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单元二 钢结构材料,钢结构施工,钢结构的材料 Material of Steel Structure,2.掌握结构用钢材的主要性能及其机械性能指 标；,3.掌握影响钢材性能的主要因素特别是导致钢材变脆的主要因素；,4.熟悉结构用钢材的种类、牌号、规格；,5.理解钢材选择的依据，做到正确选择钢材；,6.掌握钢材疲劳的概念和机理。,1.了解钢结构的两种破坏形式；,教学要求:,2.1 钢结构对材料的要求,（1）较高的抗拉强度fu和屈服点fy；,（2） 足够的变形能力良好塑性和韧性,（3） 良好的加工性能适应冷、热加工，可焊性好,（4） 对环境的良好适应性耐腐蚀、耐火、耐疲劳,钢结构的材料关系到钢结构的计算理论，同时对钢结构的制造、安装、使用、造价、安全等均有直接联系。本章简要介绍钢材的生产过程和组织构成，重点介绍钢材的主要性能以及各种因素对钢材性能的影响；钢材的种类、规格及选择原则。,强度材料抵抗外力作用时不致破坏的能力。,2.2 钢材的生产,钢材的生产大致分为炼铁、炼钢和轧制三道工序。,电炉钢是利用电热原理，在电弧炉内冶炼。（质量好，但耗电量大，成本高，一般只用来冶炼特种用途的钢材。）,炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。,转炉钢是利用高压空气或氧气使炉内生铁熔液的碳和其它杂物氧化，在高温下使铁液变为钢液。（生产周期短，效率高，质量好，成本低，已经成为国内外发展最快的炼钢方法。）,平炉钢是利用煤气和其它燃料供应热能，把废钢、生铁熔液或铸铁块和不同的合金元素等冶炼成各种用途的钢。（生产周期长，效率低，成本高，现已逐步被转炉钢所取代。）,（1）炼 钢,浇注是指把熔炼好的钢液做成钢锭或钢坯。 用连续铸造法生产钢坯的工艺和设备，由于机械化、自动化程度高的优势，已经逐渐取代了笨重而复杂的铸锭工艺和设备。,钢液从出炉到浇筑的过程中，会析出氧气并生成氧化铁。钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不均匀并发生热脆，降低钢材的力学性能。 按照钢液在炼钢炉中进行脱氧的方法和程度不同，碳素结构钢可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。,（2） 浇 注,（3）脱 氧,（4）加工（热加工、冷加工和热处理 ）,热处理 指通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢材的组织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺。（退火、正火、淬火和回火）,热加工 指将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状，生产出各种厚度的钢板和型钢。（热加工的开轧和锻压温度控制在1150-1300 ）,冷加工 指在常温下对钢材进行加工。（冷作硬化现象）,剪 板,自动钢板切割,钻 孔,2021/6/8,2.3 钢材的主要性能,钢材的破坏形式,单向拉伸时的工作性能,钢材的其它性能,在复杂应力作用下钢材的屈服条件,2.3.1 钢材的破坏形式,2.3.2 单向拉伸时的工作性能,（1）试验条件 （a）试件的尺寸要符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽等缺陷。试件的标定长度取其直径的5或10倍。 （b）荷载要分级逐次增加，直到试件破坏。 （c）试验温度要控制在室温20左右。,（2）钢材的应力-应变关系,A. 有屈服点钢材s-e曲线可以分为五个阶段：,(a)弹性阶段(OB段),单调拉伸应力-应变曲线,OA段：纯弹性阶段 s=Ee A点：sp（比例极限）,AB段：有一定的塑性变形, 但整个OB段卸载后变形消失, e=0 B点：se （弹性极限）,屈服阶段（BC),强化阶段(CD段),颈缩阶段(DE段),E,由于比例极限与弹性极限极为接近，故通常略去弹性极限的点，把p看作弹性极限。,（b）弹塑性阶段（AB),塑性变形：卸载后试件不能完全恢复原来的长度。不能恢复的这一部分变形称为塑性变形或永久变形。,B点：屈服点fy（屈服强度）：屈服阶段曲线波动部分的最低值。,弹性模量：由A点处的E=2.06105MPa逐渐下降，至B点趋于0。,特点：应力与应变进入非线性的弹塑性阶段，不再成正比关系，应变不再保持 直线变化而呈曲线关系。,2021/6/8,E,塑性变形或永久变形,屈服上限,屈服下限,（c）屈服阶段（BC),B点：屈服点fy（屈服强度）：屈服阶段曲线波动部分的最低值。,流幅/台阶：从屈服阶段的开始到曲线再度上升的应变幅度称为流幅。,特点：应力与应变进入非线性的弹塑性阶段，不再成正比关系，应变增加很快， 应力-应变曲线呈锯齿形波动，出现应力不增加而应变仍然在继续发展。,2021/6/8,E,（d）应变硬化（强化）阶段(CD段),钢材内部晶粒重新排列，恢复承载能力，随荷载的增加缓慢增大,但增加较快，最终应力达到最高点D抗拉强度（极限强度）fu 试件所能承受的最大拉应力,（e）颈缩阶段(DE段),截面出现了横向收缩，截面面积开始显著缩小，塑性变形迅速增大，应力不断降低，变形却延续发展，直至E点试件断裂。,E,2021/6/8,B.对无明显屈服点的钢材,无屈服点钢材的应力-应变曲线,没有明显屈服点的钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变形小，破坏突然。,设计时以卸载后试件中残余应变为0.2所对应的应力作为屈服点 “条件屈服点”或“名义屈服点”,(4) 应力应变曲线的简化,曲线简化的依据： 1）钢材在屈服点之前的性质接近理想的弹性体。 2）从开始屈服到破坏，塑性区变形范围很大（e0.15-2.5）已足够用来考虑结构或构件的塑性变形的发展。,简化的应力应变曲线,（3）单向拉伸时钢材的机械性能指标(3项力学指标fy、fu、),（1）屈服点fy-应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力，它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。,（2）抗拉强度fu-应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材最大的抗拉强度。,（3）伸长率试件断裂前的永久变形与原标定长度的百比。,l0 原标距长 l1 拉断后标距长度 d0 试件直径 试件有两种标距：l0/ d0=5 和 l0/ d0=10 相应的伸长率用5和10表示。,实际工程中以伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形能力。,（4）断面收缩率是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比。,式中： A0 试件原来的断面面积 A1 试件拉断后颈缩区的断面面积,断面收缩率越大，钢材的塑性越好。由于在测量试件的断面面积时容易产生较大的误差，因而钢材塑性指标仍然采用伸长率作为保证要求。,2.3.3 钢材的其它性能,冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标。,1.冷弯性能,钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力。,鉴别指标：当试件弯曲至180时，试件表面和侧面，无裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。,2.冲击韧性,韧性 反映钢材抵抗冲击荷载、动力荷载的能力，是钢材在变形和断裂中吸收能量的度量。衡量韧性指标用冲击韧性值表示，也叫冲击功，用符号Akv表示，单位为J。 Akv 值越高，韧性越好。,冲击韧性试验 一般采用试件长55mm，截面1010mm2，中间一小槽。在摆锤式冲击试验机上进行试验，冲断试件后，读出摆锤消耗的功。,冲击韧性试验,冲击韧性还与试验的温度有关。我国钢材标准中将试验分为四档，即+20, 0，-20和-40时的冲击韧性。温度越低，冲击韧性越低。,3.可焊性,好的可焊性是指焊接安全、可靠、不发生焊接裂缝，焊接接头和焊缝的力学性能不低于母材力学性能。,影响钢材可焊性的因素,钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在0.12%0.20%范围内的碳素钢，可焊性最好（如Q235B）。对于高强度低合金钢中，低合金元素大多对可焊性有不利影响，我国行业标准JGJ81-2002建筑钢结构焊接技术规程推荐使用碳当量来衡量低合金钢的可焊性。当碳当量小于0.38%，钢材的可焊性好(如Q235.Q345)，可不采取措施直接施焊。,钢材的机械性能指标,1、屈服点 fy 2、抗拉强度 fu 3、伸长率 4、断面收缩率 5、冷弯性能 6、冲击韧性 Akv,小 结,2.4. 各种因素对钢材的影响,1、化学成份的影响,2、冶金缺陷的影响,3、钢材硬化的影响,5、应力集中的影响,7、温度的影响,8、重复荷载作用的影响（疲劳）,4、复杂应力的影响,6、残余应力的影响,2.4.1 化学成份的影响,钢材的化学成分直接影响钢的组织构造，从而影响钢材的力学性能。,纯铁Fe（占99）,碳C变脆（强度，塑性、韧性、可焊性，抗腐蚀性）,其它主要元素,硫S热脆、韧性、疲劳强度、抗锈蚀性、可焊性,磷（P）强度、抗锈蚀能力塑性、韧性、冷弯性能、可焊性， 冷脆，低温工作性能差。,氧O 影响同硫,氮（N）影响同磷,硅Si 适量强度，塑性、韧性、冷弯性能、可焊性变化不大,锰Mn强度消除热脆，改善冷脆，塑性韧性降低不显著,钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb) 等适量强度、韧性、塑性良好,铁（Fe）是钢材的基本元素，普通碳素钢中占99%，此外还有碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）等有益元素，及硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等有害元素，这些总含量不大，约1%，但对钢材力学性能却有很大影响。低合金钢中有5%的合金元素，如铜(Cu)、钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)、铬(Cr)等。,1. 碳（C）：钢材强度的主要来源，随其含量增加，强度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。 一般控制在0.22%以下， 在0.2以下时，可焊性良好。 2.硫（S）：有害元素，热脆性。不得超过0.05%。 3.磷（P）：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。不得超过0.045%。 4.锰（Mn）：合金元素。弱脱氧剂。与S形成MnS，熔点1600，可以消除一部分S的有害作用。,5.硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。 6.钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。 7.氧（O）：有害杂质，与S相似。 8.氮（N）：有害杂质，与P相似。 9.铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。,2.4.2 冶金缺陷的影响,1.偏析 金属结晶后化学成分分布不均匀的现象。后果是偏析区钢材的塑性、韧性、可焊性变坏。,3.裂纹 钢材中存在的微观裂纹。,2.非金属夹杂 指钢材中的非金属化合物，如硫化物、氧化物，他们使钢材性能变脆。,4.气泡 浇铸时由FeO和C作用所生成的CO气体不能充分逸出而滞留在钢锭那形成的微小空洞。,5.分层 浇铸时的非金属夹杂在轧制后可能造成钢材的分层。,脱氧方法 用锰、硅、铝作为脱氧剂进行脱氧（deoxidize）.它们之间的脱氧能力比为锰:硅:铝=1:5:90。按脱氧程度或方法不同而分为沸腾钢(F)、镇定钢(Z)、半镇定钢(b)和特殊镇定钢(TZ)。 沸腾钢 组织不够致密，成分不太均匀，硫、磷等杂质偏析较严重，故质量较差。但因其成本低、产量高，故被广泛用于一般工程。 镇静钢 成本较高，但其组织致密，成分均匀，含硫量较少，性能稳定，故质量好。适用于预应力混凝土等重要结构工程。 半镇静钢 质量较好。 特殊镇静钢 质量最好，适用于特别重要的结构工程。,时效硬化随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象，即强度提高，塑性降低。 冷作硬化钢材受荷超过弹性范围以后，若重复地卸载、加载，将使钢材弹性极限提高，塑性降低的现象。也称“应变硬化”。 应变时效硬化钢材产生塑性变形时，C、N化合物更易析出，即冷作硬化的同时将钢材加热可加速时效硬化，即结合了应变硬化和时效硬化，因此也称“人工时效”。,2.4.3 钢材的硬化,冷作及时效前,钢材在单向拉伸时，以屈服点为临界点，作为由弹性工作状态转入塑性工作状态的标志。实际钢结构中，钢材常是在两向或三向的复杂应力状态下工作，这时钢材的屈服并不取决于某一个方向的应力，而是由反映各方向应力综合影响的相当应力（也称折算应力）来表示。当eq< fy时，钢材处于弹性阶段；当eq fy时，钢材处于塑性阶段。,2.4.4 复杂应力的影响,根据强度理论，三维应力场的折算应力（equivalent stress）计算表达式为：,实验表明，复杂应力对钢材性能的影响是： 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。,2.4.5 应力集中的影响,应力集中现象,1.应力集中的概念 构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变时，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处有高峰应力应力集中。,不同槽口试件静力拉伸试验的应力应变曲线,应力集中对-曲线关系的影响,可以看出截面槽口改变愈急剧，应力集中现象愈厉害，其抗拉强度愈高，但塑性愈差，破坏的脆性倾向愈大。,3.减小应力集中现象的措施,由于钢材具有良好的塑性性能，当承受静力荷载且在常温下工作时，只要符合规范规定的设计要求，可以不考虑应力集中的影响。,2.4.6 残余应力的影响 残余应力是钢材在热轧、焊接时加热和冷却过程中产生的，先冷却的部分常形成压应力，而后冷却的部分则形成拉应力。钢材中的残余应力是自相平衡的，与外荷载无关，对构件的强度极限状态承载力没有影响力，但能降低构件的刚度和稳定性。 对钢材进行“退火”热处理，在一定程度上可以消除一些残余应力。,1正温范围,200以内对钢材性能无大影响，该范围内随温度升高总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大。,2.4.7 温度的影响,250,当温度低于常温时，钢材的脆性倾向随温度降低而增加，材料强度略有提高，但其塑性和韧性降低，该现象称为低温冷脆。,2负温范围,T0称为临界温度。界限温度T1和T2分别为脆性转变温度和全塑性转变温度。,2.4.8 荷载类型的影响,2021/6/8,一）、概念 1、循环荷载结构或构件承受的随时间变化的荷载。,2、疲劳破坏在循环荷载（连续反复荷载）作用下，经过有限次循环，钢材发生破坏的现象，称之为疲劳。,3.疲劳破坏的机理,疲劳破坏是积累损伤的结果。 缺陷微观裂纹宏观裂纹。,4.疲劳破坏的特征,属于脆性破坏，截面平均应力小于屈服点。,2.4.9 防止脆性断裂的方法,外因 钢材在构造和加工工程中引起的应力集中、低温影响、重复荷载的作用、冷作硬化和应变时效硬化等。,内因 钢材的化学成分、组织构造和缺陷等,影响钢材出现脆性破坏的因素,(1）合理的选用钢材;,(2）对于低温工作和受动力荷载的钢结构，应使所选钢材的脆性转变温度低于结构的工作温度;,(3) 尽量使用较薄的型钢和板材，使其具有良好的冲击韧性;,(4）设计时结构的构造要合理，避免构件截面的突然改变，使之能均匀、连续的传递应力，从而减小构件的应力集中。,合 理 设 计,2.6 建筑用钢种类、规格和选用,2.6.1 建筑用钢的种类,钢的种类,（1）碳素结构钢（GB/T700-1988）,Q275,Q215,Q255,Q235 规范推荐,提供fy、fu、保证以及冲击韧性、冷弯试验指标 化学成分C、Mn、Si、S、P保证,供货,含碳量、强度 塑性,特点,Q195,牌号,碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点的数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四部分按顺序组成。,（最差）,（最优）,Q235-C代表的意义？,（2）低合金高强度结构钢(GB/T 1591-1994),Q460,Q345 规范推荐,Q420 规范推荐,Q390 规范推荐,提供fy、fu、保证以及冲击韧性、冷弯试验指标 化学成分C、Mn、Si、S、P、V、Ti保证,供货,含碳量、强度,特点,Q295,牌号,塑性,低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点的数值、质量等级符号等三部分按顺序组成。,390 420,2.6.2 钢材的规格,（1）热轧钢板,a) 分为厚钢板、薄钢板和扁钢。,b) 表示方法：在符号“-”后加“宽度厚度长度”,c) 供应规格 （单位：mm）,（2）热轧型钢,等边角钢,不等边角钢,角钢规格 (单位mm),工字钢规格,槽钢规格,其它几何参数查P274附表3-3,其它几何参数查P275附表3-4,H型钢规格,其它几何参数查P276附表3-5,T型钢规格,钢管规格,其它几何参数查P279附表3-6,（3）冷弯薄壁型钢和压型钢板,冷弯薄壁型钢（壁厚1.5-6mm）和压型钢板（壁厚0.4-1.6mm），截面形式和尺寸均可按受力特点合理设计，能充分利用钢材的强度，达到节约钢材的目的。在国内外轻钢建筑结构中被广泛应用。,冷弯薄壁型钢,压型钢板,压型钢板的应用,2.6.3 钢材的选择,选择钢材的原则： 安全可靠，满足使用要求，经济合理。,为了保证承重结构的承载能力，防止出现脆性破坏，在选择钢材时应具体考虑以下因素： 结构或构件的重要性、荷载情况、应力特征、连接方法、工作环境、钢材的厚度。,考虑结构特点,表2.6.8 国内外钢材牌号对应关系,2.6.4 钢材选择的建议,1）承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢，其质量应分别符合国家标准碳素结构钢GB/T700和低合金高强度结构钢GB/T1591的规定。当采用其他牌号的钢材时，应符合相应有关标准的规定和要求。,2）承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和S、P含量的合格保证，对焊接结构尚具有含碳量的合格保证。,3）对于需要验算疲劳的焊接结构和非焊接结构，应具有冲击韧性的合格保证。,4）重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于16mm的钢材应具有常温冲击韧性合格的保证。,5) 当焊接结构为防止钢材的层状撕裂而采用Z向钢时，其材质应符合现行国家标准厚度方向性能钢板GB/T5313的规定。,6) 对于外露环境，且对大气腐蚀有特殊要求的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，其质量要求应符合现行国家标准焊接耐候钢GB/T4172的规定。,Thank You !,个人观点供参考，欢迎讨论,