第二章-钢结构的材料.pptx

钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 第一节、概述第一节、概述 用作钢结构的钢材必须满足下列基本要求：用作钢结构的钢材必须满足下列基本要求：较高的强度较高的强度有很好的塑性和韧性即足够的变形能力有很好的塑性和韧性即足够的变形能力良好的制造加工性能良好的制造加工性能容易生产和价格便宜容易生产和价格便宜 特特殊殊工工作作条条件件下下的的某某些些特特有有性性能能。如如低低温温、有有害介质及疲劳等。害介质及疲劳等。钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 根据以上各项要求根据以上各项要求,钢结构规范（钢结构规范（GB50017-200GB50017-2003 3）推推荐荐用用钢钢：规规范范推推荐荐承承重重结结构构宜宜采采用用普普通通碳碳素素钢钢Q235Q235钢和低合金结构钢钢和低合金结构钢Q345Q345钢、钢、Q390Q390钢及钢及Q420Q420钢钢一、钢材的生产一、钢材的生产除了天外来客除了天外来客陨石中可能存在少量的天然铁之陨石中可能存在少量的天然铁之外，地球上的铁都蕴藏在铁矿中外，地球上的铁都蕴藏在铁矿中.从铁矿石开始到最终从铁矿石开始到最终产品的钢材为止产品的钢材为止,钢材的生产大致可分为钢材的生产大致可分为炼铁、炼钢和炼铁、炼钢和轧制轧制三道工序。三道工序。1.炼铁炼铁矿石中的铁是以氧化物的形态存在的，因此要从矿矿石中的铁是以氧化物的形态存在的，因此要从矿石中得到铁石中得到铁,就要用与氧的亲和力比铁更大的物质就要用与氧的亲和力比铁更大的物质一氧化碳与碳等还原剂一氧化碳与碳等还原剂,通过还原作用从矿石中除去氧通过还原作用从矿石中除去氧,钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 还原出铁。这些作用只有在足够的温度下才会发生，还原出铁。这些作用只有在足够的温度下才会发生，因此铁的冶炼都是在可以鼓入热风的高炉内进行因此铁的冶炼都是在可以鼓入热风的高炉内进行,装入装入炉膛内的铁矿石、焦炭、石灰石和少量的锰矿石，在炉膛内的铁矿石、焦炭、石灰石和少量的锰矿石，在鼓入的热风中发生反应，在高温下成为熔融的生铁鼓入的热风中发生反应，在高温下成为熔融的生铁(含含碳量超过碳量超过2.06的铁碳合金称为生铁或铸铁）。的铁碳合金称为生铁或铸铁）。2.2.炼钢炼钢 含碳量在含碳量在2.06以下的铁碳合金称为碳素钢。因此以下的铁碳合金称为碳素钢。因此,当用生铁制钢时当用生铁制钢时,必须通过氧化作用除去生铁中多余的必须通过氧化作用除去生铁中多余的碳和其它杂质，使它们转变为氧化物进入渣中碳和其它杂质，使它们转变为氧化物进入渣中,或成气或成气体逸出。这一作用也要在高温下进行体逸出。这一作用也要在高温下进行,称为炼钢。称为炼钢。常用的炼钢炉有三种形式：常用的炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉转炉、平炉和电炉。钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 电炉电炉炼钢是利用电热原理炼钢是利用电热原理,以废钢和生铁等为主要以废钢和生铁等为主要原料原料,在电弧炉内冶炼。由于不与空气接触在电弧炉内冶炼。由于不与空气接触,易于清除易于清除杂质和严格控制化学成分杂质和严格控制化学成分,炼成的钢质量好。炼成的钢质量好。但因但因耗电耗电量大，成本高量大，成本高，一般只用来冶炼特种用途的钢材。，一般只用来冶炼特种用途的钢材。转炉转炉炼钢是利用高压空气或氧气使炉内生铁熔液中炼钢是利用高压空气或氧气使炉内生铁熔液中的碳和其它杂质氧化的碳和其它杂质氧化,在高温下使铁液变为钢液。氧气在高温下使铁液变为钢液。氧气顶吹转炉冶炼的钢中有害元素和杂质少顶吹转炉冶炼的钢中有害元素和杂质少,质量和加工性质量和加工性能优良，且可根据需要添加不同的元素能优良，且可根据需要添加不同的元素,冶炼碳素钢和冶炼碳素钢和合金钢。由于氧气顶吹转炉可以利用高炉炼出的生铁合金钢。由于氧气顶吹转炉可以利用高炉炼出的生铁熔液直接炼钢熔液直接炼钢,生产周期短、效率高、质量好、成本生产周期短、效率高、质量好、成本低低，已成为国内外发展最快的炼钢方法。，已成为国内外发展最快的炼钢方法。钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 平炉平炉炼钢是利用煤气或其它燃料供应热能炼钢是利用煤气或其它燃料供应热能,把废钢、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途的钢.平炉的平炉的原料广泛，容积大，产量高，冶炼工艺原料广泛，容积大，产量高，冶炼工艺简单简单,化学成分易于控制，炼出的钢质量优良化学成分易于控制，炼出的钢质量优良。但平炉。但平炉炼钢炼钢周期长周期长,效率低，成本高效率低，成本高，现已逐渐被氧气顶吹转，现已逐渐被氧气顶吹转炉炼钢所取代。炉炼钢所取代。3.3.钢材的浇注和脱氧钢材的浇注和脱氧 按钢液在炼钢炉中或盛钢桶中进行脱氧的方法和程按钢液在炼钢炉中或盛钢桶中进行脱氧的方法和程度的不同度的不同,碳素结构钢可分为碳素结构钢可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢钢和特殊镇静钢4 4类类.沸腾钢：沸腾钢：采用脱氧能力较弱的采用脱氧能力较弱的锰锰作脱氧剂作脱氧剂,脱氧不脱氧不完全，在将钢液浇注入钢锭模时完全，在将钢液浇注入钢锭模时,会有气体逸出，出现会有气体逸出，出现钢液的沸腾现象。钢液的沸腾现象。钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 沸腾钢在铸模中冷却很快，钢液中的氧化铁和碳作用生沸腾钢在铸模中冷却很快，钢液中的氧化铁和碳作用生成的一氧化碳气体不能全部逸出，凝固后在钢材中留有成的一氧化碳气体不能全部逸出，凝固后在钢材中留有较多的氧化铁夹杂和气孔。较多的氧化铁夹杂和气孔。钢的质量较差钢的质量较差。镇静钢：镇静钢：采用锰加硅作脱氧剂，脱氧较完全，硅在还采用锰加硅作脱氧剂，脱氧较完全，硅在还原氧化铁的过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢，使原氧化铁的过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢，使气体充分逸出，浇注时不会出现沸腾现象。这种气体充分逸出，浇注时不会出现沸腾现象。这种钢质量钢质量好，但成本高好，但成本高。半镇静钢：半镇静钢：脱氧程度介于上述二者之间。脱氧程度介于上述二者之间。特殊镇静钢特殊镇静钢：在锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧，其脱：在锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧，其脱氧程度高于镇静钢。氧程度高于镇静钢。低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 二、钢材的种类二、钢材的种类碳素结构钢碳素结构钢:是通过在强度较低而塑性较好的纯铁中是通过在强度较低而塑性较好的纯铁中加适量的碳来提高强度的，一般常用的加适量的碳来提高强度的，一般常用的低碳钢低碳钢含碳量不含碳量不超过超过0.25。低合金结构钢低合金结构钢:是在碳素结构钢的基础上，适当添加是在碳素结构钢的基础上，适当添加总量不超过总量不超过5 5的其它合金元素的其它合金元素,来改善钢材的性能来改善钢材的性能.钢钢材的强度得到提高材的强度得到提高,而塑性、韧性和焊接性能并不降低而塑性、韧性和焊接性能并不降低.三、钢材的加工三、钢材的加工钢材的加工分为钢材的加工分为热加工、冷加工和热处理热加工、冷加工和热处理三种。三种。热加工热加工:将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状，产生出各种厚度的钢板和型钢，称为状，产生出各种厚度的钢板和型钢，称为热加工热加工。冷加工冷加工:在常温下对钢材进行加工称为在常温下对钢材进行加工称为冷加工冷加工。热处理热处理:通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢的通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢的 钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 组织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺称为组织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺称为热热处理处理。1.1.热加工热加工 钢材的钢材的轧制轧制或或锻压锻压等热加工开始热加工时的温度等热加工开始热加工时的温度不得过高，以免钢材氧化严重，而终止热加工时的温度不得过高，以免钢材氧化严重，而终止热加工时的温度也不能过低，以免钢材塑性差，引发裂纹。一般开轧和也不能过低，以免钢材塑性差，引发裂纹。一般开轧和锻压温度控制在锻压温度控制在11501300。钢材的钢材的轧制轧制是通过一系列轧辊是通过一系列轧辊,使钢坯逐渐辊轧成使钢坯逐渐辊轧成所需厚度的钢板或型钢，图所需厚度的钢板或型钢，图2.2.3是宽翼缘是宽翼缘H H型钢的轧制型钢的轧制示意图示意图:钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 钢材的钢材的锻压锻压是将加热了的钢坯用锤击或模压的方法是将加热了的钢坯用锤击或模压的方法加工成所需的形状，钢结构中的某些连接零件常采用加工成所需的形状，钢结构中的某些连接零件常采用此种方法制造。此种方法制造。热加工可破坏钢锭的铸造组织热加工可破坏钢锭的铸造组织,使金属的晶粒变细，使金属的晶粒变细，还可在高温和压力下压合钢坯中的气孔、裂纹等缺还可在高温和压力下压合钢坯中的气孔、裂纹等缺陷，改善钢材的力学性能。陷，改善钢材的力学性能。热轧薄板和壁厚较薄的热轧薄板和壁厚较薄的 钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 热轧型钢，因辊轧次数较多，轧制的压缩比大，钢材热轧型钢，因辊轧次数较多，轧制的压缩比大，钢材的性能改善明显，其强度、塑性、韧性和焊接性能均的性能改善明显，其强度、塑性、韧性和焊接性能均优于厚板和厚壁型钢优于厚板和厚壁型钢。热加工使金属晶粒沿变形方向形成纤维组织，使钢热加工使金属晶粒沿变形方向形成纤维组织，使钢材沿轧制方向（纵向）的性能优于垂直轧制方向（横材沿轧制方向（纵向）的性能优于垂直轧制方向（横向）的性能，即使其各向异性增大。因此对于钢板部向）的性能，即使其各向异性增大。因此对于钢板部件应沿其横向切取试件进行拉伸和冷弯试验。件应沿其横向切取试件进行拉伸和冷弯试验。钢中的硫化物和氧化物等非金属夹杂，经轧制之后钢中的硫化物和氧化物等非金属夹杂，经轧制之后被压成薄片，对轧制压缩比较小的厚钢板来说，该薄被压成薄片，对轧制压缩比较小的厚钢板来说，该薄片无法被焊合，会出现分层现象。片无法被焊合，会出现分层现象。2.2.冷加工冷加工在常温或低于再结晶温度的情况下，通过机械的力在常温或低于再结晶温度的情况下，通过机械的力 钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 量，使钢材产生所需要的永久塑性变形，获得需要的量，使钢材产生所需要的永久塑性变形，获得需要的薄板或型钢的工艺称为薄板或型钢的工艺称为冷加工冷加工。冷加工包括冷轧、冷。冷加工包括冷轧、冷弯、冷拔等延伸性加工，也包括剪、冲、钻、刨等切弯、冷拔等延伸性加工，也包括剪、冲、钻、刨等切削性加工。削性加工。经过冷加工的钢材均产生了不同程度的塑性变形，经过冷加工的钢材均产生了不同程度的塑性变形，金属晶粒沿变形方向被拉长，局部晶粒破碎、位错密金属晶粒沿变形方向被拉长，局部晶粒破碎、位错密度增加，并使残余应力增加。度增加，并使残余应力增加。钢材经冷加工后，会产钢材经冷加工后，会产生局部或整体硬化，即在局部或整体上提高了钢材的生局部或整体硬化，即在局部或整体上提高了钢材的强度和硬度，但却降低了塑性和韧性强度和硬度，但却降低了塑性和韧性，这种现象称为，这种现象称为冷作硬化（或应变硬化）冷作硬化（或应变硬化）。因冷加工而导致的钢材性能的变化应视具体情况予因冷加工而导致的钢材性能的变化应视具体情况予以利用和避免。以利用和避免。钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 3.3.热处理热处理 钢的热处理是将钢在固态范围内，施以不同的加钢的热处理是将钢在固态范围内，施以不同的加热、保温和冷却措施，籍改变其内部组织构造，达到热、保温和冷却措施，籍改变其内部组织构造，达到改善钢材性能的一种加工工艺。钢材的普通热处理包改善钢材性能的一种加工工艺。钢材的普通热处理包括括退火、正火、淬火和回火退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。四种基本工艺。退火和正火退火和正火操作方法为操作方法为:在炉中将钢材加热至在炉中将钢材加热至850900，保温一段时间后，若随炉温冷却至，保温一段时间后，若随炉温冷却至500以下，再放至空气中冷却的工艺称为完全以下，再放至空气中冷却的工艺称为完全退火退火；若保；若保温后从炉中取出在空气中冷却的工艺称为温后从炉中取出在空气中冷却的工艺称为正火正火。正火。正火的冷却速度比退火快，正火后的钢材组织比退火细，的冷却速度比退火快，正火后的钢材组织比退火细，强度和硬度有所提高强度和硬度有所提高.退火和正火退火和正火可以消除加工硬化、可以消除加工硬化、软化钢材、细化晶粒、改善组织以提高钢的机械性能软化钢材、细化晶粒、改善组织以提高钢的机械性能;钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 消除残余应力，以防钢件的变形和开裂消除残余应力，以防钢件的变形和开裂；淬火淬火是将钢件加热到是将钢件加热到900以上以上,保温后快速在水中保温后快速在水中或油中冷却或油中冷却.淬火可增加钢材的强度和硬度，同时使塑淬火可增加钢材的强度和硬度，同时使塑性和韧性降低性和韧性降低.淬火后的钢材不宜直接用于建筑结构淬火后的钢材不宜直接用于建筑结构 回火回火是将淬火后的钢材加热到某一温度进行保温，是将淬火后的钢材加热到某一温度进行保温，而后在空气中冷却。其目的是而后在空气中冷却。其目的是消除残余应力，调整强消除残余应力，调整强度和硬度，减少脆性，增加塑性和韧性，形成较稳定度和硬度，减少脆性，增加塑性和韧性，形成较稳定的组织的组织。将淬火后的钢材加热至。将淬火后的钢材加热至500650，保温后，保温后在空气中冷却，称为高温回火。通常称淬火加高温回在空气中冷却，称为高温回火。通常称淬火加高温回火的工艺为火的工艺为调质处理调质处理。强度较高的钢材，如。强度较高的钢材，如Q420中的中的C、D、E级钢和高强度螺栓的钢材都要经过调质处理级钢和高强度螺栓的钢材都要经过调质处理.钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 第二节钢材的主要性能第二节钢材的主要性能 一、钢材在单向均匀拉力作用下的性能一、钢材在单向均匀拉力作用下的性能(一一)钢材的受力状况钢材的受力状况 钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 1 1、弹性阶段、弹性阶段特点：特点：试件应力的增或减相应引起应变的增或减；卸除试件应力的增或减相应引起应变的增或减；卸除荷载后荷载后(0)0)试件变形也完全恢复试件变形也完全恢复(0)0),没有残余没有残余变形变形.钢材的这种性质称为弹性钢材的这种性质称为弹性,对应于最高的应力对应于最高的应力f fe e称称为为弹性极限弹性极限。在此之前钢材处于完全弹性的受力阶段。在此之前钢材处于完全弹性的受力阶段。上述弹性阶段又可分为倾斜直线段和曲线段。在直上述弹性阶段又可分为倾斜直线段和曲线段。在直线段即线段即fp(fp称为称为比例极限比例极限)时，时，-间呈线性正间呈线性正比例关系，即比例关系，即E,E为该直线段的斜率，称为钢材为该直线段的斜率，称为钢材的的弹性模量弹性模量。在钢结构设计中通常对所有的钢材取统。在钢结构设计中通常对所有的钢材取统一的弹性模量值一的弹性模量值E206103Nmm2 曲线段即当曲线段即当f fp pf fe e 时，虽然钢材仍处于弹性状时，虽然钢材仍处于弹性状态，但态，但是曲线关系，其是曲线关系，其ddddE Et t称为称为瞬时瞬时 钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 切线模量或简称为切线模量切线模量或简称为切线模量，其值随应力的增加而逐渐，其值随应力的增加而逐渐减小。减小。2 2、弹塑性阶段、弹塑性阶段特点：特点：当当f fe e后，钢材不再是完全弹性的，这时钢材后，钢材不再是完全弹性的，这时钢材的变形将包括的变形将包括弹性和塑性变形弹性和塑性变形两部分，其中塑性变形在两部分，其中塑性变形在卸除荷载后不再恢复，因而试件将留有残余变形。卸除荷载后不再恢复，因而试件将留有残余变形。弹塑性阶段的变形增长率弹塑性阶段的变形增长率dd/dd继续随应力继续随应力的增的增加而加快加而加快,亦即切线模量亦即切线模量ddddE Et t继续逐渐减小继续逐渐减小;直直至至达到屈服点应力时达到屈服点应力时E Et t为零。对有些试件，其试验曲为零。对有些试件，其试验曲线没有明显的弹塑性阶段线没有明显的弹塑性阶段,即弹性阶段一直保持到屈服即弹性阶段一直保持到屈服点。点。3 3、屈服阶段、屈服阶段 钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 特点：特点：荷载暂时不能增加，但变形却持续增长即变形荷载暂时不能增加，但变形却持续增长即变形模量为零。这时犹如钢材屈服于所施加的荷载，故称为模量为零。这时犹如钢材屈服于所施加的荷载，故称为钢材应力达到钢材应力达到屈服强度屈服强度，进入受力的屈服阶段。，进入受力的屈服阶段。对碳含量很低的钢或高强度钢，常没有明显的屈服对碳含量很低的钢或高强度钢，常没有明显的屈服点点,这时可用其对应于残余应变这时可用其对应于残余应变y y=0.2=0.2的应力的应力0.20.2作作为该钢材的屈服点，常称为为该钢材的屈服点，常称为条件屈服点或屈服强度条件屈服点或屈服强度。4 4、强化阶段、强化阶段特点：特点：钢材部分地恢复了继续承受增长荷载的能力应钢材部分地恢复了继续承受增长荷载的能力应力力应变曲线又有上升趋势，称为钢材的强化阶段。但应变曲线又有上升趋势，称为钢材的强化阶段。但是，这个阶段加载时的变形增长率比弹性阶段和弹塑性是，这个阶段加载时的变形增长率比弹性阶段和弹塑性阶段时大得多，亦即其变形模量阶段时大得多，亦即其变形模量(称强化模量称强化模量)很低。很低。钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 试件能承受的最大拉应力相应于曲线的顶点，该应力试件能承受的最大拉应力相应于曲线的顶点，该应力u uF Fu uA A0 0称为钢材的称为钢材的抗拉强度抗拉强度。5 5、颈缩阶段、颈缩阶段特点：特点：当试件应力达到当试件应力达到f fu u时时,在承载能力最弱的截面处在承载能力最弱的截面处,横截面急剧收缩，局部明显变细，试件伸长量横截面急剧收缩，局部明显变细，试件伸长量ll迅速迅速增长并且荷载下降直至拉断。试件的这种局部收缩变增长并且荷载下降直至拉断。试件的这种局部收缩变细和拉断的过程称为颈缩阶段。细和拉断的过程称为颈缩阶段。说明说明：图中：图中曲线的应力是指按试件拉伸时的原曲线的应力是指按试件拉伸时的原截面面积计算的名义应力截面面积计算的名义应力FA0。由于拉伸过程中。由于拉伸过程中试件截面逐渐变细按拉伸过程中实际截画面积试件截面逐渐变细按拉伸过程中实际截画面积A计算计算的实际应力的实际应力FA将大于名义应力将大于名义应力 钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料(二二)钢材的机械性能钢材的机械性能强度和塑性强度和塑性 1 1、强度、强度 弹性极限弹性极限fe,比例极限比例极限fp,屈服强度屈服强度fy,抗拉强度抗拉强度fu。屈服强度屈服强度f fy y的意义：的意义：是钢材单向均匀受拉是钢材单向均匀受拉(压压)时弹性与塑性工作的分界标时弹性与塑性工作的分界标志志:即当其应力即当其应力f fy y时钢材在弹性阶段工作时钢材在弹性阶段工作;f fy y时时在塑性阶段工作。这就是通常把钢材视为一种理想弹塑在塑性阶段工作。这就是通常把钢材视为一种理想弹塑性性(或称弹性或称弹性完善塑性完善塑性)材料的模式。材料的模式。是结构计算中材料强度标准是结构计算中材料强度标准 抗拉强度抗拉强度f fu u的意义：的意义：钢材抗拉强度钢材抗拉强度fufu是钢材抗破断能力的极限。是钢材抗破断能力的极限。钢材屈服强度与抗拉强度之比钢材屈服强度与抗拉强度之比f fy yf fu u称为屈强比，它称为屈强比，它 钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 表明设计强度的一种储备。表明设计强度的一种储备。2 2、塑性、塑性塑性：塑性：承受静力荷载时，材料吸收变形能的能力。承受静力荷载时，材料吸收变形能的能力。度量：度量：伸长率伸长率 （试件拉断后标距长度的伸长量（试件拉断后标距长度的伸长量l与原与原标距长度标距长度l0比值百分数比值百分数）伸长率愈大，表示钢材被断前产生永久塑性变形和伸长率愈大，表示钢材被断前产生永久塑性变形和吸收能量的能力愈强，延伸性和塑性愈好。吸收能量的能力愈强，延伸性和塑性愈好。同一种钢材的伸长率值随所取用的试件标距同一种钢材的伸长率值随所取用的试件标距l0与横与横截面直径截面直径d0之比之比l0d0的增加而减小。标准试件取的增加而减小。标准试件取l0d05以前也曾取以前也曾取10，分别称其为短标距试件和长标距试，分别称其为短标距试件和长标距试件，其伸长率分别用件，其伸长率分别用5、10表示，表示，510。钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 二、钢材的冷弯性能二、钢材的冷弯性能 钢材的冷弯性能是衡量钢材钢材的冷弯性能是衡量钢材是判断钢材塑性变形能力和冶金是判断钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采质量的综合指标。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材，均应具有冷弯试验的合格保证。用的钢材，均应具有冷弯试验的合格保证。钢材的冷弯性能取决于钢材的质量并与试验所取钢材的冷弯性能取决于钢材的质量并与试验所取弯心直径弯心直径d d对钢材厚对钢材厚a a的比值有关。的比值有关。钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 三、钢材的冲击韧性三、钢材的冲击韧性 钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 钢材的冲击韧性钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷载作用下断裂时是指钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的一种能力吸收机械能的一种能力,是衡量钢材抵抗可能因低温、是衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、冲击荷载作用等而致脆性断裂能力的一项应力集中、冲击荷载作用等而致脆性断裂能力的一项机械性能机械性能。钢材的钢材的冲击韧性不但与钢材质量、试件缺口状况和冲击韧性不但与钢材质量、试件缺口状况和加载速度有关加载速度有关;而且受温度、特别是负温的影响较大，而且受温度、特别是负温的影响较大，当温度低于某一负温值时，冲击韧性将急剧降低。另当温度低于某一负温值时，冲击韧性将急剧降低。另外，钢材的冲击韧性还与其厚度有关外，钢材的冲击韧性还与其厚度有关。较大厚度钢材。较大厚度钢材的冲击韧性的冲击韧性,尤其是负温冲击韧性将显著降低。因此，尤其是负温冲击韧性将显著降低。因此，在负温条件下使用的钢结构应尽量采用较小厚度钢材在负温条件下使用的钢结构应尽量采用较小厚度钢材.四、可焊性四、可焊性 钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合格的可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合格的(无裂无裂纹的纹的)焊缝的性能。钢材的可焊性受碳含量和合金元素焊缝的性能。钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响含量的影响.碳含量在碳含量在0 0.1212-0-0.2020范围内的碳素钢范围内的碳素钢,可焊性最好。碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆。可焊性最好。碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆。提高钢材强度的合金元素大多也对可焊性有不利影响提高钢材强度的合金元素大多也对可焊性有不利影响.五、钢材性能的鉴定五、钢材性能的鉴定 对属于下列情况之一的钢材，应进行抽样复验，其对属于下列情况之一的钢材，应进行抽样复验，其复验结果应符合现行国家产品标准和要求复验结果应符合现行国家产品标准和要求:国外进口钢国外进口钢材；钢材混批；板厚等于或大于材；钢材混批；板厚等于或大于40mm40mm，且设计有，且设计有Z Z向性向性能要求的厚板；建筑结构安全等级为一级，大跨度钢能要求的厚板；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；设计有复验要求结构中主要受力构件所采用的钢材；设计有复验要求的钢材；对质量有疑义的钢材。的钢材；对质量有疑义的钢材。钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 第三节第三节 影响钢材性能的因素影响钢材性能的因素 决定钢材机械和加工工艺等性能的主要因素：决定钢材机械和加工工艺等性能的主要因素：钢材的化学成分及其微观组织结构；钢材的化学成分及其微观组织结构；钢材的冶炼、浇注、轧制等生产工艺过程；钢材的冶炼、浇注、轧制等生产工艺过程；钢结构的加工、构造、尺寸、受力状态；钢结构的加工、构造、尺寸、受力状态；钢结构所处的环境温度等；钢结构所处的环境温度等；钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 一、化学成分一、化学成分 钢的基本元素为铁钢的基本元素为铁（Fe），普通碳素钢中占，普通碳素钢中占99%，此外还有碳此外还有碳（C）、硅、硅（Si）、锰、锰（Mn）等杂质元素，等杂质元素，及硫及硫（S）、磷、磷（P）、氧、氧（O）、氮、氮（N）等有害元素等有害元素,这些总含量约这些总含量约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。普通低合金钢中有少于普通低合金钢中有少于5%的合金元素。的合金元素。碳：碳：除铁以外最主要的元素。钢材强度的主要来源除铁以外最主要的元素。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。一般控制在低，抗腐蚀性降低。一般控制在0.22%0.22%以下，在以下，在0.2%0.2%以以下时，可焊性良好。下时，可焊性良好。硅：硅：作为强脱氧剂加入普通碳素钢作为强脱氧剂加入普通碳素钢.适量硅可提高钢适量硅可提高钢 钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 材的强度，而对塑性、冲击韧性、冷弯性能及可焊性材的强度，而对塑性、冲击韧性、冷弯性能及可焊性无显著的不良影响无显著的不良影响.一般碳素镇静钢的含硅量为一般碳素镇静钢的含硅量为0.10%0.10%0.30%0.30%，低合金钢中为，低合金钢中为0.2%0.2%0.55%,0.55%,含量过高（达含量过高（达1%1%）会降低钢材塑性、冲击韧性、抗锈性和可焊性。会降低钢材塑性、冲击韧性、抗锈性和可焊性。锰：锰：是一种弱脱氧剂是一种弱脱氧剂.适量的锰可有效提高钢材强度适量的锰可有效提高钢材强度,消除硫、氧对钢材的热脆影响消除硫、氧对钢材的热脆影响,改善钢材热加工性能，改善钢材热加工性能，并改善钢材的冷脆倾向并改善钢材的冷脆倾向,同时不显著降低钢材的塑性、同时不显著降低钢材的塑性、冲击韧性。冲击韧性。硫：硫：有害元素。引起钢材热脆有害元素。引起钢材热脆,降低钢材的塑性、冲降低钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈性等。一般建筑用钢含硫量击韧性、疲劳强度和抗锈性等。一般建筑用钢含硫量要求不超过要求不超过0.055%0.055%，在焊接结构中应不超过，在焊接结构中应不超过0.050%0.050%。钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 磷：磷：有害元素。虽可提高强度、抗锈性，但严重降低有害元素。虽可提高强度、抗锈性，但严重降低塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性，尤其低温时发塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性，尤其低温时发生冷脆，含量需严格控制，一般不超过生冷脆，含量需严格控制，一般不超过0.050%0.050%，焊，焊 接结构中不超过接结构中不超过0.045%0.045%。氧：氧：有害元素有害元素.引起热脆。一般要求含量小于引起热脆。一般要求含量小于0.008%0.008%。氮：氮：能使钢材强化，但显著降低钢材塑性、韧性、可能使钢材强化，但显著降低钢材塑性、韧性、可焊性和冷弯性能，增加时效倾向和冷脆性。焊性和冷弯性能，增加时效倾向和冷脆性。二、成材过程（冶炼、浇注、轧制、热处理）的影响二、成材过程（冶炼、浇注、轧制、热处理）的影响 1 1、冶炼、冶炼 钢材的冶炼方法主要有平炉炼钢、氧气顶吹转炉炼钢材的冶炼方法主要有平炉炼钢、氧气顶吹转炉炼钢、碱性侧吹转炉炼钢及电炉炼钢钢、碱性侧吹转炉炼钢及电炉炼钢.其中平炉炼钢生产其中平炉炼钢生产效率低效率低,碱性侧吹转炉炼钢炼制的钢质量较差碱性侧吹转炉炼钢炼制的钢质量较差,目前已目前已 钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 被淘汰。电炉钢质量精良，但成本高、电耗大，钢结被淘汰。电炉钢质量精良，但成本高、电耗大，钢结构中一般也不采用。氧气顶吹转炉炼钢质量不低于平构中一般也不采用。氧气顶吹转炉炼钢质量不低于平炉钢的质量，而且生产效率高炉钢的质量，而且生产效率高,是目前主流炼钢方法。是目前主流炼钢方法。2 2、浇注、浇注 钢冶炼后因浇注方法钢冶炼后因浇注方法(脱氧程度或方法脱氧程度或方法)的不同而分的不同而分为为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。沸腾钢沸腾钢易形成气泡、偏析易形成气泡、偏析 、分层等缺陷，但生产、分层等缺陷，但生产工艺简单，价格便宜，质量能满足一般承重钢结构的工艺简单，价格便宜，质量能满足一般承重钢结构的要求，因而应用较多。要求，因而应用较多。镇静钢镇静钢质量优良且均匀组织致密，杂质少，偏析质量优良且均匀组织致密，杂质少，偏析小，但工艺过程较复杂，因而价格较高。小，但工艺过程较复杂，因而价格较高。钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 半镇静钢半镇静钢是在熔炼钢液中加入少量强脱脱氧剂硅是在熔炼钢液中加入少量强脱脱氧剂硅(或或铝铝),),脱氧程度、质量和价格介于沸腾钢和镇静钢之间脱氧程度、质量和价格介于沸腾钢和镇静钢之间.特殊镇静钢特殊镇静钢通常是用硅脱氧后再用铝补充脱氧。通常是用硅脱氧后再用铝补充脱氧。3 3、轧制、轧制 轧钢机压力的作用可使钢锭中的小气泡和质地较疏轧钢机压力的作用可使钢锭中的小气泡和质地较疏松部分锻焊密实起来，消除铸造显微组织缺陷和细化松部分锻焊密实起来，消除铸造显微组织缺陷和细化钢的晶粒。因此，轧制钢材比同种类铸钢质量好，而钢的晶粒。因此，轧制钢材比同种类铸钢质量好，而且压缩比且压缩比(钢坯与轧成钢材厚度之比钢坯与轧成钢材厚度之比)愈大时其强度和愈大时其强度和冲击韧性等也愈高。冲击韧性等也愈高。4 4、热处理、热处理 可显著提高其强度并保持其良好的塑性和韧性。可显著提高其强度并保持其良好的塑性和韧性。正火正火:属于最简单的热处理属于最简单的热处理,把钢材加热至把钢材加热至850-900850-900o oC C并并 钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 保持一段时间后在空气中自然冷却。保持一段时间后在空气中自然冷却。回火回火：将钢材重新加热至将钢材重新加热至650650o oC C并保温一段时间，然后并保温一段时间，然后 在空气中自然冷却。在空气中自然冷却。三、影响钢材性能的其他因素（制造和使用过程中）三、影响钢材性能的其他因素（制造和使用过程中）1 1、钢材的硬化、钢材的硬化 冷作硬化冷作硬化当加载超过材料比例极限卸载后，出现残当加载超过材料比例极限卸载后，出现残 余变形，再次加载则比例极限（或屈服点）提高的余变形，再次加载则比例极限（或屈服点）提高的 现象，也称现象，也称“应变硬化应变硬化”（主观的）。钢材的屈服（主观的）。钢材的屈服 强度提高，弹性范围增加，塑性和伸长率降低强度提高，弹性范围增加，塑性和伸长率降低.时效硬化时效硬化随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中 析出，使材料硬化的现象（客观的）。屈服强度和析出，使材料硬化的现象（客观的）。屈服强度和 抗拉强度提高、伸长率和冲击韧性降低抗拉强度提高、伸长率和冲击韧性降低.钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 应变时效应变时效钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物 更易析出。即冷作硬化的同时可以加速时效硬更易析出。即冷作硬化的同时可以加速时效硬 化，因此也称化，因此也称“人工时效人工时效”。钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 2 2、温度、温度 1)1)正温范围正温范围100以内以内对钢材性能无影响；对钢材性能无影响；100以上以上随温度升高，总的趋势是强度、弹性随温度升高，总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大模量降低，塑性增大.钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 250250左右左右抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性增抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性增加加兰脆现象。该温度区段称为兰脆现象。该温度区段称为“兰脆区兰脆区”。250250350350产生徐变现象。产生徐变现象。600600左右弹性模量趋于零左右弹性模量趋于零,承载能力几乎完全丧失承载能力几乎完全丧失.2)2)负温范围负温范围当温度低于常温时，钢材的脆性倾向随温度降低而当温度低于常温时，钢材的脆性倾向随温度降低而增加。增加。T1T1T2T2之间温度转变脆性区，之间温度转变脆性区，a ak k急剧下降。而急剧下降。而且不同的钢材其脆性转变区温度不同，必须通过试验且不同的钢材其脆性转变区温度不同，必须通过试验确定。其间曲线反弯点所对应的温度确定。其间曲线反弯点所对应的温度T T0 0常称为该钢材的常称为该钢材的脆性转变温度。使用温度必须高于脆性转变温度。使用温度必须高于T T0 0 。钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 3 3、应力集中的影响、应力集中的影响1 1）定义：在荷载作用下，构件截面突变处的某些部位：在荷载作用下，构件截面突变处的某些部位(孔洞边缘或缺口尖端等处孔洞边缘或缺口尖端等处)将产生局部高峰应力，其将产生局部高峰应力，其余部位应力较低且分布极不均匀的现象称应力集中余部位应力较低且分布极不均匀的现象称应力集中。2 2）大小及分布大小及分布：通常把截面高峰应力与平均应力：通常把截面高峰应力与平均应力(当当截面受轴心力作用时截面受轴心力作用时)的比值称为应力集中系数，其值的比值称为应力集中系数，其值可表明应力集中程度的高低，它取决于构件截面突然可表明应力集中程度的高低，它取决于构件截面突然改变的急剧程度。改变的急剧程度。3 3）影响影响：应力集中一般不影响截面的静力极限承载力：应力集中一般不影响截面的静力极限承载力;塑性降低，塑性降低，脆性脆性增加。增加。4 4）原因原因：不正确的设计（构造不合理）、制造（不光：不正确的设计（构造不合理）、制造（不光 滑）及使用（在构件上乱打火等）。滑）及使用（在构件上乱打火等）。钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 4 4加荷速度加荷速度 快速加荷使钢材的屈服点和抗拉强度提高快速加荷使钢材的屈服点和抗拉强度提高,呈脆性。呈脆性。因此：因此：1 1材性试验要求缓慢加载材性试验要求缓慢加载2 2要考虑动荷载对结构的不利影响要考虑动荷载对结构的不利影响5.5.残余应力的影响残余应力的影响(见第7章）钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 四、复杂应力状态下的工作性能四、复杂应力状态下的工作性能 1.1.空间应力状态空间应力状态 当钢材处于复杂应力作用下当钢材处于复杂应力作用下(平面应力或立体应力）平面应力或立体应力）,按能量强度理论按能量强度理论(第四强度理论第四强度理论),),以折算应力以折算应力zs是否是否大于大于fy来判断钢材是否由弹性状态转变为塑性状态。来判断钢材是否由弹性状态转变为塑性状态。钢结构讲稿第二章钢结构讲稿第二章.钢结构的材料钢结构的材料 讨论：讨论：1.由主应力公式可见，当由主应力公式可见，当相近时，无论应力相近时，无论应力值多大，材料都不破坏