第2章钢结构材料

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第二章 钢结构 的材料
塑性破坏
钢材的破坏
脆性破坏
§2.1 钢材的主要力学性能 钢材的力学性能 ––– 是钢材在各种作用下反映的 各种特性，包括强度、塑性 和韧性等方面的内容。 一、强度 强度 ––– 钢材抵抗荷载不致破坏或失效的能力。
图2.1 碳素结构钢静力拉伸曲线(Q235钢)
1. 弹性阶段： σ ≤ f p 式中：fp ––– 比例极限
f 2. 弹塑性阶段： p < σ < f y
式中：fy ––– 屈服点 3. 屈服阶段： σ = f y 4. 强化阶段： f y < σ ≤ f u 式中：fu ––– 抗拉强度
σ 5. 颈缩阶段： 下降迅速
理想弹塑性模型 当 σ < fy 时 ––– 材料为完全弹性体 当 σ ≥ fy 时 ––– 材料为完全塑性体 (忽略应变硬化作用)
σ
fy
0
ε
图2.2 理想弹塑性体的应力－应变曲线
定义钢材强度的三项重要指标： fy 、fu和δ
屈强比 fy / fu ––– 钢材强度储备的参数， fy / fu ，强度储备
二、塑性 塑性 ––– 指钢材破坏前产生塑性变形的能力。 衡量标准 ––– 伸长率 δ
l1 ? l0 δ= × 100% l0
式中：l0 ––– 试件原标距长度，l0=5d0或l0=10d0； l1 ––– 试件拉断后标距的长度。 –––断面收缩率ψ
ψ =
A0 ? A1 × 100% A0
三、冷弯性能
冷弯性能 ––– 衡量钢材在常温下冷加工弯曲 时产生塑性变形的能力。
图2.3 冷弯性能试验
四、韧性 韧性 ––– 衡量钢材抵抗脆性破坏的机械性能 指标，其物理意义是构件在脆断时 所吸收的冲击功(J)。
图 2.4 冲 击 韧 性 试 验 及 试 件 缺 口 形 式
五、可焊性 可焊性是指在一定材料、工艺和结构条件下，钢 材经过焊接后能获得良好的焊接接头的性能。 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%的碳素钢，可焊性最好。 碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆。 合金元素太多也对可焊性有不利影响。
§2.2 影响钢材性能的主要因素 一、化学成分的影响 Fe (低碳钢中约占99%) 钢的基本元素 C和其它元素
C：是形成钢材强度的主要成分。对钢材的强度、 是形成钢材强度的主要成分。 塑性、韧性和可焊性有决定性的影响。随含C 量增加，钢材抗拉强度和
屈服强度提高，但其 他性能均降低。 Si：是有益元素。强脱氧剂，适量的Si可提高强度 Si：是有益元素。 而不显著影响塑性、韧性、冷弯性能及可焊性。 Mn：是有益元素。脱氧剂，适量时可有效提高钢 Mn：是有益元素。 材强度但不过多降低塑性和冲击韧性，还能 消除热脆影响，但降低可焊性。

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S：有害元素，在高温下(800~1200℃)时使钢材变 脆，称为热脆。 P：有害元素，虽然能提高钢材强度和抗锈蚀能力， 但严重降低钢材的塑性、韧性，且在低温时使 钢材变脆，称为冷脆。 O, N：有害元素，O的影响与S相似，N的影响与P N： 相似。
二、冶炼、浇注和轧制的影响 冶炼、 碱性平炉炼钢法 钢材质量大体相当 1. 冶炼 方法 顶吹氧气转炉炼钢法 建筑钢材
碱性侧吹转炉炼钢法 ––– 钢材质量较差， 已不用于承重结构
沸腾钢 2. 浇注方法 半镇静钢 镇静钢
脱 氧 程 度
钢 材 质 量
价 格
3. 轧制 ––– 可使钢材结晶致密，消除冶炼过程 中的部分缺陷，质量较高。
三、钢材的硬化 时效硬化 冷作硬化 (应变硬化)
1. 时效硬化 时效硬化 ––– 钢材随时间进展将使屈服强度和 抗拉强度提高，伸长率和冲击韧 性降低，这种现象称时效硬化。
2. 冷作硬化 冷作硬化 ––– 钢材在弹塑性阶段或塑性阶段卸荷 后再重复加载时，其屈服点将提高， 即弹性范围增大，而塑性和韧性降 低，这种现象称为冷作硬化。
四、温度的影响
fu、 fy(N/mm2), E(kN/mm2) 600 500 60 50
400 300 200 100 0 –100 0 100 200 300
δ
fy E
40 30 20 10 400 500 0 600
图2.5 温度对钢材机械性能的影响
δ (%)
fu
250℃ ––– fu 提高而塑性和韧性下降 (蓝脆现象)； 260~320 ℃ ––– 徐变； 430~540 ℃ ––– fy、fu、E 显著下降； 600℃ ––– 钢材承载能力几乎为零。 负温 ––– 强度提高，塑性和韧性降低，材料变脆。 (低温冷脆)
五、复杂应力作用的影响
图2.6 复杂应力作用状态
1 σ eq = (σ 1 ? σ 2 ) 2 + (σ 2 ? σ 3 ) 2 + (σ 3 ? σ 1 ) 2 2
[
]
2 2 2 2 2 或σ eq = σ x + σ y + σ z2 ? (σ xσ y + σ yσ z + σ zσ x ) + 3(τ xy + τ yz + τ zx )
定义：σeq < fy ––– 弹性状态
σeq ≥ fy ––– 塑性状态
平面应力状态
σy σ2 σ1 σx τxy σ1 σ2
图2.7 平面应力状态
τxy τxy σx
τxy
σy
2 σ eq = σ 12 + σ 2 ? σ 1σ 2
2 2 2 或σ eq = σ x + σ y ? σ xσ y + 3τ xy
普通梁中，只有σ和τ作用，即 σx = σ， τxy = τ 和 σy = 0
σ eq = σ 2 + 3τ 2
纯剪时
σi = 0 (i = x, y, z)
σ eq = 3τ
取σ eq = f y，则
τ=
fy 3
= 0.58 f y = f v
式中：fv ––– 钢材抗剪强度设
计值。
六、应力集中影响
(a)
图2.8
(b)
应力集中对钢材 性 能 的 影 响
(c)
应力集中程度取决于物件的形状变化。 ? 在静力荷载作用下，对截面强度无影响。 ? 应力集中处使材料处于复杂应力状态，降 低其塑性。
§2.3 钢材的种类和选用
一、

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钢材的种类 结构钢 ? 按用途分 工具钢 特殊用钢
低碳钢 (C ≤ 0.25%) 碳素钢 ? 按化学成分分 低合金钢 合金钢 中合金钢 高合金钢 中碳钢 (0.25%<C≤0.6%) 高碳钢 (C > 0.6%)
沸腾钢 ? 按浇注方法 半镇静钢 镇静钢
二、钢材的牌号 1. 碳素结构钢
质量等级分A, B, C, D四个等级， (质量D级最好)
沸腾钢 (F) Q ××× ––– × ·× ––– 脱氧方式
钢材的屈服点
半镇静钢 (b) 镇静钢 (z) (通常省略不写)
屈服点的“ 屈”字的首写拼音字母
如：Q235－A ·F，Q235－C
2. 低合金结构钢 采用与碳素结构钢相同的钢的牌号表 示方法。 Q345-B，Q390-C，Q420
三、钢材的选用 1. 结构的重要性 2. 荷载特征 3. 连接方法 4. 工作条件
四、钢材的规格 (一) 钢板 一 表示方法： 宽度× 表示方法：––– 宽度×厚度 如：––– 300×10 ×
厚钢板：厚度 厚钢板 厚度4.5~60mm, 宽度 宽度600~3000mm, 厚度 长度4~12m 长度 薄钢板：厚度 薄钢板 厚度0.35~4.0mm, 宽度 厚度 500~1500mm, 长度 长度0.5~4m 扁钢：宽度两边均为轧制边的钢板型式， 扁钢 宽度两边均为轧制边的钢板型式，宽 宽度两边均为轧制边的钢板型式 厚度3~30mm。 度10~20mm, 厚度 。
(二) 热轧型钢 二 角钢、槽钢、工字钢、 型 角钢、槽钢、工字钢、H型钢。 1. 角钢 分等边和不等边两种。 分等边和不等边两种。 等边： 等边： 宽×厚 不等边： 不等边： 长×宽×厚 如： 90×6 × 如： 125×80×8 × ×
2. 工字钢 分普通工字钢和轻型工字钢两种。 分普通工字钢和轻型工字钢两种。 普通工字钢： 普通工字钢：I × × × 截面高度的厘米数 如 I 36a 轻型工字钢：QI × × × 轻型工字钢： 如 QI 50a 三类) 截面类型 (a, b, c三类 三类 两类) 截面类型 (a, b两类 两类
3. H型钢 型 截面公称高度以mm计 计 截面公称高度以 表示方法： 表示方法：× × × × 规格以a, 规格以 b, c …表示 表示 宽翼缘H型钢 (HK) 宽翼缘 型钢 窄翼缘H型钢 窄翼缘 型钢 (HZ) 如：HK320a H型钢桩 (HU) 型钢桩
热轧H型钢分为宽、 型钢， 热轧 型钢分为宽、中、窄翼缘H型钢，它们的代号 型钢分为宽 窄翼缘 型钢 分别为HW、HM和HN。标注方法与槽钢相同，但 分别为 、 和 。标注方法与槽钢相同， 代号“ 应改变为” 例如HW260a、HM360、 代号“[” 应改变为”H” ，例如 、
4. 槽钢 普通槽钢和轻型槽钢。 普通槽钢和轻型槽钢。 表示方法： 表示方法： 普通槽钢： 普通槽钢： &
#215; × × 如 32a 轻型槽钢： 轻型槽钢：Q 如Q 32a ××× 截面类型分a, 截面类型分 b, c三类 三类 截面类型分a, 两类 截面类型分 b两类 截面高度的厘米数
热轧无缝钢管 (三) 钢管 三 焊接钢管
表示

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方法： 表示方法：φ 外径 × 壁厚
(四) 冷弯薄壁型钢 四
表示方法： 形状符号 长边宽× 形状符号+长边宽 表示方法：B+形状符号 长边宽× 短边宽×卷边宽× 短边宽×卷边宽×厚度 如：B 120 × 50 × 20 × 2.5
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 厚板可焊性差，Q345等厚板焊接时，易出现层状撕裂。 等厚板焊接时 采用Z向钢， 厚度方向性能钢板GB5313 GB5313》 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， 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。 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， 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。 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 我国现只能生产镀锌钢板， 铝锌钢板，需引进生产线或专利来解决。 铝锌钢板，需引进生产线或专利来解决。
六、我国目前建筑钢材存在的主要问题 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。 型钢等。 5．建筑用高强度低合金结构钢品种太少，应用比重较低。生 建筑用高强度低合金结构钢品种太少，应用比重较低。 产耐火钢。 产耐火钢。
第六节 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： 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 字首符号： 字首符号： 美国采用A(Alloy)；日本采用SS（一般结构用轧制钢材， 美国采用A(Alloy)；日本采用SS（一般结构用轧制钢材， A(Alloy) SS 第一个S Steel的第一个字母）、SM 焊接结构用轧制钢材）、 的第一个字母）、SM（ 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） 德国采用St St（ 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 ）；意大利采用Fe； 俄罗斯采
用C Stahl）；意大利采用Fe；法国采用A、E等；俄罗斯采用C（俄 文钢的第一个字母）；英国无字首符号。 ）；英国无字首符号 文钢的第一个字母）；英国无字首符号。 钢材的强度值 钢材质量等级
第六节 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： 各国的

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钢号基本上是以强度等级来划分，表示方式为： 字首符号 字首符号： 字首符号： 钢材的强度值： 钢材的强度值： 单位一般为N/mm 但美国为K 千磅／ 单位一般为N/mm2 ，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 ISO国际标准、欧共体各国、 国际标准 美国、 等采用fu，美国、独联体各国等采用fy。 钢材质量等级： 钢材质量等级： 分为A 分为A、B、C、D、E等。 钢材的强度值 钢材质量等级
各国钢材标准不同， 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( 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。 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 。 各国钢材品种与我国钢材品种对应表
中国 235 Q345 Q390 Q420 美 国 A36 A572-50 A572-60 A572
-65 日 本 SS400 SM400 SMA400 SM490YA SM490YB SM520 SM570 英 国 40 50D 50F 法 E24 E36 A50 A60 国 德 国 俄罗斯 C235 C345 C390 C440 St37 St44 St50 St60

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