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 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、f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。 单向拉伸时的性能 标准试件在室温(10C~350、以满足静力 加载的加载速度一次加载所得钢材的应力01 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：
弹性阶段 f, /A'B C [g Ⅱ.弹塑性阶段 Ⅲ.塑性阶段 A Ⅳ.应变硬化阶段 [g E (%) e(%) IⅡⅢ Ⅳ (b) (1)弹性阶段∝≤f,o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e呈非线性关系,切线模量 =d/da,随应力增大而减小,当=f附,B=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
()塑性阶段也称屈服阶段,0=人后钢材暂时不 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,A就成为材料的 强度储备。 ⑤5)颈缩破坏阶段 (可把钢材视为理想弹塑性体。叫 伸长率δ=(4-40)1*100%,映钢材的塑性变形能力。 二、冷弯性 图2-3钢材冷试验示意图
(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 冲击韧性值用击断试样所需 R=0. 25 mm 的冲击功4kx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-20C 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x及抗剪强度均低于人和后; 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)会阵 低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳性能。应严 故阻牛人回
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
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()和特殊镇静钢(TZ)。 3钢材的轧制将钢锭加热至12001300C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
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(p0C):200Cc时,钢材的性 能变化不大。t在250左右,钢材塑性和韧性下 降,破坏常呈脆性破坏特征。7=260~320C时 钢材有徐变现象。>300C时,钢材的强度和E开 始显著下降,而δ显著增大。当C>400℃时,钢材 的强度和E都急剧降低,D>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
