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 第一节钢结构对所用材料的要求 钢材的破坏形式 1.塑性破坏: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:钢材在变形很小的情况下突然发 生断裂破坏
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：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：钢材在变形很小的情况下突然发 生断裂破坏
钢结构对所用材料的要求物美价廉 ●强度八、fn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
二、钢结构对所用材料的要求 物美价廉 ⚫ 强度f y、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》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
⚫ 《钢结构设计规范（GB50017)》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 ●钢材的杋槭性能(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 、单向拉伸时的性能 标准试件在室温(10%C~35、以满足静力 加载的加载速度一次加载所得钢材的应力a1e 应变曲线显示的钢材机械性能如下:
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（100C～350C) 、以满足静力 加载的加载速度一次加载所得钢材的应力σ～ ε 应变曲线显示的钢材机械性能如下：
tt I.弹性阶段 fA·BC tg Est Ⅱ.弹塑性阶段 Ⅲ.塑性阶段 A Ⅳ.应变硬化阶段 tge 8(%) e(%) IⅡⅢ Ⅳ (b) (1)弹性阶段∝f,a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=206×105N/mm2。 ()弹塑性阶段σ与s呈非线性关系,切线模量l d/da,E随应力增大而减小,当=,F=0
(1)弹性阶段 σ≤ fp，σ与ε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 =2.06×105N/mm2 。 (2)弹塑性阶段 σ与ε呈非线性关系，切线模量Et ＝dσ/dε, Et随应力增大而减小，当σ= fy 时，Et=0
(3)塑性阶段也称屈服阶段,0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后为钢材的抗拉强 度。取作为强度极限承载力的标志,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。 伸长率δ=(-6)b100%,反映钢材的塑性变形能力 冷弯性能 23個材冷试验示意
(3) 塑性阶段 也称屈服阶段， σ= 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δ =(l1 -l0 )/ l0*100% ,反映钢材的塑性变形能力。 二、冷弯性能
将试件弯成180°,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。 三、冲击韧性 摆锤冲击 27.5mm 27.5m 冲击韧性值用击断试样所需 R=0.25mn 的冲击功AkK表示,单位为J。 冲击韧性与温度有关,当 图24冲击试验 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-20°C 或-40C的冲击韧性保证,应Ak≥27J(焦耳)
⚫ 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-20oC 或-40oC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 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,但届服点v及抗剪强度均低于和后; 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 、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
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τy及抗剪强度τu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
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 细不勻并发生热脆。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(∽)和特殊镇静钢(TZ 3钢材的轧制将钢锭加热至1200~1300C,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。钢彬 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
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1200～1300o 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
温度的影响 ●正温度范围内(1>0C):κ200°C时,钢材的性 能变化不大。t在250C左右,钢材塑性和韧性下 降,破坏常呈脆性破坏特征。t=(260~320)C时 钢材有徐变现象。忪300°C时,钢材的强度和E开 始显著下降,而δ显著增大。当∞400C时,钢材 的强度和E都急剧降低,>600C时其承载能力几 乎丧失 ●在负温度范围内(1<0C):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 称为脆性转变温度。设计选用钢材时应使其脆 性转变温度区的下限温度t低于结构所处的工作 环境温度,即可保证钢结构低温工作的安全
三、温度的影响 ⚫ 正温度范围内（t>0oC）: t300oC时，钢材的强度和E开 始显著下降，而δ显著增大。当t>400oC时，钢材 的强度和E都急剧降低，t>600oC时其承载能力几 乎丧失。 ⚫ 在负温度范围内 （t<0oC）：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。设计选用钢材时应使其脆 性转变温度区的下限温度t1低于结构所处的工作 环境温度，即可保证钢结构低温工作的安全