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1、第二章钢结构的材料本讲稿第一页，共五十七页钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure2.12.1、钢结构对材料的要求、钢结构对材料的要求（1 1）较高的抗拉强度较高的抗拉强度f fu u和屈服点和屈服点f fy y（2 2）塑性、冲击韧性好塑性、冲击韧性好（3 3）冷加工性能好冷加工性能好（4 4）可焊性好可焊性好（5 5）耐久性好耐久性好 Chapter 2 Material of Steel Structure第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料本讲稿第二页，共五十七页第一章第一章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2

2、Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure2.2.1 2.2.1 单向拉伸时的工作性能单向拉伸时的工作性能 （1 1）试验条件）试验条件 （a 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）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标定长度取其直径的5 5或或1010倍。倍。（b b）荷载要分级逐次增加，直到试件破坏。）荷载要分级逐次增加，直到试件破坏。（c c）试验温度要控制在室温）试验温度要控制在室温2020左右。

3、左右。d d 标准试件标准试件2.22.2、钢材的主要性能、钢材的主要性能本讲稿第三页，共五十七页第一章第一章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure （2 2）钢材的应力）钢材的应力-应变关系应变关系 A.A.有屈服点钢材有屈服点钢材s-es-e曲线可以分为四个阶段：曲线可以分为四个阶段：(a)弹性阶段弹性阶段(OB段段)OBCDAE 单调拉伸应力单调拉伸应力-应变曲线应变曲线OAOA段段：纯弹性阶段：纯弹性阶段s s=E=Ee

4、eA A点对应的应力：点对应的应力：f fp p（比例极限）（比例极限）ProportionallimitABAB段段：有一定的塑性：有一定的塑性变形变形,但整个但整个OBOB段卸载时段卸载时,e e=0=0B B点对应的应力：点对应的应力：f fe（弹性极限弹性极限 elastic limit)本讲稿第四页，共五十七页第一章第一章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure（b）屈服阶段屈服阶段（BCD)塑性变形塑性变形：卸载后试件不

5、能：卸载后试件不能完全恢复原来的长度。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恢复的这一部分变形称为塑性变形。性变形。屈服点（屈服强度屈服点（屈服强度yielding yielding strengthstrength）fyfy：屈服阶段：屈服阶段曲线波动部分的最低值。曲线波动部分的最低值。流幅流幅：从屈服阶段的开始到：从屈服阶段的开始到曲线再度上升的应变幅度曲线再度上升的应变幅度称为流幅。称为流幅。特点特点：应力与应变不再成正比关系，应变增加很快，应力：应力与应变不再成正比关系，应变增加很快，应力-应变曲线呈锯齿形波动，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。出

6、现应力不增加而应变仍然在继续发展。OBCDAE本讲稿第五页，共五十七页第第 一章一章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure（c c）强化阶段）强化阶段(DE(DE段段)随荷载的增加随荷载的增加缓慢增大缓慢增大,但但增加较快增加较快抗拉强度（极限强度抗拉强度（极限强度ultimate strengthultimate strength）fu 试件所能承受的最大试件所能承受的最大拉应力拉应力（d d）颈缩阶段）颈缩阶段(EF(EF段段

7、)截面出现了横向收缩，截面出现了横向收缩，截面面积开始显著缩截面面积开始显著缩小，塑性变形迅速增小，塑性变形迅速增大，应力不断降低，大，应力不断降低，变形却延续发展，直变形却延续发展，直至至F F点试件断裂。点试件断裂。F FOBCDAE本讲稿第六页，共五十七页第第一一章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel StructureB.B.对无明显屈服点的钢材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设计时以卸载后试件中残余应变为0.20.2

8、所对应的应力所对应的应力 作为屈服点作为屈服点“条件屈服点条件屈服点”或或“名义屈服点名义屈服点”无屈服点钢材的应力无屈服点钢材的应力-应变曲线应变曲线没有明显屈服点的没有明显屈服点的钢材钢材在拉伸过程中没有屈在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变形小，服阶段，塑性变形小，破坏突然。破坏突然。本讲稿第七页，共五十七页第第一一章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure2.2.2 2.2.2 单向拉伸时钢材的机械性能指标单向拉伸时钢材的机械

9、性能指标 （1 1）屈服点屈服点f fy y应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力（取屈服阶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。设计值的重要指标。（2 2）抗拉强度抗拉强度f fu u应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢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。材破坏前所能承受的最大应力。（3 3）钢材的塑性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）

10、而不立即断裂的性质。塑性好坏可用（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可用断面收缩率断面收缩率 和伸和伸长率长率 表示，通过静力拉伸试验得到。表示，通过静力拉伸试验得到。本讲稿第八页，共五十七页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure（4 4）伸长率伸长率试件试件断裂前断裂前的永久变形与原标定长度的百比。的永久变形与原标定长度的百比。l0 原标距长原标距长l1 拉断后标距长度拉断后标距长度d0 试件直径试件直径试试件件

11、有有两两种种标标距距：l0/d0=5 和和 l0/d0=10 相相应应的的伸伸长长率率用用5和和10表表示示。伸长率伸长率实际工程中以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。代表材料断裂前具有的塑性变形能力。本讲稿第九页，共五十七页第第一一章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure（5 5）断面收缩率断面收缩率 是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比。

12、值与原断面面积比值的百分比。式中：式中：A0 试件原来的断面面积试件原来的断面面积 A1 试件拉断后颈缩区的断面面积试件拉断后颈缩区的断面面积 断面收缩率断面收缩率 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。误差，因而钢材塑性指标仍然采用伸长率作为保证要求。A0A1本讲稿第十页，共五十七页第第一一章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles

13、 of Steel Structure2.2.3 2.2.3 应力应变曲线的简化应力应变曲线的简化曲线简化的依据：曲线简化的依据：1 1）钢材在屈服点之前的性质接）钢材在屈服点之前的性质接近理想的弹性体。近理想的弹性体。2 2）屈服点之后的流幅现象又接近理）屈服点之后的流幅现象又接近理想的塑性体，并且流幅的范围想的塑性体，并且流幅的范围（e e0.150.15-2.5-2.5）已足够用来考）已足够用来考虑结构或构件的塑性变形的发展。虑结构或构件的塑性变形的发展。2.5%fy 00.15%简化的应力应变曲线简化的应力应变曲线钢材是符合理想中的弹性钢材是符合理想中的弹性-塑性材料塑性材料 本讲稿第

14、十一页，共五十七页第第一一章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure2.2.4 2.2.4 钢材的其它性能钢材的其它性能 冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶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。金质量的综合指标。1.1.冷弯性能冷弯性能钢材在冷加工（常温下加工）产生塑钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力。性变形时，对发生裂缝的抵抗能力。鉴别指标鉴别指标：通过冷弯冲头加压。当试件：通过冷弯冲头

15、加压。当试件弯曲至弯曲至180180时，检察试件弯曲部分的时，检察试件弯曲部分的外面、里面和侧面，如果没有裂纹、断外面、里面和侧面，如果没有裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。本讲稿第十二页，共五十七页第第一一章章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure2.2.冲击韧性冲击韧性韧性韧性 钢材在塑性变形和断裂过程中吸收钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。用断裂时吸收的总能量（弹能量的能力。

16、用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。韧性指标用冲击性和非弹性能）来表示。韧性指标用冲击韧性值表示，冲击韧性也叫冲击功，用符韧性值表示，冲击韧性也叫冲击功，用符号号A Akvkv表示，单位为表示，单位为J J。冲冲击击韧韧性性试试验验 一一般般采采用用试试件件长长55mm55mm，截截面面1010mm1010mm2 2，中中间间一一小小槽槽。在在摆摆锤锤式式冲冲击击试试验验机机上上进进行行试试验验，冲冲断断试试件件后，读出摆锤消耗的功。后，读出摆锤消耗的功。冲击韧性试验冲击韧性试验本讲稿第十三页，共五十七页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material o

17、f Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure冲击试验试件的缺口形式冲击试验试件的缺口形式冲击韧性与试件刻槽（缺口）有关，常用缺口形式为夏氏冲击韧性与试件刻槽（缺口）有关，常用缺口形式为夏氏V V型，夏氏钥孔型和梅氏型，夏氏钥孔型和梅氏U U型，我国国家标准规定：冲击试验缺口采用夏氏型，我国国家标准规定：冲击试验缺口采用夏氏V V型。型。冲击试验试件的缺口形式冲击试验试件的缺口形式冲击韧性还与试验的温度冲击韧性还与试验的温度有关。我国钢材标准中将有关。我国钢材标准中将试验分为四档，即试验分为四档，即+20

18、,+20,00，-20-20和和-40-40时的冲时的冲击韧性。温度越低，冲击击韧性。温度越低，冲击韧性越低。韧性越低。本讲稿第十四页，共五十七页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure3.3.可焊性可焊性 好好的的可可焊焊性性是是指指焊焊接接安安全全、可可靠靠、不不发发生生焊焊接接裂裂缝缝，焊焊接接接接头头和和焊缝的冲击韧性以及热影响区的塑性和力学性能都不低于母材。焊缝的冲击韧性以及热影响区的塑性和力学性能都不低于母材

19、。影响钢材可焊性的因素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%0.12%0.20%0.20%范围内的碳素钢，范围内的碳素钢，可焊性最好（如可焊性最好（如Q235BQ235B）。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）。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，我国行业标准国行业标准JGJ81-2002JGJ81-2002建筑钢结构焊接技术规程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推荐使用碳当量来衡量低合金钢的可焊性。当碳当量小于焊性。当碳当量小于0.38

20、%0.38%，钢材的可焊性好，钢材的可焊性好(如如Q345)Q345)，可不采取措施直接施焊。，可不采取措施直接施焊。（2.4.1）本讲稿第十五页，共五十七页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure2.3 2.3 钢材的破坏形式钢材的破坏形式特特征征断断口口后后果果塑性破坏塑性破坏（延性破坏）（延性破坏）构件应力超过屈构件应力超过屈服点，并且达到服点，并且达到抗拉极限强度后，抗拉极限强度后，构件产生明显的构件产生明显的变

21、形并断裂。变形并断裂。常为杯形，呈纤常为杯形，呈纤维状，色泽发暗。维状，色泽发暗。在破坏前有很明在破坏前有很明显的变形，并有显的变形，并有较长的变形持续较长的变形持续时间，便于发现时间，便于发现和补救。和补救。脆性破坏脆性破坏在破坏前无明显在破坏前无明显变形，平均应力变形，平均应力也小（一般都小也小（一般都小于屈服点），没于屈服点），没有任何预兆。有任何预兆。平直和呈有光泽平直和呈有光泽的晶粒。的晶粒。突然发生的，危突然发生的，危险性大，应尽量险性大，应尽量避免。避免。本讲稿第十六页，共五十七页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel St

22、ructure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure补充：钢材的生产补充：钢材的生产钢材的生产大致分为钢材的生产大致分为炼铁炼铁、炼钢炼钢和和轧制轧制三道工序。三道工序。电炉钢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，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。）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：炼钢炉有三种形式：转炉转炉、平炉平炉和和电炉电炉。转炉钢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，在高是利用高压空气或氧气使炉内生

23、铁熔液的碳和其它杂物氧化，在高温下使铁液变为钢液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。（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。）展最快的炼钢方法。）平炉钢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。）已逐步被转炉钢所取代。）（1 1）炼）炼 钢钢本讲稿第十七页，共五十七页第二章第二章 钢结构的材料

24、钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure 浇注是指把熔炼好的钢液做成钢锭或钢坯。浇注是指把熔炼好的钢液做成钢锭或钢坯。用用连连续续铸铸造造法法生生产产钢钢坯坯的的工工艺艺和和设设备备，由由于于机机械械化化、自自动动化化程程度度高高的的优优势势，已经逐渐取代了笨重而复杂的已经逐渐取代了笨重而复杂的铸锭铸锭工艺和设备。工艺和设备。钢钢液液中中残残留留的的氧氧，将将使使钢钢材材晶晶粒粒粗粗细细不不均均匀匀并并发发生生热热脆脆，降降低低钢钢材材的的力力学

25、学性能。性能。按按照照钢钢液液在在炼炼钢钢炉炉中中进进行行脱脱氧氧的的方方法法和和程程度度不不同同，碳碳素素结结构构钢钢可可分分为为沸沸腾钢腾钢、半镇静钢半镇静钢、镇静钢镇静钢和和特殊镇静钢特殊镇静钢。（2 2）浇浇 注注（3 3）脱）脱 氧氧本讲稿第十八页，共五十七页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure在在锰和硅锰和硅脱氧后，再用脱氧后，再用铝铝补充脱氧，其脱氧程度高于镇静钢。补充脱氧，其脱氧程度高于镇静钢。沸沸

26、腾腾 钢钢采用的脱氧剂为脱氧能力较弱的采用的脱氧剂为脱氧能力较弱的锰锰，因此脱氧不完全，且浇注时会有，因此脱氧不完全，且浇注时会有气体逸出，出现钢液的沸腾现象，由于沸腾钢在铸模中冷却很快，气体逸出不气体逸出，出现钢液的沸腾现象，由于沸腾钢在铸模中冷却很快，气体逸出不完全，凝固后的钢材中留有较多的杂质和气体，钢的质量较差。完全，凝固后的钢材中留有较多的杂质和气体，钢的质量较差。镇镇 静静 钢钢采用采用锰加硅锰加硅做脱氧剂，脱氧较完全，由于硅在还原的过程中会做脱氧剂，脱氧较完全，由于硅在还原的过程中会产生热量，使钢液冷却缓慢，让气体充分逸出，钢的质量好，但成产生热量，使钢液冷却缓慢，让气体充分逸出

27、，钢的质量好，但成本高。本高。半半 镇镇 静静 钢钢特殊镇静钢特殊镇静钢脱氧程度和钢材质量介于上述二者之间。脱氧程度和钢材质量介于上述二者之间。本讲稿第十九页，共五十七页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure（4 4）加工（）加工（热加工热加工、冷加工冷加工和和热处理热处理 ）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

28、加工工艺。（退火、正火、淬火和回变化，以获得所需性能的加工工艺。（退火、正火、淬火和回火）火）热加工热加工 指将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状，生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度控制在1150-1300 1150-1300）冷加工冷加工 指在常温下对钢材进行加工。（指在常温下对钢材进行加工。（冷作硬化现象冷作硬化现象）本讲稿第二十页，共五十七页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原

29、理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure钢材的机械性能指标钢材的机械性能指标1 1、屈服点、屈服点 fy2 2、抗拉强度、抗拉强度 fu3 3、伸长率、伸长率 4 4、断面收缩率断面收缩率 5 5、冷弯性能、冷弯性能6 6、冲击韧性、冲击韧性 AKV 小小 节节本讲稿第二十一页，共五十七页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure 为什么采用钢材的屈服点作为钢材设计强度的为

30、什么采用钢材的屈服点作为钢材设计强度的标准值？对无明显屈服点的钢材，其设计强标准值？对无明显屈服点的钢材，其设计强度如何确定？度如何确定？思考题思考题本讲稿第二十二页，共五十七页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure2.4.2.4.各种因素对钢材的影响各种因素对钢材的影响2.4.1 2.4.1 化学成份的影响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。钢材的化学成分直接影响钢的组织构造，从

31、而影响钢材的力学性能。铁（铁（FeFe）是钢材的基本元素，普通碳素钢中占）是钢材的基本元素，普通碳素钢中占99%99%，此外还有碳（，此外还有碳（C C）、）、硅（硅（SiSi）、锰（）、锰（MnMn）等有益元素，及硫（）等有益元素，及硫（S S）、磷（）、磷（P P）、氧（）、氧（O O）、氮）、氮（N N）等有害元素，这些含量不大于）等有害元素，这些含量不大于1%1%，但对钢材力学性能却有很大影，但对钢材力学性能却有很大影响。低合金钢中有响。低合金钢中有5%5%的合金元素，如铜的合金元素，如铜(Cu)(Cu)、钒、钒(V)(V)、钛、钛(Ti)(Ti)、铌、铌(Nb)(Nb)、铬、铬(Cr

32、)(Cr)等。等。本讲稿第二十三页，共五十七页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure1.1.碳碳（C C）：形形成成钢钢材材强强度度的的主主要要成成分分，随随其其含含量量增增加加，强强度度增增加加，塑性和韧性降低，可焊性和抗腐蚀性降低。塑性和韧性降低，可焊性和抗腐蚀性降低。碳碳素素钢钢按按碳碳含含量量区区分分，小小于于0.250.25的的为为低低碳碳钢钢，介介于于0.250.25和和0.60.6之之间间的的为为中中碳碳

33、钢钢，大大于于0.60.6的的为为高高碳碳钢钢。钢钢结结构构用用钢钢中中，碳碳含含量量一般控制在一般控制在0.22%0.22%以下，当其含量在以下，当其含量在0.20.2以下时，可焊性良好。以下时，可焊性良好。2.2.硫硫（S S）：钢钢材材中中的的有有害害元元素素，具具有有热热脆脆性性（温温度度达达到到800-800-10001000时时，硫硫化化铁铁会会熔熔化化使使钢钢材材变变脆脆，从从而而引引发发热热裂裂纹纹）。规规范规定结构用钢中硫的含量不得超过范规定结构用钢中硫的含量不得超过0.05%0.05%。3.3.氧（氧（O O）：有害杂质，与：有害杂质，与S S相似。相似。本讲稿第二十四页，

34、共五十七页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure4.4.磷（磷（P 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，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规范中规定不得超过0.045%0.045%。5.5.氮（氮（N N）：有害

35、杂质，：有害杂质，与与P P相似相似。6.6.锰（锰（MnMn）：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，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，与与S S形成形成MnSMnS，熔点，熔点16001600，可以消除硫对钢材的热脆影响。，可以消除硫对钢材的热脆影响。7.7.硅（硅（SiSi）：有益元素。在普通碳素钢中，是一种强脱氧剂，常与锰共同除有益元素。在普通碳素钢中，是一种强脱氧剂，常与锰共同除氧，生成镇静钢。氧，生成镇静钢。8.8.钒（钒（V V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物具有高温稳定性，适用：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物具有高温

36、稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。于受荷较大的焊接结构。9.9.铜（铜（CuCu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。本讲稿第二十五页，共五十七页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure2.4.2 2.4.2 冶金缺陷的影响冶金缺陷的影响 1.1.偏偏析析 金金属属结结晶晶后后化化学学成成分分分分布布不不均均匀匀的的现现象象。主主要要是是硫硫、磷偏析，其后果是偏析区钢材的塑

37、性、韧性、可焊性变坏。磷偏析，其后果是偏析区钢材的塑性、韧性、可焊性变坏。3.3.裂纹裂纹 钢材中存在的微观裂纹。钢材中存在的微观裂纹。2.2.非非金金属属夹夹杂杂 指指钢钢材材中中的的非非金金属属化化合合物物，如如硫硫化化物物、氧氧化化物，他们使钢材性能变脆。物，他们使钢材性能变脆。4.4.气气泡泡 浇浇铸铸时时由由FeOFeO和和C C作作用用所所生生成成的的COCO气气体体不不能能充充分分逸逸出出而滞留在钢锭那形成的微小空洞。而滞留在钢锭那形成的微小空洞。5.5.分层分层 浇铸时的非金属夹杂在轧制后可能造成钢材的分层。浇铸时的非金属夹杂在轧制后可能造成钢材的分层。本讲稿第二十六页，共五十

38、七页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure2.4.3 2.4.3 钢材的硬化钢材的硬化冷作硬化冷作硬化在冷加工或一次加载使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸载后在冷加工或一次加载使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸载后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象。时效硬化时效硬化随着时间的增加，纯铁体中有一些数量极少的碳和氮的固熔物质析出，使钢材随着时间的增加，纯

39、铁体中有一些数量极少的碳和氮的固熔物质析出，使钢材的屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下降的现象的屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下降的现象。在交变荷载、重复荷载和温度变化等情况下，会加速时效硬化的发展。在交变荷载、重复荷载和温度变化等情况下，会加速时效硬化的发展。应变时效硬化应变时效硬化钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体晶体中的固溶碳和氮钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体晶体中的固溶碳和氮更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象。更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象。在高温作用下会快速发展在高温作用下会快速发展（人工时效）（人工时效）本讲稿第二十七页，共五十

40、七页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure 硬化对钢材性能的影响硬化对钢材性能的影响a)时效硬化及冷作硬化时效硬化及冷作硬化b)应变时效硬化应变时效硬化本讲稿第二十八页，共五十七页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure2.4.4 2.4.4 温

41、度的影响温度的影响正温范围：正温范围：（1 1）温度在）温度在150150以内，钢材材质变化很以内，钢材材质变化很小，钢结构可用于温度不高于小，钢结构可用于温度不高于150150的场的场合。合。（2 2）温度在）温度在250250左右的区间内出现左右的区间内出现蓝蓝脆现象脆现象，fu 有局部性提高，同时塑性有局部性提高，同时塑性降至最低，材料有转脆倾向。降至最低，材料有转脆倾向。（3 3）当温度达到）当温度达到600600时，钢材进入时，钢材进入热塑性状态，强度下降严重，将丧失热塑性状态，强度下降严重，将丧失承载能力。承载能力。温度对钢材力学性能的影响温度对钢材力学性能的影响fufyE负温范围

42、：负温范围：随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，逐渐随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，逐渐变脆，称为钢材的变脆，称为钢材的低温冷脆低温冷脆。钢材的冲击韧性对温度的降低十分敏感。钢材的冲击韧性对温度的降低十分敏感。本讲稿第二十九页，共五十七页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure冲击韧性和温度关系示意图冲击韧性和温度关系示意图脆性破坏脆性破坏两种破两种破坏均有坏均有塑性破坏塑性破坏转变温转变

43、温度区度区冲击断裂功冲击断裂功试验温度试验温度T1T0T2（1 1）冲击功曲线的反弯点）冲击功曲线的反弯点T T0 0称为称为转变温度转变温度。界限温度。界限温度T T1 1和和T T2 2分别为分别为脆性转变温度脆性转变温度和和全塑性转全塑性转变温度变温度。（2 2）钢材由塑性破坏转变为脆性）钢材由塑性破坏转变为脆性破坏是在温度区间破坏是在温度区间T T1 1 T T2 2内完成内完成的，此温度区间称为钢材的的，此温度区间称为钢材的脆性脆性转变温度区转变温度区。（3 3）在脆性转变温度以下，钢材表现为完全）在脆性转变温度以下，钢材表现为完全的脆性破坏；而在全塑性转变温度以上，钢材的脆性破坏；

44、而在全塑性转变温度以上，钢材则表现为完全的塑性破坏。则表现为完全的塑性破坏。（4 4）不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度，均应通过试验来确定。在钢结构设计中，为了）不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度，均应通过试验来确定。在钢结构设计中，为了防止脆性破坏，选用钢材时应使其工作温度大于防止脆性破坏，选用钢材时应使其工作温度大于T T1 1,接近接近T T0 0。本讲稿第三十页，共五十七页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles o

45、f Steel Structure2.4.6 2.4.6 应力集中的影响应力集中的影响 在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化和内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，而是在一些区域产生局部高峰应和内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，而是在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓力，形成所谓应力集中应力集中现象。现象。应力集中现象应力集中现象本讲稿第三十一页，共五十七页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structur

46、e钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure不同槽口试件静力拉伸试验的应力不同槽口试件静力拉伸试验的应力应变曲线应变曲线 应力集中对应力集中对-曲线关系的影响曲线关系的影响 可以看出截面槽口可以看出截面槽口改变愈急剧，应力集改变愈急剧，应力集中现象愈厉害，其抗中现象愈厉害，其抗拉强度愈高，但塑性拉强度愈高，但塑性愈差，破坏的脆性倾愈差，破坏的脆性倾向愈大。向愈大。1020300.425100%(N/mm2)10测距10010100600700500400300200100本讲稿第三十二页，共五十七页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材

47、料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure2.5 2.5 在复杂应力作用下钢材的屈服条件在复杂应力作用下钢材的屈服条件第第四四能能量量强强度度理理论论 材材料料由由弹弹性性转转入入塑塑性性的的强强度度指指标标用用变变形形时时单单位位体体积积中积聚的能量来表达中积聚的能量来表达推导推导 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。材即由弹性转入塑性。oZXY单元体受复杂应力单元体受复杂

48、应力状态下的分量状态下的分量单元体受单元体受主应力主应力钢材单元体上的复杂应力状态钢材单元体上的复杂应力状态本讲稿第三十三页，共五十七页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure 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。力和钢材在单向应力时的屈服点相比较来判断。（2.5.1）用主应力用主应力

49、 、表示时，有表示时，有:（2.5.2）或或当当时钢材处于弹性阶段，时钢材处于弹性阶段，时钢材处于塑性阶段。时钢材处于塑性阶段。本讲稿第三十四页，共五十七页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure 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应力状态可以简化为平面应力状态：（2.5.3）一般梁中只存在正应力一般梁中只

50、存在正应力和剪应力和剪应力，则上式可写为：，则上式可写为：（2.5.4）纯剪时纯剪时=0=0 则有：则有：（2.5.5）即钢材的剪切屈服点是拉伸屈服点即钢材的剪切屈服点是拉伸屈服点f fy y的的0.58 0.58 倍倍本讲稿第三十五页，共五十七页第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure不同受力状态对钢材材性的影响不同受力状态对钢材材性的影响（a a）单向拉伸单向拉伸（b b）双向拉伸双向拉伸（c c）双向异号应力双向异