第二章 鋼結(jié)構(gòu)的材料

第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料第一節(jié)鋼結(jié)構(gòu)對(duì)鋼材性能的要求鋼材的種類繁多，碳素鋼有上百種，合金鋼有300多種，它們的性質(zhì)、用途以及價(jià)格都不同。鋼結(jié)構(gòu)常常需要在不同的環(huán)境和條件下承受各種形式的作用（荷載、基礎(chǔ)不均勻沉降、溫度等），所以要求鋼材應(yīng)具有良好的機(jī)械性能（強(qiáng)度、塑性、韌性）和加工性能（冷熱加工和焊接性能），才能保證結(jié)構(gòu)安全可靠。符合鋼結(jié)構(gòu)要求的鋼材只有少數(shù)幾種，如碳素鋼中的Q235鋼，低合金鋼中的Q345鋼（16Mn鋼）、Q390鋼（15MnV)鋼和Q420鋼（15MnVN）等。

2023/2/61一、強(qiáng)度表明鋼材強(qiáng)度性能的指標(biāo)有彈性模量E，比例極限σp，屈服強(qiáng)度σs和抗拉強(qiáng)度σb等。它們是根據(jù)鋼材標(biāo)準(zhǔn)試件單向拉伸試驗(yàn)確定的。2023/2/621、彈性階段

σp；彈性模量（在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)所有鋼材統(tǒng)一取E＝2.06×105N/mm2）；σe

2、彈塑性階段變形由彈性變形與塑性變形組成3、屈服階段上下屈服點(diǎn)；屈服強(qiáng)度σs是鋼結(jié)構(gòu)材料的一項(xiàng)重要力學(xué)性能，是靜力強(qiáng)度承載力極限；流幅2023/2/632023/2/644、強(qiáng)化階段鋼材經(jīng)歷了屈服階段較大的塑性變形后，金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)得到了調(diào)整，產(chǎn)生了繼續(xù)承受增長荷載的能力。σb為材料的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

5、頸縮階段在承載力最薄弱處開始出現(xiàn)局部橫向收縮。2023/2/65由此可把鋼材看作理想彈塑性體，即在屈服點(diǎn)前是完全彈性的，屈服點(diǎn)后是完全塑性的；屈服強(qiáng)度σs作為強(qiáng)度承載力極限狀態(tài)的標(biāo)志。鋼材的物理性能指標(biāo)：①彈性模量E＝206×103（N/mm2）②剪切模量G＝79×103（N/mm2）；③線膨脹系數(shù)α＝12×10-6；④質(zhì)量密度ρ＝7850kg/m3。2023/2/66二、塑性

鋼材的塑性一般指應(yīng)力超過屈服強(qiáng)度以后能產(chǎn)生顯著的塑性（殘余）變形而不立即斷裂的性質(zhì)。鋼結(jié)構(gòu)要求鋼材具有良好的塑性。衡量鋼材塑性性能的指標(biāo)是伸長率δ和斷面收縮率ψ，二者都是通過標(biāo)準(zhǔn)試件的拉伸試驗(yàn)測定的。2023/2/67三、韌性韌性是鋼材在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力，是衡量鋼材抵抗可能因低溫、應(yīng)力集中、沖擊荷載作用等而導(dǎo)致脆性斷裂能力的一項(xiàng)機(jī)械性能。鋼結(jié)構(gòu)要求鋼材要有良好的韌性。一般情況下，塑性好的鋼材其韌性也好。韌性指標(biāo)由沖擊韌性值ak或Ak表示，是由標(biāo)準(zhǔn)試件沖擊試驗(yàn)獲得的。

ak

＝Ak/A（J/cm2）2023/2/68鋼材的沖擊韌性，受溫度影響較大，（與鋼材質(zhì)量、缺口形狀、加載溫度有關(guān)），當(dāng)溫度低于某一負(fù)溫值時(shí)，沖擊韌性值會(huì)急劇降低。因此，設(shè)計(jì)處于低溫的重要結(jié)構(gòu)，尤其受動(dòng)載作用的結(jié)構(gòu)時(shí)，不但要求保證常溫（20℃）下的沖擊韌性，還要保證負(fù)溫（-20℃或-40℃）下的沖擊韌性。2023/2/69四、冷彎性能鋼材的冷彎性能是用來衡量鋼材在常溫下彎曲加工產(chǎn)生塑性變形時(shí)，對(duì)產(chǎn)生裂紋的抵抗能力。它由冷彎實(shí)驗(yàn)來確定。要求不分層、不裂紋。2023/2/610冷彎實(shí)驗(yàn)不僅能直接反映鋼材的彎曲變形能力和塑性性能，還能顯示鋼材的內(nèi)部冶金缺陷（如分層、非金屬夾碴等）狀況，是判斷鋼材塑性變形能力及冶金質(zhì)量的綜合指標(biāo)。重要結(jié)構(gòu)中需要保證鋼材有足夠塑性時(shí)，均應(yīng)進(jìn)行冷彎試驗(yàn)。2023/2/611五、耐久性影響鋼材耐久性的因素很多1、鋼材的耐腐蝕性差，必須采取防護(hù)措施。2、鋼材的“時(shí)效”現(xiàn)象，即鋼材的力學(xué)性能隨時(shí)間增長而改變的現(xiàn)象（塑性韌性降低）。3、持久強(qiáng)度鋼材在高溫和長期荷載作用下，屈服強(qiáng)度比短期的單向拉伸試驗(yàn)時(shí)低得多，因此對(duì)此類鋼材要測定其“持久強(qiáng)度”。4、疲勞強(qiáng)度2023/2/612六、可焊性鋼材的可焊性是指在一定的焊接工藝和結(jié)構(gòu)形式條件下，能獲得良好焊接接頭的性能。焊接鋼結(jié)構(gòu)要求鋼材要具有良好的可焊性。鋼材的可焊性用可焊性試驗(yàn)來判斷。2023/2/613一、化學(xué)成分的影響鋼的主要化學(xué)成分是鐵（Fe）和少量的碳(C)。此外還有錳（Mn）、硅（Si）等有利元素，以及難以除盡的有害元素如硫（S）和磷（P）等。碳的含量對(duì)鋼的強(qiáng)度、塑性、韌性和可焊性有決定性的影響。含碳量增加，鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度增高，但同時(shí)塑性、韌性冷彎性能、可焊性降低。因此結(jié)構(gòu)鋼材的含碳量不能過高，一般不超過0.22％，對(duì)于焊接結(jié)構(gòu)則應(yīng)低于0.2％

第二節(jié)影響鋼材力學(xué)性能的主要因素2023/2/614錳（Mn）和硅（Si）是鋼材中的有利元素，可提高鋼材的強(qiáng)度但不影響鋼材的其它性能。但是含量不能過高。硫（S）和磷（P）是極為有害的成分。它們降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞性能。硫（S）和磷（P）可在高溫和低溫時(shí)使鋼材變脆，分別稱為“熱脆”和“冷脆”，所以要嚴(yán)格限制其含量。

化學(xué)成分的影響（續(xù)）2023/2/615二、冶金工藝的影響冶煉方法—我國目前鋼結(jié)構(gòu)的冶煉方法主要是平爐和氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐兩種，生產(chǎn)出的鋼材質(zhì)量優(yōu)良，大體相同；電爐鋼質(zhì)量最好，但成本最高，土建少用。冶金缺陷—常見的有偏析、非金屬夾碴、氣孔及裂縫等。偏析是指鋼錠各部分的化學(xué)成分不一致，例如頂部的硫磷含量偏多等；非金屬夾碴通常指鋼中的硫化物和氧化物，鋼材受力時(shí)可能成為脆性斷裂的裂縫源，非常有害；氣孔是由于CO氣體不能充分逸出而留在鋼錠內(nèi)形成的；裂縫是鋼材中已經(jīng)出現(xiàn)的局部破壞。第二節(jié)影響鋼材力學(xué)性能的主要因素（續(xù)）2023/2/616脫氧方法—可分為鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼三種。

沸騰鋼用錳（Mn）脫氧，不充分，質(zhì)量不好，成本低；

鎮(zhèn)靜鋼除用錳脫氧外，還用適量的硅作脫氧劑，脫氧完全，氣體容易逸出，沒有沸騰現(xiàn)象，質(zhì)量好，但成本高；

半鎮(zhèn)靜鋼性能介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間。另外還有特殊鎮(zhèn)靜鋼，是用硅脫氧后再用更強(qiáng)的脫氧劑鋁補(bǔ)充脫氧，其沖擊韌性特別是低溫沖擊韌性都較高。沸騰鋼比鎮(zhèn)靜鋼的冶金缺陷多。由于沸騰鋼成本較低，我國低碳鋼大量采用沸騰鋼。只有當(dāng)承受動(dòng)力荷載、沖擊韌性要求較高時(shí)或處于低溫的結(jié)構(gòu)才考慮采用鎮(zhèn)靜鋼。對(duì)低溫要求更高時(shí)可考慮采用特殊鎮(zhèn)靜鋼。冶金工藝的影響（續(xù)）2023/2/617軋制方法—鋼材的軋制過程使得金屬的晶粒變細(xì)，在壓力作用下也使得氣孔、裂縫焊合，因而可以改善鋼材的力學(xué)性能。薄板因多次輥軋而比厚板強(qiáng)度更高。經(jīng)過雙向軋制的鋼板也比只經(jīng)過單向軋制的鋼板的性能要好。冶金工藝的影響（續(xù)）2023/2/618三、鋼材硬化的影響時(shí)效硬化—鋼材隨時(shí)間的增長，其屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度提高，而塑性、韌性降低的現(xiàn)象。發(fā)生時(shí)效硬化的過程可以從幾小時(shí)到幾十年。冷作硬化—鋼材經(jīng)過冷加工（拉、剪、沖、壓、拔等）后，屈服強(qiáng)度提高而塑性、韌性降低的現(xiàn)象。它增加了鋼材脆性斷裂的可能性。

第二節(jié)影響鋼材力學(xué)性能的主要因素（續(xù)）2023/2/619四、溫度的影響溫度的升高和降低都會(huì)使鋼材的力學(xué)性能發(fā)生變化。在正溫度范圍內(nèi)（0℃以上），溫度升高不超過200℃時(shí)，鋼材的性能變化不大；在250℃左右，鋼材的抗拉強(qiáng)度略有提高，但塑性和韌性均下降，此時(shí)鋼材表面氧化膜呈蘭色，稱為“蘭脆現(xiàn)象”。此時(shí)鋼材的破壞常呈脆性破壞特征。因此應(yīng)避免在蘭脆溫度范圍內(nèi)對(duì)鋼材進(jìn)行熱加工。當(dāng)溫度超過300℃后，鋼材的屈服點(diǎn)明顯下降，達(dá)到600℃時(shí)，幾乎失去承載力。第二節(jié)影響鋼材力學(xué)性能的主要因素（續(xù)）2023/2/620在負(fù)溫度范圍內(nèi)（0℃以下），隨著溫度降低，鋼材的強(qiáng)度雖有所提高，但塑性和韌性均下降，材料逐漸變脆，這種性質(zhì)稱為低溫冷脆。設(shè)計(jì)選用鋼材時(shí)應(yīng)使其T1值低于鋼結(jié)構(gòu)所處的工作環(huán)境，才可保證鋼結(jié)構(gòu)低溫工作的安全。溫度的影響（續(xù)）材料由塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐氖窃谝粋€(gè)溫度區(qū)間T1～T2內(nèi)完成的，稱此溫度區(qū)間為鋼材的冷脆轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，曲線反彎點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度T0稱為冷脆轉(zhuǎn)變溫度（冷脆臨界溫度)。2023/2/621五、應(yīng)力集中和殘余應(yīng)力應(yīng)力集中—實(shí)際構(gòu)件中常常有孔洞、裂紋、槽口等缺陷，使構(gòu)件截面突然改變，在有缺陷或截面變化處附近，應(yīng)力線彎曲而密集，出現(xiàn)高峰應(yīng)力，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。應(yīng)力集中程度很高時(shí)，往往形成雙向或三向拉應(yīng)力，容易導(dǎo)致構(gòu)件脆性斷裂。殘余應(yīng)力—鋼材在軋制、焊接或氣割過程中，由于不均勻的加熱和冷卻而產(chǎn)生的應(yīng)力。殘余應(yīng)力的存在，將使構(gòu)件的剛度和穩(wěn)定性都有所降低，增加了脆斷的危險(xiǎn)。六、加荷速度和重復(fù)荷載作用的影響隨著加荷速度的提高，鋼材屈服點(diǎn)也提高，但脆性也會(huì)增加。在重復(fù)荷載作用下，容易產(chǎn)生疲勞破壞。第二節(jié)影響鋼材力學(xué)性能的主要因素（續(xù)）2023/2/622七、應(yīng)力狀態(tài)的影響單向應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)σs時(shí)，鋼材屈服，由彈性進(jìn)入塑性狀態(tài)。復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下（如有兩三個(gè)軸向應(yīng)力和剪應(yīng)力共同作用時(shí)），鋼材是否進(jìn)入屈服，則應(yīng)根據(jù)“能量強(qiáng)度理論”，用折算應(yīng)力σr與單向拉伸時(shí)的屈服強(qiáng)度σs相比較來判斷：第二節(jié)影響鋼材力學(xué)性能的主要因素（續(xù)）2023/2/623實(shí)際工作中，鋼材有兩種性質(zhì)不同的破壞形式：塑性破壞和脆性破壞。（疲勞破壞是鋼材在多次反復(fù)荷載作用下引起的斷裂破壞，其性質(zhì)屬于脆性斷裂。）一、塑性破壞（延性破壞）

是指鋼材產(chǎn)生很大的變形，經(jīng)歷時(shí)間又很長的破壞。它是鋼材晶粒中對(duì)角面上的剪應(yīng)力值超過抵抗能力而引起的晶粒相對(duì)滑移的結(jié)果。由于結(jié)構(gòu)在破壞前出現(xiàn)很大的變形，所以很易及時(shí)發(fā)現(xiàn)并補(bǔ)救。塑性變形使結(jié)構(gòu)出現(xiàn)內(nèi)力重分布，使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件中某些原先受力不等的部分的應(yīng)力趨于均勻，提高了結(jié)構(gòu)的承載力。第三節(jié)鋼材的破壞形式2023/2/624二、脆性破壞（脆性斷裂）

是指鋼材在變形很小的情況下，突然發(fā)生的斷裂破壞。脆性破壞是拉應(yīng)力將鋼材晶粒拉斷的結(jié)果。破壞發(fā)生時(shí)的名義應(yīng)力往往低于鋼材的屈服強(qiáng)度。由于破壞前變形很小且發(fā)生突然，難以采取補(bǔ)救措施，因而危害極大。影響脆性破壞的因素很多，主要有：

—鋼材的質(zhì)量；

—應(yīng)力狀態(tài)：三向受拉時(shí)易出現(xiàn)由最大主應(yīng)力σ1引起的脆斷；高度的應(yīng)力集中以及殘余應(yīng)力均易產(chǎn)生三向拉應(yīng)力，而厚板也為三向拉應(yīng)力的形成提供了條件（板越厚，對(duì)橫向收縮的約束力越大），當(dāng)鋼板厚度在6mm以下時(shí)，可不考慮鋼材的脆斷；

—低溫：冷脆轉(zhuǎn)變溫度；當(dāng)溫度低于T1時(shí)，易發(fā)生脆斷；當(dāng)溫度介于T1與T2之間時(shí)，有尖銳缺口的試件發(fā)生脆斷，而無缺口的試件發(fā)生塑性破壞。第三節(jié)鋼材的破壞形式（續(xù)）2023/2/625疲勞破壞

是指鋼材在連續(xù)反復(fù)或循環(huán)荷載作用下，當(dāng)應(yīng)力循環(huán)次數(shù)n達(dá)到某個(gè)大數(shù)時(shí)，發(fā)生的突然的脆斷。破壞時(shí)鋼材的應(yīng)力低于抗拉強(qiáng)度甚至低于屈服強(qiáng)度。是一種無明顯變形的突然斷裂，危害極大。疲勞破壞的機(jī)理鋼結(jié)構(gòu)中總存在有微觀裂紋或類似的缺陷，再加上在反復(fù)荷載作用下，在試件的高度應(yīng)力集中處（如截面改變處）首先出現(xiàn)塑性變形，引起鋼材硬化，逐漸形成晶粒中的微觀裂紋。在多次反復(fù)荷載作用下，微觀裂紋逐漸擴(kuò)展為宏觀裂紋，是凈截面積不斷減小。當(dāng)截面削弱到一定程度時(shí)，應(yīng)力增大，凈截面承載力不足以承受外力，構(gòu)件就會(huì)突然斷裂，發(fā)生疲勞破壞。

第四節(jié)鋼材的疲勞破壞2023/2/626疲勞破壞與脆性破壞的比較—相同點(diǎn)：都表現(xiàn)為突然斷裂，裂源都是某些引起應(yīng)力高度集中的缺口或缺陷，斷裂時(shí)的名義應(yīng)力都低于屈服點(diǎn)；

—不同點(diǎn)：疲勞破壞需要多次反復(fù)加載，經(jīng)歷的時(shí)間較長，出現(xiàn)宏觀裂縫后，有相當(dāng)長而比較穩(wěn)定的裂紋發(fā)展過程，直到斷裂前才變得不穩(wěn)定；脆性破壞則是裂紋出現(xiàn)后就迅速擴(kuò)展并破壞，發(fā)展過程是突然的、不穩(wěn)定的，而且往往一次加載就可能造成災(zāi)難。第四節(jié)鋼材的疲勞破壞（續(xù)）2023/2/627影響疲勞破壞的主要因素

—構(gòu)件的構(gòu)造和連接形式，它們和應(yīng)力集中程度及殘余應(yīng)力有關(guān)：—荷載的循環(huán)次數(shù);—荷載引起的應(yīng)力狀況；由于疲勞破壞的實(shí)質(zhì)是斷裂，而斷裂主要是拉出來的，所以一般認(rèn)為，如果循環(huán)荷載引起的應(yīng)力不出現(xiàn)拉應(yīng)力，則鋼結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。疲勞計(jì)算

應(yīng)力幅與應(yīng)力循環(huán)特征值（應(yīng)力比）的概念；第四節(jié)鋼材的疲勞破壞（續(xù)）2023/2/628一、鋼材的種類碳素鋼和低合金鋼1、碳素鋼（含碳量為0.03~0.25%的低碳鋼）

質(zhì)量等級(jí)：A、B、C、D四級(jí)；A—只保證抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)和伸長率；B、C、D—保證抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)和伸長率、冷彎性能和沖擊韌性（分別為＋20℃、0℃和－20℃），同時(shí)嚴(yán)格控制C、S、P的極限含量；鋼號(hào)：Q235-A、Q235-B、Q235-C、Q235-D等；對(duì)鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、沸騰鋼以及特殊鎮(zhèn)靜鋼，分別用字母Z、b、F、TZ表示。2、低合金鋼（各種合金元素總含量不超過5％的鋼）質(zhì)量等級(jí)：A、B、C、D、E五級(jí)；A、B、C、D的規(guī)定同碳素結(jié)構(gòu)鋼，E級(jí)要求－40℃的沖擊韌性；鋼號(hào)：Q345-A、Q390-B、Q420-C等。第五節(jié)鋼材的種類及選用2023/2/629二、鋼材的規(guī)格熱軋鋼板：①厚鋼板