第二章 钢结构的材料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，其中最重要的是脆 断。 第一节 钢结构对所用材料的要求一、钢材的破坏形式1.塑性破坏(plasticity failure)：钢材在产 生很大的变形以后发生的断裂破坏称为塑性破坏， 也称为延性破坏。2.脆性破坏(brittle failure)：钢材在变形 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 物美价廉 强度fy、fu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 动力荷载好，耐疲劳。 良好的加工性能。冷、热加工和可焊性好。 耐腐性好。 价格便宜。 有时还要求钢材具有适应低温、高温等环境的 能力。 钢结构设计规范（GB50017-2003) 推荐使用：碳素结构钢中的Q235钢、 低合金结构钢中的Q345钢、Q390钢、 Q420钢。 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 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 量。 专用钢结构用材见相关规范。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 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 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。一、单向拉伸时的性能 标准试件在室温（100C350C) 、以满足静 力加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:： (1)弹性阶段 fp，与呈线性关系， 称该直线的斜率E为钢材的弹性模量。在钢结构 设计中，对所有钢材统一取E =2.06105N/mm2 。(2)弹塑性阶段 与呈非线性关系，切线模 量Etd/d, Et随应力增大而减小，当= fy 时Et=0。 (3) 塑性阶段 也称屈服阶段， = fy后钢材暂 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fy作为强度极限承载力的标 志。 (4) 强化阶段 试件能承受的最大拉应力 fu为钢材的抗 拉强度。取fy作为强度极限承载力的标志， fu就成为材 料的强度储备。 (5)颈缩破坏阶段 (6) 可把钢材视为理想弹塑性体。 (7) 伸长率 =(l1-l0)/ l0*100% ,反映钢材的塑性变形 能力。二、冷弯二、冷弯性能 三、冲击韧性 冲击韧性值用击断试样所需的冲击功AKV表示,单位为J。 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 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-20o oC 或-40o oC的冲击韧性保证，应AKV 27J（焦耳）。将试件弯成180 o，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 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。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 本上与单向受拉相同。受剪的情况也相似 ，但屈服点y及抗剪强度u均低于fy和fu ；剪变模量G也低于弹性模量E。 第三节 影响钢材性能的主要因素 一、化学成分的影响碳(C )、锰（Mn）、钒（V）是有利元素，但 也要注意对含量的限制。硫（S）、磷（P）氧（O）、氮（N）会降低 钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳性能。应严格 限制含量。二、钢材生产过程的影响1. 冶炼炉种的影响 已无必要强调炉种的影响。 2. 钢的脱氧 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 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(F)、半镇静钢(b)、镇静钢(Z)和特 殊镇静钢(TZ)。 3.钢材的轧制 将钢锭加热至12001300o C ，通过轧 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 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 。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。 三、温度的影响负温度范围内：随着温度 降低，塑性和韧性降低， 材料变脆，称为低温冷脆 。钢材冲击韧性与温度的 关系曲线反弯点所对应的 温度t0称为脆性转变温度。正温度范围内: t400oC时，钢材的强度 和E都急剧降低，t600oC时其承载能力几乎丧失 。四、冷加工硬化和时效硬化1.应变硬化 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 性变形，从而使fy提高，但同时降低了钢材的塑性和韧 性，这种现象称为冷加工硬化。2.时效硬化 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 化过程可从几小时到数十年。3.人工时效 使钢材产生10%的塑性变形，再加热到 200300 oC，然后冷却到室温进行试验。这样可使时 效在几小时内完成。五、复杂应力状态的影响在复杂应力如平面或立体 应力作用下，钢材的屈服并 不只取决于某一方向的应力 ，而是由反映各方向应力综 合影响的 屈服条件来确定 。同号应力场使材料脆性加大六、应力集中的影响钢构件在缺陷或截面变化处附 近将产生局部高峰应力，其余部位 应力较低，称为应力集中。在应力 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，变脆的倾向亦愈严重。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根 源，设计中应设法避免或减小应力 集中，并选用质量优良的钢材。第四节 钢材的疲劳 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 度甚至低于屈服点时突然断裂，称为钢材的疲劳或疲劳 破坏。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 ，应力集中现象越来越严重。当荷载反复循环达一定次 数n（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。 疲劳破坏一般经历裂纹形成、裂纹缓慢扩展和最后迅速 断裂三个阶段。 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 。=max-min称为应力幅，表示应力变化的 幅度。 试验表明，焊接结构发生疲劳破坏并不是名义最 大应力max作用的结果，而是焊缝部位足够大小 的应力幅反复作用的结果。非焊接结构的的疲劳 寿命不仅与应力幅有关，还与 其他因素有关。 规范把疲劳计算公式中的应力幅调整为折算应力 幅，以反映其实际工作情况。 疲劳计算的公式是以试验为依据的，分为常幅和 变幅疲劳两种情况进行计算。1. 常幅疲劳计算C、参数，根据表22中的构件和连接 类别按表2-3采用。 对焊接部位 =max-min；对非 焊接部位 =max-0.7min。由上式可见，容许应力幅与钢材的 强度无关，这表明不同钢材具有相同的抗 疲劳性能。2. 变幅疲劳计算 可近似地按照线性疲劳累积损伤原则，将随机变化的 应力幅折算为等效应力幅e，按下式进行疲劳计 算： 吊车梁：根据实测结果，推算出设计基准期50年内 各种吊车梁的应力循环总次数n(等效于满荷载时n= 2106次) ，相应的欠载效应的等效系数 f值如表2 3所示，重级工作制吊车梁的疲劳验算公式为： 当n105时，应进行疲劳计算。 疲劳计算采用的是容许应力幅法，计算公 式是以实验为依据的，实验中已包含了动 力的影响，故荷载应采用标准值且不乘动 力系数，应力幅按弹性工作计算。 在完全压应力（不出现拉应力）循环中， 由于压应力不会使裂纹继续扩展，故规范 规定此种情况可不进行疲劳计算。三、疲劳计算应注意问题第五节 钢材的钢种、钢号及选择1. 碳素结构钢 钢号由代表屈服点的字母Q、屈服 强度数值（t16mm时的fy，单位是N/mm2）、质量等级 符号（分为A、B、C、D四级，质量依次提高）、脱氧方 法符号（沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢的代 号分别为F、b、Z和TZ，其中Z和TZ在钢号中省略不写） 等四个部分按顺序组成。例如Q235-BF, 表示屈服强 度为235 N/mm2的B级沸腾钢。钢材的质量等级中，A、B 级钢按脱氧方法可为沸腾钢、半镇静钢或镇静钢，C级 为镇静钢，D级为特殊镇静钢。一、钢种 钢材的种类，钢结构常用的 是碳素结构钢和低合金结构钢。 二、钢号二、钢号 钢材的牌号简称为钢号。钢材的牌号简称为钢号。 2. 低合金结构钢 低合金结构钢是在冶炼碳素结构钢时加入一种 或几种适量的合金元素而成的钢。其钢材牌号 的表示方法与碳素结构钢相似，但质量等级分 为A、B、C、D、E五级，且无脱氧方法符号。例 如Q345-B，Q390-D，Q420-E。3. 专用结构钢(1)特殊用途的钢结构常采用专用结构钢。专 用结构钢的钢号用在相应钢号后再加上专业用 途代号（压力容器、桥梁、船舶和锅炉用钢材 的专业用途代号分别为R、q、C和g）来表示。(2)耐候钢 在钢材冶炼时加入少量的合金元素如Cu、 Cr、Ni、Mo、Nb、Ti、Zr、V等，提高钢材的耐腐蚀性 能。也称为耐大气腐蚀钢。例如15MnCuCrQT钢表示 含碳量为0.15%，合金元素为锰、铜、铬的淬火加回火 热处理耐候钢。 （3）连接用钢 钢结构连接中的铆钉、高强度螺栓 、焊 条用钢丝等，也采用满足各自连接件要求的专门 用钢。 三、钢材的选择钢材的选择既要确定所用钢材的钢号，又要提出应有 的机械性能和化学成分保证项目，是钢结构设计的首要 环节。选材的基本原则是既保证安全可靠，又经济合理 。钢材的质量等级愈高，其价格也愈高。因此应根据结 构的不同特点，来选择适宜的钢材。四、常用钢材的规格钢结构所用钢材主要是热轧成型的钢板、型钢和 冷加工（冷弯、冷压和冷轧）成型的薄壁型钢。 1. 热轧钢板 钢板的标注符号是“（截面代 号）宽度厚度长度”，单位为mm，亦可用“ 宽度厚度”或“厚度”来表示。如 360123600，亦可表示如36012或12。 2. 热轧型钢 （1）角钢 分为等边和不等边角钢两种。 角钢标注符号是“边宽厚度（等边角钢）或 长边宽短边宽厚度（不等边角钢），单位 为mm”。如1008和100808。（2）槽钢 有热轧普通槽钢和轻型槽钢两种。槽 钢规格用槽钢符号 或Q表示。 例如，普通槽钢10、20a，轻型槽钢Q20a。 （3）工字钢 有普通工字钢和轻型工字钢两种。 例如，普通工字钢I18、I50a，轻型工字钢QI50 。 （4）H型钢 H型钢比工字钢的翼缘宽度大并为等 厚度，截面抵抗矩较大且质量较小，便于与其它 构件连接。热轧H型钢分为宽、中、窄翼缘H型钢 ，它们的代号分别为HW、HM和HN。例如HW260a、 HM360、HN300b。钢管 钢结构中常用热轧无缝钢管和焊接钢 管。用“外径壁厚”表示，单位为mm，例 如3606。 3.薄壁型钢 薄壁型钢通常是用1.56mm厚的薄钢板冷 加工而成，其截面形式和尺寸可按工程要 求合理设计。与相同截面积的热轧型钢相 比，其截面抵抗矩大，钢材用量可显著减 少。但因板壁较薄，对锈蚀影响较为敏感 。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，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。 2高强度低合金结构钢在冷弯薄壁