1、1第二章第二章 建筑结构材料建筑结构材料1.1.影响钢材力学性能的主要因素影响钢材力学性能的主要因素本章主要内容本章主要内容1.1.影响钢材力学性能的主要因素影响钢材力学性能的主要因素 影响钢材力学性能的因素有很多，本节主要讨论化学影响钢材力学性能的因素有很多，本节主要讨论化学成分、冶金缺陷、钢材硬化、应力集中、残余应力、温度成分、冶金缺陷、钢材硬化、应力集中、残余应力、温度变化及疲劳对钢材性能的影响。变化及疲劳对钢材性能的影响。（1 1）化学成分）化学成分 碳：形成钢材强度的主要成分。碳含量提高，则碳：形成钢材强度的主要成分。碳含量提高，则钢钢材强度提高材强度提高，但同时钢材的塑性、韧性、冷
2、弯性能、可焊，但同时钢材的塑性、韧性、冷弯性能、可焊性及抗锈蚀能力下降，性及抗锈蚀能力下降，尤其是低温下的冲击韧性也会降低尤其是低温下的冲击韧性也会降低。锰和硅：锰和硅：钢中的有益元素钢中的有益元素，都是脱氧剂，可提高强，都是脱氧剂，可提高强度，又不会过多降低塑性和冲击韧性度，又不会过多降低塑性和冲击韧性。钒、铌、钛：钒、铌、钛：钢中的合金元素钢中的合金元素，既可以提高钢材强度，既可以提高钢材强度，又可保持良好的塑性、韧性。又可保持良好的塑性、韧性。铝：铝：强脱氧剂强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，能进一步减少钢，用铝进行补充脱氧，能进一步减少钢中的有害氧化物。中的有害氧化物。铬和镍：铬和镍：提高钢
3、材强度的合金元素。提高钢材强度的合金元素。硫和磷：冶炼过程中留在钢中的杂质，有害元素。它硫和磷：冶炼过程中留在钢中的杂质，有害元素。它们们降低降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度。钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度。硫能使钢硫能使钢材材“热脆热脆”，磷使钢材，磷使钢材“冷脆冷脆”。“热脆热脆”：硫能生成易于熔化的硫化铁，当热加工及：硫能生成易于熔化的硫化铁，当热加工及焊接使温度达焊接使温度达8001000时，使钢材出现裂纹、变脆的时，使钢材出现裂纹、变脆的现象。现象。“冷脆冷脆”：在低温时，磷使钢材的冲击韧性大幅度下：在低温时，磷使钢材的冲击韧性大幅度下降的现象。降的现象。氧和氮：钢中的有害
4、杂质。氧和氮：钢中的有害杂质。氧能使钢热脆，氮能使钢氧能使钢热脆，氮能使钢冷脆。冷脆。（2 2）冶金缺陷的影响）冶金缺陷的影响 常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹、常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹、分层等，都会使钢材性能变差。分层等，都会使钢材性能变差。（3 3）钢材硬化）钢材硬化 冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很冷拉、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，这种现象称为性和韧性，这种现象称为冷作硬化或应变硬化。冷作硬化或应变硬化。（4 4）温度影响
5、温度影响 钢材对温度相当敏感，温度升高与降低都使钢材性能钢材对温度相当敏感，温度升高与降低都使钢材性能发生变化。发生变化。相比之下，钢材的低温性能更重要。相比之下，钢材的低温性能更重要。在正温范围，总的趋势是随着温度的升高，钢材强在正温范围，总的趋势是随着温度的升高，钢材强度降低，变形增大。约在度降低，变形增大。约在200以内钢材性能没有很大变以内钢材性能没有很大变化，化，430540之间则强度（屈服强度和抗拉强度之间则强度（屈服强度和抗拉强度）急）急剧下降；到剧下降；到600时强度很低不能承担荷载。此外，时强度很低不能承担荷载。此外，250附近有附近有蓝脆现象蓝脆现象，约，约260320时有
6、时有徐变现象徐变现象。（5 5）应力集中（图应力集中（图2.1.42.1.4）应力集中系数愈大，应力集中系数愈大，变脆的倾向愈变脆的倾向愈严重。严重。在负温下或动力在负温下或动力荷载作用下工作的结荷载作用下工作的结构，应力集中的不利构，应力集中的不利影响将十分突出。影响将十分突出。（6 6）反复荷载作用反复荷载作用 钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。重要变化，甚至发生疲劳破坏。2.2.钢材的力学性能钢材的力学性能 建筑钢材的力学性能是衡量钢材质量的重要指标，建筑钢材的力学性能是衡量钢材质量的重要指标，它包括它
7、包括强度强度、塑性塑性、冷弯性能冷弯性能、冲击韧性。冲击韧性。（1 1）强度强度 1 1）有明显屈服点的钢材有明显屈服点的钢材s se e有明显屈服点的钢筋有明显屈服点的钢筋aabcdefua 为比例极限为比例极限oa为弹性阶段为弹性阶段de为强化阶段为强化阶段b为屈服上限为屈服上限c为屈服下限，即屈服强度为屈服下限，即屈服强度 fycd为屈服台阶为屈服台阶e为极限抗拉强度为极限抗拉强度 fu fyfef为颈缩阶段为颈缩阶段o低碳钢和低合金钢（含碳量和低碳钢相同）低碳钢和低合金钢（含碳量和低碳钢相同）一次拉伸时的应力一次拉伸时的应力-应变曲线见图应变曲线见图2.1.5。把把y取为计算构件的强度
8、标准，以取为计算构件的强度标准，以u作为材料的强度储备。作为材料的强度储备。2 2）无明显屈服点的钢材无明显屈服点的钢材 没有明显的屈服点和屈服台阶钢材的应力没有明显的屈服点和屈服台阶钢材的应力-应变曲线见图应变曲线见图2.16。对于没有明显屈对于没有明显屈服点的钢材，以残余变服点的钢材，以残余变形为形为0.2%时的应力作时的应力作为名义屈服点，其值约为名义屈服点，其值约等于极限强度等于极限强度85%。注意：钢材在一次压缩或剪切所表现出来的应力注意：钢材在一次压缩或剪切所表现出来的应力-应变应变变化规律基本上与一次拉伸试验时相似，压缩时的各强度变化规律基本上与一次拉伸试验时相似，压缩时的各强度
9、指标也取用拉伸时的数据，只是剪切时的强度指标数值比指标也取用拉伸时的数据，只是剪切时的强度指标数值比拉伸时的小。拉伸时的小。钢筋冷拉试验钢筋冷拉试验 (点击播放视频点击播放视频)（2 2）塑性性能塑性性能 断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比称为断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比称为伸长率，它是衡量钢材塑性的重要指标。伸长率，它是衡量钢材塑性的重要指标。屈服点屈服点、抗拉强度抗拉强度和和伸长率伸长率，是钢材的三个重要力学，是钢材的三个重要力学性能指标。性能指标。（3 3）冷弯性能冷弯性能 钢筋冷弯试验钢筋冷弯试验 （点击播放视频（点击播放视频）冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性
10、应变能冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标。力和钢材质量的综合指标。冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或塑性冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或塑性性能，还能暴露钢材内部的冶金缺陷，如硫、磷偏析和硫性能，还能暴露钢材内部的冶金缺陷，如硫、磷偏析和硫化物与氧化物的掺杂情况，这些都将降低钢材的冷弯性能。化物与氧化物的掺杂情况，这些都将降低钢材的冷弯性能。（4 4）冲击韧性冲击韧性 韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力。韧性是钢材强度和韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力。韧性是钢材强度和塑性的综合指标。塑性的综合指标。冲击韧性随温度的降低而下降。其规律是开始下降缓冲击韧
11、性随温度的降低而下降。其规律是开始下降缓慢，当达到临界温度时，突然呈脆性，这种性质称为钢材慢，当达到临界温度时，突然呈脆性，这种性质称为钢材的冷脆性。钢材的脆性临界温度越低，低温冲击韧性越好。的冷脆性。钢材的脆性临界温度越低，低温冲击韧性越好。对于直接承受动荷载而且可能在负温下工作的重要结对于直接承受动荷载而且可能在负温下工作的重要结构，应有冲击韧性保证。构，应有冲击韧性保证。3.3.建筑钢材的设计指标建筑钢材的设计指标 （1 1）钢筋的强度标准值和强度设计值）钢筋的强度标准值和强度设计值 材料强度标准值：正常情况下可能出现的最小材料材料强度标准值：正常情况下可能出现的最小材料强度值。强度值。
12、材料强度设计值：材料强度设计值：强度标准值除以材料分项系数。强度标准值除以材料分项系数。钢筋的材料分项系数为钢筋的材料分项系数为:热轧钢筋热轧钢筋1.10，预应力钢筋，预应力钢筋1.20。（2 2）钢筋的弹性模量钢筋的弹性模量 （3 3）钢材的强度设计值钢材的强度设计值 钢材的强度设计值：钢材的强度设计值：钢材的屈服点除以钢材的抗力钢材的屈服点除以钢材的抗力分项系数。分项系数。钢材的抗力分项系数取为，钢材的抗力分项系数取为，Q235钢为钢为1.087，Q345、Q390、Q420钢为钢为1.111。钢材强度设计值根据钢材厚度或直径按规范采用。钢材强度设计值根据钢材厚度或直径按规范采用。结束！结束！谢谢大家！谢谢大家！
