第2章钢结构的材料.ppt

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1、Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料第第2 2章章 钢结构的材料钢结构的材料 主要内容：主要内容：主要内容：主要内容：重点：重点：重点：重点：钢材的基本性能及影响因素钢材的基本性能及影响因素 1钢材的主要性能指标钢材的主要性能指标2钢材的疲劳破坏钢材的疲劳破坏3钢材的类别及选用钢材的类别及选用4钢材的基本性能及其影响因素，钢材的性能指标，疲劳破坏的概念和疲劳验算方法 Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料 在建筑钢结构工程和桥梁钢结构工程中，

2、规范推荐的普通碳素结构钢是在建筑钢结构工程和桥梁钢结构工程中，规范推荐的普通碳素结构钢是Q235，低合金高强度结构钢是，低合金高强度结构钢是Q345、Q390和和Q420。钢材在单向均匀受拉时的应力-应变关系 2.1 弹性阶段弹性阶段(OE段段)屈服阶段屈服阶段(ESC段段)强化阶段强化阶段(CB段段)颈缩阶段颈缩阶段(BD段段)Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料钢结构用钢的几项重要性能指标钢结构用钢的几项重要性能指标 2.21.强度和变形指标：强度和变形指标：弹性阶段，弹性阶段，比例极限比例极限 ：应力：应力-应

3、变应变关系曲线中直线段的最大应力值。关系曲线中直线段的最大应力值。屈服阶段，屈服阶段，屈服强度屈服强度 ：屈服平台的：屈服平台的最低应力值，作为材料强度的依据。最低应力值，作为材料强度的依据。强化和颈缩阶段，强化和颈缩阶段，抗拉强度抗拉强度 ：曲线：曲线最高点对应的应力值。最高点对应的应力值。Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料钢结构用钢的几项重要性能指标钢结构用钢的几项重要性能指标 2.22.塑性性能指标：塑性性能指标：钢材的塑性性能可用伸长率钢材的塑性性能可用伸长率 和断面收缩率和断面收缩率 衡量。衡量。（2-1

4、）试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百分数。试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百分数。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。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。伸长率伸长率断面收缩率断面收缩率（2-2）Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料钢结构用钢的几项重要性能指标钢结构用钢的几项重要性能指标 2.23.物理性能指标：物理性能指标：弹性模量弹性模量E（N/mm2）剪变模量剪变模量G（N/mm2）线膨胀系数线膨胀系数（以每以每计）计）质量密度质量密度（kg/

5、m3）206103791031210-67850钢材和钢铸件的物理性能指标钢材和钢铸件的物理性能指标 表表2-14.钢材的韧性：钢材的韧性：钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，它是钢材强度和塑钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，它是钢材强度和塑性的综合性能，是判断钢材是否出现脆性破坏最主要的指标。韧性指标性的综合性能，是判断钢材是否出现脆性破坏最主要的指标。韧性指标一般由一般由冲击试验冲击试验获得，称为冲击韧性指标，用获得，称为冲击韧性指标，用 表示。表示。韧性韧性Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料钢结

6、构用钢的几项重要性能指标钢结构用钢的几项重要性能指标 2.24.钢材的韧性：钢材的韧性：冲击试验的试件一般采用带冲击试验的试件一般采用带V形缺形缺口的口的Charpy试件，尺寸为试件，尺寸为10mm10mm55mm。在一种专门的。在一种专门的夏比试验机上进行。当摆锤在一定高度夏比试验机上进行。当摆锤在一定高度落下试件被冲断后，摆锤所做的冲击功落下试件被冲断后，摆锤所做的冲击功与试件缺口处净截面面积之比为冲击韧与试件缺口处净截面面积之比为冲击韧性，单位为性，单位为J（焦耳）。（焦耳）。冲击试验冲击试验冲击韧性值越大，说明试件所代表的钢材断裂前吸收的能量越大，韧性越好，冲击韧性值越大，说明试件所代

7、表的钢材断裂前吸收的能量越大，韧性越好，强度和塑性综合性能越优越。强度和塑性综合性能越优越。我国钢材标准中将试验分为四档，即我国钢材标准中将试验分为四档，即+20时的时的 ，0时的时的 ，-20时时的的 ，-40时的时的 。Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料钢结构用钢的几项重要性能指标钢结构用钢的几项重要性能指标 2.25.钢材的冷弯性能：钢材的冷弯性能：试验时按照规定的弯心直径在试验机试验时按照规定的弯心直径在试验机上用冲头缓慢加压，使试件弯成上用冲头缓慢加压，使试件弯成180度，如度，如果试件外面、里面和侧面均

8、不出现裂纹或果试件外面、里面和侧面均不出现裂纹或分层，即为合格。分层，即为合格。冷弯试验冷弯试验 冷弯性能是判别钢材塑性变形能力及冶金冷弯性能是判别钢材塑性变形能力及冶金质量的综合指标。质量的综合指标。冷弯试验是鉴定钢材质量（主要是塑性和可焊性）的一种良好方法，常作为冷弯试验是鉴定钢材质量（主要是塑性和可焊性）的一种良好方法，常作为静力拉伸试验和冲击试验的补充试验。静力拉伸试验和冲击试验的补充试验。Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料钢结构用钢的几项重要性能指标钢结构用钢的几项重要性能指标 2.26.钢材的可焊性：钢

9、材的可焊性：焊缝及其附近金属的焊接安全可靠，不发生或者少发生焊接裂缝，其焊缝及其附近金属的焊接安全可靠，不发生或者少发生焊接裂缝，其塑性和力学性能都不低于母材。塑性和力学性能都不低于母材。可焊性可焊性低碳钢低碳钢低合金钢低合金钢 当含碳量控制在当含碳量控制在0.12%-0.20%，含锰量小于，含锰量小于0.7%，含硅量小于，含硅量小于0.4%，含，含硫量和含磷量小于硫量和含磷量小于0.045%时，具有较好的可焊性。时，具有较好的可焊性。用碳当量用碳当量CE衡量衡量（2-3）Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料钢结构用

10、钢的几项重要性能指标钢结构用钢的几项重要性能指标 2.26.钢材的可焊性：钢材的可焊性：焊缝及其附近金属的焊接安全可靠，不发生或者少发生焊接裂缝，其焊缝及其附近金属的焊接安全可靠，不发生或者少发生焊接裂缝，其塑性和力学性能都不低于母材。塑性和力学性能都不低于母材。可焊性可焊性低碳钢低碳钢低合金钢低合金钢 当含碳量控制在当含碳量控制在0.12%-0.20%，含锰量小于，含锰量小于0.7%，含硅量小于，含硅量小于0.4%，含，含硫量和含磷量小于硫量和含磷量小于0.045%时，具有较好的可焊性。时，具有较好的可焊性。用碳当量用碳当量CE衡量衡量（2-3）当钢材的碳当量小于当钢材的碳当量小于0.38%

11、时其可焊性是好的，时其可焊性是好的，Q345钢属于这种情况。钢属于这种情况。Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料钢结构用钢的几项重要性能指标钢结构用钢的几项重要性能指标 2.27.钢材沿厚度方向的性能钢材沿厚度方向的性能：由较厚钢板组成的焊接承重结构，在焊接过程中或者在厚度方向受拉作由较厚钢板组成的焊接承重结构，在焊接过程中或者在厚度方向受拉作用时，常常会产生与厚度方向垂直（称为用时，常常会产生与厚度方向垂直（称为Z方向）的裂纹，出现层状撕裂。方向）的裂纹，出现层状撕裂。为了避免这种情况发生，采用为了避免这种情况发生

12、，采用“厚度方向性能钢板厚度方向性能钢板”是必要的。是必要的。现行国家标准现行国家标准厚度方向性能钢板厚度方向性能钢板（GB/T5313）把它分为）把它分为Z15、Z25、Z35三个级别，这种钢板被严格控制含硫量和断面收缩率，三个级别钢板的三个级别，这种钢板被严格控制含硫量和断面收缩率，三个级别钢板的含硫量分别不大于含硫量分别不大于0.01%，0.007%和和0.005%；单个试件的断面收缩率分别；单个试件的断面收缩率分别不小于不小于10%，15%和和25%，同时三个试件断面收缩率的平均值也分别不小于，同时三个试件断面收缩率的平均值也分别不小于15%。25%和和35%。Suzhou Unive

13、rsity of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料钢材在单轴反复应力作用下的工作性能钢材在单轴反复应力作用下的工作性能 2.3钢材在单轴反复应力作用下的工作特性，可用应力钢材在单轴反复应力作用下的工作特性，可用应力-应变试验曲线表示。应变试验曲线表示。当构件反复应力当构件反复应力 ，即材料处于弹性阶段时，在，即材料处于弹性阶段时，在反复应力作用下钢材的反复应力作用下钢材的材性无变化，也不存在残余变形。材性无变化，也不存在残余变形。当钢材的反复应力当钢材的反复应力 ，即材料处于弹塑性阶段时，重复应力和反复应力，即材料处于弹塑性阶段时，重复应力和反复应力引起

14、塑性变形的增长。引起塑性变形的增长。Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料钢材在单轴反复应力作用下的工作性能钢材在单轴反复应力作用下的工作性能 2.3 钢材在多次重复的循环应变作用下滞回环丰满而稳定钢材在多次重复的循环应变作用下滞回环丰满而稳定。这是钢材一这是钢材一种极好的性能，为钢结构在地震作用下耗能能力提供了保障。种极好的性能，为钢结构在地震作用下耗能能力提供了保障。Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料钢材在复杂应力作用下的工作性能钢材在

15、复杂应力作用下的工作性能 2.4 对于接近理想弹塑性材料的钢材，按照能量理论对于接近理想弹塑性材料的钢材，按照能量理论(或第四强度理论或第四强度理论)，在，在三向应力作用下，有：三向应力作用下，有：（2-4）由（由（2-4）式可见，当）式可见，当 、为同号为同号应力且数值接近时，即使他们都大于应力且数值接近时，即使他们都大于 ，折算应力仍小于折算应力仍小于 ，说明材料很难进入塑性，说明材料很难进入塑性状态。当平面或立体应力皆为拉应力时，材状态。当平面或立体应力皆为拉应力时，材料处于脆性状态，破坏时没有明显的塑性变料处于脆性状态，破坏时没有明显的塑性变形。形。Suzhou University

16、of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料疲劳破坏2.5 是指在连续反复荷载作用下，钢材或钢构件的应力低于极限强度，甚至低是指在连续反复荷载作用下，钢材或钢构件的应力低于极限强度，甚至低于屈服强度而发生的破坏。于屈服强度而发生的破坏。疲劳破坏疲劳破坏 疲劳破坏过程疲劳破坏过程 截面上的微小缺陷截面上的微小缺陷开始形成裂纹开始形成裂纹 裂纹缓慢扩展裂纹缓慢扩展 Type C裂纹达到临界尺寸裂纹达到临界尺寸而迅速断裂而迅速断裂 Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料疲劳破坏2.5应力比：

17、应力比：1.基本概念基本概念：其中，其中，为绝对值最小的应力，为绝对值最小的应力，为绝对值最大的应力，拉应力取正值，压为绝对值最大的应力，拉应力取正值，压应力取负值。应力取负值。Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料疲劳破坏2.51.基本概念基本概念：应力幅：应力幅：应力幅应力幅；表示应力变化的幅度，总为正值。；表示应力变化的幅度，总为正值。应力循环中的最大拉应力，取正值；应力循环中的最大拉应力，取正值；应力循环中的最小拉应力或压应力，拉应力取正值，压应力取负值。应力循环中的最小拉应力或压应力，拉应力取正值，压应力取负

18、值。（2-9）焊接部位的疲劳强度主要与应力幅有关，而与应力比焊接部位的疲劳强度主要与应力幅有关，而与应力比 、名义应力、名义应力 、及及钢材的静力强度钢材的静力强度 的关系不是非常密切。的关系不是非常密切。注：注：应力幅计算式（应力幅计算式（2-92-9）中的）中的 、，与应力比，与应力比 中的中的 、的的意义是不相同的。意义是不相同的。Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料疲劳破坏2.51.基本概念基本概念：疲劳寿命和疲劳强度：疲劳寿命和疲劳强度：材料或构件发生疲劳破坏时，应力幅的大小和应力循环次数材料或构件发生疲劳

19、破坏时，应力幅的大小和应力循环次数N有关。较小的有关。较小的N达到疲劳破坏所必须的达到疲劳破坏所必须的 相对大些，这时的应力幅相对大些，这时的应力幅 称为对应循环次数称为对应循环次数N的的疲劳强度疲劳强度。同样，对应。同样，对应 的应力循环次数的应力循环次数N称为材料或构件的称为材料或构件的疲劳寿命疲劳寿命。疲劳强度极限：疲劳强度极限：当应力幅当应力幅 小到一定程度时，无论应力循环多少次也不会发生疲劳破坏，小到一定程度时，无论应力循环多少次也不会发生疲劳破坏，这个应力幅这个应力幅 称为疲劳强度极限，简称疲劳极限称为疲劳强度极限，简称疲劳极限。Suzhou University of Scien

20、ce&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料疲劳破坏2.52.钢材的疲劳破坏钢材的疲劳破坏：影响钢材疲劳强度的因素：影响钢材疲劳强度的因素：反复荷载引起的应力种类（如拉应力、压应力、剪应反复荷载引起的应力种类（如拉应力、压应力、剪应力、复杂应力等）力、复杂应力等）外部因素外部因素 应力循环的形式和次数应力循环的形式和次数 钢材内部残余应力的大小钢材内部残余应力的大小 内部因素内部因素 钢材内部应力集中的程度钢材内部应力集中的程度 Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料疲劳破坏2.53.钢结构的疲劳破坏

21、及影响因素钢结构的疲劳破坏及影响因素：钢构件和钢结构的疲劳破坏时的截面特点：钢构件和钢结构的疲劳破坏时的截面特点：光滑区（图中光滑区（图中1区）：区）：微观裂纹在连续反复作用应力下逐步微观裂纹在连续反复作用应力下逐步扩展，裂纹两侧的材料时而相互挤压时而扩展，裂纹两侧的材料时而相互挤压时而分离，形成光滑区；分离，形成光滑区；粗糙区（图中粗糙区（图中2区）：区）：裂纹在长期连续反复应力作用下日益扩展使构件截面被逐渐削弱，直至裂纹在长期连续反复应力作用下日益扩展使构件截面被逐渐削弱，直至截面残余部分不足以抵抗破坏时，构件会突然断裂。表面呈颗粒状的粗糙区截面残余部分不足以抵抗破坏时，构件会突然断裂。表

22、面呈颗粒状的粗糙区就是由撕裂作用而形成的就是由撕裂作用而形成的。Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料疲劳破坏2.53.钢结构的疲劳破坏及影响因素钢结构的疲劳破坏及影响因素：影响钢构件和结构疲劳强度的因素：影响钢构件和结构疲劳强度的因素：构件形状变化构件形状变化（截面形状突变、截面削弱，（截面形状突变、截面削弱，构件表面凹凸不平等构件表面凹凸不平等）构件内部存在的残余应力构件内部存在的残余应力 应力集中：应力集中：程度越严重，钢构件越容易发生疲劳破坏，疲劳强度就越低。程度越严重，钢构件越容易发生疲劳破坏，疲劳强度就越低

23、。钢构件产生钢构件产生应力集中应力集中的主要原因的主要原因：构件在冷加工过程中的加工硬化会导致应力集中和韧性降低构件在冷加工过程中的加工硬化会导致应力集中和韧性降低 Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料疲劳破坏2.54.钢结构的疲劳验算钢结构的疲劳验算：对于直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件，如吊车梁、桥梁等以及它们对于直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件，如吊车梁、桥梁等以及它们的连接，当实际应力循环次数的连接，当实际应力循环次数n 5104次时，才需要进行疲劳计算。次时，才需要进行疲劳计算。钢构件和连接形式的分

24、类：钢构件和连接形式的分类：常见的钢结构构件和连接形式，按常见的钢结构构件和连接形式，按应力集中应力集中程度的大小，由低至高分为程度的大小，由低至高分为8个类别。第个类别。第1类为基本无应力集中影响的无连接处的主体金属，应力集中程类为基本无应力集中影响的无连接处的主体金属，应力集中程度最弱。第度最弱。第8类则为应力集中程度最严重的角焊缝。第类则为应力集中程度最严重的角焊缝。第2至第至第7类是有不同程类是有不同程度应力集中的主体金属。（见附表度应力集中的主体金属。（见附表9-1）Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料疲劳

25、破坏2.54.钢结构的疲劳验算钢结构的疲劳验算：容许应力幅的计算：容许应力幅的计算：（2-10）N 应力循环次数（预期使用寿命）；应力循环次数（预期使用寿命）；C、参数，确定构件和连接分类后按表参数，确定构件和连接分类后按表2-2取值取值 参数参数C、值值 表表2-2构件和构件和连接类别连接类别12345678C19401012 86110123.2610122.1810121.4710120.9610120.6510120.41101244333333Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料疲劳破坏2.54.钢结构的疲

26、劳验算钢结构的疲劳验算：常幅疲劳的验算：常幅疲劳的验算：永久荷载产生的应力值为不变值，不产生应力幅。应力幅只由重复作用的可永久荷载产生的应力值为不变值，不产生应力幅。应力幅只由重复作用的可变荷载产生，所以疲劳计算时，取重复作用的变荷载产生，所以疲劳计算时，取重复作用的可变荷载标准值可变荷载标准值来计算应力幅。来计算应力幅。（2-11）式中，式中，对焊接部位为应力幅：对焊接部位为应力幅：，对非焊接部位为，对非焊接部位为 计算应力幅：计算应力幅：，应力以拉为正，压为负；，应力以拉为正，压为负；常幅度疲劳的容许应力幅；先由附表常幅度疲劳的容许应力幅；先由附表9-1确定构件和连接的确定构件和连接的 类

27、别，再由表类别，再由表2-2查取参数查取参数C、；见式（；见式（2-10）。）。一般应选取受拉区应力集中较严重处进行疲劳强度验算。一般应选取受拉区应力集中较严重处进行疲劳强度验算。Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料疲劳破坏2.54.钢结构的疲劳验算钢结构的疲劳验算：变幅疲劳的验算：变幅疲劳的验算：（2-12）式中，式中，变幅疲劳的等效应力幅，按下式确定变幅疲劳的等效应力幅，按下式确定:(1)已知设计应力谱已知设计应力谱:对变幅疲劳，若能预测结构使用寿命期间各种荷载的频率分布、应力幅水平以及频对变幅疲劳，若能预测结构

28、使用寿命期间各种荷载的频率分布、应力幅水平以及频次分布总和所构成的设计应力谱，则可将其折算为等效常幅疲劳，按下式计算：次分布总和所构成的设计应力谱，则可将其折算为等效常幅疲劳，按下式计算：（2-13）Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料疲劳破坏2.54.钢结构的疲劳验算钢结构的疲劳验算：变幅疲劳的验算：变幅疲劳的验算：(2)重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架的疲劳计算重级工作制吊车梁和重级、中级工作制吊车桁架的疲劳计算:规范规定按照简化的常幅疲劳进行计算：规范规定按照简化的常幅疲劳进行计算：（2-15）式中，

29、式中，f 欠载效应的等效系数，见表欠载效应的等效系数，见表2-3；循环次数循环次数n为为2106次的容许应力幅，见表次的容许应力幅，见表2-4；也可按式；也可按式 （2-10）计算。）计算。Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料影响钢材性能的主要因素2.6影响因素影响因素影响因素影响因素化学成分化学成分冶金缺陷冶金缺陷钢材硬化钢材硬化温度温度应力集中应力集中Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料影响钢材性能的主要因素2.61.化学成分的影响：化

30、学成分的影响：钢材的基本成份为钢材的基本成份为Fe，碳钢中，碳钢中Fe含量占含量占99，其余，其余C、Si、Mn等为杂质元素，等为杂质元素，S、P、N、O为冶炼过程中不易除尽的有害元素。为冶炼过程中不易除尽的有害元素。碳（碳（C）：含：含C，使强度，使强度，塑性、韧性、可焊性，塑性、韧性、可焊性，应控制在，应控制在0.22%，焊接结构，焊接结构应控制在应控制在0.20%。锰（锰（Mn）：锰是有益元素，锰是有益元素，它能显著提高钢材强度但不过多降低塑性和冲击韧它能显著提高钢材强度但不过多降低塑性和冲击韧性。锰是弱脱氧剂。但是锰可使钢材的可焊性降低，故含量有限制。性。锰是弱脱氧剂。但是锰可使钢材的

31、可焊性降低，故含量有限制。硅硅（Si）：硅硅是是有有益益元元素素，也也是是强强脱脱氧氧剂剂。硅硅能能使使钢钢材材的的粒粒度度变变细细，控控制制适适量量时时可可提提高高强强度度而而不不显显著著影影响响塑塑性性、韧韧性性、冷冷弯弯性性能能及及可可焊焊性性。硅硅的的含含量量过过量量时时则则会会恶恶化可焊性及抗锈蚀性。化可焊性及抗锈蚀性。钒（钒（V）、）、铌（铌（Nb）、）、钛（钛（Ti）：钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合我国的低合金钢都含有这三种元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑性、韧性。金钢都含有这三种元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑性、韧性。Suz

32、hou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料影响钢材性能的主要因素2.61.化学成分的影响：化学成分的影响：铝（铝（Al）、）、铬（铬（Cr）、）、镍（镍（Ni）铝是强脱氧剂铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进一，用铝进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。铬和镍是提高钢材强度的合金元素铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于用于Q390钢和钢和Q420钢。钢。硫（硫（S）：硫是有害元素，硫是有害元素，当热加工及焊接使温度达当热加工及焊接使温度达8001000时，可能出现

33、时，可能出现裂纹，称为热脆。硫还能降低钢的冲击韧性，同时影响疲劳性能与抗锈蚀性能。一裂纹，称为热脆。硫还能降低钢的冲击韧性，同时影响疲劳性能与抗锈蚀性能。一般不得超过般不得超过0.0450.05%。磷（磷（P）磷是有害元素，磷是有害元素，它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆，其含量应限它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆，其含量应限制在制在0.045%以内。以内。氧氧（O）、氮氮（N）：氧氧和和氮氮也也是是有有害害杂杂质质，氧氧能能使使钢钢热热脆脆，其其作作用用比比硫硫剧剧烈烈，氮能使钢冷脆，与磷相似。氮能使钢冷脆，与磷相似。碳素结构钢和低合金高强度钢的化学成分分别见附录碳素结构钢和低合金高强

34、度钢的化学成分分别见附录1附表附表1-1和附表和附表1-2。Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料影响钢材性能的主要因素2.62.冶金缺陷的影响：冶金缺陷的影响：是指钢中化学成分的不一致和不均匀性。是指钢中化学成分的不一致和不均匀性。常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹及分层等。常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹及分层等。是指钢中含有的硫化物与氧化物等杂质是指钢中含有的硫化物与氧化物等杂质。是浇注钢锭时，由氧化铁与碳作用所生成的一氧化碳气体不能充分逸出是浇注钢锭时，由氧化铁与碳作用所生成的一氧化碳气体

35、不能充分逸出而形成的。而形成的。这些缺陷都将影响钢材的力学性能这些缺陷都将影响钢材的力学性能。偏析偏析非金属夹杂非金属夹杂气孔气孔Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料影响钢材性能的主要因素2.63.钢材硬化的影响：钢材硬化的影响：是指是指冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大塑性变形，从冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大塑性变形，从而提高了钢的屈服点，同时降低了钢的塑性和韧性。也称为而提高了钢的屈服点，同时降低了钢的塑性和韧性。也称为应变硬化应变硬化。冷作硬化冷作硬化 是指是指氮和碳，随着时间

36、的增长逐渐从纯铁中析出，形成自由碳化物和氮化氮和碳，随着时间的增长逐渐从纯铁中析出，形成自由碳化物和氮化物，对纯铁体的塑性变形起遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性、韧性物，对纯铁体的塑性变形起遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性、韧性下降，俗称老化下降，俗称老化。时效硬化时效硬化 硬硬化化的的结结果果总总是是要要降降低低钢钢材材的的塑塑性性和和韧韧性性，因因此此一一般般不不利利用用硬硬化化所所提提高高的的强度，强度，同时要保证硬化后钢材抗脆断的能力。同时要保证硬化后钢材抗脆断的能力。Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的

37、材料影响钢材性能的主要因素2.64.温度的影响：温度的影响：正温范围内（正温范围内（0以上以上）：）：总的趋势是：温度升高，钢材强度总的趋势是：温度升高，钢材强度降低，应变增大；反之，温度降低，降低，应变增大；反之，温度降低，钢材强度会略有增加，塑性和韧性却钢材强度会略有增加，塑性和韧性却会降低而使钢材变脆会降低而使钢材变脆(见图见图2-16)。T200时，钢材性能没有很大变化；时，钢材性能没有很大变化；T在在250 左右，钢材的强度反而略有提左右，钢材的强度反而略有提高，同时塑性和韧性均下降，材料有转高，同时塑性和韧性均下降，材料有转脆的倾向，钢材表面氧化膜呈现蓝色，脆的倾向，钢材表面氧化膜

38、呈现蓝色，称为蓝脆现象。称为蓝脆现象。Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料影响钢材性能的主要因素2.64.温度的影响：温度的影响：正温范围内（正温范围内（0以上以上）：）：T在在260 320时，在应力持续不变时，在应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形，此种现象称为徐变现象。形，此种现象称为徐变现象。T在在430 540之间强度急剧下降，之间强度急剧下降，600时强度很低不能承担荷载。时强度很低不能承担荷载。Suzhou University of Science&Tec

39、hnology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料影响钢材性能的主要因素2.64.温度的影响：温度的影响：正温降到负温时（正温降到负温时（特别是特别是0以下以下）：）：接近或达到负温度范围内时，钢材强接近或达到负温度范围内时，钢材强度虽有提高，但其塑性和韧性降低，材度虽有提高，但其塑性和韧性降低，材料逐渐变脆，这种性质称为低温冷脆。料逐渐变脆，这种性质称为低温冷脆。低温冷脆低温冷脆 由图由图2-17可见，随着温度的降低冲击韧性值迅速下降，材料将由塑性破坏可见，随着温度的降低冲击韧性值迅速下降，材料将由塑性破坏转变为脆性破坏。这一转变是在一个温度区间转变为脆性破坏。这一转变是在一个温度区间T1T

40、2内完成的，此温度区称为钢内完成的，此温度区称为钢材的脆性转变温度区，在此区内曲线的材的脆性转变温度区，在此区内曲线的反弯点反弯点T0所对应的温度称为所对应的温度称为转变温度转变温度。Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料影响钢材性能的主要因素2.65.应力集中的影响：应力集中的影响：在钢构件中经常存在着截面改变、在钢构件中经常存在着截面改变、孔洞、槽口、凹角以及钢材内部缺陷等。孔洞、槽口、凹角以及钢材内部缺陷等。此时，构件中的应力分布将不再保持均此时，构件中的应力分布将不再保持均匀，而是在某些区域产生局部高峰应力，匀

41、，而是在某些区域产生局部高峰应力，在另外一些区域则应力降低，形成所谓在另外一些区域则应力降低，形成所谓应力集中现象（见图应力集中现象（见图2-18）。）。应力集中应力集中 应力集中造成双向或三向应力场的复杂应力状态，从而使钢材塑性降低，容易应力集中造成双向或三向应力场的复杂应力状态，从而使钢材塑性降低，容易产生脆性破坏！产生脆性破坏！在负温或动力荷载作用下工作的结构，应力集中的不利影响将十分突出，往往在负温或动力荷载作用下工作的结构，应力集中的不利影响将十分突出，往往是引起脆性破坏的根源，故在设计中应采取措施避免或减小应力集中。是引起脆性破坏的根源，故在设计中应采取措施避免或减小应力集中。Su

42、zhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料钢结构用材的种类和规格2.71.钢材的种类：钢材的种类：平炉钢：冶炼时间长，成本较高。平炉钢：冶炼时间长，成本较高。沸腾钢（代号沸腾钢（代号F）：脱氧较差。）：脱氧较差。半镇静钢半镇静钢（代号（代号b）：脱氧充分。）：脱氧充分。按冶炼方法分：按冶炼方法分：转炉钢：生产效率高，成本低，已成为炼钢的主要方式。转炉钢：生产效率高，成本低，已成为炼钢的主要方式。按脱氧方法分：按脱氧方法分：镇静钢（代号镇静钢（代号Z）：脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间。）：脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间。特殊镇静

43、钢特殊镇静钢（代号（代号TZ）：）：加强脱氧剂铝或钛补充脱氧的镇静钢。加强脱氧剂铝或钛补充脱氧的镇静钢。Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料钢结构用材的种类和规格2.71.钢材的种类：钢材的种类：轧制钢轧制钢(热轧、冷轧热轧、冷轧)、锻钢、锻钢、铸钢。、铸钢。按成型方法分类：按成型方法分类：钢结构用的钢材主要有两种：钢结构用的钢材主要有两种：碳素结构钢碳素结构钢和和低合金钢低合金钢。结构钢的表示方法：结构钢的表示方法：Q Q屈服强度中屈字汉语拼音的字首屈服强度中屈字汉语拼音的字首阿拉伯字阿拉伯字表示屈服强度的大小，单

44、位：表示屈服强度的大小，单位：表示按质量划分的级别：表示按质量划分的级别：A、B、C、D脱氧方法的符号（脱氧方法的符号（Z Z、TZTZ可省略）可省略）F-沸腾钢沸腾钢b-半镇静钢半镇静钢Z-镇静钢镇静钢TZ-特殊镇静钢特殊镇静钢Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料钢结构用材的种类和规格2.71.钢材的种类：钢材的种类：（1 1）碳素结构钢：）碳素结构钢：钢号中质量分级由钢号中质量分级由A到到D，表示质量由低到高。，表示质量由低到高。A级钢级钢冲击韧性不作为要求条件，冷弯试验只在需方要求时进行；冲击韧性不作为要求条件

45、，冷弯试验只在需方要求时进行；B级钢级钢要求常温（要求常温（205）冲击韧性值）冲击韧性值Akv 27J、冷弯合格；、冷弯合格；C级钢级钢要求（要求（0）冲击韧性值）冲击韧性值Akv 27J、冷弯合格；、冷弯合格；D级钢级钢要求负温（要求负温（20）冲击韧性值）冲击韧性值Akv 27J、冷弯合格；、冷弯合格；对对Q235钢来说，钢来说，A、B两级的脱氧方法可以是两级的脱氧方法可以是Z、b或或F，C级只能是级只能是Z，D级只能是级只能是TZ。碳素结构钢按现行标准规定的化学成分和机械性能取值，见附表碳素结构钢按现行标准规定的化学成分和机械性能取值，见附表1-1和附和附表表1-2。Suzhou Un

46、iversity of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料钢结构用材的种类和规格2.71.钢材的种类：钢材的种类：（2 2）低合金钢：）低合金钢：A级钢级钢冲击韧性不作为要求条件，冷弯试验只在需方要求时进行；冲击韧性不作为要求条件，冷弯试验只在需方要求时进行；B级钢级钢要求常温（要求常温（205）冲击韧性值）冲击韧性值Akv 34J、冷弯合格；、冷弯合格；C级钢级钢要求（要求（0）冲击韧性值）冲击韧性值Akv 34J、冷弯合格；、冷弯合格；D级钢级钢要求负温（要求负温（20）冲击韧性值）冲击韧性值Akv 34J、冷弯合格；、冷弯合格；低合金钢是在钢的冶炼过

47、程中添加少量几种合金元素（合金元素的总量低低合金钢是在钢的冶炼过程中添加少量几种合金元素（合金元素的总量低于于5），使钢的强度明显提高，故称低合金高强度结构钢。），使钢的强度明显提高，故称低合金高强度结构钢。分为分为Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五种牌号五种牌号，中间的三种为钢结构的常用钢种，中间的三种为钢结构的常用钢种。这三种钢。这三种钢都包括都包括A、B、C、D、E五种质量等级。五种质量等级。E级钢级钢要求负温（要求负温（40）冲击韧性值）冲击韧性值Akv 27J、冷弯合格；、冷弯合格；低合金高强度结构钢的低合金高强度结构钢的A、B级属于镇静钢级属于镇静钢(Z)，C、D、

48、E级属于特殊镇静钢级属于特殊镇静钢(TZ)。Suzhou University of Science&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料钢结构用材的种类和规格2.71.钢材的种类：钢材的种类：（3 3）优质碳素结构钢优质碳素结构钢：优质碳素结构钢是碳素钢经过热处理，如调质处理和正火处理得到综合优质碳素结构钢是碳素钢经过热处理，如调质处理和正火处理得到综合性能较好。它与碳素钢的主要区别在于杂质元素少，其他缺陷也受到严格限制。性能较好。它与碳素钢的主要区别在于杂质元素少，其他缺陷也受到严格限制。用于高强度螺栓的用于高强度螺栓的8.8级优质碳素钢（级优质碳素钢（45号钢）和号钢

49、）和10.9级低合金高强度钢的强级低合金高强度钢的强度较高，塑性和韧性也比较优越。度较高，塑性和韧性也比较优越。（4 4）耐候钢和耐火钢耐候钢和耐火钢：耐候钢：在钢冶炼过程中，加入少量特定的合金元素耐候钢：在钢冶炼过程中，加入少量特定的合金元素，使之在金属基体表面，使之在金属基体表面上形成保护层，以提高钢材耐大气腐蚀性能。上形成保护层，以提高钢材耐大气腐蚀性能。耐火钢：在钢种加入少量的贵金属钼、铬、铌等，具有较好抗高温性能，特耐火钢：在钢种加入少量的贵金属钼、铬、铌等，具有较好抗高温性能，特别是在高温下具有较高强度。别是在高温下具有较高强度。Suzhou University of Scien

50、ce&Technology第第2章章 钢结构的材料钢结构的材料钢结构用材的种类和规格2.72.钢材的选择：钢材的选择：正确选择钢材的目的是保证结构安全可靠、经济合理。正确选择钢材的目的是保证结构安全可靠、经济合理。选用原则选用原则 结构的重要性结构的重要性 荷载情况荷载情况连接方法连接方法 钢材厚度和结构形式钢材厚度和结构形式结构所处的温度和环境结构所处的温度和环境 选材应考虑的选材应考虑的选材应考虑的选材应考虑的选材应考虑的选材应考虑的主要因素主要因素主要因素主要因素主要因素主要因素 对于重要结构、直接承受动载的结构、处于低温条件下的结构及焊接对于重要结构、直接承受动载的结构、处于低温条件下