第2章-钢结构的材料

第二章 钢结构的材料主要内容及重点：

钢材的主要性能 影响钢材性能的主要因素 钢材的疲劳 建筑钢材的规格和选用

2.1 钢材的主要性能2.1.1 钢材的破坏形式 1、延性破坏和非延性破坏(塑性破坏和脆性破 坏) 塑性破坏(延性破坏):有屈服现象，破坏前有 较大的塑性变形； 脆性破坏(非延性破坏):无屈服现象，破坏前 没有塑性变形或只有很小的塑性变形。 将结构或构件设计成延性结构是我们设计的 目的。但并非所有的塑性材料都发生塑性破坏。

一种钢材具有塑性变形能力的大小，不仅取 决于钢材原始的化学成分，熔炼与轧制条件， 也取决于后来所处的工作条件。即使原来塑 性表现极好的钢材，改变了工作条件，如在 很低的温度之下受冲击作用，也完全可能呈 现脆性破坏。所以，严格地说，不宜把钢材 划分为塑性和脆性材料，而应该区分材料可 能发生的塑性破坏与脆性破坏。

二个钢构件，材质相同，长度相同：

直径d0=10mm d0=10mm (刻槽处) 破坏时，拉长较多； 破坏时，无明显变形； 屈服时：fy=251N/mm2 fy=274N/mm2 拉断时：fu=431 N/mm2 fu=431 N/mm2 可见：改变了工作条件，即使塑性材料也可能发生脆性破 坏，在设计中应避免这种情况出现。

1972年廊坊因一个杆脆断屋架倒塌 1979年吉林煤气罐大爆炸(12月中旬) 1995年南朝鲜大桥倒塌 1999年四川綦江大桥倒塌 原因：钢材内部缺陷、焊接及制造缺陷、构 造不合理、使用不当等。 原则：在制作和使用过程中，应充分考虑各 方面因素，尽量发挥材料的塑性， 避免一切发生非延性破坏的可能性。

2.1.2 单轴拉伸时的工作性能 条件：标准试件，常温(20℃)下缓慢加载，直 到拉断破坏，一次完成。 标准试件l0 / d =5,10;l0—标距； d—直径

强度指标：比例极限 f p ;屈服强度 f y ;极限强度 f u

a)

σ /MPafu

b)

σ /MPafu

4 00 3 00

fy2 00

fy fp应变硬化 缩裂和破坏 II III IV

弹性 塑性100

0

1

4

6

8

10 12 14 16 18 2 0

﹪

ε

I

ε

钢材在单向均匀受拉时工作性能表现为四个阶段 1. 弹性阶段: 应力最高点对应比例极限 f p

弹性模量应力

E 2.06 105 N mm2

E

2. 弹塑性阶段: 应力介于 f p 和 f y 之间弹塑性模量 Et 是变数 3. 塑性阶段: 应力达到屈服强度 f yEt 0, : 0.15% 2.5%

4. 强化颈缩阶段: 应力最高点对应抗拉极限 f u

钢材的工作性能可以看作理想弹性塑性体 1. 计算简便 2. f y与 f p 相差不大 3. 虽然 fu > f y ,但 fu 对应 的应变非常大(不满足正 常使用极限状态)

4. 以 f y 作为设计强度的依据，具有较大的强度储备， 若出现偶然因

素，使人们有机会补救 屈强比 f y / fu :Q235钢为0.57,Q345钢为0.67

一次拉伸试验中重要指标：

屈服强度fy:材料强度标准值，当结构或构件 截面 ≥ fy时，认为结构或构件丧失了继续 承载的能力。 fy= 0.2(名义屈服点)。 抗拉强度fu:构件的最大承载力，直接反映钢 材的内部组织的优劣， fu愈高，强度储备愈 高。 fu/ fy——强屈比，钢材塑性设计的一个 重要条件。 l1 l0 5,10 100% 伸长率 l0 衡量钢材塑性的主要指标。

f y 作为钢结构设计的最大应力 简化计算, 采用理想弹塑性模型 f u 作为钢材实际破坏强度

2.1.3 冷弯性能

冷弯性能是检验钢材适应冷加 工(常温下加工)的能力和显示 钢材内部缺陷状况的一项指标 冷弯性能是考察钢材在复杂应 力状态下发展塑性变形能力的指 标 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 冷弯性能由冷弯试验确定

2.1.4 冲击韧性 冲击韧性：在动力荷载作用下，材料吸收能量的能力 韧性是钢材强度和塑性的综合指标 衡量冲击韧性的指标：冲击功 k J / cm2 梅氏U型缺口试件:冲击试验的标准试件型式：我国采用夏比V型缺口试件 夏比V型缺口试件: CV J

冲击韧性受温度 的影响

2.1.5 可焊性 可焊性指钢材采用一定的焊接方法、焊接材料、焊接工艺参数及一定的结构形式等条件下，获得合格焊缝的难易程 度。 可焊性受化学成分的影响比较大碳含量在0.12%~0.20 %范围内的碳素钢，可焊性最好。碳含量再高可使焊缝和热影 响区变脆。

衡量低合金钢的可焊性的计算 M n Cr M o V Cu N i % 碳当量： Ceq % C 6 5 15 <0.38焊接性能一般

Ceq %

=0.38~0.45焊接性能较难>0.45焊接性能难

2.1.6 钢材性能的鉴定

进场验收：检查钢材的质量合格证明文件、 中文标识及检验报告、确认钢材的品种、 规格、性能是否符合现行国家标准和设计 要求。出现如下情况应复检：国外进口钢材 钢材混批 板厚等于或大于40mm,且设计有Z向性能要求 的厚板 建筑结构安全等级为一级，大跨度钢结构中主要 受力构件所采用的钢材 设计有复检要求的钢材 对质量有疑义的钢材

2.2 影响钢材性能的主要因素2.2.1 化学成分普通碳素钢中Fe占99%,其他杂质元素占1% 普通低合金钢中有<5%的合金元素 碳(C):钢材强度的主要来源，但是随其含量增加，强 度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降 低。一般控制在0.12%~0.2%,在0.2%以下 时，可焊性良好 硫(S):热脆性，不得超过0.05% 磷(P):冷脆性。抗腐蚀能力略

有提高，可焊性降低。 不得超过0.045%