1、大家好大家好1钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure1 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）耐久性好耐久性好第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure2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
2、结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure2 2、钢材的生产、钢材的生产钢材的生产大致分为钢材的生产大致分为冶炼冶炼、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。）量大，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
3、高温下使铁液变为钢液氧化，在高温下使铁液变为钢液。（生产周期短，效率高，质量好，成。（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。）本低，已经成为国内外发展最快的炼钢方法。）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，现已逐步被转炉钢所取代。）低，成本高，现已逐步被转炉钢所取代。）（1 1）炼）炼 钢钢3第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Mate
4、rial 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。用用连续铸造法连续铸造法生产钢坯的工艺和设备，由于机械化、自动化生产钢坯的工艺和设备，由于机械化、自动化程度高的优势，已经逐渐取代了笨重而复杂的程度高的优势，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。钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不均匀并发生热脆，降钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不均匀并发生热脆，降低钢材的力学性能。低钢材的力学性能。按照钢液在炼钢炉中
5、进行脱氧的方法和程度不同，碳素结构钢按照钢液在炼钢炉中进行脱氧的方法和程度不同，碳素结构钢可分为可分为沸腾钢沸腾钢、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4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 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
6、氧能力较弱的锰锰，因此脱氧不完全，且浇，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，气体逸出不完全，凝固后的钢材中留有较多的杂质和冷却很快，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。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，会产生热量，使钢液冷却缓慢，让气体充分逸出，钢的质量好，但成本高。但成本高。半半 镇镇 静静 钢钢特
7、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。5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，以获得所需性能的加工工艺。（退火、织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺。（退火、正火、淬火和回火）正
8、火、淬火和回火）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，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。（热加工的开轧和锻生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压温度控制在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）6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、钢材
9、的主要性能、钢材的主要性能3.1 3.1 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
10、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。7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 Structure3.2 3.2 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）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等缺陷。试件的标
11、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。左右。Lod d 标准试件标准试件8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 （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
12、阶段(OB段段)usesOAsesEBCDAEys 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 eA A点对应的应力：点对应的应力：s sp p（比例极限）（比例极限）ABAB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：s se（弹性极限弹性极限）9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 Structur
13、e（b）屈服阶段屈服阶段（BCD)塑性变形塑性变形：卸载后试件：卸载后试件不能完全恢复原来的长不能完全恢复原来的长度。不能恢复的这一部度。不能恢复的这一部分变形称为塑性变形。分变形称为塑性变形。屈服点（屈服强度）屈服点（屈服强度）：屈服阶段曲线波动部分屈服阶段曲线波动部分的最低值。的最低值。流幅流幅：从屈服阶段的开：从屈服阶段的开始到曲线再度上升的应始到曲线再度上升的应变幅度称为流幅。变幅度称为流幅。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。出现应力不增加
14、而应变仍然在继续发展。usesOAsesEBCDAEys10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（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）fu 试件所能承受的最大拉应力试件所能承受的最大拉应力（d d）颈缩阶段）颈缩阶段(EF(EF段段)usesOAsesEBCDAEys截面出现了横向收截面出现了横向收缩，截面面
15、积开始缩，截面面积开始显著缩小，塑性变显著缩小，塑性变形迅速增大，应力形迅速增大，应力不断降低，变形却不断降低，变形却延续发展，直至延续发展，直至F F点点试件断裂。试件断裂。F F11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 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“
16、名义屈服点名义屈服点”sefy=f0.20.2%fup 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钢材在拉伸过程中没有材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变形屈服阶段，塑性变形小，破坏突然。小，破坏突然。12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 3.3 单向拉伸时钢材的机械性能指标单向拉伸时钢材的机械性能指标 （1 1）屈服点屈服点f fy y应力应变曲线开始产生塑性流
17、动时对应的应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设计值的重要指标。承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。（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。是钢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）而不立即断裂的性质。塑性好坏可的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏
18、可用用断面收缩率断面收缩率 和伸长率和伸长率 表示，通过静力拉伸试验得到。表示，通过静力拉伸试验得到。13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。LodNNNLdN%100001-llll0 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件有两种标距：试件有两种标距：l0/d0=5 和和 l0
19、/d0=10 相应的伸长率用相应的伸长率用5和和10表示。伸长率表示。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。14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（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。缩小值与原断面面积比值的百分比。%100110-AAA式中：式中：A0
20、 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试件拉断后颈缩区的断面面积积 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。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。A0A115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 Structure3.4 3.4 应力应变曲
21、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）钢材在屈服点之前的性质接近理想的弹性体。接近理想的弹性体。2 2）屈服点之后的流幅现象又）屈服点之后的流幅现象又接近理想的塑性体，并且流幅接近理想的塑性体，并且流幅的范围（的范围（e e0.150.15-2.5-2.5）已足够用来考虑结构或构件的已足够用来考虑结构或构件的塑性变形的发展。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 16第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Material
22、 of Steel Structure钢结构设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure3.5 3.5 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。力和冶金质量的综合指标。1.1.冷弯性能冷弯性能钢材在冷加工（常温下加工）钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对发生裂缝产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力。的抵抗能力。鉴别指标鉴别指标：通过冷弯冲头加压。：通过冷弯冲头加压。当试件弯曲至当试件弯曲至180180时，检察试件时，检察试件弯曲部分的外面、里面和侧面，弯曲部分的外面
23、、里面和侧面，如果没有裂纹、断裂或分层，即如果没有裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。认为试件冷弯性能合格。17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 Structure2.2.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。用断裂时吸收的总吸收能量的能力。用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。韧能量（弹性和非弹性能）来表示。韧性指标用冲击韧性值表示，冲击韧性性指标用冲击韧性值表
24、示，冲击韧性也叫冲击功，用符号也叫冲击功，用符号W Wkvkv或或C Cv v表示，单表示，单位为位为J J。冲击韧性试验冲击韧性试验 一般采用试件长一般采用试件长55mm55mm，截面，截面101010mm10mm2 2，中间一小，中间一小槽。在摆锤式冲击试验机上进行试槽。在摆锤式冲击试验机上进行试验，冲断试件后，读出摆锤消耗的验，冲断试件后，读出摆锤消耗的功。功。冲击韧性试验冲击韧性试验18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 St
25、ructure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，夏氏型，夏氏钥孔型和梅氏钥孔型和梅氏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冲击韧性还与试验的温度有关。我国钢材温度有关。我国钢材标准中将试验分为四标准中将试验分为四档，即档，即+20,0+20,0，-2020和和-40-40时的冲击时的冲击韧性。温度越低，冲韧性。温度越低，冲击韧性越低。击韧性越低。19
26、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 好的可焊性是指焊接安全、可靠、不发生焊接裂缝，焊接接头好的可焊性是指焊接安全、可靠、不发生焊接裂缝，焊接接头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。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。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
27、量在0.12%0.12%0.20%0.20%范围内的碳素钢，可焊性最好（如范围内的碳素钢，可焊性最好（如Q235BQ235B）。对于高强度低合金钢中，低合）。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，我国行业标准金元素大多对可焊性有不利影响，我国行业标准JGJ81-2002JGJ81-2002建筑钢结构建筑钢结构焊接技术规程焊接技术规程推荐使用碳当量来衡量低合金钢的可焊性。当碳当量小于推荐使用碳当量来衡量低合金钢的可焊性。当碳当量小于0.38%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。15ui5or6nEC
28、NVMCMCC（2.4.1）20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 Cv 小小 节节21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
29、钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure3.6 3.6 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四能量强度理论第四能量强度理论 材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积中积聚的能量来表达单位体积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，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。钢材即由弹性转入塑性。osxszsyyzyxxyxzzyzxZXY单元体受复杂应力单元体受复杂应力状态下的分量状态下的分量s1s1s2s2s3s3单元
30、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22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，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。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。2222223zxyzxyxzzyyxzyxzsssssssssss-（2.3.1）用
31、主应力用主应力 、表示时，有表示时，有:1s2s3syzf-)(133221232221ssssssssss（2.3.2）)()()(21213232221sssssss-z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。yzsfsyzsfs23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，这当钢材厚度较薄时，厚度方向的应力很小，常可
32、忽略不计，这时三向应力状态可以简化为平面应力状态时三向应力状态可以简化为平面应力状态：yxyyxyxzsf-2223sssss（2.3.3）一般梁中只存在正应力一般梁中只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：yzsf223ss（2.3.4）纯剪时纯剪时=0=0 则有：则有：yzsfs332（2.3.5）yyff58.031 即钢材的剪切屈服点是拉伸屈即钢材的剪切屈服点是拉伸屈服点服点f fy y的的0.58 0.58 倍倍24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 Des
33、ign 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号应力分析结果：分析结果：（1 1）相对于单向拉伸而言，钢材在钢）相对于单向拉伸而言，钢材在钢材在双向拉力作用下屈服点和抗拉强度材在双向拉力作用下屈服点和抗拉强度提高，但是塑性下降。提高，但是塑性下降。双向应力作用下对双向应力作用下对钢材材性的影响钢材材性的影响0yfbyfcyf(a)(b)(c)（3 3）主应力异号时，易屈服，破坏呈）主应力异号时，易屈服，破坏呈塑性，差别越大越明显。塑性，差别
34、越大越明显。（2 2）主应力同号时，不易屈服，塑性）主应力同号时，不易屈服，塑性下降，越接近越明显。下降，越接近越明显。25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.各种因素对钢材的影响各种因素对钢材的影响4.1 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。铁（力学性能。铁（FeFe）是钢材的基本元素，普通碳素钢中
35、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，）等有益元素，及硫（及硫（S S）、磷（）、磷（P P）、氧（）、氧（O O）、氮（）、氮（N N）等有害元素，这）等有害元素，这些总含量不大，约些总含量不大，约1%1%，但对钢材力学性能却有很大影响。，但对钢材力学性能却有很大影响。低合金钢中有低合金钢中有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)(Cr)等。等。26第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料
36、 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）：形成钢材强度的主要成分，随其含量增加，强形成钢材强度的主要成分，随其含量增加，强度增加，塑性和韧性降低，可焊性和抗腐蚀性降低。度增加，塑性和韧性降低，可焊性和抗腐蚀性降低。碳素钢按碳含量区分，小于碳素钢按碳含量区分，小于0.250.25的为低碳钢，介于的为低碳钢，介于0.250.25和和0.60.6之间的为中碳钢，大于之间的为中碳钢，大于0.60.6的为高碳钢。的为高碳钢。钢结构用钢中，碳含量
37、一般控制在钢结构用钢中，碳含量一般控制在0.22%0.22%以下，当其含量以下，当其含量在在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）：钢材中的有害元素，具有热脆性（温度达到钢材中的有害元素，具有热脆性（温度达到800-1000800-1000时，硫化铁会熔化使钢材变脆，从而引发热裂时，硫化铁会熔化使钢材变脆，从而引发热裂纹）。规范规定结构用钢中硫的含量不得超过纹）。规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。27第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter 2 Mat
38、erial 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，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，规范中规定不得超过磷的含量也要严格控制，规范中规定不得超过0.045%0.045%。5.5.氮（氮（N N）：有害杂质，：有害杂质，与与P P相似相似。6.6.锰（锰（MnMn）：有益元素。
39、在普通碳素钢中，是一种弱脱氧剂，可提有益元素。在普通碳素钢中，是一种弱脱氧剂，可提高钢材强度，与高钢材强度，与S S形成形成MnSMnS，熔点，熔点16001600，可以消除硫对钢材的热脆，可以消除硫对钢材的热脆影响。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。锰共同除氧，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：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。9.9.铜（铜（Cu
40、Cu）：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。28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 Structure4.2 4.2 冶金缺陷的影响冶金缺陷的影响 1.1.偏析偏析 金属结晶后化学成分分布不均匀的现象。主要金属结晶后化学成分分布不均匀的现象。主要是硫、磷偏析，其后果是偏析区钢材的塑性、韧性、可焊是硫、磷偏析，其后果是偏析区钢材的塑性、韧性、可焊性变坏。性变坏。3.3.裂纹裂纹 钢材中存在的
41、微观裂纹。钢材中存在的微观裂纹。2.2.非金属夹杂非金属夹杂 指钢材中的非金属化合物，如硫化物、指钢材中的非金属化合物，如硫化物、氧化物，他们使钢材性能变脆。氧化物，他们使钢材性能变脆。4.4.气泡气泡 浇铸时由浇铸时由FeOFeO和和C C作用所生成的作用所生成的COCO气体不能充分逸气体不能充分逸出而滞留在钢锭那形成的微小空洞。出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。29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
42、设计原理钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure4.3 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，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。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，使钢材的屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下降的现象物质析出，使钢材的屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下降
43、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。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。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）30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 Desi
44、gn 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31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 4.4 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
45、力分布不再保持均匀，而是化、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力，形成所谓在一些区域产生局部高峰应力，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32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 可以看出截面槽可以看出截面槽口改变愈急
46、剧，应口改变愈急剧，应力集中现象愈厉害，力集中现象愈厉害，其抗拉强度愈高，其抗拉强度愈高，但塑性愈差，破坏但塑性愈差，破坏的脆性倾向愈大。的脆性倾向愈大。1020300.425100%(N/mm2)10测距1001010060070050040030020010033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 Structure4.5 4.5 荷载类型的影响荷载类型的影响荷载可分为静力和动力两大类荷载可分为静力和动力两大类1.1.加荷速度的影
47、响加荷速度的影响 这是加载过程中出现的问题。加荷速度过快，构件来不及变这是加载过程中出现的问题。加荷速度过快，构件来不及变形，得到的屈服点也高，且呈脆性。特别在低温时对钢材性能的形，得到的屈服点也高，且呈脆性。特别在低温时对钢材性能的影响要比常温下大得多。影响要比常温下大得多。因此，试验时需规定加载速度；静力加载试验一般应加载因此，试验时需规定加载速度；静力加载试验一般应加载5 5分分钟后再读数据。钟后再读数据。2.2.循环荷载的影响循环荷载的影响 钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤，产生裂纹及钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤，产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏裂纹逐渐扩展，直
48、到最后破坏（疲劳破坏）（疲劳破坏）。34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 Structure4.6 4.6 温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，钢材材以内，钢材材质变化很小，钢结构可用于温度质变化很小，钢结构可用于温度不高于不高于150150的场合。的场合。（2 2）温度在）温度在250250左右的区间内左右的区间内出现出现蓝脆现象蓝脆现象，fu 有局部性提高，有局部性提高，同时塑性降至
49、最低，材料有转脆同时塑性降至最低，材料有转脆倾向。倾向。（3 3）当温度达到）当温度达到600600时，钢材时，钢材进入热塑性状态，强度下降严重，进入热塑性状态，强度下降严重，将丧失承载能力。将丧失承载能力。温度对钢材力学性能的影响温度对钢材力学性能的影响)/(2mmNs(%)fufyE负温范围：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，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，称为钢材的逐渐变脆，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。钢材的冲击韧性对温度的降低十分敏感。分敏感。35第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 Chapter
50、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变温度全塑性转变温度。（2 2）钢材由塑性破坏转变为）钢材由塑性破坏转变为脆性破坏是在温
