第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料

《鋼結(jié)構(gòu)》

第2章鋼結(jié)構(gòu)的材料及其性能鋼結(jié)構(gòu)對所用鋼材的要求建筑鋼材的兩種破壞形式建筑鋼材的主要性能及其質(zhì)量控制影響鋼材性能的主要因素鋼材的疲勞鋼材的品種與選用主要內(nèi)容：重點：對鋼結(jié)構(gòu)用材的要求建筑鋼材的類別及鋼材的選用

第二章

鋼結(jié)構(gòu)的材料及其性能

2.1鋼結(jié)構(gòu)對所用鋼材的要求鋼的種類繁多，性能差別很大，適用于鋼結(jié)構(gòu)的僅是小部分。用作鋼結(jié)構(gòu)的鋼必須符合下列要求：(1)較高的抗拉強度和屈服點是衡量結(jié)構(gòu)承載能力的指標(biāo)，高則可減輕結(jié)構(gòu)自重。是衡量鋼材經(jīng)過較大變形后的抗拉能力，反映鋼材內(nèi)部組織的優(yōu)劣，高可以增加結(jié)構(gòu)的安全保障。(2)足夠的變形能力較高的塑性和韌性塑性和韌性好，減輕結(jié)構(gòu)脆性破壞的傾向，通過較大的塑性變形調(diào)整局部應(yīng)力，具有較好的抵抗重復(fù)荷載作用的能力。

2.1鋼結(jié)構(gòu)對所用鋼材的要求(3)良好的工藝性能(包括冷加工、熱加工和可焊性能)易于加工成各種形式的結(jié)構(gòu)，不致因加工而對結(jié)構(gòu)的強度、塑性、韌性等造成較大的不利影響。根據(jù)具體工作條件，有時還要求具有適應(yīng)低溫、高溫、腐蝕性環(huán)境以及重復(fù)荷載作用的能力。

設(shè)計規(guī)范規(guī)定：承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強度、伸長率、屈服點和碳、硫、磷含量的合格保證；焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有冷彎試驗的合格保證；某些承受動力荷載的結(jié)構(gòu)以及重要的受拉或受彎的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)具有常溫或負(fù)溫沖擊韌性的合格保證。1、有較高的強度，屈強比滿足要求，保證安全儲備2、有足夠的變形能力塑性----破壞前有預(yù)兆，能內(nèi)力重分布韌性----在動載下破壞能吸收較大能量4、適應(yīng)低溫、有害介質(zhì)侵蝕及承受疲勞荷載

5、易生產(chǎn)、價格便宜3、有良好的加工性能，適應(yīng)冷熱加工，有良好的可焊性《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB50017-2002)推薦的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235鋼和低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼Q345、Q390及Q420符合要求2.2建筑鋼材的兩種破壞形式

有屈服現(xiàn)象的鋼材或者雖然沒有明顯屈服現(xiàn)象而能發(fā)生較大塑性變形的鋼材，一般屬于塑性材料。沒有屈服現(xiàn)象或塑性變形能力很小的鋼材，則屬于脆性材料。

塑性材料是指由于材料原始性能以及在常溫、靜載并一次加荷的工作條件之下能在破壞前發(fā)生較大塑性變形的材料。然而一種鋼材具有塑性變形能力的大小，不僅取決于鋼材原始的化學(xué)成分，熔煉與軋制條件，也取決于后來所處的工作條件。即使原來塑性表現(xiàn)極好的鋼材，改變了工作條件，如在很低的溫度之下受沖擊作用，也完全可能呈現(xiàn)脆性破壞。所以，嚴(yán)格地說，不宜把鋼材劃分為塑性和脆性材料，而應(yīng)該區(qū)分材料可能發(fā)生的塑性破壞與脆性破壞。鋼材的破壞形式鋼材有兩種性質(zhì)完全不同的破壞形式：塑性破壞和脆性破壞。塑性破壞：由于變形過大，超過了材料或構(gòu)件可能的應(yīng)變能力，在構(gòu)件的應(yīng)力達到了鋼材的抗拉強度后才發(fā)生。破壞前構(gòu)件產(chǎn)生較大的塑性變形。由于較大的塑性變形發(fā)生，且變形持續(xù)的時間較長，很容易及時發(fā)現(xiàn)而采取措施予以補救，不致引起嚴(yán)重后果。塑性變形后出現(xiàn)內(nèi)力重分布，使結(jié)構(gòu)中原先受力不等的部分應(yīng)力趨于均勻，因而提高結(jié)構(gòu)的承載能力。

鋼材的破壞形式脆性破壞：塑性變形很小，甚至沒有塑性變形，計算應(yīng)力可能小于鋼材的屈服點，斷裂從應(yīng)力集中處開始。冶金和機械加工過程中產(chǎn)生的缺陷，特別是缺口和裂紋，常是斷裂的發(fā)源地。破壞前沒有任何預(yù)兆，破壞是突然發(fā)生的。由于脆性破壞前沒有明顯的預(yù)兆，無法及時覺察和采取補救措施，且個別構(gòu)件的斷裂常引起整個結(jié)構(gòu)塌毀，后果嚴(yán)重，損失較大。在設(shè)計、施工和使用鋼結(jié)構(gòu)時，要特別注意防止出現(xiàn)脆性破壞。

鋼材有兩種完全不同的破壞形式：塑性破壞脆性破壞塑性破壞的主要特征是，破壞前具有較大的塑性變形，常在鋼材表面出現(xiàn)明顯的相互垂直交錯的銹跡剝落線。破壞后的斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗。脆性破壞的主要特征是，破壞前塑性變形很小，或根本沒有塑性變形，而突然迅速斷裂。破壞后的斷口平直，呈有光澤的晶粒狀或有人字紋。建筑鋼材的兩種破壞形式2.3建筑鋼材的主要性能及其質(zhì)量控制鋼材的一次拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線2.3.1單向拉伸時的工作性能條件：常溫、靜載條件下一次拉伸1.強度性能

1)比例極限fp：圖中OP段為直線，表示鋼材具有完全彈性性質(zhì)，這時應(yīng)力，P點應(yīng)力稱為比例極限。彈性極限fe：PE段仍具有彈性，但為非線性彈性階段，此時的模量叫做切線模量，，E點的應(yīng)力稱為彈性極限。彈性極限和比例極限相距很近，實際上很難區(qū)分，故通常只提比例極限。

2)屈服點

：荷載增加，出現(xiàn)ES段，為非彈性性質(zhì)，即卸荷曲線成為與OP平行的直線(圖中虛線)，留下永久性的殘余變形。此段上限S點的應(yīng)力稱為屈服點。3)抗拉強度或極限強度

:超過屈服臺階，材料出現(xiàn)應(yīng)變硬化，曲線上升，直至曲線最高處的B點，這點的應(yīng)力稱為抗拉強度或極限強度。當(dāng)應(yīng)力達到B點時，試件發(fā)生頸縮現(xiàn)象，至D點而斷裂。當(dāng)以屈服點的應(yīng)力作為強度限值時，抗拉強度成為材料的強度儲備。低碳鋼和低合金鋼

有明顯的屈服點和屈服平臺，即在應(yīng)力保持不變的情況下，應(yīng)變繼續(xù)增加。熱處理鋼材

它可以有較好的塑性性質(zhì)但沒有明顯的屈服點和屈服臺階。應(yīng)力應(yīng)變曲線形成一條連續(xù)曲線。對于沒有明顯屈服點的鋼材，規(guī)定永久變形為0.2％時的應(yīng)力作為屈服點,有時用σ0.2表示。為了區(qū)別起見，把這種名義屈服點稱作屈服強度。上屈服點和下屈服點進入塑性流動范圍時，曲線波動較大，逐漸趨于平穩(wěn)，其最高點和最低點分別稱為上屈服點和下屈服點。上屈服點和試驗條件(加荷速度、試件形狀、試件對中的準(zhǔn)確性)有關(guān)。下屈服點不敏感，設(shè)計中則以下屈服點為依據(jù)。理想的彈-塑性體無缺陷和殘余應(yīng)力影響的試件比例極限和屈服點比較接近，且屈服點前應(yīng)變很小。為簡化計算，假定屈服點前鋼材為完全彈性，屈服點后為完全塑性的，這樣就可把鋼材視為理想的彈-塑性體。應(yīng)力-應(yīng)變曲線表現(xiàn)為雙直線。屈服點是建筑鋼材的一個重要力學(xué)特性，其意義是：1．作為結(jié)構(gòu)計算中材料強度標(biāo)準(zhǔn)，或材料抗力標(biāo)準(zhǔn)。應(yīng)力達到y(tǒng)時的應(yīng)變與P時的應(yīng)變較接近，可以認(rèn)為應(yīng)力達到y(tǒng)時為彈性變形的終點。同時，達到y(tǒng)后在一個較大的應(yīng)變范圍內(nèi)應(yīng)力不會繼續(xù)增加，表示結(jié)構(gòu)一時喪失繼續(xù)承擔(dān)更大荷載的能力，故此以y作為彈性計算時強度的標(biāo)準(zhǔn)。2．形成理想彈塑性體的模型，為發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)計算理論提供基礎(chǔ)。y之前，鋼材近于理想彈性體，y之后，塑性應(yīng)變范圍很大而應(yīng)力保持不增長，所以接近理想塑性體。因此，可以用兩根直線的圖形作為理想彈塑性體的應(yīng)力-應(yīng)變模型。鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范對塑性設(shè)計的規(guī)定，就以材料是理想彈塑性體的假設(shè)為依據(jù)，忽略了應(yīng)變硬化的有利作用。2.塑性性能伸長率:試件被拉斷時的絕對變形值與試件原標(biāo)距之比的百分?jǐn)?shù)，稱為伸長率。當(dāng)試件標(biāo)距長度與試件直徑d(圓形試件)之比為10時，以表示；當(dāng)該比值為5時，以表示。伸長率代表材料在單向拉伸時的塑性應(yīng)變的能力。

鋼材的多項性能指標(biāo)通過單向拉伸試驗獲得給出相應(yīng)鋼材的單調(diào)拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線。由試驗曲線看出，在比例極限σp以前鋼材的工作是彈性的；比例極限以后，進入了彈塑性階段；達到了屈服點σy后，塑性平臺；出現(xiàn)強化階段，產(chǎn)生頸縮而破壞。σεfy如果沒有殘余應(yīng)力，比例極限與屈服應(yīng)力合為一點，彈塑性階段消失，為簡化計算，將應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系簡化為如圖理想彈塑性體理想彈塑性體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系1．強度設(shè)計時以鋼材的屈服強度為基礎(chǔ)，抗拉強度σu是鋼材破壞前所承受最大應(yīng)力，此時結(jié)構(gòu)因塑性變形很大而失去使用性能，σu／σy值的大小，作為鋼材強度儲備的參數(shù)鋼材的機械性能衡量鋼材塑性變形能力的主要指標(biāo)是伸長率δ。2．塑性原標(biāo)距間長度的伸長值與原標(biāo)距比值的百分率。一般以l0／d0=5為標(biāo)準(zhǔn)試件。伸長率δ5：式中：l0——試件原標(biāo)距長度；

d0——試件標(biāo)距長度內(nèi)的直徑；

l1——試件拉斷后標(biāo)距間的長度。

單向受壓時:

受力性能基本上和單向受拉時相同。受剪時:

和單向受拉也相似，但屈服點

及抗剪強度

均較受拉時為低；剪變模量G也低于彈性模量E。鋼材單調(diào)拉伸應(yīng)力－應(yīng)變曲線提供了三個重要的力學(xué)性能指標(biāo)：抗拉強度fu、伸長率δ和屈服點fy?？估瓘姸萬u是鋼材一項重要強度指標(biāo)，反映鋼材受拉時能承受的極限應(yīng)力屈服點fy是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)力允許達到的最大限值屈服點fy和抗拉強度fu是鋼材強度的兩項重要指標(biāo)伸長率δ是衡量鋼材斷裂前所具有的塑性變形能力的指標(biāo)，其相應(yīng)伸長率分別用δ5或δ10表示

與抵抗沖擊作用有關(guān)的鋼材的性能是韌性。

韌性是鋼材斷裂時吸收機械能能力的量度。吸收較多能量才斷裂的鋼材，是韌性好的鋼材。鋼材在一次拉伸靜載作用下斷裂時所吸收的能量，用單位體積吸收的能量來表示，其值等于應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積。塑性好的鋼材，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積大，所以韌性值大。然而，實際工作中，不用上述方法來衡量鋼材的韌性，而用沖擊韌性衡量鋼材抗脆斷的性能，因為實際結(jié)構(gòu)中脆性斷裂并不發(fā)生在單向受拉的地方，而總是發(fā)生在有缺口高峰應(yīng)力的地方，在缺口高峰應(yīng)力的地方常呈三向受拉的應(yīng)力狀態(tài)。因此，最有代表性的是鋼材的缺口沖擊韌性，簡稱沖擊韌性或沖擊功。2.3.2沖擊韌性

單調(diào)拉伸試驗比較不同鋼材在正常情況下韌性好壞沖擊韌性是評定帶有缺口鋼材沖擊荷載作用下抵抗脆性破壞能力的指標(biāo)。通常用帶有夏比V型缺口的標(biāo)準(zhǔn)試件

沖擊韌性值隨溫度的降低而降低相當(dāng)溫度下的沖擊韌性指標(biāo)：

在寒冷地區(qū)承受動力作用重要承重結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)工作溫度和所用鋼材牌號，提出相當(dāng)溫度下的沖擊韌性指標(biāo)要求

低溫對鋼材的脆性破壞有顯著影響，在寒冷地區(qū)不但要求鋼材具有常溫()沖擊韌性指標(biāo)，還要求具有0℃沖擊韌性指標(biāo)或負(fù)溫（-20℃或-40℃）沖擊韌性指標(biāo)。鋼材的沖擊韌性是指鋼材在沖擊荷裁作用下，斷裂過程中吸收機械動能的一種能力，是衡量鋼材抵抗沖擊荷載作用。我國以前曾采用過梅氏試件(U形缺口)作沖擊韌性試驗。

沖擊試驗鋼材的冷彎性能由冷彎試驗確定試驗時，根據(jù)鋼材的牌號和不同的板厚，按國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的彎心直徑，在試驗機上把試件彎曲180°

以試件表面和側(cè)面不出現(xiàn)裂紋和分層為合格冷彎試驗不僅能檢驗材料承受規(guī)定的彎曲變形能力大小，還能顯示其內(nèi)部的冶金缺陷判斷鋼材塑性變形能力和冶金質(zhì)量的綜合指標(biāo)2.3.3冷彎性能鋼材的冷彎試驗冷彎性能試驗方法具有一定彎心直徑d的沖頭對標(biāo)準(zhǔn)試件中部施加荷載使之彎曲不出現(xiàn)裂紋或分層，判斷鋼材的冷彎性能冷彎性能試驗2.3.4可焊性可焊性：采用一般焊接工藝就可完成合格的（無裂紋的）焊縫的性能?？珊感允芴己亢秃辖鹪睾康挠绊?。碳素鋼的可焊性：碳含量0.12%~0.20%低合金鋼的可焊性：碳當(dāng)量表示碳當(dāng)量小于0.38%時：可焊性很好。0.38%~0.45%：鋼材淬硬傾向逐漸明顯，適當(dāng)?shù)念A(yù)熱措施，控制施焊工藝。大于0.45%：鋼材淬硬傾向明顯，較高的預(yù)熱溫度，嚴(yán)格的工藝措施。鋼材可焊性的優(yōu)劣：鋼材在采用一定的焊接方法、焊接材料、焊接工藝參數(shù)及一定的結(jié)構(gòu)形式等條件下，獲得合格焊縫的難易程度。2.3.5建筑鋼材的質(zhì)量控制

與根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》(GB50205-2001)的規(guī)定，對進入鋼結(jié)構(gòu)工程實施現(xiàn)場的主要材料需進行進場驗收，即檢查鋼材的質(zhì)量合格證明文件、中文標(biāo)識及檢驗報告，確認(rèn)鋼材的品種、規(guī)格、性能是否符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計要求。對屬于下列情況之一的鋼材，應(yīng)進行抽樣復(fù)驗，其復(fù)驗結(jié)果應(yīng)符合現(xiàn)行國家產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和要求。

1）國外進口鋼材；2）鋼材混批；3）板厚等于或大于40mm，且設(shè)計有Z向性能要求的厚板；4）建筑結(jié)構(gòu)安全等級為一級，大跨度鋼結(jié)構(gòu)中主要受力構(gòu)件所采用的鋼材；5）設(shè)計有復(fù)驗要求的鋼材；6）對質(zhì)量有疑義的鋼材。2.4影響鋼材性能的主要因素

鋼是含碳量小于2％的鐵碳合金，碳大于2％時則為鑄鐵。制造鋼結(jié)構(gòu)所用的材料有碳素結(jié)構(gòu)鋼中的低碳鋼及低合金結(jié)構(gòu)鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼由鈍鐵、碳及雜質(zhì)元素組成，其中純鐵約占99％，碳及雜質(zhì)元素約占1％。低合金結(jié)構(gòu)鋼中，除上述元素外還加入合金元素，后者總量通常不超過3％。碳及其他元素雖然所占比重不大，但對鋼材性能卻有重要影響。2.4.1化學(xué)成分的影響碳（C）

碳是碳素結(jié)構(gòu)鋼中僅次于鐵的主要元素，是影響鋼材強度的主要因素，隨著含碳量的增加，鋼材強度提高，而塑性和沖擊韌性、尤其是低溫沖擊韌性下降，同時可焊性、抗腐蝕性、冷彎性能明顯降低。因此結(jié)構(gòu)用鋼的含碳量一般不應(yīng)超過0.22%，對焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)低于0.2%。錳（Mn）錳是一種弱脫氧劑，適量的錳含量可以有效地提高鋼材的強度，又能消除硫、氧對鋼材的熱脆影響，而不顯著降低鋼材的塑性和沖擊韌性。錳在碳素結(jié)構(gòu)鋼中的含量為0.3%-0.8%，在低合金鋼中一般為1.0%-1.7%。錳能顯著提高鋼材強度但不過多降低塑性和沖擊韌性。硅（Si）硅是一種強脫氧劑，適量的硅可提高鋼材的強度，而對塑性、沖擊韌性、冷彎性能和可焊性無明顯不良影響，但硅含量過大時，會降低鋼材的塑性、韌性、抗銹蝕性和可焊性。釩(V)、鈮(Nb)、鈦(Ti)

釩、鈮、鈦都能使鋼材晶粒細(xì)化。我國的低合金鋼都含有這三種元素，作為錳以外的合金元素，既可提高鋼材強度，又保持良好的塑性、韌性。鋁(Al)、鉻(Cr)、鎳(Ni)

鋁是強脫氧劑，用鋁進行補充脫氧，不僅進一步減少鋼中的有害氧化物，而且能細(xì)化晶粒。鉻和鎳是提高鋼材強度的合金元素，用于Q390鋼和Q420鋼。硫（S）硫是一種有害元素，降低鋼材的塑性、沖擊韌性、可焊性、抗銹蝕性等，在高溫時使鋼材變脆，即熱脆。因此，鋼材中硫的含量不得超過0.05%，在焊接結(jié)構(gòu)中不超過0.045%。磷(P)

磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷是碳素鋼中的雜質(zhì)，它在低溫下使鋼變脆，這種現(xiàn)象稱為冷脆。磷還能降低鋼的塑性、沖擊韌性、冷彎性能和可焊性。但磷能提高鋼的強度和抗銹蝕能力。經(jīng)過合適的冶金工藝也能作為合金元素。氧(O)、氮(N)

氧和氮也是有害雜質(zhì)，在金屬熔化的狀態(tài)下可以從空氣中進入。氧能使鋼熱脆，其作用比硫劇烈，氮能使鋼冷脆，與磷相似。2.4.2成材過程的影響

冶煉與澆鑄這一冶金過程形成鋼的化學(xué)成分與含量、鋼的金相組織結(jié)構(gòu)，不可避免地存在冶金缺陷，從而確定不同的鋼種、鋼號及其相應(yīng)的力學(xué)性能。1．冶煉鋼材的冶煉方法主要有平爐煉鋼、氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼、堿性側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼及電爐煉鋼。在建筑鋼結(jié)構(gòu)中，主要使用氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐生產(chǎn)的鋼材。目前氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐鋼的質(zhì)量，由于生產(chǎn)技術(shù)的提高，已不低于平爐鋼的質(zhì)量。平爐煉鋼由于生產(chǎn)效率低，堿性側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼生產(chǎn)的鋼材質(zhì)量較差，目前基本已被淘汰。電爐煉鋼煉成的鋼質(zhì)量好。耗電量大，成本高。轉(zhuǎn)爐煉鋼是利用高壓空氣或氧氣氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐冶煉的鋼中有害元素和雜質(zhì)少，生產(chǎn)周期短，效率高、質(zhì)量好、成本低。

平爐煉鋼，平爐的原料廣泛，容積大，產(chǎn)量高，冶煉工藝簡單，化學(xué)成分易于控制，煉出的鋼質(zhì)量優(yōu)良。平爐鋼周期長，效率低，成本高2.4.2成材過程的影響

2．澆鑄把熔煉好的鋼水澆鑄成鋼錠或鋼坯有兩種方法，一種是澆入鑄模做成鋼錠，另一種是澆入連續(xù)澆鑄機做成鋼坯。鑄錠過程中因脫氧程度不同，最終成為鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼與沸騰鋼。鋼材的澆鑄和脫氧按脫氧的方法和程度的不同，碳素結(jié)構(gòu)鋼可分為沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼4類。沸騰鋼采用脫氧能力較弱錳作脫氧劑，脫氧不完全。鋼中留有較多氧化鐵夾雜和氣孔。質(zhì)量較差。

鎮(zhèn)靜鋼采用錳加硅作脫氧劑，脫氧較完全，硅在還原氧化鐵過程中還會產(chǎn)生熱量，使鋼錠冷卻緩慢，使氣體充分逸出，澆注時不出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象。質(zhì)量好，成本高。半鎮(zhèn)靜鋼的脫氧程度介于上述二者之間。特殊鎮(zhèn)靜鋼是在錳硅脫氧后，再用鋁補充脫氧，脫氧程度高于鎮(zhèn)靜鋼。冶金缺陷常見的冶金缺陷—偏析、非金屬夾雜、氣孔、裂紋及分層等。偏析鋼中化學(xué)成分不一致和不均勻性，特別是硫、磷偏析嚴(yán)重惡化鋼材的性能。非金屬夾雜鋼中含有硫化物與氧化物等雜質(zhì)。氣孔澆注鋼錠時，由氧化鐵與碳作用所生成的一氧化碳?xì)怏w不能充分逸出而形成的。分層澆注時的非金屬夾雜物在軋制后能造成鋼材的分層，會嚴(yán)重降低鋼材的冷彎性能。冶金缺陷對鋼材性能的影響，不僅在結(jié)構(gòu)或構(gòu)件受力工作時表現(xiàn)出來，有時在加工制作過程中也可表現(xiàn)出來。2.4.2成材過程的影響

3．軋制鋼材的軋制能使金屬的晶粒變細(xì)，也能使氣泡、裂紋等焊合，因而改善了鋼材的力學(xué)性能。薄板因輥軋次數(shù)多，其強度比厚板略高、澆鑄時的非金屬夾雜物在軋制后能造成鋼材的分層，所以分層是鋼材(尤其是厚板)的一種缺陷。設(shè)計時應(yīng)盡量避免拉力垂直于板面的情況，以防止層間撕裂。

開軋和鍛壓溫度控制在1150～1300℃

鋼材軋制成鋼板或型鋼，使金屬的晶粒變細(xì)，壓合鋼坯中的氣孔、裂紋等缺陷，改善鋼材的力學(xué)性能。

熱軋薄板和壁厚較薄的熱軋型鋼，因輥軋次數(shù)較多，鋼材的性能改善明顯，其強度、塑性、韌性和焊接性能均優(yōu)于厚板和厚壁型鋼

鋼材強度按板厚分組

鋼中的硫化物和氧化物等非金屬夾雜，經(jīng)軋制之后被壓成薄片，會出現(xiàn)分層現(xiàn)象。使鋼板沿厚度方向受拉的性能惡化

鋼材沿軋制方向（縱向）的性能優(yōu)于垂直軋制方向（橫向）的性能，使各向異性增大。鋼板部件應(yīng)沿其橫向切取試件進行拉伸和冷彎試驗。2.4.2成材過程的影響

4．熱處理

熱處理的目的在于取得高強度的同時能夠保持良好的塑性和韌性。正火屬于最簡單的熱處理：把鋼材加熱至850~900oC，并保持一段時間后在空氣中自然冷卻，即為正火。如果鋼材在終止軋制時溫度正好控制在上述溫度范圍，可得到正火的效果，稱為控軋。淬火是把鋼材加熱至900°C以上，保溫一段時間，然后放入水或油中快速冷卻，得到高硬度、高強度。增加了鋼材強度和硬度，使塑性和韌性降低回火處理是將淬火鋼重新加熱至相變臨界點以下的預(yù)定溫度，并保溫一段時間，然后在空氣中自然冷卻。消除殘余應(yīng)力，調(diào)整強度和硬度，減少脆性，增加塑性和韌性，形成較穩(wěn)定的組織。通常稱淬火加高溫回火的工藝為調(diào)質(zhì)處理。調(diào)質(zhì)處理可以讓鋼材獲得強度、塑性和韌性都較好的綜合性能。強度較高的鋼材，如Q420中的C、D、E級鋼和高強度螺栓的鋼材都要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。2.4.3鋼材硬化的影響1.冷作硬化在冷加工使鋼材產(chǎn)生較大的塑性變形的情況下，卸荷后再重新加載，鋼材的屈服點提高，塑性和韌性降低的現(xiàn)象稱為冷作硬化在常溫下加工叫冷加工。冷拉、冷彎、沖孔、機械剪切等加工使鋼材產(chǎn)生很大塑性變形，鋼材重新加載時將提高屈服點，同時降低塑性和韌性。由于減小了塑性和韌性性能，使鋼材變脆，增加了鋼材脆性破壞的危險性，所以普通鋼結(jié)構(gòu)中不利用硬化現(xiàn)象所提高的強度。重要結(jié)構(gòu)還把鋼板因剪切而硬化的邊緣部分刨去。

用作冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)的冷彎型鋼，是由鋼板或鋼帶經(jīng)冷軋成型的，也有的是經(jīng)壓力機模壓成型或在彎板機上彎曲成型的。由于冷成型操作，實際構(gòu)件截面上各點的屈服點和抗拉強度幾乎都有不同百分比的提高。由于這個原因，薄壁型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計中允許利用因局部冷加工而提高的強度。在高溫時溶于鐵中的少量氮和碳，隨著時間的增長逐漸由固溶體中析出，生成氮化物和碳化物，散存在鐵素體晶粒的滑動界面上，對晶粒的塑性滑移起到遏制作用，從而使鋼材的強度提高，塑性和韌性下降。這種現(xiàn)象稱為時效硬化鋼材的硬化2.時效硬化時效過程長在塑性變形后對鋼材加熱到200～300C，使時效在幾小時內(nèi)完成，稱為人工時效。鋼材硬化冷作硬化(或應(yīng)變硬化)冷拉、冷彎、沖孔、機械剪切等冷加工使鋼材產(chǎn)生很大塑性變形，從而提高鋼的屈服點，同時降低鋼的塑性和韌性。時效硬化（俗稱老化）高溫時熔化于鐵中的氮和碳，隨著時間的增長逐漸從純鐵中析出，形成自由碳化物和氮化物，對純鐵體的塑性變形起遏制作用，從而使鋼材的強度提高，塑性、韌性下降。人工時效時效硬化的過程一般很長，但如在材料塑性變形后加熱，可使時效硬化發(fā)展特別迅速。應(yīng)變時效應(yīng)變硬化(冷作硬化)后又加時效硬化。一般鋼結(jié)構(gòu)中，不利用硬化提高的強度，有些重要結(jié)構(gòu)要求對鋼材進行人工時效后檢驗其沖擊韌性，以保證足夠的抗脆性破壞能力。另外，應(yīng)將局部硬化部分用刨邊或擴鉆予以消除。2.4.4溫度的影響

鋼材對溫度相當(dāng)敏感，溫度升高與降低都使鋼材性能發(fā)生變化。相比之下，低溫性能更重要。

正溫范圍總的趨勢是隨著溫度的升高，鋼材強度降低，變形增大。約在200oC以內(nèi)鋼材性能沒有很大變化，430-540oC之間則強度(fy與fu)急劇下降；到600oC時強度很低不能承擔(dān)荷載。此外，250oC附近有蘭脆現(xiàn)象，約260-320oC時有徐變現(xiàn)象。蘭脆現(xiàn)象指溫度在250oC左右的區(qū)間內(nèi)，fu有局部性提高，fy也有回升現(xiàn)象，同時塑性有所降低，材料有轉(zhuǎn)脆傾向。在蘭脆區(qū)進行熱加工，可能引起裂紋。徐變現(xiàn)象指在應(yīng)力持續(xù)不變的情況下鋼材以很緩慢的速度繼續(xù)變形的現(xiàn)象。設(shè)計時以規(guī)定150oC為適宜，超過之后結(jié)構(gòu)表面即需加設(shè)隔熱保護層。高溫對鋼材性能的影響負(fù)溫范圍

fy與fu都增高但塑性變形能力減小，沖擊韌性降低，因而材料轉(zhuǎn)脆，對沖擊韌性的影響十分突出。隨著溫度的降低，Cv值迅速下降，材料將由塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐模瑫r可見這一轉(zhuǎn)變是在一個溫度區(qū)間T1T2內(nèi)完成的，此溫度區(qū)稱為鋼材的脆性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)。轉(zhuǎn)變溫度區(qū)內(nèi)曲線的反彎點(最陡點)所對應(yīng)的溫度T0稱為轉(zhuǎn)變溫度。如果把低于T0完全脆性破壞的最高溫度T1作為鋼材的脆斷設(shè)計溫度即可保證鋼結(jié)構(gòu)低溫工作的安全。當(dāng)截面有裂紋(內(nèi)部的或表面的)、孔洞、刻槽、凹角時以及截面厚度或?qū)挾韧蝗桓淖儠r構(gòu)件中應(yīng)力分布變得不均勻。在缺陷或截面變化處附近，應(yīng)力線曲折、密集、出現(xiàn)高峰應(yīng)力的現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。當(dāng)數(shù)值相等三向拉應(yīng)力時，直到材料斷裂也不屈服。三向拉應(yīng)力狀態(tài)容易脆性破壞2.4.5應(yīng)力集中的影響由力學(xué)知識知道，三向同號應(yīng)力且各應(yīng)力數(shù)值接近時，材料不易屈服。當(dāng)為數(shù)值相等三向拉應(yīng)力時，直到材料斷裂也不屈服。沒有塑性變形的斷裂是脆性斷裂。所以，三向應(yīng)力的應(yīng)力狀態(tài)，使材料沿力作用方向塑性變形的發(fā)展受到很大約束，材料容易脆性破壞。因此，對于厚鋼材應(yīng)該要求更高的韌性?？锥?、缺口處的應(yīng)力集中應(yīng)力集中靜載、常溫可不考慮應(yīng)力集中的影響。動載、負(fù)溫應(yīng)力集中的影響十分突出，引起脆性破壞，故在設(shè)計中應(yīng)采取措施避免或減小應(yīng)力集中，并選用質(zhì)量優(yōu)良的鋼材。

殘余應(yīng)力是鋼材在熱軋、氣割、焊接的加熱和冷卻過程中產(chǎn)生的，在先冷卻部分常形成壓應(yīng)力，而后冷卻部分則形成拉應(yīng)力。殘余應(yīng)力對構(gòu)件的剛度和穩(wěn)定性都有降低。2.4.6殘余應(yīng)力的影響以上介紹了各種因素對建筑鋼材基本性能的影響，研究和分析這些影響的最終目的是了解建筑鋼材在什么條件下可能發(fā)生脆性破壞，從而采取措施予以防止。一般需要在設(shè)計、制造及使用中注意：(1)

合理的設(shè)計

構(gòu)造力求合理，均勻、連續(xù)地傳遞應(yīng)力，避免構(gòu)件截面劇烈變化。低溫，動力荷載作用時應(yīng)選擇合適的鋼材，使所用鋼材脆性轉(zhuǎn)變溫度低于結(jié)構(gòu)的工作溫度。(2)

正確的制造

嚴(yán)格遵守設(shè)計的技術(shù)要求，如盡量避免使材料出現(xiàn)應(yīng)變硬化，正確地選擇焊接工藝，保證焊接質(zhì)量。(3)

正確的使用

如不在主要結(jié)構(gòu)上任意焊接附加的零件，不任意懸掛重物。單向拉伸應(yīng)力達到屈服點時，鋼材即進入塑性狀態(tài)。復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)如雙向或三向應(yīng)力作用下，鋼材由彈性狀態(tài)轉(zhuǎn)入塑性狀態(tài)的條件是按能量強度理論計算的折算應(yīng)力與單向應(yīng)力下的屈服點比較來判斷：當(dāng)＜時，為彈性狀態(tài)；≥時為塑性狀態(tài)。

2.5鋼材在多軸應(yīng)力作用下的工作性能對塑性材料，同號應(yīng)力狀態(tài)易發(fā)生脆斷，鋼材在異號應(yīng)力狀態(tài)時容易發(fā)生塑性破壞。正應(yīng)力與剪應(yīng)力表示：fy單軸拉伸雙軸異號受力雙軸同號受力εσ當(dāng)σ1、σ2、σ3為同號應(yīng)力且數(shù)值接近時，即使它們各自都遠大于fy，折算應(yīng)力σeq仍小于fy說明鋼材很難進入塑性狀態(tài)破壞表現(xiàn)為脆性在實腹梁的腹板中：當(dāng)純剪時：鋼材的抗剪設(shè)計強度為：平面應(yīng)力狀態(tài)下§2-6鋼材的疲勞一、

鋼材疲勞斷裂的概念鋼材料在循環(huán)荷載作用下，當(dāng)循環(huán)數(shù)達到某一定值時，鋼材發(fā)生破壞的現(xiàn)象叫做鋼材的疲勞；疲勞屬于脆性破壞。內(nèi)部缺陷----應(yīng)力集中----產(chǎn)生微裂紋----微裂紋在循環(huán)荷載下擴展----截面削弱----宏觀裂紋失穩(wěn)擴展----斷裂引起疲勞破壞的交變荷載有兩種類型常幅交變荷載常幅疲勞變幅交變荷載變幅疲勞轉(zhuǎn)動的機械零件常幅疲勞破壞，吊車橋、鋼橋變幅疲勞破壞。特征

a突然性

b疲勞破壞的斷口與一般脆性斷口不同，三個區(qū)域：裂紋源、裂紋擴展區(qū)和斷裂區(qū)。擴展區(qū)表面較光滑，可見放射和年輪狀花紋，是疲勞斷裂的主要斷口特征。

c疲勞對缺陷敏感。缺口裂紋組織缺陷疲勞破壞的構(gòu)件斷口上面一部分呈現(xiàn)半橢圓形光滑區(qū)，其余部分則為粗糙區(qū)。

斷口示意1－光滑區(qū)；2－粗糙區(qū)出現(xiàn)疲勞斷裂時，截面上的應(yīng)力低于材料的抗拉強度，甚至低于屈服強度。同時，疲勞破壞屬于脆性破壞，塑性變形極小，因此是一種沒有明顯變形的突然破壞，危險性較大。應(yīng)力幅應(yīng)力譜中最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之差，即，為每次應(yīng)力循環(huán)中的最大拉應(yīng)力(取正值)，為每次應(yīng)力循環(huán)中的最小拉應(yīng)力(取正值)或壓應(yīng)力(取負(fù)值)。常幅疲勞應(yīng)力幅保持常量。應(yīng)力比為絕對值最小與最大應(yīng)力之比(拉應(yīng)力取正值，壓應(yīng)力取負(fù)值)，表示應(yīng)力循環(huán)特征。＝-l，為完全對稱循環(huán)；＝0，稱為脈沖循環(huán)；在0與-1之間，稱為不完全對稱循環(huán)。二、影響疲勞強度的主要因素1、基本概念tt平均應(yīng)力：應(yīng)力比：應(yīng)力輻：循環(huán)應(yīng)力和變幅應(yīng)力2影響疲勞強度的主要因素：1）應(yīng)力集中的影響有無缺陷、缺陷的尺寸，有無殘余應(yīng)力。3）應(yīng)力幅的影響2）應(yīng)力比的影響時，稱常幅循環(huán)4）應(yīng)力循環(huán)次數(shù)的影響一般取的值作為疲勞極限強度。

1．△-n曲線

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)畫出應(yīng)力幅與相應(yīng)的致?lián)p循環(huán)次數(shù)N的關(guān)系曲線，按試驗數(shù)據(jù)回歸的曲線為平均值曲線。為便于工作，常用雙對數(shù)坐標(biāo)軸的方法使曲線改為直線。在雙對數(shù)坐標(biāo)圖中，疲勞直線方程為：

三、疲勞驗算及容許應(yīng)力幅可求得容許應(yīng)力幅的表達式C、β均為不同構(gòu)件和連接類別的試驗參數(shù)。循環(huán)次數(shù)n應(yīng)力幅1234疲勞極限新規(guī)范給出的疲勞曲線(Δσ?n)圖2.常幅疲勞驗算1.對不同的構(gòu)件和連接類型歸納劃分為8類2.對于非焊接結(jié)構(gòu)，使用螺栓連接和構(gòu)件，殘余拉應(yīng)力很小，疲勞壽命不僅與應(yīng)力幅Δσ有關(guān)，也與名義應(yīng)力比ρ有關(guān)3.折算應(yīng)力幅容許應(yīng)力設(shè)計法

永久荷載所產(chǎn)生的應(yīng)力為不變值，沒有應(yīng)力幅。應(yīng)力幅只由重復(fù)作用的可變荷載產(chǎn)生，所以疲勞驗算按可變荷載標(biāo)準(zhǔn)值進行。荷載計算中不乘以吊車動力系數(shù)，試驗包括動力作用。常幅疲勞計算焊接部位：

非焊接部位：折算應(yīng)力幅

進行疲勞強度計算時，注意：(1)對直接承受動力荷載重復(fù)作用的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件，當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)次時才需進行疲勞驗算。

(2)容許應(yīng)力幅法，荷載采用標(biāo)準(zhǔn)值，不考慮荷載分項系數(shù)和動力系數(shù)，應(yīng)力按彈性工作計算。(3)應(yīng)力幅概念，不論應(yīng)力循環(huán)是拉應(yīng)力還是壓應(yīng)力，只要應(yīng)力幅超過容許值就產(chǎn)生疲勞裂紋。但在完全壓應(yīng)力(不出現(xiàn)拉應(yīng)力)循環(huán)中，裂紋不會繼續(xù)發(fā)展，故此種情況可不予驗算。任務(wù)五

鋼材的品種與選用化學(xué)成分：碳素鋼和合金鋼。用途分類：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊用途鋼(如不銹鋼等)。結(jié)構(gòu)鋼：建筑用鋼、機械用鋼。冶煉方法：轉(zhuǎn)爐鋼、平爐鋼。轉(zhuǎn)爐鋼采用氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐鋼，堿性側(cè)吹(空氣)轉(zhuǎn)爐鋼所含雜質(zhì)多，使鋼易脆，質(zhì)量很低，已取消這種鋼的使用。平爐鋼質(zhì)量好，冶煉時間長，成本高。氧氣轉(zhuǎn)爐鋼質(zhì)量與平爐鋼相當(dāng)而成本則較低。脫氧方法：沸騰鋼(F)、半鎮(zhèn)靜鋼(b)、鎮(zhèn)靜鋼(Z)和特殊鎮(zhèn)靜鋼(TZ)，鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼的代號可以省去鎮(zhèn)靜鋼脫氧充分，沸騰鋼脫氧較差，半鎮(zhèn)靜鋼介于鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼之間。一般采用鎮(zhèn)靜鋼。5.1鋼材的品種和牌號建筑工程中采用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。1、普通碳素結(jié)構(gòu)鋼

按國家標(biāo)準(zhǔn)《碳素結(jié)構(gòu)鋼》GB/T700生產(chǎn)的鋼材有Q195、Q215、Q235、Q255和Q275種品牌。

按質(zhì)量等級分為A、B、C、D四級。A級鋼只保證抗拉強度、屈服點、伸長率，必要時尚可附加冷彎試驗的要求。B、C、D鋼均保證抗拉強度、屈服點、伸長率、冷彎和沖擊韌性（分別為＋20℃，0℃，－20℃)等力學(xué)性能。鋼的牌號表示方法屈服點的字母Q、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號(A、B、C、D)、脫氧方法符號（F、Z、TZ）等四個部分按順序組成。A、B級鋼分沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼C級鋼全為鎮(zhèn)靜鋼D級鋼全為特殊鎮(zhèn)靜鋼舉例：Q235AF，Q235B牌號較高的碳素結(jié)構(gòu)鋼含碳量較高，強度、硬度高，但塑性差。Q235含碳量在0.22％以下，強度適中，塑性、韌性均較好2、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼與碳素結(jié)構(gòu)鋼的區(qū)別在于鋼中含雜質(zhì)元素較少，磷、硫等有害元素含量均不大于0.035％，其它缺陷限制也較嚴(yán)格一類為普通含錳量的鋼一類為較高含錳量的鋼兩類的鋼號均用兩位數(shù)字表示，它表示鋼中的平均含碳量的萬分?jǐn)?shù)，前者數(shù)字后不加Mn，后者數(shù)字后加Mn45號鋼，表示平均含碳量為0.45％的優(yōu)質(zhì)碳素鋼；

45Mn號鋼，表示同樣含碳量、但錳的含量也較高的優(yōu)質(zhì)碳素鋼。3、低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼含碳量均不大于0.20％，合金元素的總量低于5％，故稱為低合金高強度鋼。按國家標(biāo)準(zhǔn)《低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼》GB/T1591生產(chǎn)的鋼材共有Q295、Q345、Q390、Q420和Q460Q345、Q390和Q420均按化學(xué)成分和沖擊韌性劃分為A、B、C、D、E共5個質(zhì)量等級，A、B級為鎮(zhèn)靜鋼，C、D、E級為特殊鎮(zhèn)靜鋼，故可不加脫氧方法的符號。鋼的牌號如：Q345-B、Q390-C等等。A級無沖擊功要求；B級要求提供20℃

沖擊功；C級要求提供0℃沖擊功；D級要求提供-20℃沖擊功；E級要求提供-40℃沖擊功。4、耐大氣腐蝕用鋼（耐候鋼）牌號：屈服點：Q屈服點數(shù)值耐候：NH鋼材質(zhì)量等級：C、D、E5、橋梁用結(jié)構(gòu)鋼牌號：屈服點字母Q、屈服點數(shù)值、橋梁鋼的字母q、鋼材的質(zhì)量等級其他鋼防止鋼材的層狀撕裂而采用Z向鋼，高層建筑結(jié)構(gòu)用鋼板，高強鋼絲和鋼索材料5.2鋼材的選擇1、鋼材選用原則目的：安全可靠、經(jīng)濟合理。選擇鋼材時考慮的因素有：(1)結(jié)構(gòu)的類型和重要程度

按規(guī)定的安全等級，一級(重要的)、二級(一般的)和三級(次要的)。安全等級不同，要求的鋼材質(zhì)量也應(yīng)不同。對重要結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮選用質(zhì)量好的鋼材，對一般工業(yè)與民用建筑結(jié)構(gòu)，可按工作性質(zhì)分別選用普通質(zhì)量的鋼材。(2)荷載性質(zhì)直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)和強烈地震區(qū)的結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用綜合性能好的鋼材；一般承受靜態(tài)荷載的結(jié)構(gòu)則可選用價格較低的Q235鋼。(3)連接方法

連接方法：焊接和非焊接。焊接過程中，會產(chǎn)生焊接變形、焊接應(yīng)力以及其他焊接缺陷，如咬肉、氣孔、裂紋等，有導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫或脆性斷裂的危險。焊接結(jié)構(gòu)對材質(zhì)的要求應(yīng)嚴(yán)格一些。例如在化學(xué)成分方面，焊接結(jié)構(gòu)必須嚴(yán)格控制碳、硫、磷的極限含量，同時塑性、韌性及可焊性要好；而非焊接結(jié)構(gòu)對含碳量可降低要求。(4)工作環(huán)境

低溫時鋼材容易冷脆，因此在低溫條件下工作的結(jié)構(gòu)，尤其是焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用具有良好抗低溫脆斷性能的鎮(zhèn)靜鋼。此外，在露天工作或在有害介質(zhì)環(huán)境工作中的結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)要有較好的防腐性能，必要時應(yīng)采用耐候鋼。

(5)構(gòu)件的受力性質(zhì)對經(jīng)常承受拉力的構(gòu)件，應(yīng)選用質(zhì)量較好的鋼材；而經(jīng)常承受壓力的構(gòu)件，則可選用一般的鋼材。(5)鋼材厚度（補充）

薄鋼材輥軋次數(shù)多，軋制的壓縮比大，厚度大的鋼材壓縮比??；所以厚度大的鋼材不但強度較小，而且塑性、沖擊韌性和焊接性能也較差。因此，厚度大的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)采用材質(zhì)