第二章 钢结构的材料(48)
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第二章 钢结构的材料
3.人工时效 使钢材产生10%的塑性变形，再加热到 200～300 oC，然后冷却到室温进行试验。这样可使时 效在几小时内完成。
五、复杂应力状态的影响
在复杂应力如平面或立体 应力作用下，钢材的屈服并 不只取决于某一方向的应力， 而是由反映各方向应力综合 影响的 屈服条件来确定。
eq ( x y y z z x ) 3( )
第二节
钢材的主要机械性能
• 钢材的机械性能（力学性能）通常是指钢厂生 产供应的钢材在标准条件下拉伸、冷弯和冲击 等单独作用下显示出的各种机械性能。它们由 相应实验得到，试验采用的试件的制作和试验 方法都必须按照各相关国家标准规定进行。 一、单向拉伸时的性能 标准试件在室温（100C～350C) 、以满足静 力加载的加载速度一次加载所得钢材的应力 ζ ～ ε 应变曲线显示的钢材机械性能如下:：
二、疲劳计算
• 反复荷载作用产生的应力重复一周叫做一个循环。 Δ ζ =ζ max-ζ min称为应力幅，表示应力变化的幅 度。 • 试验表明，焊接结构发生疲劳破坏并不是名义最 大应力ζ max作用的结果，而是焊缝部位足够大小 的应力幅反复作用的结果。非焊接结构的的疲劳 寿命不仅与应力幅有关，还与 其他因素有关。 规范把疲劳计算公式中的应力幅调整为折算应力 幅，以反映其实际工作情况。 • 疲劳计算的公式是以试验为依据的，分为常幅和 变幅疲劳两种情况进行计算。
（2）槽钢
有热轧普通槽钢和轻型槽钢两种。槽 钢规格用槽钢符号 [ 或Q[表示。 例如，普通槽钢[10、[20a，轻型槽钢Q[20a。 （3）工字钢 有普通工字钢和轻型工字钢两种。 例如，普通工字钢I18、I50a，轻型工字钢QI50。 （4）H型钢 H型钢比工字钢的翼缘宽度大并为等 厚度，截面抵抗矩较大且质量较小，便于与其它 构件连接。热轧H型钢分为宽、中、窄翼缘H型钢， 它们的代号分别为HW、HM和HN。例如HW260a、 HM360、HN300b。
五、复杂应力状态的影响
在复杂应力如平面或立体 应力作用下，钢材的屈服并 不只取决于某一方向的应力， 而是由反映各方向应力综合 影响的 屈服条件来确定。
eq ( x y y z z x ) 3( )
第二节
钢材的主要机械性能
• 钢材的机械性能（力学性能）通常是指钢厂生 产供应的钢材在标准条件下拉伸、冷弯和冲击 等单独作用下显示出的各种机械性能。它们由 相应实验得到，试验采用的试件的制作和试验 方法都必须按照各相关国家标准规定进行。 一、单向拉伸时的性能 标准试件在室温（100C～350C) 、以满足静 力加载的加载速度一次加载所得钢材的应力 ζ ～ ε 应变曲线显示的钢材机械性能如下:：
二、疲劳计算
• 反复荷载作用产生的应力重复一周叫做一个循环。 Δ ζ =ζ max-ζ min称为应力幅，表示应力变化的幅 度。 • 试验表明，焊接结构发生疲劳破坏并不是名义最 大应力ζ max作用的结果，而是焊缝部位足够大小 的应力幅反复作用的结果。非焊接结构的的疲劳 寿命不仅与应力幅有关，还与 其他因素有关。 规范把疲劳计算公式中的应力幅调整为折算应力 幅，以反映其实际工作情况。 • 疲劳计算的公式是以试验为依据的，分为常幅和 变幅疲劳两种情况进行计算。
（2）槽钢
有热轧普通槽钢和轻型槽钢两种。槽 钢规格用槽钢符号 [ 或Q[表示。 例如，普通槽钢[10、[20a，轻型槽钢Q[20a。 （3）工字钢 有普通工字钢和轻型工字钢两种。 例如，普通工字钢I18、I50a，轻型工字钢QI50。 （4）H型钢 H型钢比工字钢的翼缘宽度大并为等 厚度，截面抵抗矩较大且质量较小，便于与其它 构件连接。热轧H型钢分为宽、中、窄翼缘H型钢， 它们的代号分别为HW、HM和HN。例如HW260a、 HM360、HN300b。
钢结构复习题 第二章
第二章 钢结构的材料一、名词解释1．塑性2．韧性３．冷脆4．热脆5．塑性破坏6．脆性破坏7．冷弯性能合格8．应力集中9．应力幅10.疲劳寿命二、判断题1．钢材具有良好的塑性，因此钢结构只发生塑性破坏2．钢材的强度设计值f 是以钢材的抗拉极限强度u f 为依据的。
3．钢材材质较均匀，因此在各个方向受拉时的强度均相同。
4．2.0σ就是应力应变曲线上应变值为0.2%时所对应的应力值。
5．应力集中常使该处材质处于双向或三向受拉应力状态，材质转脆。
6．只要设计合理或制造正确就可避免钢结构的脆性断裂。
7．冷加工使钢材强度提高，故普通钢结构设计中可利用此提高的强度来进行结构设计。
8．焊接结构的疲劳强度破坏并不是最大应力重复的结果，而是焊接处足够大小的应力幅重复的结果。
9．按现行钢结构设计规范进行钢结构疲劳验算时，疲劳荷载计算中不考虑其荷载动力系数。
10．钢结构脆性断裂就是当某处应力达到y f 或u f 时发生的突然破坏11．塑性变形是不能恢复的，因此塑性破坏比脆性破坏更危险。
12．应力集中可产生三轴受拉的应力状态，它对钢结构抗低温冷脆性有严重的不良影响，但因为它提高了钢材的屈服点，故对提高钢结构的疲劳强度是有利的。
13．结构钢材的伸长率以δ5和δ10 表示，下标5或时代表标准试件的截面面积为5或10平方厘米。
三、单项选择题1．钢材疲劳验算公式][σσ∆≤∆中σ∆是根据（ ）A:永久荷载设计值 B: 循环荷载设计值C: 永久荷载标准值 D: 循环荷载设计标准值2．下列钢材化学成分中对钢材性能有害的元素是（ ）Ⅰ硼 Ⅱ氧 Ⅲ硅 Ⅳ氮 Ⅴ硫 Ⅵ 磷A: Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ B: ⅡⅣ Ⅴ ⅥC: Ⅰ硼 硅 氮 磷 D: Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ Ⅵ3.锰、硅、铝常作为脱氧剂加入钢水中，它们的脱氧能力从强到弱的顺序是（）A: 铝<锰<硅 B: 硅<锰<铝C: 锰<硅<铝 D: 铝<硅<锰4.钢材冲击韧性V C 随温度降低而显著降低，材料由塑性（温度为2T ）转变为脆性（温度1T ），如图，0T 为转变温度，则结构设计时取用结构所处的温度应大于（ ）A: 2T B: 1T C: 0T D: 2/)(20T T +5．Q235-D 钢材要求保证冲击韧性V C 值时的温度是（ ）A:0℃ B: -20℃ C:-40℃ D:20℃6．钢材应避免在“蓝脆区”进行热加工，以免引起裂纹，“蓝脆区”的温度是（ ）左右 A:250℃ B: 300℃ C:600℃ D:800℃7．焊接结构在循环荷载计算应力幅σ∆作用下，焊接处最大应力max σ为（ ）A ：)(抗拉强度u fB ：)(屈服强度y fC ：σ∆+y fD ：σ∆-y f 8：焊接结构在循环荷载计算应力幅σ∆作用下，焊接处最小应力min σ为（ ）A ：)(抗拉强度u fB ：)(屈服强度y fC ：σ∆+y fD ：σ∆-y f 9：下列说法除（ ）为均为疲劳破坏和脆性破坏共同特点。
2023年开放大学钢结构(本)单元小练习题目与答案
钢结构（本）章节小练习第一章绪论1．世界第一座铸铁拱桥是（）正确答案是：雪纹桥2．在公元前60年前后，我国就修建了（）正确答案是：铁链桥1．最早的钢结构由铁结构发展而来。
（）正确的答案是“对”。
2．钢结构的广泛应用源自于钢材的优异性能、制作安装的高度工业化、结构形式的丰富多样以及对复杂结构的良好适应等特点。
（）正确的答案是“对”。
1．下面关于钢结构特点说法有误的一项是（）正确答案是：耐热性差、耐火性好2．相比较来讲，最适合强震区的结构类型是（）正确答案是：钢结构3．相比较来讲，钢结构最大的弱点是（）正确答案是：易于锈蚀4．相比较来讲，当承受大荷载、动荷载或移动荷载时，宜选用的结构类型是（）正确答案是：钢结构5．下列均为大跨度结构体系的一组是（）正确答案是：网壳、悬索、索膜6．通常情况下，输电线塔和发射桅杆的结构形式属于（）正确答案是：高耸结构1．钢材在冶炼和轧制过程中质量随可得到严格控制，但材质波动范围非常大。
（）正确的答案是“错”。
2．钢材质地均匀、各向同性，弹性模量大，具有良好的塑性和韧性，可近似看作理想弹塑性体。
（）正确的答案是“对”。
3．结构钢具有良好的冷、热加工性能，不适合在专业化工厂进行生产和机械加工。
（）正确的答案是“错”。
4．钢结构在其使用周期内易因温度等作用出现裂缝，耐久性较差。
（）正确的答案是“错”。
5．钢材是一种高强度高效能的材料，可以100%回收再利用，而且没有资源损失，具有很高的再循环价值。
正确的答案是“对”。
6．钢材轻质高强的特性使钢结构在跨度、高度大时体现出良好的综合效益。
（）正确的答案是“对”。
1．结构在规定的时间内，规定的条件下，完成预定功能的能力，称为结构的（）正确的答案是：可靠性2．结构可靠性主要包括（）正确的答案是：安全性、适用性和耐久性3．下列均为承载能力极限状态范畴的一组是（）.正确的答案是：构件或连接的强度破坏、疲劳破坏、脆性断裂1．钢结构设计的目的是保证结构和结构构件在充分满足功能要求的基础上安全可靠地工作。
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2023钢结构基本原理第二版（沈祖炎著）课后答
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前言
第一章绪论.
第一节钢结构的特点和应用
第二节钢结构设计要求与设计方法
第三节钢结构的发展方向
第四节本课程的主要内容、特点和学习方法
思考题
第二章钢结构的材料
第一节钢结构对材料的要求
第二节钢材的塑性破坏和脆性破坏
第三节钢材的主要性能
第四节影响钢材性能的因素
第五节钢材的疲劳
第六节钢材的种类和规格
思考题
钢结构基本原理第二版（沈祖炎著）：内容简介
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钢结构基本原理第二版（沈祖炎著）：图书目录
本书主要依据国家标准《钢结构设计规范》(GB 50017--)编写。
全书共分七章，基本内容包括绪论、钢结构的材料、钢结构的'连接、轴心受力构件、受弯构件设计、拉弯压弯构件和钢结构最新技术。
钢结构第2章(带答案)
第2章钢结构材料1钢材代号Q235D的含义为Q为屈服强度的汉语拼音宇母，235为屈服强度数值、D为质量等级符号。
2钢材的硬化，提高了钢材的强度，降低了钢材的塑性和韧性。
3当用公式厶计算常幅疲劳时，式中表示工作应力幅，对焊接结构的焊接部位=旷“和-巧向,对于非焊接部位= <T,nax一^<T min。
4钢材的两种破坏形式为塑性破坏和脆性破坏。
5钢材的设计强度等于钢材的屈服强度斤除以抗力分项系数冷。
6钢材在复杂应力状态下，由弹性转入塑性状态的条件是折算应力等于或大于钢材单向拉伸的屈服极限。
7按脱氧方法之不同,钢材有镇静钢和沸腾钢之分。
8钢材的0值与温度有关，在-2（尸C或在-4（尸C所测得的Cv值称低温冲击韧性。
9随着时间的增长，钢材强度提高，塑性和韧性下降的现象称为时效硬化。
10通过标准试件的一次拉伸试验，可确定钢材的力学性能指标为：抗拉强度心、和屈服极限fy和伸长率合。
11钢材设计强度F与屈服点fy,之间的关系为_/ =厶/*_。
12韧性是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力,亦即钢材抵抗冲击荷载的能力。
13对于焊接结构，除应限制钢材中硫、磷的极限含量外，还应限制C的含量不超过规定值0.2%o14在疲劳设计时，经过统计分析，把各种构件和连接分为_L类，相同应力循环次数下，类别越高，容许应力幅越低。
15衡量钢材抵抗冲击荷载能力的指标称为冲击韧性。
它的值越小，表明击断试件所耗的能量越少，钢材的韧性越差。
16钢中含硫量太多会引起钢材的热；含磷量太多会引起钢材的冷。
17钢材受三向同号拉应力作用时，即使三向应力绝对值很大，甚至大大超过屈服点，但两两应力差值不大时，材料不易进入塑性状态,发生的破坏为脆性破坏。
18如果钢材具有良好的塑性性能,那么钢结构在一般情况下就不会因偶然或局部超载而发生突然断裂。
19应力集中易导致钢材脆性破坏的原闵在于应力集中处輕邂_受到约束。
20随着温度下降，钢材的脆性倾向增加。
第二章钢结构材料
作用则属于连续交变荷载，或称循环荷载。
1） 加载速度的影响
高于此温度时，不论 何种加载方式材料的 韧性性能均好。T3
低于此温度时，不论 何种加载方式材料的 韧性性能均差。T1
常温下某温度时，静载下材料 的韧性最好，中等加载速度下 次之，冲击加载最差。T2
2）循环荷载的影响
钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐积累损伤、 产生裂纹、裂纹逐渐扩展，直到最后破坏，这种现
锰、硅含量不高时可提高钢材强度，但又不会过多 降低塑性和冲击韧性，不过量时是有益元素。
硫、磷、氧、氮均是有害元素，一般情况下其含量
元旦应严格控制。（但也有例外） 2-4-2 钢材的焊接性能 指钢材经过焊接后能获得良好的焊接接头的性能。 包括焊缝金属和近缝区钢材在施焊时不开裂、焊接
构件在施焊后的机械性能不低于母材。
达到屈服点作为评价钢结构承载能力极限状态的标
志，即取屈服强度作为钢材的标准强度。 钢材的伸长率是反映钢材塑性的指标之一。反映钢 材塑性的另一个指标是截面收缩率。 伸长率δ等于试件拉断后原标距间的伸长量和原标 距比值的百分率。原标距长度有10倍标距δ 和5倍标
10
距δ5两种。
断面收缩率ψ是试件拉断后，颈缩区的断面面积 缩小值与原断面面积比值的百分率。 由单向拉伸试验还可以看出钢材的韧性好坏。 韧性用材料破坏过程中单位体积吸收的总能量来衡 量，包括弹性能和非弹性能两部分，其值等于应力
力集中。应力高峰值及应
力分布不均匀的程度与杆件 截面变化急剧的程度有关。
实验表明，应力集中处，不仅有纵向应力，还有横向应力， 常常形成同号应力场，有时还会有三向的同号应力场。这种同 号应力场导致钢材塑性降低，脆性增加，结构发生脆性破坏的 危险性增大。
大跨度结构应优先选用钢材
第一章 绪论选择题（ ）1、大跨度结构应优先选用钢材，其主要原因是A 、钢结构具有良好的装配性；B 、钢材接近均质等向体，力学计算结果与实际最符合；C 、钢材的韧性好；D 、钢材的比重与强度之比小于混凝土等其它材料。
填空题1、钢材有哪些主要特点？结合这些特点，相应有哪些合理的应用范围？2、高效钢材包括哪些种类？第二章 钢结构的材料选择题（ ）1、钢材在复杂应力状态下的屈服条件是由 等于单向拉伸时的屈服强度决定的。
A 、最大主拉应力1σ；B 、最大剪应力max τ；C 、最大主压应力3σ；D 、折算应力eq σ。
（ ）2、钢材的设计强度是根据 确定的。
A 、比例极限；B 、弹性极限；C 、屈服强度；D 、极限强度。
（ ）3、某构件发生了脆性破坏，不经检查可以肯定下列问题中 对该破坏无直接影响。
A 、钢材的屈服点过低；B 、构件的荷载增加速度过快；C 、存在冷加工硬化；D 、构件有构造原因引起的应力集中。
（ ）4、Q235钢按照质量等级分为A 、B 、C 、D 四级，由A 到D 表示质量由低到高，其分类依据是 。
A 、冲击韧性；B 、冷弯试验；C 、化学成分；D 、伸长率。
（ ）5、普通碳素钢强化阶段的变形是 。
A 、完全弹性变形；B 、完全塑性变形；C 、弹性成分为主的弹塑性变形；D 、塑性成分为主的弹塑性变形。
（ ）6、钢材中S 的含量超过规定标准， 。
A 、将提高钢材的伸长率；B 、将提高钢材的抗拉强度；C 、将使钢材在低温工作时变脆；D 、将使钢材在高温工作时变脆。
（ ）7、钢材屈服点f y 的高低反映了材料 。
A 、受静载时的最大承载能力；B 、受静载时的最大变形能力；C 、受动载时的最大承载能力；D 、受静载、发生塑性变形前的承载能力。
（ ）8、金属M n 可提高钢材的强度，对钢材的塑性 ，是一种有益的成分。
A 、提高不多；B 、提高较多；C 、降低不多；D 、降低很多。
（ ）9、钢材内部除含有F e 、C 外，还含有有害元素 。
第二章钢结构材料
部组织重新排列，抵抗外力 的能力增强。
σ
fu
B
D
fy
C
F
fe
E
fp A
0 0.1 0.15
2.5
ε /%
22
单向受拉应力－应变曲线
(5)颈缩阶段：BD段 应力超过fu后，试件出现
“颈缩”而断裂， fu称为抗 拉强度(Tensile Strength，材 料力学中用σb表示）。
根据上述特性，可确定钢材的强度指标和塑性指标。
钢材的脆性断裂
裂纹基本形式 (1) 张开型 (2) 滑移型 (3) 撕开型
防止钢材脆性断裂的措施
(1)加强施焊工艺管理，避免焊接过程中产生 裂缝、夹渣、气泡等。
(2)焊缝不宜过分集中，约束不应过强，避免 产生过大残余应力。
(3)合理细部设计，避免应力集中。 (4)选择合理钢材。
钢材的疲劳破坏
钢材在连续反复荷载作用下的破坏称为疲劳破坏。
钢材在复杂应力下工作性能
zs
2 x
2 y
2 z
( x
y
y z
z x )
3(
2 xy
2 yz
2 zx
)
钢材在复杂应力下工作性能
平面应力作用下，
z 0 yz zx 0
zs
2 x
2 y
x
y
3
2 xy
冷弯性能指钢材冷加工(即在常温下加工)产生塑性变
形时，对发生裂缝的抵抗能力。
钢材可焊性
衡量普通碳素钢可焊性良好的标准：
碳含量在0.27%以下 固定杂质含锰量在0.7%以下 含硅量在0.4%以下 硫磷含量各在0.05%以下
σ
fu
B
D
fy
C
F
fe
E
fp A
0 0.1 0.15
2.5
ε /%
22
单向受拉应力－应变曲线
(5)颈缩阶段：BD段 应力超过fu后，试件出现
“颈缩”而断裂， fu称为抗 拉强度(Tensile Strength，材 料力学中用σb表示）。
根据上述特性，可确定钢材的强度指标和塑性指标。
钢材的脆性断裂
裂纹基本形式 (1) 张开型 (2) 滑移型 (3) 撕开型
防止钢材脆性断裂的措施
(1)加强施焊工艺管理，避免焊接过程中产生 裂缝、夹渣、气泡等。
(2)焊缝不宜过分集中，约束不应过强，避免 产生过大残余应力。
(3)合理细部设计，避免应力集中。 (4)选择合理钢材。
钢材的疲劳破坏
钢材在连续反复荷载作用下的破坏称为疲劳破坏。
钢材在复杂应力下工作性能
zs
2 x
2 y
2 z
( x
y
y z
z x )
3(
2 xy
2 yz
2 zx
)
钢材在复杂应力下工作性能
平面应力作用下，
z 0 yz zx 0
zs
2 x
2 y
x
y
3
2 xy
冷弯性能指钢材冷加工(即在常温下加工)产生塑性变
形时，对发生裂缝的抵抗能力。
钢材可焊性
衡量普通碳素钢可焊性良好的标准：
碳含量在0.27%以下 固定杂质含锰量在0.7%以下 含硅量在0.4%以下 硫磷含量各在0.05%以下
第二章 钢结构的材料及计算方法
• 对于重要或承受动荷的焊接结构，需用带焊缝的试 件进行试验，测试其钢材焊接性能。
• 钢材的焊接性与钢材的含碳量、化学成分、钢材的 塑性和冲击韧性密切有关，焊接性可间接地用冲击 韧性AkV来检验。
7、抗蚀性和防腐措施
• （1）腐蚀的原因 • ① 化学锈蚀：钢材直接与周围介质发生化学反应
而产生的锈蚀。 • ② 电化学锈蚀：钢材与电解质溶液接触而产生电
破坏前应力较低，没有先兆现象，破坏速度极 快，断口呈平直状态。
塑 性 拉 伸 断 裂
颈缩
断裂
脆性破坏断口
二、钢材的主要性能
• 1、力学性能 • （1）抗拉性能 • （3）冲击韧性 • 2、工艺性能 • （1）冷弯性能
（2）硬度 （4）耐疲劳性
（2）焊接性能
满足要求的主要有碳素结构钢与低合金钢，最常用的如 Q235 和 Q345
• 构件及连接中存在一些局部缺陷（夹渣、微裂纹、 孔洞、焊缝气孔等），在重复荷载作用下，这些缺 陷处产生应力集中，出现微裂纹，当循环次数达到 一定程度，则扩展形成宏观裂缝，出现突然断裂。 此外，由钢材轧制及焊接时产生的残余应力会增加 压力集中程度，加剧疲劳破坏。
• （3）影响疲劳破坏的因素 • 钢材质量、构件几何尺寸和缺陷、应力循环特征
•（2）冲击韧性与钢材的厚度有关，大厚度钢 材的冲击韧性在负温下显著降低，因此在负温 条件下应尽量采用小厚度的钢材。
5、耐疲劳性
• （1）疲劳破坏 • 钢材在重复荷载的反复作用下，在应力远小于抗
拉强度时就发生破坏，破坏时断口较整齐，表面 有半椭圆状呈放射线的疲劳纹理，断裂前无预兆 ，是脆性断裂。
• （2）疲劳破坏产生的原因
• ② 钢材的疲劳破坏一般是由拉应力引起的，当 荷载变化不大或只承受压应力，而不承受拉应 力时，则不会发生疲劳破坏，可不进行疲劳计 算；
• 钢材的焊接性与钢材的含碳量、化学成分、钢材的 塑性和冲击韧性密切有关，焊接性可间接地用冲击 韧性AkV来检验。
7、抗蚀性和防腐措施
• （1）腐蚀的原因 • ① 化学锈蚀：钢材直接与周围介质发生化学反应
而产生的锈蚀。 • ② 电化学锈蚀：钢材与电解质溶液接触而产生电
破坏前应力较低，没有先兆现象，破坏速度极 快，断口呈平直状态。
塑 性 拉 伸 断 裂
颈缩
断裂
脆性破坏断口
二、钢材的主要性能
• 1、力学性能 • （1）抗拉性能 • （3）冲击韧性 • 2、工艺性能 • （1）冷弯性能
（2）硬度 （4）耐疲劳性
（2）焊接性能
满足要求的主要有碳素结构钢与低合金钢，最常用的如 Q235 和 Q345
• 构件及连接中存在一些局部缺陷（夹渣、微裂纹、 孔洞、焊缝气孔等），在重复荷载作用下，这些缺 陷处产生应力集中，出现微裂纹，当循环次数达到 一定程度，则扩展形成宏观裂缝，出现突然断裂。 此外，由钢材轧制及焊接时产生的残余应力会增加 压力集中程度，加剧疲劳破坏。
• （3）影响疲劳破坏的因素 • 钢材质量、构件几何尺寸和缺陷、应力循环特征
•（2）冲击韧性与钢材的厚度有关，大厚度钢 材的冲击韧性在负温下显著降低，因此在负温 条件下应尽量采用小厚度的钢材。
5、耐疲劳性
• （1）疲劳破坏 • 钢材在重复荷载的反复作用下，在应力远小于抗
拉强度时就发生破坏，破坏时断口较整齐，表面 有半椭圆状呈放射线的疲劳纹理，断裂前无预兆 ，是脆性断裂。
• （2）疲劳破坏产生的原因
• ② 钢材的疲劳破坏一般是由拉应力引起的，当 荷载变化不大或只承受压应力，而不承受拉应 力时，则不会发生疲劳破坏，可不进行疲劳计 算；
钢结构的材料
第二章 钢结构的材料 返回§2-6 建筑钢的种类、规格和选用2.6.1 建筑用钢的种类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。
另外，厚度方向性能钢板、焊接结构用耐候钢、铸钢等在某些情况下也有应用。
一、碳素结构钢按国家标准《碳素结构钢》GB/T700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牌号的钢材选为承重结构用钢。
Q235钢的化学成分和脱氧方法、拉伸和冲击试验以及冷弯试验结果均应符合表2.6.1、2.6.2和2.6.3的规定。
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。
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，可参考本书第9章单层厂房钢结构的有关内容。
二、低合金高强度结构钢按国家标准《低合金高强度结构钢》GB/T1591生产的钢材共有Q295、Q345、Q390、Q420和Q460等5种牌号，板材厚度主要依靠添加少量几种合金元素来达到，合金元素的总量低于5％，故称为低合金高强度钢。
其中Q345、Q390和Q420均按化学成分和冲击韧性各划分为A、B、C、D、E共5个质量等级，字母顺序越靠后的钢材质量越高。
这三种牌号的钢材均有较高的强度和较好的塑性、韧性、焊接性能，被规范选为承重结构用钢。
这三种低合金高强度钢的牌号命名与碳素结构钢的类似，只是前者的A、B级为镇静钢，C、D、E级为特种镇静钢，故可不加脱氧方法的符号。
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2.硫（S）：有害元素，热脆性。不得超过0.05%。 3.磷（P）：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有提高， 可焊性降低。不得超过0.045%。 4.锰（Mn）：合金元素。弱脱氧剂。与S形成MnS， 熔点1600℃，可以消除一部分S的有害作用。 5.硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。 6.钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳 化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。
钢材在潮湿或腐蚀性环境中工作，需要注 意防锈涂装。 时效
随着时间的增长，钢材的力学性能有所改 变称作时效。
疲劳
钢材在多次循环反复荷载作用下，即使 应力低于屈服点fy也可能发生破坏的现象称 疲劳破坏
持久强度
钢材在高温和长期荷载作用下，其屈服强 度要比一次拉伸时低得多，所以长期在高温 下工作的钢材，应测定其“持久强度”
止的变形约为2.5%-3%，足以满足考虑结 构的塑性变形发展的 要求。
（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。
（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
重复加载，产生疲劳破坏。
五、 应力集中和残余应力 钢结构构件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂缝、
厚度变化、形状变化、内部缺陷等使一些区域产 生局部高峰应力，此谓应力集中现象。应力集中 越严重，钢材塑性越差。(汽车玻璃裂纹处理)
残余应力为钢材在冶炼、轧制、焊接、 冷加工等过程中，由于不均匀的冷却、组 织构造的变化而在钢材内部产生的不均匀 的应力。残余应力在构件内部自相平衡而 与外力无关。残余应力的存在易使钢材发 生脆性破坏。
出现疲劳断裂时，截面上的应力低于材料的抗 拉强度，甚至低于屈服强度。同时，疲劳破坏属于 脆性破坏，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。
防止脆性断裂的方法：
(1)合理选择钢材
温度——冷脆转变温度低
厚度 ——薄
钢材通常选用的原则是既保证结构安全可靠，同时又 要经济合理，节约钢材。具体而言，应考虑到结构的重要 性、荷载特征、连接方法以及工作环境，尤其是在低温下 承受动载的重要的焊接结构，应选择韧性高的材料和焊条。 另外，改进冶炼方法，提高钢材断裂韧性，也是减少脆断 的有效途径。
(3)合理制作和安装
冷加工——栓孔 钻、扩
焊接——合理工艺、参数，减小焊接残余应力， 如厚钢板，焊前预热，焊后保温
安装——减小装配残余应力
就钢结构制作而言，冷热加工易使钢材硬化变脆，焊接 尤其易产生裂纹、类裂纹缺陷以及焊接残余应力。就安装而言， 不合理的工艺容易造成装配残余应力及其他缺陷。
因此，制定合理的制作安装工艺并以减少缺陷及残余应 力为目标是十分重要的。
800 ～1200℃高温下变脆，氧化物会降低钢材的力学性能和工艺性能。
气孔：浇注时由FeO与C作用所生成的CO气体不能充分逸出而留在钢锭
内形成的。
裂纹：钢材中已出现的局部破坏 分层：指沿厚度方向形成层间并不相互脱离的分层。分层处易被锈蚀,
且分层使钢材性能变差。
三、 冷加工硬化和时效硬化
四、加荷速度和重复加载 加荷速度提高，钢材的屈服点提高，脆性增大；
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
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）。
四、耐久性
耐久性需要考虑的有耐腐蚀性、“时效”
现象、疲劳现象等。 耐腐蚀性
设计时应力求使缺陷引起的应力集中减少到最低限度， 尽量保证结构的几何连续性和刚度的连贯性。 比如：
把结构设计为超静定结构并采用多路径传力可减少脆 性断裂的危险；
接头或节点的承载力设计应比其相连的杆件强20%— 50%；
构件断面在满足强度和稳定的前提下应尽量宽而薄。
切记：增加构件厚度将增加脆断的危机，尤其是设计焊接结 构应避免重叠交叉和焊缝集中。
7.氧（O）：有害杂质，与S相似（热脆）。 8.氮（N）：有害杂质，与P相似（冷脆） 。 9.铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性
有影响。 “辛集皮革加工厂”
二．冶金工艺
常见的冶金缺陷有： 偏析：钢中化学成分不一致和不均匀性称为偏析。主要是硫和磷的偏
析，使钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。
非金属夹杂：常见的夹杂物为硫化物和氧化物。硫化物使钢材在
§2.2 影响钢材力学性能的因素
问题： 1、简述哪些因素对钢材性能有影响。 2、简述化学成分对钢材性能的影响？ 3、什么是时效硬化和冷作硬化？ 4、钢材中薄钢板和厚钢板性能一致吗？为什么？ 5、随着温度升高和降低，钢材性发生什么变化？
§2.2 影响钢材力学性能的因素
影响钢材力学性能的因素有：
•化学成分 •冶金工艺 •冷加工硬化和时效硬化 •加载速度 •应力集中和残余应力 •温度 •复杂应力状态
强度
强度是材料受力时抵抗破坏的能力。说明钢 材强度性能的指标有弹性模量、比例极限、屈 服点和抗拉强度等。这些指标可以根据钢材标 准试件一次单向拉伸试验确定。
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%。
Q235钢分为A、B、C、D四级，其中，A级：不要求 冲击试验：B级：要求+20℃冲击试验；c级：要求0℃冲 击试验；D级：要求-20℃冲击试验。在此说明一点，对于 焊接结构至少应选用Q235B。
(2)合理设计
合理的设计应该在考虑材料的断裂韧性水平、最低工作 温度、荷载特征、应力集中等因素后，再选择合理的结构 型式，尤其是合理的构造细节十分重要。
五、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。
六、Z向伸缩性
高层和超高层建筑中，当钢材较厚(t≥40mm)， 承受沿厚度方向的拉力时，为避免层状撕裂，常 需要采用抗层状撕裂的钢材，即“Z向钢”。
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。
钢材性能的要求主要有： • 强度 • 塑性 • 冷弯性能 • 冲击韧性 • 耐久性 • 可焊性 • Z向伸缩率
( x
y
y z
z x
)
3( xy2
2 yz
zx2 )
若σred < fy 为弹性状态，
若σred ≥ fy为塑性状态；
纯剪情况下σred =
3
,即
fy 0.58 fy 3
时为弹性状态。
§2.3 钢材的破坏形式
问题： 1、建筑钢材的破坏形式有哪些？其对应特征是什么？ 2、什么是疲劳破坏？简述疲劳破坏的发展过程。疲劳破
-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
样？
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
§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
（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。
（3）伸长率
Lo N
d
L
l l0 100%
N
(2 1)
l0
d
当l0/d=5时，用δ5表示， 当l0/d=10时，用δ10表示。
• 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：
(1)弹性阶段(OB段) （2）弹塑性阶段（BC) （3）塑性阶段（CD) （4）强化阶段(DE段)
（5）颈缩阶段(EF段)
E
fu fy fP
C B
AD
F
E
δ5 ＞δ10
它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。
（4）断面收缩率 A0 A1 100% (2 2) A0
N N
A1 A0
（二）受压时的性能 采用短试件l0/d=3, 屈服点同单向拉伸时的屈服点。
（三）受弯时的性能 同单向拉伸时的性能，屈服点也相差不多。
（四）受剪时的性能
抗剪强度可由折算应力计算公式得到：
O
B.对无明显屈服点的钢材
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%
fu fy=f0.2
时所对应的应力
作为屈服点—‘条
件屈服点’
0.2%
εp
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
ε0 ε ε
0.15% 2.5%-3%
1)fy与fp相差很小； 2)超过 fy到屈服台阶终