线的斜率E为钢材的弹性模量。在钢结构设计中，对所有钢材统一取E =2.06105N/mm2 。,(2)弹塑性阶段 : 与呈非线性关系，切线模量Etd/d, Et随应力增大而减小，当= fy 时，Et=0
4、。,7,(3) 塑性阶段:也称屈服阶段，= fy后钢材暂时不能承受更大的荷载，且伴随产生很大的变形，因此钢结构设计取fy作为强度极限承载力的标志。,(4) 强化阶段: 试件能承受的最大拉应力 fu为钢材的抗拉强度。取fy作为强度极限承载力的标志，fu就成为材料的强度储备。,(5)颈缩破坏阶段 。,伸长率 =(L1-L0)/ L0*100% ,反映钢材的塑性变形能力。可把钢材视为理想弹塑性体。,8,二、冷弯性能,按规定的弯心直径，将试件弯成180 o，若试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。 综合反映钢材的塑性性能和冶金质量。 重要结构中需要有良好的冷热加工性能时，应有冷弯合格保证。,9,三、冲
5、击韧性,冲击韧性用击断试样所需的冲击功AKV表示,单位为J。冲击韧性与温度有关，当温度低于某一负温值时，冲击韧性值将急剧降低。因此在寒冷地区建造的直接承受动力荷载的钢结构，除应有常温冲击韧性的保证外，尚应依钢材的类别，使其具有-20oC 或-40oC的冲击韧性保证，且AKV 27J（焦耳）。,10,四、钢材受压和受剪时的性能,钢材在单向受压（短试件）时，受力性能基本上与单向受拉相同。受剪的情况也相似，但屈服点y及抗剪强度u均低于fy和fu；剪切模量G也低于弹性模量E，详见材料力学。,返回,11,第三节 影响钢材性能的主要因素,一、化学成分的影响,碳素钢中99是Fe元素，C，Si，Mn，S，P等
6、总含量仅为1，但其对钢材力学性能有着决定性的影响。另外低合金钢中含有5以下的Mn，V，Ti等元素。1.C直接影响钢材的强度、塑性、韧性和可焊性。 C含量增加强度增加塑性降低韧性降低可焊性抗蚀性下降 因此限制其小于0.22%，焊接结构还要求小于0.2 ，往往为保证钢材塑性可降低C的含量。,12,2 S，P是有害成分，降低塑性、韧性和可焊性，而且高温时S使材料变脆称之为热脆，主要是FeS线胀系数大，易出现裂缝，因此要求S含量小于0.05%。 低温时P使钢材变脆称为冷脆，要求P含量小于0.045%。但P可以提高钢材的抗蚀性。3 O，N也是有害物质，O与S相似，N与P相似，但该2种元素在冶炼过程中可以
7、逸出，故不作限制。4 Si，Mn是有益元素，属脱氧剂，含量较低时，不仅能提高强度，而且还不影响塑性和韧性。过量时会影响可焊性； 碳素钢中：Si0.3%, Mn0.8%; 低合金钢中Si0.55%,Mn 400oC时，钢材的强度和E都急剧降低，600oC时其承载能力几乎丧失。在负温度范围内：随着温度降低，塑性和韧性降低，材料变脆，称为低温冷脆。钢材冲击韧性与温度的关系曲线反弯点所对应的温度t0称为脆性转变温度。设计选用钢材时应使工作环境温度高于脆性转变下限温度t1，即可保证钢结构低温工作的安全。,15,1.冷作硬化： 钢材在常温下加工称为冷加工。冷轧、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大的
8、塑性变形，从而使fy提高，但同时降低了钢材的塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化。,四、冷作硬化和时效硬化,16,2. 时效硬化：高温时熔化于Fe中的C，N随着时间的推移，碳化物或氮化物逸出，强度提高塑性降低，这种现象称为时效硬化。不同种类钢材的时效硬化过程可从几小时到数十年。,3.人工时效：使钢材产生10%的塑性变形，再加热到200300oC，再冷却到室温，强度提高塑性降低，这种现象称为人工时效硬化。这样可使时效在几小时内完成。,4.设计要求：钢结构设计一般不利用冷作硬化提高强度，而且对直接承受动力荷载的钢结构还应设法消除冷作硬化的影响。,17,五、复杂应力状态的影响,在复杂应力下，钢材屈服不仅
9、取决于某一方向的应力，而且由反映各方向应力综合影响的屈服条件来确定。 双向受拉时，按强度理论折算应力降低，相当于强度提高，因而推后屈服。 反之，异号应力状态时，折算应力提高，即提前屈服。,18,六、应力集中的影响,钢构件在缺陷或截面变化处附近将产生局部高峰应力，其余部位应力较低，称为应力集中。在应力高峰区域存在着同号的双向或三向应力。这种同号的双向或三向应力场有使钢材变脆的趋势。应力集中系数越大，变脆的倾向亦愈严重。在负温下或动力荷载作用下，应力集中往往是引起脆性断裂的根源，设计中应设法避免或减小应力集中，并选用质量优良的钢材。,返回,19,一、钢材疲劳的基本概念 钢材在反复荷载作用下，应力低
10、于屈服点时突然断裂，称为钢材的疲劳或疲劳破坏。 钢结构中总存在有微观裂纹或类似的缺陷，导致应力集中。在多次反复荷载作用下，微观裂纹不断开展，应力集中现象越来越严重。当荷载反复循环达一定次数n（疲劳寿命）时，裂纹扩展使得净截面承载力不足以承受外力作用时，构件突然断裂，发生疲劳破坏。 疲劳破坏一般经历裂纹形成、缓慢扩展和迅速断裂三个阶段。,第四节 钢材的疲劳,20,外部条件：连续反复荷载作用； 内部变化过程：材料内部裂纹缓慢扩展，最后迅速扩张、断裂； 破坏特征：应力低于屈服点，无明显变形，突然断裂，属脆性破坏。 疲劳破坏的构件断口上面一部分呈现半椭圆形光滑区， 其余部分则为粗糙区。 在多次重复荷载
11、作用下，裂痕的张闭使裂纹逐步扩展而形成断口的光滑区，因所余 截面净面积强度不足而被突然拉断 的断口为粗糙区。,21,二、应力循环形式,应力比 反复荷载作用下，钢材某点应力循环幅值中绝对值最小应力与绝对值最大应力之比称为应力比。,反复荷载作用产生的应力重复一周叫做一个循环。 =max-min称为应力幅，表示应力变化的幅度（总为正）。,(拉为正、压为负),22,三、疲劳计算 1.常幅疲劳（应力幅const） C、按实验确定，与结构或连接的形式有关。,对焊接部位：=max-min； 对非焊接部位：=max-0.7min。,容许应力幅与钢材的强度无关，这表明不同钢材具有相同的抗疲劳性能,注意：,23,
12、2.变幅疲劳（应力幅const）原则：运用线性累积损伤法则，折合成常幅,e变幅疲劳的等效应力幅；ni 表示的结构预期使用循环次数；ni 应力幅e作用的次数。,24,四、疲劳计算应注意问题当n5104时，应进行疲劳计算（GB50017-2003）。疲劳计算采用的是容许应力幅法，计算公式是以实验为依据的。在完全压应力（不出现拉应力）循环中，由于压应力不会使裂纹继续扩展，故规范规定此种情况可不进行疲劳计算。,25,第五节 钢材的钢种、钢号及选择,1. 碳素结构钢：钢号由代表屈服点的字母Q、屈服强度数值（t16mm时的fy，单位是N/mm2）、质量等级符号（分为A、B、C、D四级，质量依次提高）、脱氧
13、方法符号（沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢的代号分别为F、b、Z和TZ，其中Z和TZ在钢号中省略不写）等四个部分按顺序组成。例如Q235-BF, 表示屈服强度为235 N/mm2的B级沸腾钢。钢材的质量等级中，A、B级钢按脱氧方法可为沸腾钢、半镇静钢或镇静钢，C级为镇静钢，D级为特殊镇静钢。,一、钢种：钢材的种类，钢结构常用的是碳素结构钢和低合金结构钢。,二、钢号：钢材的牌号简称为钢号。,26,2. 低合金结构钢,3. 专用结构钢,低合金结构钢是在冶炼碳素结构钢时加入一种或几种适量的合金元素而成的钢。其钢材牌号的表示方法与碳素结构钢相似，但质量等级分为A、B、C、D、E五级，且无脱氧方法符
14、号。例如Q345-B，Q390-D，Q420-E。,(1)特殊用途的钢结构常采用专用结构钢。专用结构钢的钢号用在相应钢号后再加上专业用途代号（压力容器、桥梁、船舶和锅炉用钢材的专业用途代号分别为R、q、C和g）来表示。,27,(2)耐候钢：在钢材冶炼时加入少量的合金元素如Cu、Cr、Ni、Mo、Nb、Ti、Zr、V等，提高钢材的耐腐蚀性能。也称为耐大气腐蚀钢。例如15MnCuCrQT钢表示含碳量为0.15%，合金元素为锰、铜、铬的淬火加回火热处理耐候钢。,(3)连接用钢：钢结构连接中的铆钉、高强度螺栓、焊条用钢丝等，也采用满足各自连接件要求的专门用钢。,三、钢材的选择,钢材的选择既要确定所用钢
15、材的钢号，又要提出应有的机械性能和化学成分保证项目，是钢结构设计的首要环节。选材的基本原则是既保证安全可靠，又经济合理。钢材的质量等级愈高，其价格也愈高。因此应根据结构的不同特点，来选择适宜的钢材。,28,四、常用钢材的规格,钢结构所用钢材主要是热轧成型的钢板、型钢（图2-9)和冷加工（冷弯、冷压和冷轧）成型的薄壁型钢（图2-10)。,1.热轧钢板：钢板的标注符号是“（截面代号）宽度厚度长度”，单位为mm，亦可用“宽度厚度”或“厚度”来表示。如360123600，亦可表示如36012或12。,2.热轧型钢（1）角钢：分为等边和不等边角钢两种。角钢标注符号是“边宽厚度（等边角钢）或长边宽短边宽厚
16、度（不等边角钢），单位为mm”。如1008和100808。,29,30,（2）槽钢： 有热轧普通槽钢和轻型槽钢两种。槽钢规格用槽钢符号（普通槽钢和轻型槽钢的符号分别为 和Q）和截面高度（单位为cm）表示，当腹板厚度不同时，还要标注出腹板厚度类别符号a、b、c，例如10、20a、Q20a。与普通槽钢截面高度相同的轻型槽钢的翼缘和腹板均较薄，截面面积小但回转半径大。,（3）工字钢： 有普通工字钢和轻型工字钢两种。标注方法与槽钢相同，但槽钢符号“” 应改为 “I”,例如I18、I50a、QI50。,（4）H型钢： H型钢比工字钢的翼缘宽度大并为等厚度，截面抵抗矩较大且质量较小，便于与其它构件连接。热
17、轧H型钢分为宽、中、窄翼缘H型钢，它们的代号分别为HW、HM和HN。标注方法与槽钢相同，但代号“” 应改变为”H” ，例如HW260a、HM360、HN300b。,31,钢管：钢结构中常用热轧无缝钢管和焊接钢管。用“外径壁厚”表示，单位为mm，例如3606。,3.薄壁型钢：薄壁型钢通常是用1.56mm厚的薄钢板冷加工而成，其截面形式和尺寸可按工程要求合理设计。与相同截面积的热轧型钢相比，其截面抵抗矩大，钢材用量可显著减少。但因板壁较薄，对锈蚀影响较为敏感。,五、其它钢材的使用 当上述钢材不能满足要求时，还可选用优质碳素结构钢或其它低合金钢。当在有腐蚀介质中使用钢结构时，可采用耐侯钢。具体可参考
18、钢结构材料手册。,32,六、我国目前建筑钢材存在的主要问题,1厚板可焊性差，Q345等厚板焊接时，易出现层状撕裂。应采用Z向钢，即厚度方向性能钢板GB5313，要求沿厚度方向有良好的抗层状撕裂性能，用厚度方向拉力试验的断面收缩率来评定。应生产优质特厚钢。2高强度低合金结构钢在冷弯薄壁型钢中的应用尚未解决好，不能满足轻型房屋钢结构的需要。主要应解决其冲压性差的问题。3我国现只能生产镀锌钢板，不能生产抗腐蚀性能更好的镀铝锌钢板。需引进生产线或专利来解决。4型材品种规格还不能满足建筑需要。要开发生产薄壁热轧H型钢等。,返回,5建筑用高强度低合金结构钢品种太少，应用比重较低。 生产耐火钢。,33,第六
19、节 国外钢材品种和钢号简介,各国的钢号基本上是以强度等级来划分，表示方式为：字首符号 钢材的强度值钢材质量等级字首符号：美国采用A(Alloy)；日本采用SS（一般结构用轧制钢材，第一个S为Steel的第一个字母）、SM（焊接结构用轧制钢材）、SMA（焊接结构用耐候性轧制钢材）等；德国采用St（德文钢Stahl）；意大利采用Fe；法国采用A、E等；独联体各国采用C（俄文钢的第一个字母）；英国无字首符号。钢材的强度值:单位一般为N/mm 2 ，但美国为Ksi(千磅英寸2 )。强度值有的采用fu，有的采用fy 。ISO国际标准、欧共体各国、日本等采用fu，美国、独联体各国等采用fy。钢材质量等级:分为A、B、C、D、E等。,34,各国钢材标准不同，很难明确地找出与我国钢材品种之间的相应关系，正确做法是检查它们提供的质保书(化学成分和机械性能)，以确定该钢种与我国哪个钢种是可代替的。以强度为依据的各国钢材与我国钢材相应关系列于下表 。,35,各国钢材品种与我国钢材品种对应表,返回,
