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1、第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 学习本章的主要目的是如何选择钢材。这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，其中最重要的是就要求首先掌握钢材的性能，其中最重要的是脆断。脆断。第一节第一节 钢结构对所用材料的要求钢结构对所用材料的要求 一、钢材的破坏形式一、钢材的破坏形式 1.1.塑性破坏塑性破坏(plasticity failure)(plasticity failure)：钢材在：钢材在产生很大的变形以后发生的断裂破坏称为产生很大的变形以后发生的断裂破坏称为塑性破塑性破坏坏，也称为，也称为延性破坏延性破坏。2.2.脆性破坏脆性破坏(brittle failure
2、)(brittle failure)：钢材在变：钢材在变形很小的情况下突然发生断裂破坏。形很小的情况下突然发生断裂破坏。二、钢结构对所用材料的要求二、钢结构对所用材料的要求 物美价廉物美价廉强度强度f fy y、f fu u高。强度高可减轻结构自重。高。强度高可减轻结构自重。塑性、韧性、耐久性好。可防止脆性破坏，抗塑性、韧性、耐久性好。可防止脆性破坏，抗动力荷载好，耐疲劳。动力荷载好，耐疲劳。良好的加工性能。冷、热加工和可焊性好。良好的加工性能。冷、热加工和可焊性好。耐腐性好。耐腐性好。价格便宜。价格便宜。有时还要求钢材具有适应低温、高温等环境的有时还要求钢材具有适应低温、高温等环境的能力。能
3、力。钢结构设计规范（钢结构设计规范（GB50017-2003GB50017-2003)推荐使用：碳素结构钢中的推荐使用：碳素结构钢中的Q235Q235钢、钢、低合金结构钢中的低合金结构钢中的Q345Q345钢、钢、Q390Q390钢、钢、Q420Q420钢。钢。随着研究的深入，必将有一些满足要随着研究的深入，必将有一些满足要求的其它种类钢材可供使用。若选用求的其它种类钢材可供使用。若选用钢结构设计规范还未推荐的钢材时，钢结构设计规范还未推荐的钢材时，需有可靠的依据，以确保钢结构的质需有可靠的依据，以确保钢结构的质量。量。专用钢结构用材见相关规范专用钢结构用材见相关规范。第二节钢材的主要机械性能
4、第二节钢材的主要机械性能 钢材的机械性能（力学性能）通常是指钢厂生钢材的机械性能（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、冷弯和冲击产供应的钢材在标准条件下拉伸、冷弯和冲击等单独作用下显示出的各种机械性能。它们由等单独作用下显示出的各种机械性能。它们由相应实验得到，试验采用的试件的制作和试验相应实验得到，试验采用的试件的制作和试验方法都必须按照各相关国家标准规定进行。方法都必须按照各相关国家标准规定进行。一、单向拉伸时的性能一、单向拉伸时的性能 标准试件在室温（标准试件在室温（10100 0C C35350 0C)C)、以满足静、以满足静力加载的加载速度一次加载所得钢材的应力力加
5、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应变曲线显示的钢材机械性能如下:：(1)(1)弹性阶段弹性阶段 f fp p，与与呈线性关系，呈线性关系，称该直线的斜率称该直线的斜率E E为钢材的弹性模量。在钢结构为钢材的弹性模量。在钢结构设计中，对所有钢材统一取设计中，对所有钢材统一取E E=2.06=2.0610105 5N/mmN/mm2 2 。(2)(2)弹塑性阶段弹塑性阶段 与与呈非线性关系，切线模呈非线性关系，切线模量量E Et td d/d/d,E Et t随应力增大而减小，当随应力增大而减小，当=f=fy y 时时E Et t=0=0。(3)3)塑性阶段塑性阶
6、段也称屈服阶段，也称屈服阶段，=f=fy y后钢材暂后钢材暂时不能承受更大的荷载，且伴随产生很大的变形，时不能承受更大的荷载，且伴随产生很大的变形，因此钢结构设计取因此钢结构设计取f fy y作为强度极限承载力的标志。作为强度极限承载力的标志。(4)4)强化阶段强化阶段 试件能承受的最大拉应力试件能承受的最大拉应力 f fu u为钢材的抗为钢材的抗拉强度。取拉强度。取f fy y作为强度极限承载力的标志，作为强度极限承载力的标志，f fu u就成为就成为材料的强度储备。材料的强度储备。(5)(5)颈缩破坏阶段颈缩破坏阶段 (6)(6)可把钢材视为理想弹塑性体。可把钢材视为理想弹塑性体。(7)(
7、7)伸长率伸长率 =(=(l l1 1-l-l0 0)/)/l l0 0*100%,100%,反映钢材的塑性变形反映钢材的塑性变形能力能力。性能性能 三、冲击韧性三、冲击韧性 冲击韧性值用击断试样所需冲击韧性值用击断试样所需的的冲击功冲击功A AKVKV表示表示,单位为单位为J J。冲击韧性与温度有关，当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，使其具有冲击韧性的保证外，尚应依钢材
8、的类别，使其具有-20-20 C C 或或-40-40 C C的冲击韧性保证，应的冲击韧性保证，应A AKVKV 27J 27J（焦耳）。（焦耳）。将试件弯成将试件弯成180 180 o o，若试件外表面不出现，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。的冷热加工性能时，应有冷弯合格保证。四、钢材受压和受剪时的性能四、钢材受压和受剪时的性能 钢材在单向受压（短试件）时，受力性能基钢材在单向受压（短试件）时，受力性能基本上与单向受拉相
9、同。受剪的情况也相似，本上与单向受拉相同。受剪的情况也相似，但屈服点但屈服点y y及抗剪强度及抗剪强度u u均低于均低于f fy y和和f fu u；剪变模量剪变模量G G也低于弹性模量也低于弹性模量E E。第三节第三节 影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素一、化学成分的影响一、化学成分的影响 碳碳(C)(C)、锰（、锰（MnMn）、钒（）、钒（V V）是有利元素，但）是有利元素，但也要注意对含量的限制。也要注意对含量的限制。硫（硫（S S）、磷（）、磷（P P）氧（）氧（O O）、氮（）、氮（N N）会降低）会降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳性能。应严格钢材的塑性、韧性、可焊性和疲
10、劳性能。应严格限制含量。限制含量。二、钢材生产过程的影响二、钢材生产过程的影响1.1.冶炼炉种的影响冶炼炉种的影响 已无必要强调炉种的影响。已无必要强调炉种的影响。2.2.钢的脱氧钢的脱氧 钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不匀并发生热脆。因此浇注钢锭时要在炉中或盛钢桶匀并发生热脆。因此浇注钢锭时要在炉中或盛钢桶中加入脱氧剂以消除氧。因脱氧程度或方法不同，中加入脱氧剂以消除氧。因脱氧程度或方法不同，把钢分为沸腾钢把钢分为沸腾钢(F)(F)、半镇静钢、半镇静钢(b)(b)、镇静钢、镇静钢(Z)(Z)和特和特殊镇静钢殊镇静钢(TZ)(TZ)。3.3.钢材的轧制钢材的
11、轧制 将钢锭加热至将钢锭加热至1200120013001300o o C C ，通过轧，通过轧钢机将其轧成所需形状和尺寸的钢材，称为热轧钢钢机将其轧成所需形状和尺寸的钢材，称为热轧钢材。轧钢机的压力作用可使钢锭中的小气泡和裂纹材。轧钢机的压力作用可使钢锭中的小气泡和裂纹弥合，并使组织密实。钢材的压缩比（钢坯与轧成弥合，并使组织密实。钢材的压缩比（钢坯与轧成钢材厚度之比）愈大时，其强度和冲击韧性也愈高。钢材厚度之比）愈大时，其强度和冲击韧性也愈高。现在，国内的大型钢铁集团均已采用了连铸连轧技现在，国内的大型钢铁集团均已采用了连铸连轧技术，对于连铸连轧钢材，均为镇静钢材术，对于连铸连轧钢材，均为镇
12、静钢材。三、温度的影响三、温度的影响负温度范围内负温度范围内：随着温度：随着温度降低，塑性和韧性降低，降低，塑性和韧性降低，材料变脆，称为低温冷脆。材料变脆，称为低温冷脆。钢材冲击韧性与温度的关钢材冲击韧性与温度的关系曲线反弯点所对应的温系曲线反弯点所对应的温度度t t0 0称为脆性转变温度。称为脆性转变温度。正温度范围内正温度范围内:t t200400400o oC C时，钢材的强时，钢材的强度和度和E E都急剧降低，都急剧降低，t t600600o oC C时其承载能力几乎丧时其承载能力几乎丧失。失。四、冷加工硬化和时效硬化四、冷加工硬化和时效硬化1.1.应变硬化应变硬化 钢材在常温下加工
13、称为冷加工。冷轧、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塑冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大的塑性变形，从而使性变形，从而使f fy y提高，但同时降低了钢材的塑性和韧提高，但同时降低了钢材的塑性和韧性，这种现象性，这种现象称为冷加工硬化称为冷加工硬化。2.2.时效硬化时效硬化 钢材经过一定时间后强度提高但塑性降钢材经过一定时间后强度提高但塑性降低，这种现象称为时效硬化。不同种类钢材的时效硬低，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。化过程可从几小时到数十年。3.3.人工时效人工时效 使钢材产生使钢材产生10%10%的
14、塑性变形，再加热到的塑性变形，再加热到200200300 300 o oC C，然后冷却到室温进行试验。这样可使时，然后冷却到室温进行试验。这样可使时效在几小时内完成。效在几小时内完成。五、复杂应力状态的影响五、复杂应力状态的影响)(3)(222222zxyzxyxzzyyxzyxeq 在复杂应力如平面或立体在复杂应力如平面或立体应力作用下，钢材的屈服并应力作用下，钢材的屈服并不只取决于某一方向的应力，不只取决于某一方向的应力，而是由反映各方向应力综合而是由反映各方向应力综合影响的影响的 屈服条件来确定。屈服条件来确定。同号应力场使材料脆性加大同号应力场使材料脆性加大六、应力集中的影响六、应力
15、集中的影响 钢构件在缺陷或截面变化处附钢构件在缺陷或截面变化处附近将产生局部高峰应力，其余部近将产生局部高峰应力，其余部位应力较低，位应力较低，称为应力集中称为应力集中。在。在应力高峰区域存在着同号的双向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。三向应力场有使钢材变脆的趋势。应力集中系数越大，变脆的倾向应力集中系数越大，变脆的倾向亦愈严重。亦愈严重。在负温下或动力荷载作用下，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根源，设计中应设法避免或减小应力集中，并
16、选用质量优良的钢应力集中，并选用质量优良的钢材。材。第四节第四节 钢材的疲劳钢材的疲劳一、钢材疲劳的基本概念一、钢材疲劳的基本概念 钢材在反复荷载作用下，在应力低于钢材抗拉强钢材在反复荷载作用下，在应力低于钢材抗拉强度甚至低于屈服点时突然断裂，度甚至低于屈服点时突然断裂，称为钢材的疲劳或疲劳称为钢材的疲劳或疲劳破坏破坏。钢结构中总存在有微观裂纹或类似的缺陷，导致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。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应力集中现象越来越严重。当荷载反复循环达一定次数n n（疲劳寿命）时，裂纹扩展使得净截面承载力不足以（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。承受外力作用时，构件突然断裂，发生疲劳破坏。疲疲劳破坏一般经历劳破坏一般经历裂纹形成、裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂纹形成、裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂裂三个阶段。三个阶段。二、疲劳计算二、疲劳计算 反复荷载作用产生的应力重复一周叫做一个循环。反复荷载作用产生的
