哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢结结构构设设计计原原理理第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料2.1 概述 建筑用钢：碳素结构钢、低合金高强度钢 钢材应具有较高的强度、塑性和韧性，及良好的加工性能 钢材性能与化学成分、组织构造、冶炼和成型方法等内在 因素密切相关，也受荷载类型、结构形式、连接方法和工 作环境等外界因素的影响。 本章包括钢材的生产过程和组织构造；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、规格及选用 原则。 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢结结构构设设计计原原理理2.2 钢材的生产1) 炼铁高温下通过一氧化碳和碳等还原剂除去氧化铁矿石中的 氧，还原出铁，以石灰石作为熔剂把砂质和粘土等杂质 熔化为熔渣。产生生铁，含碳量在2.06%以上除铸铁管外，建筑中很少使用2.2.1 钢材的冶炼哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢结结构构设设计计原原理理2) 炼钢高温下通过氧化作用除去生铁中多余的碳和其它杂质， 使它们转变为氧化物进入渣中，或成气体逸出。含碳量在2.06以下的铁碳合金称为碳素钢。 常用的炼钢炉有：平炉、转炉和电炉。电炉炼钢是利用电热原理，以废钢和生铁等为主要原 料，在电弧炉内冶炼。不与空气接触，易于清除杂质和 严格控制化学成分，炼成的钢质量好。但因耗电量大， 成本高，一般只用来冶炼特种用途的钢材。 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢结结构构设设计计原原理理转炉炼钢是利用高压空气或氧气使炉内生铁熔液中的碳 和其它杂质氧化，在高温下使铁液变为钢液。氧气顶吹转 炉冶炼的钢中有害元素和杂质少，质量和加工性能优良， 且可根据需要添加不同的元素，冶炼碳素钢和合金钢。由 于氧气顶吹转炉可以利用高炉炼出的生铁熔液直接炼钢， 生产周期短、效率高、质量好、成本低，已成为国内外发 展最快的炼钢方法。 平炉炼钢是利用煤气或其它燃料供应热能，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 。平炉的原料广泛，容积大，产量高，冶炼工艺简单，化 学成分易于控制，炼出的钢质量优良。但平炉炼钢周期长 ，效率低，成本高，现已逐渐被氧气顶吹转炉炼钢所取代 。 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢结结构构设设计计原原理理3) 按钢材的脱氧方法和程度的分类沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢沸腾钢采用脱氧能力较弱的锰作脱氧剂，脱氧不完全 ，钢液进入钢锭模时有气体逸出，出现沸腾现象。冷却 很快，一氧化碳不能全部逸出，凝固后钢材中有较多的 氧化铁夹杂和气孔。钢的质量较差。现在已较少有供货 。镇静钢采用锰加硅作脱氧剂，脱氧较完全，硅在还原 氧化铁的过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢，使气 体充分逸出，浇注时不会出现沸腾现象。这种钢质量好 ，但成本高。半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间。特殊镇静钢是在锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧，脱氧 程度高于镇静钢。低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢结结构构设设计计原原理理1) 建筑钢材的分类碳素结构钢是通过在强度较低而塑性较好的纯铁中加适 量的碳来提高强度的，一般常用的低碳钢含碳量不超过 0.25。低合金结构钢是在碳素结构钢的基础上，适当添加总量 不超过5的其它合金元素（少量的锰、硅、钒、铌、钛 、铝、铬、镍、铜、氮、稀土等），来改善钢材的性能 。2.2.2 钢材的组织构造和缺陷哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢结结构构设设计计原原理理2) 碳素钢的组织构造常温下主要由铁素体和渗碳体（Fe3C）组成。铁素体是碳溶入铁体心立方晶体(纯铁的一种形式)后 的固溶体，常温下溶碳仅0.0008，与纯铁的显微组织没 有明显的区别，其强度、硬度较低，而塑性、韧性良好 。是钢的主要成分，约占重量的99。渗碳体是铁碳化合物，含碳6.67，熔点高，硬度大， 几乎没有塑性，在钢中与铁素体晶粒形成机械混合物-珠 光体，填充在铁素体晶粒的空隙中，形成网状间层。珠 光体强度很高，坚硬而富于弹性。碳素钢的力学性能与铁素体和珠光体的比例有关。同 时，铁素体的晶粒越细小，珠光体的分布越均匀，钢的 性能也就越好。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢结结构构设设计计原原理理碳素钢多晶体结构示意图 铁的体心立方晶体哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢结结构构设设计计原原理理3) 钢材的铸造缺陷内部晶体形状的不均匀偏析硫磷等富集非金属夹杂硫化物、氧化物气孔缩孔凝固内应力产生的裂纹哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢结结构构设设计计原原理理2.2.3 钢材的加工热加工、冷加工、热处理三种1) 热加工热加工可使晶粒变细，在高温和压力下压合钢坯中的气 孔、裂纹，改善力学性能。壁厚较薄的热轧型钢和钢板 ，因辊轧次数较多，其强度、塑性、韧性和焊接性能均 优于厚板和厚壁型钢。钢材强度按板厚分组就是这个缘 故。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢结结构构设设计计原原理理热加工使钢材沿轧制方向（纵向）的性能优于垂直轧制方 向（横向）的性能，使其各向异性增大。钢中的硫化物和 氧化物等经轧制之后被压成薄片，对厚板来说更容易出现 分层现象，沿厚度方向受力时可能出现层状撕裂现象。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢结结构构设设计计原原理理2) 冷加工包括冷轧、冷弯、冷拔等延伸性加工，也包括剪、冲 、钻、刨等切削性加工。如冷轧卷板和冷轧钢板、冷弯薄壁型钢和压型钢板、 钢丝束、钢绞线或钢丝绳。冷加工后会产生局部或整体硬化，提高了钢材的强度 和硬度，却降低了塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化 （或应变硬化）。优点：冷拔高强度钢丝就是充分利用了冷作硬化现象 ；冷弯薄壁型钢在强度验算时，可有条件地利用这种强 度提高现象。缺点：多数情况下会造成钢材冷硬变脆，成为脆裂的 起因。对于重要结构，要尽量避免局部冷加工硬化的发 生。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢结结构构设设计计原原理理3) 热处理热处理是将钢在固态范围内，施以不同的加热、保温 和冷却措施，改变其内部组织构造，达到改善钢材性能 的一种加工工艺。钢材的普通热处理包括退火、正火、淬火和回火四种 基本工艺。如Q420C、D、E和高强螺栓等都是要经过热处理的。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢结结构构设设计计原原理理2.3 钢材的主要性能1) 塑性破坏破坏前具有较大的塑性变形，常在钢材表面出现明显 的垂直交错的锈迹剥落线。只有应力达到抗拉强度后才 会发生破坏，破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。塑性破坏前总有较大的塑性变形发生，且变形持续时 间较长，容易被发现和抢修加固，不至发生严重后果。塑性破坏前的较大塑性变形能力，可实现内力重分布 。钢结构的塑性设计正是利用了这种塑性变形能力。 2.3.1 钢材的破坏形式有塑性破坏和脆性破坏两种形式哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢结结构构设设计计原原理理2) 脆性破坏破坏前塑性变形很小，或根本没有塑性变形，突然迅 速断裂。破坏后断口平直，呈有光泽的晶粒状或有人字 纹。破坏前没有预兆，速度极快，无法察觉和补救，一旦 发生常引发整个结构的破坏，后果严重，因此在钢结构 的设计、施工和使用过程中，要特别注意防止这种破坏 的发生。 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢结结构构设设计计原原理理2.3.2 钢材在单向一次拉伸下的工作性能1) 单向一次拉伸试验（见动画资源材料试验）可由曲线直接获得： 比例极限p（proportional limit） 屈服点fy（yield point） 抗拉强度fu（tensile strength） 伸长率5或10（elongation）哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢结结构构设设计计原原理理2) 名义屈服点f0.2 调质处理的低合金钢没有明显的屈服点和塑性平台。这类 钢的屈服点是以卸载后试件中残余应变为0.2所对应的应 力人为定义的，称为名义屈服点或f0.2 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢结结构构设设计计原原理理3) 断面收缩率试样拉断后，颈缩处横断面积的最大缩减量与原始横断 面积的百分比，也是单调拉伸试验提供的一个塑性指标。 越大，塑性越好。在国家标准厚度方向性能钢板中，使用沿厚度方向的 标准拉伸试件的断面收缩率来定义Z向钢的种类，如分别 大于或等于15、25、35时，为Z15、Z25、Z35钢。4) 应力应变曲线的简化计算模型理想弹塑性模型与实际误差不大哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢结结构构设设计计原原理理2.3.3 钢材的其它性能1) 冷弯性能与冷弯试验（见动画资源材料试验） 在试验机上把试件弯曲180 以试件表面和侧面不出现裂纹和分层 为合格。 冷弯试验能检验材料承受规定的弯曲 变形能力，还能显示内部冶金缺陷， 是判断钢材塑性变形能力和冶金质量 的综合指标。 焊接承重结构以及重要的非焊接承重 结构采用的钢材，应具有冷弯试验的 合格保证。 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢结结构构设设计计原原理理2) 冲击韧性与夏比缺口冲击试验（见动画资源材料试验 ） 冲击韧性也称缺口韧性（notch toughness）是评定钢材在冲 击荷载作用下抵抗脆性破坏能力的指标。 通常用带有夏比V型缺口（Charpy V-notch）的标准试件做冲 击试验，以击断试件所消耗的冲击功大小来衡量钢材抵抗脆 性破坏的能力。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢结结构构设设计计原原理理 冲击韧性也叫冲击功，用AKV或CV表示，单位为J。 冲击韧性与钢材牌号、质量等级、工作温度有关。 寒冷地区承受动力荷载的重要结构，应对冲击韧性指标提出 要求，以防脆性破坏。 哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢结结构构设设计计原原理理2.3.4 钢材在复杂应力状态下的屈服条件1) Mises屈服条件 平面或三向应力状态时，屈服条件由形状改变比能理论得到 ，折算应力为：哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢结结构构设设计计原原理理 以主应力表示的折算应力为： 可以看出，当1、2、3为同号应力且数值接近时，即使各 自都远大于fy，折算应力zs仍小于fy，说明钢材很难进入塑 性状态。 当为三向同号应力场时，甚至直到破坏也没有明显的塑性变 形产生，表现为脆性破坏。 相反，在异号应力场下，钢材会较早地进入塑性状态，表现 为较好的塑性破坏。哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢结结构构设设计计原原理理2) Mises屈服条件的典型应用 在平面应力状态下（如钢材厚度较薄时，厚度方向应力很小 ，常可忽略不计） （如受局部压应力作用的梁的腹板） ， 上式成为： 当只有正应力和剪应力时（如不受局部压应力作用的梁的腹 板）： 当承受纯剪应力时：所以得到钢材的抗剪强度为：哈哈 尔尔 滨滨 工工 业业 大大 学学钢钢结结构构设设计计原原理理2.4 各种因素对钢材性能的影响1) 碳 C 除铁以外的主要元素，是形成钢材强度的主要成分。 C，fy、fu，5、CV，冷弯性能、焊接性能和抗锈蚀性 能等也变劣。C含量超过0.3时，抗拉强度很高，但却 没有明显的屈服点，且塑性很小。 碳素钢按碳的含量区分：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。 含碳量超过0.2时，钢材的焊接性能将开始恶化。因此 ，规范推荐的钢材，含碳量均不超