第2章钢结构材料

在冷弯薄壁型钢结构的压型钢板设计中，如由刚度条件而 非强度条件起控制作用时，也允许采用Q215牌号的钢材，可
牌号的钢材选为承重结构用钢。
Q235--质量等级（A、B、C、D） 浇注方法（F、Z、Tz） A--保证fu、fy、δ，P、S含量 B--保证fu,fy,δ,冷弯，常温时Cv，P，S，C含量； C--保证 fu,fy,δ,冷弯,0oC时Cv，P，S，C含量; D--保证fu,fy,δ,冷弯,-20oC时Cv，P，S，C含量;
fy = f0.2
3.应力应变曲线的简化
（1）钢材可以简化为理想弹塑性体
fy
1)fy与fb相差很小；
2)超过 fy到屈服台阶终
止的变形约为2.5%--3%， 足以满足考虑结构的塑
ε0
0.15%
ε
ε
性变形发展的要求。
2.5%--3%
（2）钢材在静载作用下：
强度计算以fy为依据;fu为结构的安全储备。
三、冲击韧性 衡量钢材在动力（冲击）荷载、复杂应
力作用下抗脆性破坏能力的指标，用断裂时
吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。 由试件断裂吸收的能量Cv来衡钢材的冲击 韧性，单位：J;
Cv受温度的影响
冲击韧性试验装置
(a)梅氏U型缺口 (b)夏比V型缺口
小 节
钢材的机械性能指标
1、屈服点fy； 2、伸长率δ； 3、抗拉强度fu； 4、冷弯试验； 5、冲击韧性Cv (包括常温冲击韧性、 0度时冲击韧性 负温冲击韧性）。
2.较好的塑性、韧性； 3.良好的工艺性能（冷、热加工，可焊性）；
4.对环境的良好适应性。
§2.2 钢材的主要性能及其鉴定
一、受拉、受压及受剪时的性能
（一）单向拉伸时的工作性能 1.条件：标准试件（lo/d=5、10；lo-标距； d --直
径）;常温（20℃）下缓慢加载，一次完成.)
Lo
d
2.阶段划分:
3、应力集中
(1).应力集中的概念 构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变时， 应力不均匀，力线变曲折，缺陷处有高峰应 力—应力集中。
实际结构中不可避免的存在孔洞、槽口、截面突然改变以及 钢材内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，由于主 应力线在绕过孔口等缺陷时发生弯转，不仅在孔口边缘处会产生 沿力作用方向的应力高峰，而且会在孔口附近产生垂直于力的作
A1
( 2 2)
A0
（二）受压时的性能
采用短试件l0/d=3,同单向拉伸时的性能，屈服
点同单向拉伸时的屈服点。 （三）受剪时的性能
抗剪强度可由折算应力计算公式得到：
f
v y

f
y
3
( 2 3)
G 79 10 3 N
mm 2
二、冷弯性能
d
衡量钢材塑
性性能和质
a
量优劣的综
合指标。
d+2.1a
260～320℃产生徐变现象。
600℃左右弹性模量趋于零 ，承载能力几乎完全
丧失。
(2)．负温范围
当温度低于常 温时，钢材的脆性
脆性破坏
转变过渡区段 塑性破坏
反弯点
倾向随温度降低而
增加，材料强度略 有提高，但其塑性 和韧性降低，该现 象称为低稳冷脆。
T
试验温度T0C
T0
T
1 2 冲击韧性与温度的关系曲线
为不同应力集中水平的对比试件），截面改变的尖锐
程度越大的试件，其应力集中现象就越严重，引起钢
材脆性破坏的危险性就越大。第4种试件已无明显屈服
点，表现出高强钢的脆性破坏特征。
(3)、残余应力 应力集中现象还可能由内应力产生。内应力的特 点是力系在钢材内自相平衡，而与外力无关，其在浇 注、轧制和焊接加工过程中，因不同部位钢材的冷却 速度不同，或因不均匀加热和冷却而产生。其中焊接 残余应力的量值往往很高，在焊缝附近的残余拉应力 常达到屈服点，而且在焊缝交叉处经常出现双向、甚 至三向残余拉应力场，使钢材局部变脆。当外力引起 的应力与内应力处于不利组合时，会引发脆性破坏。
残余变形，再次加载则比例极限（或屈服点）提高的
现象，也称“应变硬化”。
时效硬化 ——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。
应变时效 ——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化，因此 也称“人工时效”。
2、温度影响 (1)．正温范围
N/mm2 800 600 fu 400 δ 200 fy 0 20 170 160 600 T(0C)
用方向的横向应力，甚至会产生三向拉应力（如图所示）,而且
厚度越厚的钢板，在其缺口中心部位的三向拉应力也越大，这是 因为在轴向拉力作用下，缺口中心沿板厚方向的收缩变形受到较 大的限制，形成所谓平面应变状态所致。 应力集中的严重程度用应力集中系数衡量，缺口边缘沿受力
方向的最大应力σmax和按净截面的平均应力σ0＝N/An（An为净
C’ B
E A CD
O
E

（2）弹塑性阶段（BC)
该段很短,表现出钢材的非弹性性质,有一定的塑性变形; σC’—屈服上限; σC—屈服下限(屈服点σy) 设计中以下屈服点为依据(用符号fy表示)。

（3）塑性阶段（CD) 该段σ基本保持 不变（水平), ε急剧增大,称为 屈服台阶或流幅段, 变形模量 E = 0
截面面积）的比值称为应力集中系数，即k=σmax/σ0。
(2).应力集中的影响
由公式可知，当出现同号力场或同号三向力场时， 钢材将变脆，而且应力集中越严重，出现的同号三向 力场的应力水平越接近，钢材越趋于脆性。 具有不同缺口形状的钢材拉伸试验结果也表明
（如图2.4.3，其中第1种试件为标准试件，2、3、4
按国家标准《碳素结构钢》生产的钢材共有Q195、 Q215、Q235、Q255和Q275种品牌，板材厚度不大于
16mm的相应牌号钢材的屈服点分别为195 、 215 、 235 、
255和 275N/mm2 .
其中Q235含碳量在0.22%以下,属于低碳钢,钢材的强度
适中，塑性、韧性均较好。该牌号钢材又根据化学成分和冲击 韧性的不同划分为A、B、C、D共4个质量等级，按字母顺序由 A到D，表示质量等级由低到高。除A级外，其它三个级别的含 碳量均在0.20％以下，焊接性能也很好。因此，规范将Q235
E
C’ B
u
A CD
y A
O
E

（4）强化阶段(DE段) 随荷载的增加σ缓慢增大,但ε增加较快
（5）颈缩阶段(EF段)
σ u---抗拉强度fu

E
C’ B D A C
u
y A
O
E

B.对无明显屈服点的钢材(如热处理钢材):
该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变 形小，破坏突然。 设计时取相当于残余变形为 0.2%时所对应的应力 作为屈 服点—‘条件屈服点’
一、钢的种类
1、碳素结构钢
碳素结构钢的钢号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值
(N/mm2) 、质量等级符号、脱氧方法符号等四个部分组成.符 号“F”代表沸腾钢，“b”代表半镇静钢，符号“Z”和“TZ”分别 代表镇静钢和特种镇静钢。在具体标注时“Z”和“TZ”可以省略。 例如Q235B代表屈服点为235N/mm2的B级镇静钢。
（2）抗拉强度fu--应力应变曲线最高点对应的应
力，它是钢材最大的抗l l0 100% l0 ( 2 1)
N d L N d
N
N
当l0/d=5时，用δ5表示，当l0/d=10时，用δ10表示。
它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。
A0 A1 100% （4）断面收缩率 A0
δ% Ex103
80
60 40 220 210 E 200 190 180
200
400
温度对钢材机械性能的影响
200℃以内对 钢材性能无大 影响，该范围 内随温度升高 总的趋势是强 度、弹性模量 降低，塑性增 大。
250℃左右抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性
增加—兰脆现象，该温度区段称为“兰脆区”。
2.2.4 可焊性
可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合 格的(无裂纹的)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.
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。Q235B的碳含量就定在这一适宜范围。 Q235A的碳含量略高于B级，且不作为交货条件 ，这一钢号通常不能用于焊接构件.
第 二 章
大纲要求
1.了解钢结构的两种破坏形式； 2.掌握结构用钢材的主要性能及其机械性能指 标；
3.掌握影响钢材性能的主要因素特别是导致钢 材变脆的主要因素；
4.了解结构用钢材的种类、牌号、规格； 5.了解钢材选择的依据，做到正确选择钢材；
§2.1 钢结构对材料的要求
1.较高的抗拉强度fu和屈服点fy；
劳（fatigue）。
疲劳断裂是微观裂缝在连续重复荷载作用下不断扩
展直至断裂的脆性破坏。
出现疲劳断裂时，截面上的应力低于材料的抗拉强
甚至低于屈服强度。同时，疲劳破坏属于脆性破塑性变
形极小，因此是一种没有明显变形的突然破坏 ,危险性
较大。
(2)、加载速度的影响 快速加荷使钢材的屈服点和抗拉强度提高.
一般房屋结构中带有动力性质的荷载，其应变速率
都不高, 这就是说，除遭强烈地震作用袭击外,建筑结构
通常列为静态的结构，即在考虑荷载的动力系数后按
静态结构对待.
七、板厚、直径的影响
§2.7 钢材的种类和规格
我国的建筑用钢主要为碳素结构钢和低合金高强度结构钢 两种，优质碳素结构钢在冷拔碳素钢丝和连接用紧固件中也有 应用。