第二章-结构钢材及其性能

第二章钢结构的性能及其主要影响因素2.1钢结构对钢材的要求钢材的种类很多，用途不同，所需的钢材种类和品牌各异。

因此，必须按使用用途对钢材的性能的要求选择合适的钢材类别和牌号。

我国钢材的种类一般有以下几类：1、按化学成分分为(1) 碳素钢——指含碳量Wc＜2%的铁碳含量。

按质量和用途的不同，又可分为普通碳素结构钢，优质碳素结构钢和工具碳素钢三大类。

按含碳量的不同可分为：1) 工业纯铁——Wc≤0.04%2) 低碳钢——Wc≤0.25%3) 中碳钢——Wc=0.25% ~ 0.60%4) 高碳钢——Wc＞0.60%(2) 合金钢——指在碳素钢的基础上，在冶金时加入一些合金元素而炼成的钢，按其合金元素的总含量，可分为：1) 低合金钢——合金元素总含量≤5%2) 中合金钢——合金元素总含量5% ~ 10%3) 高合金钢——合金元素总含量＞10%2、按用途分有(1) 结构钢——又可分为建筑及工程用结构钢和机械制造用结构钢两类(2) 工具钢——指用于制造各种工具的钢，如刃具钢，模具钢和量具钢等。

(3) 特殊钢 —— 指用特殊方法生产，具有特殊物理、化学性能或力学性能的钢。

一般分为不锈耐酸刚，耐热钢，低温用钢，耐磨钢，磁钢，抗磁钢和超高强度钢（ζb ≥1400Mpa ）等。

(4) 专业用途钢 —— 指各个工业部门专业用途的钢，如：农机用钢，机床用钢，汽车用钢，航空用钢，锅炉用钢，焊条用钢等等。

*建筑及工程用结构钢 —— 指用于建筑、桥梁、船舶及其他工程上制作金属结构构件的钢，主要有：①普通碳素结构钢 —— 可分为：一般用途普碳钢、专用普碳钢；②低合金钢 —— 可分为：低合金结构钢、耐腐蚀钢、低温用钢、钢筋钢、钢轨钢、耐磨钢及特殊用途专用钢等。

*机械制造用结构钢 —— 指用于制造机械设备上结构零件的钢。

这类钢基本上为优质钢或高级优质钢，主要有： 按其工艺特征分为①优质碳素结构钢②合金结构钢冷塑性成形用钢（如冷冲压钢、冷镦钢、冷挤压用钢等）表面硬化结构钢表面淬火用钢氮碳共渗钢氮化钢调质结构钢渗碳钢③易切结构钢④弹簧钢⑤滚动轴承钢虽然钢材种类很多，但符合钢结构性能要求的钢材只有少数几种。

建筑钢材的力学性能及其技术指标建筑钢材是指用于建筑结构中的钢材，它具有良好的力学性能和技术指标。

下面将介绍建筑钢材的力学性能及其技术指标。

一、建筑钢材的力学性能1.强度和刚度：建筑钢材具有较高的抗拉强度和抗压强度，能够承受较大的外部载荷。

同时，由于其刚度大，具有较小的变形，能够满足建筑结构的稳定性要求。

2.塑性和韧性：建筑钢材具有良好的塑性和韧性，能够在受力时发生较大的塑性变形，吸收和耗散外部能量，减少结构的破坏和破裂。

3.耐久性：建筑钢材具有较好的耐久性，能够长期承受外界气候和环境的影响而不失去其力学性能。

4.焊接性能：建筑钢材具有良好的焊接性能，能够通过焊接工艺进行连接，形成结构稳定的整体。

5.疲劳性能：建筑钢材具有较好的疲劳性能，能够在反复加载下保持其强度和刚度，延长结构的使用寿命。

6.抗震性能：建筑钢材具有良好的抗震性能，能够在地震等自然灾害中发挥重要作用，减少人员伤亡和财产损失。

二、建筑钢材的技术指标1.材料标志和牌号：建筑钢材按照国家标准进行分类和命名，各种型号的钢材具有不同的技术指标和力学性能。

2.化学成分：建筑钢材的化学成分对其力学性能有重要影响，需要满足国家标准规定的要求。

3.技术要求：建筑钢材需要符合国家标准中对其材质、外观、尺寸、允许偏差等技术要求的规定。

4.制造工艺：建筑钢材需要通过特定的制造工艺来满足其设计要求，如轧制、锻造、热处理等。

5.力学性能指标：建筑钢材需要满足国家标准中规定的抗拉强度、屈服强度、伸长率、冲击功等力学性能指标。

6.表面质量：建筑钢材的表面应光洁，无裂纹、缺陷和鳞片，能够满足建筑外观和防腐要求。

7.表面处理：建筑钢材可以进行防腐处理，如喷涂防锈剂、热镀锌等，以提高其抗腐蚀性能。

总结：建筑钢材具有良好的力学性能和技术指标，能够满足建筑结构的要求。

在实际应用中，需要根据具体的工程需求选择合适的建筑钢材，并进行相关的技术检验和验收，以确保其质量和安全性能。

《钢结构要点及练习题》第一章到第二章钢结构的材料及性能的要点一、钢材的力学性能主要有：强度、塑性（延伸率）、冷弯性能、韧性、。

1. 强度：y f决定材料的承载力，结构用钢的主要指标有屈服点y f 和抗拉强度u f 。

下屈服点y f 为设计时可达到的最大应力值，称为设计强度标准值。

抗拉强度u f 是钢材破坏时达到的最大应力值。

钢材达到u f 时，已产生很大的塑性变形而失去使用功能，但钢材的u f 高可以增加结构的安全保障，故y u f f 的值可看作钢材的强度储备系数。

2. 塑性：钢材的塑性为应力超过屈服点后，试件产生明显的残余塑性变形而不断裂的性质。

塑性的好坏可通过静力拉伸试验的伸长率δ表示。

材料塑性的好坏往往决定了结构是否安全可靠，因此钢材的塑性指标比强度指标更重要。

3. 韧性：韧性是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，也是钢材抵抗冲击荷载的能力，它是强度和塑性的综合表现。

钢结构设计规范对钢材的冲击韧性k α（或kv A ）有常温和负温要求的规定。

选用钢材时，根据结构的使用情况和要求提出相应温度的冲击韧性的要求。

4. 冷弯性能：冷弯性能是钢材在冷加工（常温下）产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。

冷弯性能的好坏。

通过使钢材承受规定弯曲程度的弯曲变形后，检查试件弯曲部分的表面不出现裂纹和分层为合格。

二、影响钢材性能的主要因素有：1. 化学成分：钢的基本元素为铁，约占99%。

此外，还有C 、Si 、Mn （有益）；有害S 、P 、O 、N 等，这些元素中含量约1%，但对力学性能有很大影响。

2. 成材影响（冶练、浇筑、扎制及热处理）：（1）冶练及浇筑结构用钢主要有三种冶炼方法，即碱性平炉炼钢法、顶吹氧气转炉炼钢法、碱性侧吹转炉炼钢法。

平炉钢和顶吹氧气转炉钢力学性能指标较接近；而碱性侧吹转炉钢的冲击韧性、可焊性、冷脆性、抗锈蚀性等都较差，故这种炼钢法已被淘汰。

钢在冶炼及浇铸过程中会不可避免地产生冶金缺陷。

钢结构工程中使用钢材的基础知识一、钢结构钢材种类及其性能现行国家标准《钢结构设计标准》GB 50017对钢结构用钢材品种，特别是承重结构钢材的钢种和标准要求如下：1.碳素结构钢碳素结构钢采用现行国家标准《碳素结构钢》GB/T 700中的Q235A、Q235B、Q235C、Q235D等牌号。

2.低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢采用现行国家标准《低合金高强度结构钢》GB/T 1591中的各牌号钢材。

3.建筑结构用钢板建筑结构用钢板采用现行国家标准《建筑结构用钢板》GB/T 19879中的Q235GJ、Q345GJ、Q390GJ、Q420GJ、Q460GJ牌号。

4.工程用铸造碳钢件非焊接结构用铸钢件采用现行国家标准《一般工程用铸造碳钢件》GB/T 11352中的ZG200-400、ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570、ZG340-640牌号。

焊接结构用铸钢件采用现行国家标准《焊接结构用碳素钢铸件》GB/T 7659中的ZG200-400H、ZG230-450H、ZG270-480H、ZG300-500H、ZG340-550H牌号。

5.厚度方向性能钢板厚度方向性能钢板采用现行国家标准《厚度方向性能钢板》GB/T 5313中的Z15、Z25、Z35牌号。

6.焊接结构用耐候钢焊接结构耐候钢采用现行国家标准《焊接结构用耐候钢》GB/T 4172中的各牌号。

二、结构钢材交货状态不同的钢材交货状态对钢材组织和性能的波动有不同的影响，特别是对钢材的可焊性指标碳当量（CEV）和焊接裂纹敏感性指数（Pcm）影响较大。

钢结构钢材的交货状态主要有热轧、控轧、正火、回火、热机械轧制（TMCP）状态等几种，其作用和应用范围见表1-1。

表1-1结构钢材供货状态三、钢材供货及采购事项常用的几种结构钢材供货及采购事项见表1-2。

表1-2常用的几种结构钢材供货及采购事项。

1铁和碳2屈服强度3弹塑性阶段4塑性阶段5钢材内部组织的优劣6越大7塑性8伸长率9越好10韧性11碳含量增加，可焊性增强12硅和锰13冷作硬化14时效硬化15强度提高16徐变17塑性破坏和脆性破坏18应力集中19疲劳破坏20静力强度21脆性破坏22应力幅23屈服点为235MPa的A级沸腾钢24镇静钢25高建钢26 4.5~60mm对错对对错错对错对错对对错错对错错对对对对对对1．低合金高强度结构钢与碳素钢相比具有哪些优点？它强度高，可减轻自重，节约钢材，综合性能好，如抗冲击性强、耐低温和腐蚀，有利于延长使用年限。

塑性、韧性和可焊性好，有利于加工和施工。

2．简述温度变化对钢材性能的影响。

钢材性能随温度变动而有所变化。

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，钢材强度会略有增加，塑性和韧性却会降低而变脆。

温度升高，约在250℃以内钢材性能没有很大变化，430℃～540℃之间强度急剧下降，600℃时强度很低不能承担荷载。

但在250℃左右，钢材的强度反而略有提高，同时塑性和韧性均下降，材料有转脆的倾向，钢材表面氧化膜呈现蓝色，称为蓝脆现象。

当温度在260℃～320℃时，在应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形，此种现象称为徐变。

当温度从常温开始下降，特别是在负温度范围内时，钢材强度虽有提高，但其塑性和韧性降低，材料逐渐变脆，这种性质称为低温冷脆。

3．简述疲劳断裂的过程。

疲劳破坏过程经历三个阶段：裂纹的形成，裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。

钢构件在反复荷载作用下，总会在钢材内部质量薄弱处出现应力集中，个别点上首先出现塑性变形，并硬化而逐渐形成一些微观裂痕，在往复荷载作用下，裂痕的数量不断增加并相互连接发展成宏观裂纹，随后断面的有效截面面积减小，应力集中现象越来越严重，裂纹不断扩展，最后当钢材截面削弱到不足以抵抗外荷载时，钢材突然断裂。

《钢结构施工》复习提要一、课程的任务与要求1、本课程的任务，通过理论学习和设计计算训练，使学生熟悉钢结构构件的类型、构造，掌握各种基本构件的设计原理和方法；具备一般工业与民用建筑钢结构设计的基本技能；为将来从事建筑钢结构的设计、施工打下坚实的基础。

2、课程教学的基本要求教学过程中要注意理论联系实际，突出基本理论的应用，重点使学生掌握钢结构构造的方法和规范的应用。

通过作业练习和课程设计，强化学生对规范条文的理解的设计技能，达到能熟练地运用钢结构设计规范进行构件和连接的设计。

二、教学内容及重点、难点如下：第一章概述（一）教学内容1．钢结构的特点和应用；2．钢结构的计算原理和计算方法；3. 钢结构的设计原理；（二）要求掌握内容：了解钢结构的特点及其在工程中的应用；掌握钢结构设计规范中采用的设计方法。

1.结构的设计目的使所设计的结构满足各种预定的功能要求。

安全性：结构能承受正常施工和正常使用时可能出现的各种作用，在偶然事件发生时及发生后，任能保持必需的整体稳定性、不致倒塌。

适用性：结构在正常使用时具有良好的工作性能，满足预定的使用要求，如不发生影响正常使用的过大变形、振动等。

耐久性：结构在正常维护下，随时间变化任能满足预定的功能要求，如不发生严重锈蚀而影响寿命。

2．恒载（永久荷载）设计基准期内，不随时间变化或其变化与平均值相比很小的荷载。

3.活载（可变荷载）设计基准期内，随时间变化或其变化与平均值相比很小的荷载。

4. 结构所受作用：作用：使结构产生内力、变形、应力和应变的所用原因。

1）直接作用：施加在结构上的荷载（自重，风荷载、雪荷载及活荷载）2）间接作用：引起结构变形和约束变形从而产生内力和其它作用（地震、基础沉降、温度变化、焊接等）5. 作用效应：结构上作用引起的结构或其构件内力和变形（弯矩、轴力、剪力、扭矩、挠度、转角等）。

6. 承载力极限状态极限准则：1）最大承载力2）不适于继续承载变形7. 正常使用极限状态对钢结构来说，控制结构构件刚度，避免出现影响正常使用的过大变形或动力作用下的较大振动。