第二章 钢结构材料,钢 结 构,北京工业大学 建筑工程学院 何永发,第2章 钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure,2019/10/19,2.1 钢结构对材料的要求,（1） 较高的强度,(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。,2019/10/19,Chapter 2 Material of Steel Structure,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,2019/10/19,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,2019/10/19,2019/10/19,（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）,2019/10/19,2019/10/19,剪 板,自动钢板切割,钻 孔,2019/10/19,2019/10/19,2019/10/19,2.3 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,2019/10/19,2.3.1 钢材的破坏形式,2019/10/19,2.3.2 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。,2019/10/19,（2）钢材的应力-应变关系,A. 有屈服点钢材s-e曲线可以分为四个阶段：,(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点对应的应力： 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点对应的应力： se （弹性极限）,屈服阶段（BCD),强化阶段(DE段),颈缩阶段(EF段),2019/10/19,（b）屈服阶段（BCD),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。,屈服点fy（屈服强度）：屈服阶段曲线波动部分的最低值。,流幅：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。,2019/10/19,（c）强化阶段(DE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E抗拉强度（极限强度）fu 试件所能承受的最大拉应力,（d）颈缩阶段(EF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F点试件断裂。,F,2019/10/19,B.对无明显屈服点的钢材,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”,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。,2019/10/19,(3)单向拉伸时钢材的机械性能指标, 屈服点fy 应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力（取屈服阶段波动部分的应力最低值），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。（作为钢结构设计可以达到的最大应力）, 抗拉强度fu 应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材破坏前所能承受的最大应力。（强度的安全储备）, 钢材的塑性 当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可用断面收缩率和伸长率表示，通过静力拉伸试验得到。,2019/10/19,a) 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。伸长率,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。,2019/10/19,b) 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。,2019/10/19,(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）屈服点之后的流幅现象又接近理想的塑性体，并且流幅的范围（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,钢材是符合理想中的弹性-塑性材料,塑性设计,2019/10/19,2.3.3 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，试件表和侧面，无裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。,2019/10/19,2.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。,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。,2019/10/19,3.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。,（2.4.1）,2019/10/19,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,2019/10/19,2.3.4 在复杂应力作用下钢材的屈服条件,第四能量强度理论 材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积中积聚的能量来表达,推导 当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能时，钢材即由弹性转入塑性。,钢材单元体上的复杂应力状态,2019/10/19,在三向应力作用下，钢材由弹性状态转变为塑性状态的条件，可以用折算应力和钢材在单向应力时的屈服点相比较来判断。,（2.3.1）,用主应力 、 、 表示时，有:,（2.3.2）,或,当 时钢材处于弹性阶段， 时钢材处于塑性阶段。,2019/10/19,当钢材厚度较薄时，厚度方向的应力很小，常可忽略不计，这时三向应力状态可以简化为平面应力状态：,（2.3.3）,一般梁中只存在正应力和剪应力，则上式可写为：,（2.3.4）,纯剪时=0 则有：,（2.3.5）,即钢材的剪切屈服点是拉伸屈服点fy的0.58 倍,2019/10/19,不同受力状态对钢材材性的影响,（a）单向拉伸 （b）双向拉伸 （c）双向异号应力,分析结果： （1）相对于单向拉伸而言，钢材在钢材在双向拉力作用下屈服点和抗拉强度提高，但是塑性下降。,双向应力作用下对 钢材材性的影响,（3）主应力异号时，易屈服，破坏呈塑性，差别越大越明显。,（2）主应力同号时，不易屈服，塑性下降，越接近越明显。,2019/10/19,2.4. 各种因素对钢材的影响,化学成份的影响,冶金缺陷的影响,钢材硬化的影响,应力集中的影响,温度的影响,荷载类型的影响,2019/10/19,2.4.1 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,2019/10/19,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。,2019/10/19,碳（C）：形成钢材强度的主要成分，随其含量增加，强度增加，塑性和韧性降低，可焊性和抗腐蚀性降低。 碳素钢按碳含量区分，小于0.25的为低碳钢，介于0.25和0.6之间的为中碳钢，大于0.6的为高碳钢。钢结构用钢中，碳含量一般控制在0.22%以下，当其含量在0.2以下时，可焊性良好。,2. 硫（S）：钢材中的有害元素，具有热脆性（温度达到800-1000时，硫化铁会熔化使钢材变脆，从而引发热裂纹）。规范规定结构用钢中硫的含量不得超过0.05%。,3. 氧（O）：有害杂质，与S相似。,2019/10/19,4.磷（P）：磷在一定程度上可提高钢的强度和抗锈蚀的能力。钢材中的有害元素，具有冷脆性（温度较低时促使钢材变脆）。因此，磷的含量也要严格控制，规范中规定不得超过0.045%。,5.氮（N）：有害杂质，与P相似。,6.锰（Mn）：有益元素。在普通碳素钢中，是一种弱脱氧剂，可提高钢材强度，与S形成MnS，熔点1600，可以消除硫对钢材的热脆影响。,7.硅（Si）：有益元素。在普通碳素钢中，是一种强脱氧剂，常与锰共同除氧，生