钢结构课件 第二章钢结构材料及其性能
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钢结构材料性质介绍课件ppt
J)
•应力集中的影响
在荷载作用下截面突变的某些 部位产生局部高峰应力，其余 部位的应力较低，且分布极不 均匀 截面槽口改变愈急剧，应力 集中愈高，塑性愈差， 脆性倾向大
使用过程
•温度——高温软化，低温冷脆； •应力集中——局部先破坏； •初应力——降低实际承载力； •多向应力——降低延性，第四强度理论； •动载——脆性； •循环荷载——疲劳脆断；
++ o
生产过程
1、冶炼：平炉、氧气转炉 2、浇铸：脱氧程度不同有沸腾钢、半镇静钢、镇静钢 和特殊镇静钢 沸腾钢：铸锭时弱脱氧剂锰铁 用于一般承重结构F 镇静钢：适量的强脱氧剂硅或铝 Z 半镇静钢：少量的强脱氧剂硅或铝 b 特殊镇静钢：二次补充脱氧 提高焊接性能 TZ 3、轧制：顺轧方向机械性能好 • 热处理——淬火，提高强度、降低韧性； 回火，控制降温过程； • 残余应力——表面不均匀冷却，热轧残余应力。
化学成分
– 钢—Fe+C+有利元素+有害元素； – 有利元素—Mn、Si、V等合金元素(低合 金钢)； – 有害元素—S、P、O、N、H等； S热脆； P冷脆； O类似S; N类似P; H氢脆。
•主要化学元素对钢材性能的影响
碳 硅 锰 磷 硫 镍 铬 铜 矾
fu ++ + + ++ + + + +
2.06×105N/mm2
fy 屈服强度 (yield strength)
fu 抗拉强度 (tensile strength )
5 伸长率 (elongation )
• 三相基本性能指标 fy fu
5
1 0 100% 0
• 冷弯作用显示出的各种机械性能
•应力集中的影响
在荷载作用下截面突变的某些 部位产生局部高峰应力，其余 部位的应力较低，且分布极不 均匀 截面槽口改变愈急剧，应力 集中愈高，塑性愈差， 脆性倾向大
使用过程
•温度——高温软化，低温冷脆； •应力集中——局部先破坏； •初应力——降低实际承载力； •多向应力——降低延性，第四强度理论； •动载——脆性； •循环荷载——疲劳脆断；
++ o
生产过程
1、冶炼：平炉、氧气转炉 2、浇铸：脱氧程度不同有沸腾钢、半镇静钢、镇静钢 和特殊镇静钢 沸腾钢：铸锭时弱脱氧剂锰铁 用于一般承重结构F 镇静钢：适量的强脱氧剂硅或铝 Z 半镇静钢：少量的强脱氧剂硅或铝 b 特殊镇静钢：二次补充脱氧 提高焊接性能 TZ 3、轧制：顺轧方向机械性能好 • 热处理——淬火，提高强度、降低韧性； 回火，控制降温过程； • 残余应力——表面不均匀冷却，热轧残余应力。
化学成分
– 钢—Fe+C+有利元素+有害元素； – 有利元素—Mn、Si、V等合金元素(低合 金钢)； – 有害元素—S、P、O、N、H等； S热脆； P冷脆； O类似S; N类似P; H氢脆。
•主要化学元素对钢材性能的影响
碳 硅 锰 磷 硫 镍 铬 铜 矾
fu ++ + + ++ + + + +
2.06×105N/mm2
fy 屈服强度 (yield strength)
fu 抗拉强度 (tensile strength )
5 伸长率 (elongation )
• 三相基本性能指标 fy fu
5
1 0 100% 0
• 冷弯作用显示出的各种机械性能
第二章 钢结构的材料
变形外还有塑性变形, fy
0 0.1 0.15
2.5
称为屈服强度，又叫屈
ε /%
22
服点（yield point）.
单向受拉应力－应变曲线
（1）单向均匀受拉的工作特性
———————————————
σ
fu
B
fy
C
F
fe
E
fp A
0 0.1 0.15
2.5
D 3)屈服阶段：CF段
钢材完全屈服，σ不增加
2.5 建筑钢材的类别及选用 (1)类别
———————————————
2.5 建筑钢材的类别及选用 (1)类别
———————————————
2.5 建筑钢材的类别及选用 (1)类别
———————————————
2.5 建筑钢材的类别及选用 (1)类别
———————————————
2.5 建筑钢材的类别及选用 (1)类别
冲击韧性：
αk
Ak A
(N•m/cm2)
式中：AK—试验机的冲击功（N•m)； A—缺口处净截面面积(cm2)。
（—3—）冲—击—韧—性——————————
钢结构设计规范对钢材的冲击韧性Akv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指标要求。常 温(20℃)和低温(0℃，-20℃，-40℃) 试验.
（—2—）生—产—工—艺—的—影—响——c. —轧(—ya)—制 ——
（—2—）生—产—工—艺—的—影—响——d. —热处—理———
（—2—）生—产—工—艺—的—影—响——d. —热处—理———
（—2—）生—产—工—艺—的—影—响——e. —冷加—工—硬化——
0 0.1 0.15
2.5
称为屈服强度，又叫屈
ε /%
22
服点（yield point）.
单向受拉应力－应变曲线
（1）单向均匀受拉的工作特性
———————————————
σ
fu
B
fy
C
F
fe
E
fp A
0 0.1 0.15
2.5
D 3)屈服阶段：CF段
钢材完全屈服，σ不增加
2.5 建筑钢材的类别及选用 (1)类别
———————————————
2.5 建筑钢材的类别及选用 (1)类别
———————————————
2.5 建筑钢材的类别及选用 (1)类别
———————————————
2.5 建筑钢材的类别及选用 (1)类别
———————————————
2.5 建筑钢材的类别及选用 (1)类别
冲击韧性：
αk
Ak A
(N•m/cm2)
式中：AK—试验机的冲击功（N•m)； A—缺口处净截面面积(cm2)。
（—3—）冲—击—韧—性——————————
钢结构设计规范对钢材的冲击韧性Akv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指标要求。常 温(20℃)和低温(0℃，-20℃，-40℃) 试验.
（—2—）生—产—工—艺—的—影—响——c. —轧(—ya)—制 ——
（—2—）生—产—工—艺—的—影—响——d. —热处—理———
（—2—）生—产—工—艺—的—影—响——d. —热处—理———
（—2—）生—产—工—艺—的—影—响——e. —冷加—工—硬化——
钢结构PPT课件第二章 钢结构的材料
特点：断口呈纤维状，色泽灰暗。 ➢ 2.非延性破坏（脆性破坏）：
钢材在变形很小的情况下突然发生断裂破坏称为脆性破坏。 变形很小且突然发生，不易发现和采取补救措施，因而危 险性很大。 特点：断口平直，呈有光泽的晶粒状。
二、循环荷载效应
➢（一）、钢材疲劳的基本概念 ➢（二）、疲劳计算 ➢（三）、疲劳计算应注意问题
四、可焊性
钢材的可焊性是指在一定工艺和结构条件下，钢 材经过焊接能够获得良好的焊接接头的性能。
可焊性分为施工上的可焊性和使用性能上的可焊 性。
施工上的可焊性指对产生裂纹的敏感性，使用性 能上的可焊性是指焊接构件在焊接后的力学性能 是否低于母材。
五、钢材受压和受剪时的性能
钢材在单向受压（短试件）时，受力性能基本上 与单向受拉相同。
(GB／n28)，《金属夏比缺口冲击试验方法》 (CB／n29)和 《金属材料弯曲试验方法》 (GB／n32)的规定进行。
第三节 影响钢材性能的主要因素
一、化学成分的影响 二、钢材生产过程的影响 三、温度的影响 四、冷加工硬化和时效硬化 五、复杂应力状态的影响 六、应力集中的影响
一、化学成分的影响
当钢材较厚时，或承受沿厚度方向的拉力时，要 求钢材具有板厚方向的收缩率要求，以防厚度方 向的分层、撕裂。
七、钢材性能的鉴定
由前可知，反映钢材质量的主要力学指标有：屈服强度、 抗拉强度、伸长率、冷弯性能及冲击韧性。此外，钢材的 工艺性能和化学成分也是反映钢材性能的重要内容。根据 《钢结构工程施工质量验收规范》(CB50205—2019)的规 定，对进入钢结构工程实施现场的主要材料需进行进场验 收，即检查钢材的质量合格证明文件、中文标识及检验报 告，确认钢材的品种、规格、性能是否符合现行国家标准 和设计要求。
钢材在变形很小的情况下突然发生断裂破坏称为脆性破坏。 变形很小且突然发生，不易发现和采取补救措施，因而危 险性很大。 特点：断口平直，呈有光泽的晶粒状。
二、循环荷载效应
➢（一）、钢材疲劳的基本概念 ➢（二）、疲劳计算 ➢（三）、疲劳计算应注意问题
四、可焊性
钢材的可焊性是指在一定工艺和结构条件下，钢 材经过焊接能够获得良好的焊接接头的性能。
可焊性分为施工上的可焊性和使用性能上的可焊 性。
施工上的可焊性指对产生裂纹的敏感性，使用性 能上的可焊性是指焊接构件在焊接后的力学性能 是否低于母材。
五、钢材受压和受剪时的性能
钢材在单向受压（短试件）时，受力性能基本上 与单向受拉相同。
(GB／n28)，《金属夏比缺口冲击试验方法》 (CB／n29)和 《金属材料弯曲试验方法》 (GB／n32)的规定进行。
第三节 影响钢材性能的主要因素
一、化学成分的影响 二、钢材生产过程的影响 三、温度的影响 四、冷加工硬化和时效硬化 五、复杂应力状态的影响 六、应力集中的影响
一、化学成分的影响
当钢材较厚时，或承受沿厚度方向的拉力时，要 求钢材具有板厚方向的收缩率要求，以防厚度方 向的分层、撕裂。
七、钢材性能的鉴定
由前可知，反映钢材质量的主要力学指标有：屈服强度、 抗拉强度、伸长率、冷弯性能及冲击韧性。此外，钢材的 工艺性能和化学成分也是反映钢材性能的重要内容。根据 《钢结构工程施工质量验收规范》(CB50205—2019)的规 定，对进入钢结构工程实施现场的主要材料需进行进场验 收，即检查钢材的质量合格证明文件、中文标识及检验报 告，确认钢材的品种、规格、性能是否符合现行国家标准 和设计要求。
钢结构基本原理》第2章 钢结构的材料幻灯片PPT
当σeq< fy时，钢材处于弹性阶段； 当三σ轴eq≥拉f应y时力，作钢用材下处，于破塑坏性表阶现段为。脆性。
有一向为异号应力，且同号两个应力相差又较大， 破坏为塑性。
钢结构基本原理
平面应力状态
eq 1 22 21 2
σ eq σ x 2 σ2 y σ xσy 3 τx 2y
普通梁
σeq σ23τ2
名义应力低于屈服点、材料处于弹性阶段，当 荷载循环到达一定次数后，钢材会发生突然脆性断 裂破坏，疲劳计算方法详见第9章。
(二)低周疲劳破坏
反复应力高于屈服强度、材料处于弹塑性阶段， 反复荷载会使钢材的剩余应变逐渐增长，最后产生 突然破坏。
钢结构基本原理
出版社 科技分社
(三)包辛格〔Bauschinger〕效应
对于没有缺陷和剩余应力 影响的试件,可认为钢材是图 2-3所示理想弹-塑性体，经历 两个阶段，即假定钢材应力小 于fy时是完全弹性的，应力超 过fy后那么是完全塑性的。设 计时，取fy作为强度限值，而 取fu作为材料的强度储藏。
图2-3 理想弹-塑性 应力-应变曲线图
钢结构基本原理
出版社 科技分社
钢结构基本原理
本章内容
出版社 科技分社
第一节 钢材的工作性能 第二节 钢构造对钢材性能的要求 第三节 影响钢材性能的主要因素 第四节钢材的种类、规格和选用原那么
钢结构基本原理
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第一节 钢材的工作性能
一、钢材静力单向均匀拉伸时的性能 钢材的主要强度指标和变形性能根据常温〔20
±5°〕、静载条件下标准试件一次拉伸试验确定。 常温静载条件下，图2-1所示低碳钢标准试件
单向一次拉伸试验得到的简化光滑应力-应变曲线如 图2-2所示，钢材历经五个阶段 :
有一向为异号应力，且同号两个应力相差又较大， 破坏为塑性。
钢结构基本原理
平面应力状态
eq 1 22 21 2
σ eq σ x 2 σ2 y σ xσy 3 τx 2y
普通梁
σeq σ23τ2
名义应力低于屈服点、材料处于弹性阶段，当 荷载循环到达一定次数后，钢材会发生突然脆性断 裂破坏，疲劳计算方法详见第9章。
(二)低周疲劳破坏
反复应力高于屈服强度、材料处于弹塑性阶段， 反复荷载会使钢材的剩余应变逐渐增长，最后产生 突然破坏。
钢结构基本原理
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(三)包辛格〔Bauschinger〕效应
对于没有缺陷和剩余应力 影响的试件,可认为钢材是图 2-3所示理想弹-塑性体，经历 两个阶段，即假定钢材应力小 于fy时是完全弹性的，应力超 过fy后那么是完全塑性的。设 计时，取fy作为强度限值，而 取fu作为材料的强度储藏。
图2-3 理想弹-塑性 应力-应变曲线图
钢结构基本原理
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钢结构基本原理
本章内容
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第一节 钢材的工作性能 第二节 钢构造对钢材性能的要求 第三节 影响钢材性能的主要因素 第四节钢材的种类、规格和选用原那么
钢结构基本原理
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第一节 钢材的工作性能
一、钢材静力单向均匀拉伸时的性能 钢材的主要强度指标和变形性能根据常温〔20
±5°〕、静载条件下标准试件一次拉伸试验确定。 常温静载条件下，图2-1所示低碳钢标准试件
单向一次拉伸试验得到的简化光滑应力-应变曲线如 图2-2所示，钢材历经五个阶段 :
钢结构的材料 (2)优秀课件
（3）断裂时变形约为弹性变形的200倍，在破坏前
产生明显可见的塑性 变形， 可及时补救， 故几乎不可能发生。
fu fu-fy
fy
O 0.15%
22%
4.单向拉伸时钢材的机械性能指标
（1）屈服点fy--应力应变曲线开始产生塑性流动时 对应的应力，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。 （2）抗拉强度fu--应力应变曲线最高点对应的应 力，它是钢材最大的抗拉强度。
钢结构的材料 (2)优秀课件
§2.1 钢结构对材料性能的要求
问题： 1、建筑结构用钢材必须具备哪些特点？ 2、钢材有哪几项基本技术指标？各项指标可以来衡量钢
材那些方面的性能？ 3、简述Q235钢材的破坏过程，画出一次拉伸试验的应力
-应变曲线并标明主要参数。 4、说明设计时钢材规定静力承载的指标依据，为什么这
一、受拉、受压、受弯及受剪时的性能
（一）一次拉伸时的性能 • 1.条件：标准试件（GB/T228），常温（20±5℃）
下缓慢加载，一次完成。含碳量为0.1%－0.3%。
• 标准试件：Lo/d=5、10；Lo-标距； d --直径
Lo
d
试验过程
2.阶段划分
A.有屈服点钢材σ--ε曲线可以分为五个阶段：
样？
§2.1 钢结构对材料性能的要求
◇较高的强度。即抗拉强度fu和屈服点fy比较高。 ◇足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。 ◇良好的加工性能。即适合冷、热加工，良好的可焊性。 ◇适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀)以及重复荷载
作用等的性能。
◇容易生产，价格便宜。
《钢结构设计规范》(GB50017—2003)推荐的普通碳素结构 钢Q235钢和低合金高强度结构钢Q345、Q390及Q420是符合上 述要求的。 选用GB50017规范还未推荐的钢材时，需有可靠依据。以确 保钢结构的质量。
教学课件第二章钢结构的材料
2.4.3 钢材的选用
钢材规格
1．热轧钢板 热轧钢板用“—”符号后加“宽度×厚度×长度”表示，如―600×10×12000为10mm厚，600mm宽，12m长的钢板。2．热轧型钢 常用的热轧型钢有角钢、槽钢、工字钢及钢管等。 3．薄壁型钢 薄壁型钢截面轮廓尺寸相对较大而壁较薄，材料的质量分布最为合理，截面惯性矩较大，因此受力性能较好，并节省材料，但由于断面壁薄，锈蚀影响较为突出。
2．低合金结构钢
为了改善钢材的机械力学性能，在碳素钢中加入少量的一种或几种合金元素，即得到合金钢，合金元素含量低于5%时为低合金钢，高于5%时为高合金钢。
原钢结构设计规范普通低合金钢的标号规则是：前面二位数表示平均含碳量的万分数，其后按照含量大小为序缀上合金元素的化学符号。当某元素含量超过1.5%时，在相应元素符号后标出其含量百分数的整数部分。
§2.3 影响钢材性能的主要因素
结构用钢必须同时具有较高的强度、塑性、韧性、冷弯性能，还必须具有良好的加工性能，如可焊性等。影响钢材这些性能的因素很多，主要有化学成分，钢材的冶金和轧制工艺，硬化，温度和应力集中等。
有害元素：硫(S) 磷(P) 氧(O) 氮(N) 氢(H)是冶炼过程中留在钢中的杂质，含量高时可分别使钢热脆或冷脆。
2.1.4 钢材的可焊性
§2.2 钢材的两种破坏形式
钢材在一般情况下是弹塑性材料，但特殊条件下可以转变为脆性材料，因而钢材有两种性质完全不同的破坏形式，即塑性破坏和脆性破坏。其特征为：
塑性破坏：材料在破坏之前有显著变形，并吸收大量能量，从发生变形到最后破坏，持续很长时间。
脆性破坏：材料在破坏之前没有显著变形，吸收能量很少，破坏突然发生。
要保证结构承受动力荷载的安全，就要求钢材的韧性好、冲击韧度高。（承受动力荷载的钢结构，厂房的吊车、桥梁结构等）
钢材规格
1．热轧钢板 热轧钢板用“—”符号后加“宽度×厚度×长度”表示，如―600×10×12000为10mm厚，600mm宽，12m长的钢板。2．热轧型钢 常用的热轧型钢有角钢、槽钢、工字钢及钢管等。 3．薄壁型钢 薄壁型钢截面轮廓尺寸相对较大而壁较薄，材料的质量分布最为合理，截面惯性矩较大，因此受力性能较好，并节省材料，但由于断面壁薄，锈蚀影响较为突出。
2．低合金结构钢
为了改善钢材的机械力学性能，在碳素钢中加入少量的一种或几种合金元素，即得到合金钢，合金元素含量低于5%时为低合金钢，高于5%时为高合金钢。
原钢结构设计规范普通低合金钢的标号规则是：前面二位数表示平均含碳量的万分数，其后按照含量大小为序缀上合金元素的化学符号。当某元素含量超过1.5%时，在相应元素符号后标出其含量百分数的整数部分。
§2.3 影响钢材性能的主要因素
结构用钢必须同时具有较高的强度、塑性、韧性、冷弯性能，还必须具有良好的加工性能，如可焊性等。影响钢材这些性能的因素很多，主要有化学成分，钢材的冶金和轧制工艺，硬化，温度和应力集中等。
有害元素：硫(S) 磷(P) 氧(O) 氮(N) 氢(H)是冶炼过程中留在钢中的杂质，含量高时可分别使钢热脆或冷脆。
2.1.4 钢材的可焊性
§2.2 钢材的两种破坏形式
钢材在一般情况下是弹塑性材料，但特殊条件下可以转变为脆性材料，因而钢材有两种性质完全不同的破坏形式，即塑性破坏和脆性破坏。其特征为：
塑性破坏：材料在破坏之前有显著变形，并吸收大量能量，从发生变形到最后破坏，持续很长时间。
脆性破坏：材料在破坏之前没有显著变形，吸收能量很少，破坏突然发生。
要保证结构承受动力荷载的安全，就要求钢材的韧性好、冲击韧度高。（承受动力荷载的钢结构，厂房的吊车、桥梁结构等）
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2. 硫（S）：钢材中的有害元素，具有热脆性（温度达到 800-1000℃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0.05%。
s
fu fy=f0.2
2019/10/28
0.2%
εp
e
无屈服点钢材的应力-应变曲线
同济大学 建筑工程系 沈德洪
第二章 钢结构材料
(3)单向拉伸时钢材的机械性能指标
① 屈服点fy 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），它是衡量钢材的承载能力和确 定钢材强度设计值的重要指标。（作为钢结构设计可以达到的最 大应力）
（c）强化阶段(DE段)
钢材内部晶粒重新排列，恢复承载能力，随荷载的增加σ缓慢增
大,但ε增加较快，最终应力达到最高点E——抗拉强度（极限强
度）fu 试件所能承受的最大拉应s力
（d）颈缩阶段(EF段)
截面出现了横向收缩，
E
截面面积开始显著缩 小，塑性变形迅速增
B
A CD
F
大，应力不断降低， 变形却延续发展，直
② 抗拉强度fu 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。（强度的安全储备）
③ 钢材的塑性 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。塑性好坏可用断面收缩率
和伸长率 表示，通过静力拉伸试验得到。
2019/10/28
同济大学 建筑工程系 沈德洪
已足够用来考虑结构或构件的
塑性变形的发展。 钢材是符合理想中的弹性-塑性材料
ε0
ε
ε
0.15% 2.5%
塑性设计
简化的应力－应变曲线
2019/10/28
同济大学 建筑工程系 沈德洪
2.3.3 钢材的其它性能
1.冷弯性能
钢材在冷加工（常温下加工） 产生塑性变形时，对发生裂缝 的抵抗能力。 鉴别指标：当试件弯曲至180°时， 试件表和侧面，无裂纹、断裂或 分层，即认为试件冷弯性能合格。
2019/10/28
同济大学 建筑工程系 沈德洪
第二章 钢结构材料
1. 碳（C）：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。 碳素钢按碳含量区分，小于0.25％的为低碳钢，介于 0.25％和0.6％之间的为中碳钢，大于0.6％的为高碳钢。 钢结构用钢中，碳含量一般控制在0.22%以下，当其含量 在0.2％以下时，可焊性良好。
应力-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。
塑性变形：卸载后试件
不能完全恢复原来的长
s
度。不能恢复的这一部
E
分变形称为塑性变形。
屈服点fy（屈服强度）：
屈服阶段曲线波动部分 的最低值。
su sy sA
B
A CD
O
e
s Ee
2019/10/28
同济大学 建筑工程系 沈德洪
第二章 钢结构材料
2019/10/28
同济大学 建筑工程系 沈德洪
2.3.1 钢材的破坏形式
第二章 钢结构材料
特 征断 口后 果
塑性破坏
（延性破坏）
构件应力超过屈 常为杯形，呈纤 在破坏前有很明
服点，并且达到 维状，色泽发暗。显的变形，并有
抗拉极限强度后，
较长的变形持续
构件产生明显的
时间，便于发现
变形并断裂。
和补救。
同济大学 建筑工程系 沈德洪Biblioteka 二章 钢结构材料3.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 和焊缝的力学性能不低于母材力学性能。
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0.12%～0.20% 范围内的碳素钢，可焊性最好（如Q235B）。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JGJ81-2002《建筑钢结构 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 0.38%，钢材的可焊性好(如Q235.Q345)，可不采取措施直接施焊。
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。
2019/10/28
同济大学 建筑工程系 沈德洪
第二章 钢结构材料
(4) 应力应变曲线的简化
曲线简化的依据：
fy
1）钢材在屈服点之前的性质
接近理想的弹性体。
2）屈服点之后的流幅现象又
接近理想的塑性体，并且流幅
的范围（e≈0.15％-2.5％）
本科教学
钢结构
第二章 钢结构材料
第二章 钢结构材料
第2章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
2019/10/28
同济大学 建筑工程系 沈德洪
第二章 钢结构材料
钢结构的材料关系到钢结构的计算理论，同时对钢结构
的制造、安装、使用、造价、安全等均有直接联系。本章简
冲击韧性试验 一般采用试件长55mm，截 面10×10mm2，中间一小槽。在摆锤式冲 击试验机上进行试验，冲断试件后，读出 摆锤消耗的功。
冲击韧性还与试验的温度有关。我国钢材标准 中将试验分为四档，即+20℃, 0℃，-20℃和40℃时的冲击韧性。温度越低，冲击韧性越低。
冲击韧性试验
2019/10/28
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 本低，已经成为国内外发展最快的炼钢方法。）
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 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。）
电炉钢是利用电热原理，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。）
su sy sA
至F点试件断裂。
O
e
s Ee
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第二章 钢结构材料
B.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0.2％所对应的应力 作为屈服点 ——“条件屈服点”或“名义屈服点”
没有明显屈服点的钢 材在拉伸过程中没有 屈服阶段，塑性变形 小，破坏突然。
CE
C
Mn 6
Cr
Mo 5
V
Ni Cu 15
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小结
钢材的机械性能指标
1、屈服点 fy 2、抗拉强度 fu 3、伸长率 δ
4、断面收缩率
5、冷弯性能 6、冲击韧性 Akv
第二章 钢结构材料
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第二章 钢结构材料
b) 断面收缩率 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。
A0 - A1 100 %
A1
A1
式中：
A0 ——试件原来的断面面积
A0
A1 ——试件拉断后颈缩区的断面面积
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
脆性破坏
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在破坏前无明显 变形，平均应力 也小（一般都小 于屈服点），没 有任何预兆。
平直和呈有光泽 的晶粒。
突然发生的，危 险性大，应尽量 避免。
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第二章 钢结构材料
2.3.2 单向拉伸时的工作性能
（1）试验条件
（a）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5或10倍。 （b）荷载要分级逐次增加，直到试件破坏。 （c）试验温度要控制在室温20℃左右。
纯铁Fe（占99％）
钢 碳C↑→变脆（强度↑，塑性、韧性、可焊性，抗腐蚀性↓）
其它主要元素
硅Si↑ 适量→强度↑，塑性、韧性、冷弯性能、可焊性变化不大 有
锰Mn↑→强度↑消除热脆，改善冷脆，塑性韧性降低不显著
益 元
钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb) 等适量→强度、韧性↑、塑性良好
素
硫S→热脆、韧性、疲劳强度、抗锈蚀性、可焊性↓
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第二章 钢结构材料
（2） 浇 注
浇注是指把熔炼好的钢液做成钢锭或钢坯。 用连续铸造法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铸锭工艺和设备。
（3）脱 氧
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。
第二章 钢结构材料
a) 伸长率δ 试件断裂前的永久变形与原标定长度的百比。
l1 - l0 100 %
N
Lo
N
l0
d
l0— 原标距长
N
L
N
l1 —拉断后标距长度
d0 —试件直径
d
试件有两种标距：l0/ d0=5 和 l0/ d0=10 相应的伸长率用δ5
和δ10表示。伸长率δ
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。
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第二章 钢结构材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
§2.2 钢材的生产
钢材的生产大致分为炼铁、炼钢和轧制三道工序。
（1）炼 钢
炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。 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
第二章 钢结构材料
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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。
s
fu fy=f0.2
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0.2%
εp
e
无屈服点钢材的应力-应变曲线
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第二章 钢结构材料
(3)单向拉伸时钢材的机械性能指标
① 屈服点fy 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），它是衡量钢材的承载能力和确 定钢材强度设计值的重要指标。（作为钢结构设计可以达到的最 大应力）
（c）强化阶段(DE段)
钢材内部晶粒重新排列，恢复承载能力，随荷载的增加σ缓慢增
大,但ε增加较快，最终应力达到最高点E——抗拉强度（极限强
度）fu 试件所能承受的最大拉应s力
（d）颈缩阶段(EF段)
截面出现了横向收缩，
E
截面面积开始显著缩 小，塑性变形迅速增
B
A CD
F
大，应力不断降低， 变形却延续发展，直
② 抗拉强度fu 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。（强度的安全储备）
③ 钢材的塑性 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。塑性好坏可用断面收缩率
和伸长率 表示，通过静力拉伸试验得到。
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已足够用来考虑结构或构件的
塑性变形的发展。 钢材是符合理想中的弹性-塑性材料
ε0
ε
ε
0.15% 2.5%
塑性设计
简化的应力－应变曲线
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2.3.3 钢材的其它性能
1.冷弯性能
钢材在冷加工（常温下加工） 产生塑性变形时，对发生裂缝 的抵抗能力。 鉴别指标：当试件弯曲至180°时， 试件表和侧面，无裂纹、断裂或 分层，即认为试件冷弯性能合格。
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1. 碳（C）：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。 碳素钢按碳含量区分，小于0.25％的为低碳钢，介于 0.25％和0.6％之间的为中碳钢，大于0.6％的为高碳钢。 钢结构用钢中，碳含量一般控制在0.22%以下，当其含量 在0.2％以下时，可焊性良好。
应力-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。
塑性变形：卸载后试件
不能完全恢复原来的长
s
度。不能恢复的这一部
E
分变形称为塑性变形。
屈服点fy（屈服强度）：
屈服阶段曲线波动部分 的最低值。
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B
A CD
O
e
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2.3.1 钢材的破坏形式
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特 征断 口后 果
塑性破坏
（延性破坏）
构件应力超过屈 常为杯形，呈纤 在破坏前有很明
服点，并且达到 维状，色泽发暗。显的变形，并有
抗拉极限强度后，
较长的变形持续
构件产生明显的
时间，便于发现
变形并断裂。
和补救。
同济大学 建筑工程系 沈德洪Biblioteka 二章 钢结构材料3.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 和焊缝的力学性能不低于母材力学性能。
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0.12%～0.20% 范围内的碳素钢，可焊性最好（如Q235B）。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JGJ81-2002《建筑钢结构 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 0.38%，钢材的可焊性好(如Q235.Q345)，可不采取措施直接施焊。
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。
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(4) 应力应变曲线的简化
曲线简化的依据：
fy
1）钢材在屈服点之前的性质
接近理想的弹性体。
2）屈服点之后的流幅现象又
接近理想的塑性体，并且流幅
的范围（e≈0.15％-2.5％）
本科教学
钢结构
第二章 钢结构材料
第二章 钢结构材料
第2章 钢结构的材料
Chapter 2 Material of Steel Structure
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第二章 钢结构材料
钢结构的材料关系到钢结构的计算理论，同时对钢结构
的制造、安装、使用、造价、安全等均有直接联系。本章简
冲击韧性试验 一般采用试件长55mm，截 面10×10mm2，中间一小槽。在摆锤式冲 击试验机上进行试验，冲断试件后，读出 摆锤消耗的功。
冲击韧性还与试验的温度有关。我国钢材标准 中将试验分为四档，即+20℃, 0℃，-20℃和40℃时的冲击韧性。温度越低，冲击韧性越低。
冲击韧性试验
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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 本低，已经成为国内外发展最快的炼钢方法。）
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 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。）
电炉钢是利用电热原理，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。）
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至F点试件断裂。
O
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B.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0.2％所对应的应力 作为屈服点 ——“条件屈服点”或“名义屈服点”
没有明显屈服点的钢 材在拉伸过程中没有 屈服阶段，塑性变形 小，破坏突然。
CE
C
Mn 6
Cr
Mo 5
V
Ni Cu 15
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小结
钢材的机械性能指标
1、屈服点 fy 2、抗拉强度 fu 3、伸长率 δ
4、断面收缩率
5、冷弯性能 6、冲击韧性 Akv
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b) 断面收缩率 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。
A0 - A1 100 %
A1
A1
式中：
A0 ——试件原来的断面面积
A0
A1 ——试件拉断后颈缩区的断面面积
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
脆性破坏
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在破坏前无明显 变形，平均应力 也小（一般都小 于屈服点），没 有任何预兆。
平直和呈有光泽 的晶粒。
突然发生的，危 险性大，应尽量 避免。
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2.3.2 单向拉伸时的工作性能
（1）试验条件
（a）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5或10倍。 （b）荷载要分级逐次增加，直到试件破坏。 （c）试验温度要控制在室温20℃左右。
纯铁Fe（占99％）
钢 碳C↑→变脆（强度↑，塑性、韧性、可焊性，抗腐蚀性↓）
其它主要元素
硅Si↑ 适量→强度↑，塑性、韧性、冷弯性能、可焊性变化不大 有
锰Mn↑→强度↑消除热脆，改善冷脆，塑性韧性降低不显著
益 元
钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb) 等适量→强度、韧性↑、塑性良好
素
硫S→热脆、韧性、疲劳强度、抗锈蚀性、可焊性↓
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（2） 浇 注
浇注是指把熔炼好的钢液做成钢锭或钢坯。 用连续铸造法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铸锭工艺和设备。
（3）脱 氧
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。
第二章 钢结构材料
a) 伸长率δ 试件断裂前的永久变形与原标定长度的百比。
l1 - l0 100 %
N
Lo
N
l0
d
l0— 原标距长
N
L
N
l1 —拉断后标距长度
d0 —试件直径
d
试件有两种标距：l0/ d0=5 和 l0/ d0=10 相应的伸长率用δ5
和δ10表示。伸长率δ
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。
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§2.2 钢材的生产
钢材的生产大致分为炼铁、炼钢和轧制三道工序。
（1）炼 钢
炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。 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
第二章 钢结构材料
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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。