第4章鋼結(jié)構(gòu)的材料

1、第第4 4章章 鋼結(jié)構(gòu)材料鋼結(jié)構(gòu)材料4.1 鋼結(jié)構(gòu)對材料的要求鋼結(jié)構(gòu)對材料的要求4.2 鋼材的破壞形式鋼材的破壞形式4.3 鋼材的主要性能鋼材的主要性能4.4 影響鋼材性能的因素影響鋼材性能的因素4.5 建筑鋼材的種類、規(guī)格及選用建筑鋼材的種類、規(guī)格及選用本章內(nèi)容：本章內(nèi)容：4.1 4.1 鋼結(jié)構(gòu)對材料的要求鋼結(jié)構(gòu)對材料的要求 鋼材種類繁多，規(guī)格、用途也不相同，對建鋼材種類繁多，規(guī)格、用途也不相同，對建筑結(jié)構(gòu)用鋼來說，應(yīng)具有下列性能：筑結(jié)構(gòu)用鋼來說，應(yīng)具有下列性能： 1.1.較高的強(qiáng)度。即抗拉強(qiáng)度較高的強(qiáng)度。即抗拉強(qiáng)度fu u和屈服點和屈服點fy y比較高。比較高。結(jié)構(gòu)的承載力大，所需的截面小

2、，結(jié)構(gòu)的自重輕。結(jié)構(gòu)的承載力大，所需的截面小，結(jié)構(gòu)的自重輕。 2.2.足夠的變形能力。即較好的塑性和韌性。塑足夠的變形能力。即較好的塑性和韌性。塑性好，不易發(fā)生脆性破壞；韌性好，利于承受動力性好，不易發(fā)生脆性破壞；韌性好，利于承受動力荷載。荷載。 3.3.良好的加工性能。適合冷、熱加工，良好的良好的加工性能。適合冷、熱加工，良好的可焊性。可焊性。 4.4.適應(yīng)低溫、有害介質(zhì)侵蝕適應(yīng)低溫、有害介質(zhì)侵蝕( (包括大氣銹蝕包括大氣銹蝕) )以以及重復(fù)荷載作用等的性能。及重復(fù)荷載作用等的性能。 5.5.容易生產(chǎn)，價格便宜。容易生產(chǎn)，價格便宜。 據(jù)以上要求據(jù)以上要求, ,鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范GB

3、50017-GB50017-20032003推薦的鋼材：推薦的鋼材： 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼：Q235Q235鋼鋼 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼：低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼：Q345Q345、Q390Q390和和Q420Q420鋼鋼 塑性破壞塑性破壞：超過屈服點超過屈服點 fy即有明顯的塑性變即有明顯的塑性變形產(chǎn)生，達(dá)到抗拉強(qiáng)度形產(chǎn)生，達(dá)到抗拉強(qiáng)度 fu時將在很大變形情況下斷時將在很大變形情況下斷裂裂; 脆性破壞：脆性破壞：沒有塑性變形或在塑性變形很小沒有塑性變形或在塑性變形很小時即發(fā)生破壞。時即發(fā)生破壞。塑性破壞和脆性破壞塑性破壞和脆性破壞4.2 4.2 鋼材的破壞形式鋼材的破壞形式包括拉伸性能、冷彎

4、性能、沖擊韌性和可焊性等。包括拉伸性能、冷彎性能、沖擊韌性和可焊性等。4.3 鋼材的主要性能鋼材的主要性能4.3.1 鋼材在單向鋼材在單向拉伸時的工作性能拉伸時的工作性能條件：常溫、靜載條件：常溫、靜載條件下一次拉伸條件下一次拉伸圖圖4-1 4-1 鋼材的單向一次拉伸應(yīng)力鋼材的單向一次拉伸應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線鋼材標(biāo)準(zhǔn)試件鋼材標(biāo)準(zhǔn)試件 拉力試驗機(jī)拉力試驗機(jī) 主要力學(xué)指標(biāo)主要力學(xué)指標(biāo)比例極限比例極限fP屈服點屈服點fy抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度fu伸長率伸長率 5和和10圖圖4-1 4-1 鋼材的單向一次拉伸應(yīng)力鋼材的單向一次拉伸應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線 屈服點屈服點作為結(jié)構(gòu)計算中材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，或材

5、料抗力標(biāo)準(zhǔn)。作為結(jié)構(gòu)計算中材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，或材料抗力標(biāo)準(zhǔn)。理想彈塑性體的模型。理想彈塑性體的模型。圖圖4-2 4-2 理想彈塑性體的應(yīng)力理想彈塑性體的應(yīng)力- -應(yīng)變模型應(yīng)變模型 圖圖4-3 4-3 鋼材的名義屈服點鋼材的名義屈服點 伸長率代表材料斷裂前具有的塑性變形的能力。伸伸長率代表材料斷裂前具有的塑性變形的能力。伸長率是指試件被拉斷后原標(biāo)距的伸長值與原標(biāo)距之比的長率是指試件被拉斷后原標(biāo)距的伸長值與原標(biāo)距之比的百分?jǐn)?shù)，即百分?jǐn)?shù)，即伸長率伸長率5或或10%100001lll式中式中 l1試件拉斷后標(biāo)距間長度；試件拉斷后標(biāo)距間長度； l0試件原標(biāo)距長度。試件原標(biāo)距長度。4.3.2 冷彎性能冷彎性能

6、 根據(jù)試樣根據(jù)試樣厚度（厚度（a），），按規(guī)定的按規(guī)定的彎心直徑彎心直徑(d)將試樣將試樣彎曲彎曲180，其，其表面及側(cè)面無裂紋或分層表面及側(cè)面無裂紋或分層 Q235: 縱向試樣縱向試樣 橫向試樣橫向試樣16 a 60mm d = a d = 1.5a 60 a 100 d = 2a d = 2.5a100 a 150 d = 2.5a d = 3a材料塑性變形能力材料塑性變形能力冶金質(zhì)量冶金質(zhì)量4.3.3 沖擊韌性沖擊韌性韌性是鋼材斷裂時韌性是鋼材斷裂時吸收機(jī)械能吸收機(jī)械能能力的量度能力的量度測量方法測量方法梅氏梅氏（Mesnage U-notch）：）：ak(J/cm2)夏比夏比（Char

7、py V-notch）：）： Akv 或或Cv(J)圖圖4-5 4-5 夏比夏比V V型缺口沖擊試驗和標(biāo)準(zhǔn)試件型缺口沖擊試驗和標(biāo)準(zhǔn)試件 鋼材質(zhì)量等級鋼材質(zhì)量等級 環(huán)境溫度環(huán)境溫度 CVN沖擊功沖擊功 -A 不要求不要求 -B 20 27JQ235 -C 027J -D -20 27J -A 不要求不要求 -B 20 34J Q345 -C 0 34J -D -20 34J -E -40 27J鋼材沖擊韌性要求鋼材沖擊韌性要求可焊性可焊性 采用采用一般焊接工藝一般焊接工藝就可完成合格的就可完成合格的(無裂紋的無裂紋的)焊縫的性能。鋼材的可焊性受焊縫的性能。鋼材的可焊性受碳含量和合金元素含碳含量和

8、合金元素含量量的影響。碳含量在的影響。碳含量在0.120.20范圍內(nèi)的碳素鋼，范圍內(nèi)的碳素鋼，可焊性最好。碳含量再高可使焊縫和熱影響區(qū)變脆?？珊感宰詈?。碳含量再高可使焊縫和熱影響區(qū)變脆。4.3.4 4.3.4 鋼材在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的屈服條件鋼材在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的屈服條件根據(jù)形狀改變比能理論，三向應(yīng)力：根據(jù)形狀改變比能理論，三向應(yīng)力：yf213232221zs)(21）（）（時，yzsf以主應(yīng)力表示以主應(yīng)力表示yzxyzxyxzzyyxzyxf）（）（222222zs3為塑性狀態(tài)；為塑性狀態(tài)；為彈性狀態(tài)。為彈性狀態(tài)。圖圖4-6 4-6 復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)時，yzsf平面應(yīng)力平面應(yīng)力狀態(tài)狀態(tài)

9、yxyyxyxf222zs3當(dāng)只有當(dāng)只有正應(yīng)力正應(yīng)力和和剪應(yīng)力剪應(yīng)力時時yf22zs3當(dāng)承受當(dāng)承受純剪純剪時時yyyff58. 032zs 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范確定鋼材鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范確定鋼材抗剪設(shè)計強(qiáng)度抗剪設(shè)計強(qiáng)度為為抗拉設(shè)計抗拉設(shè)計強(qiáng)度強(qiáng)度的的0.580.58倍。倍。 4.4 4.4 影響鋼材性能的因素影響鋼材性能的因素 鋼是含碳量小于鋼是含碳量小于2%2%的鐵碳合金，碳大于的鐵碳合金，碳大于2%2%時為鑄鐵。制時為鑄鐵。制造鋼結(jié)構(gòu)所用的材料有碳素結(jié)構(gòu)鋼中的造鋼結(jié)構(gòu)所用的材料有碳素結(jié)構(gòu)鋼中的低碳鋼低碳鋼及及低合金結(jié)構(gòu)鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼。 基本成份為基本成份為FeFe，碳鋼中含量占，碳鋼中含量占9999

10、，碳及雜質(zhì)元素約占，碳及雜質(zhì)元素約占1%1%。 1.1.碳（碳（C C）：）：含含CC使強(qiáng)度使強(qiáng)度塑性、韌性、可焊性塑性、韌性、可焊性，應(yīng)控，應(yīng)控制在制在0.22%0.22%，焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)控制在，焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)控制在0.20%0.20%。 2.2.硫（硫（S S）：）：含量含量使強(qiáng)度使強(qiáng)度塑性、韌性、性能冷彎、可塑性、韌性、性能冷彎、可焊性焊性；高溫時使鋼材變脆；高溫時使鋼材變脆熱脆現(xiàn)象熱脆現(xiàn)象。 3.3.磷（磷（P P）：）：低溫時使鋼材變脆低溫時使鋼材變脆冷脆現(xiàn)象冷脆現(xiàn)象；其它同；其它同S S； 4.4.1 4.4.1 化學(xué)成分的影響化學(xué)成分的影響 4.4.氧（氧（O O）、氮（）、氮（N N）

11、：）：O O同同S S；N N同同P P，控制含量，控制含量0.008%0.008%。 5.5.錳（錳（MnMn）：）：含量增加，使強(qiáng)度含量增加，使強(qiáng)度 降低降低S S、O O的熱脆影的熱脆影響，改善熱加工性能，對其它性能影響不大，響，改善熱加工性能，對其它性能影響不大，有益有益。 6.6.硅（硅（SiSi）：）：含含SiSi適量使強(qiáng)度適量使強(qiáng)度，塑性、韌性、性能冷，塑性、韌性、性能冷彎、可焊性影響不大，有益，應(yīng)控制彎、可焊性影響不大，有益，應(yīng)控制0.120.3%0.120.3%。 7.7.釩（釩（V V）、鈮（）、鈮（NbNb）、鈦（）、鈦（TiTi）：）：使強(qiáng)度使強(qiáng)度、保持良、保持良好的塑

12、性、韌性；好的塑性、韌性； 8.8.鋁（鋁（AlAl）、鉻（）、鉻（CrCr）、鎳（）、鎳（N Ni）：）：鋁是強(qiáng)脫氧劑，鉻、鋁是強(qiáng)脫氧劑，鉻、鎳使強(qiáng)度鎳使強(qiáng)度； 常見的冶金缺陷有常見的冶金缺陷有偏析偏析、非金屬夾雜非金屬夾雜、氣孔氣孔及及分層分層等。等。 偏析偏析：是指鋼中化學(xué)成分分布不均勻，特別是硫、磷偏：是指鋼中化學(xué)成分分布不均勻，特別是硫、磷偏析嚴(yán)重惡化鋼材的性能；析嚴(yán)重惡化鋼材的性能； 非金屬夾雜非金屬夾雜：是指鋼中含有硫化物、氧化物等雜質(zhì)；：是指鋼中含有硫化物、氧化物等雜質(zhì)； 氣孔氣孔：是澆注鋼錠時，由于氧化鐵與碳作用所生成的一：是澆注鋼錠時，由于氧化鐵與碳作用所生成的一氧化碳不能

13、充分逸出而滯留在鋼錠內(nèi)形成的微小孔洞。這些氧化碳不能充分逸出而滯留在鋼錠內(nèi)形成的微小孔洞。這些缺陷都將降低鋼材的性能。缺陷都將降低鋼材的性能。 非金屬夾雜物在軋制后能造成鋼材的非金屬夾雜物在軋制后能造成鋼材的分層分層，分層使鋼材，分層使鋼材沿厚度受拉的性能大大降低。沿厚度受拉的性能大大降低。4.4.2 4.4.2 冶金缺陷冶金缺陷4.4.3 鋼材的硬化鋼材的硬化 1. 1.冷作硬化冷作硬化 ( (應(yīng)變硬化應(yīng)變硬化) ) 2. 2.時效硬化時效硬化 根據(jù)其機(jī)理不同，鋼材的硬化又可分為根據(jù)其機(jī)理不同，鋼材的硬化又可分為冷作硬化冷作硬化和和時效硬化時效硬化兩類。兩類。4.4.4 溫度的影響溫度的影響

14、 溫度的影響溫度的影響 正溫范圍正溫范圍 正溫范圍總的趨勢是正溫范圍總的趨勢是隨著溫度的升高，鋼材強(qiáng)隨著溫度的升高，鋼材強(qiáng)度、彈性模量降低，變形度、彈性模量降低，變形增大。增大。250 有蘭脆現(xiàn)象有蘭脆現(xiàn)象260320 有徐變現(xiàn)象有徐變現(xiàn)象圖圖4-8 4-8 溫度對低碳鋼性能的影響溫度對低碳鋼性能的影響溫度轉(zhuǎn)變區(qū)溫度轉(zhuǎn)變區(qū)負(fù)溫范圍負(fù)溫范圍 fy與與fu都增都增高但塑性變形高但塑性變形能力減小，因能力減小，因而材料轉(zhuǎn)脆，而材料轉(zhuǎn)脆，對沖擊韌性的對沖擊韌性的影響十分突出。影響十分突出。圖圖4-9 4-9 沖擊功沖擊功C Cv v與溫度的關(guān)系與溫度的關(guān)系 在缺陷或截面在缺陷或截面變化處附近，應(yīng)力變化

15、處附近，應(yīng)力線曲折、密集、出線曲折、密集、出現(xiàn)高峰應(yīng)力的現(xiàn)象現(xiàn)高峰應(yīng)力的現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。稱為應(yīng)力集中。4.4.5 應(yīng)力集中的影響應(yīng)力集中的影響孔洞、缺口處孔洞、缺口處 的應(yīng)力集中的應(yīng)力集中圖圖4-10 4-10 孔洞、缺口處的應(yīng)力集中孔洞、缺口處的應(yīng)力集中 雙向應(yīng)力雙向應(yīng)力三向應(yīng)力三向應(yīng)力疲勞斷裂的概念疲勞斷裂的概念 疲勞斷裂是微觀裂縫在疲勞斷裂是微觀裂縫在連續(xù)重復(fù)荷載連續(xù)重復(fù)荷載作用下不斷擴(kuò)作用下不斷擴(kuò)展直至斷裂的脆性破壞。展直至斷裂的脆性破壞。裂紋的形成裂紋的形成緩慢擴(kuò)展緩慢擴(kuò)展迅速擴(kuò)展迅速擴(kuò)展4.4.6 反復(fù)荷載作用反復(fù)荷載作用 特點：截面上的應(yīng)力低于材料的抗拉強(qiáng)度，甚至低于屈特點：截

16、面上的應(yīng)力低于材料的抗拉強(qiáng)度，甚至低于屈服強(qiáng)度。破壞時塑性變形極小，是一種沒有明顯變形的突然服強(qiáng)度。破壞時塑性變形極小，是一種沒有明顯變形的突然破壞，屬于脆性破壞。破壞，屬于脆性破壞。斷口示意斷口示意4.5 建筑鋼材的種類、規(guī)格及選用建筑鋼材的種類、規(guī)格及選用鋼種：碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼鋼種：碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼鋼號：鋼號：Q+屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度+質(zhì)量等級質(zhì)量等級+脫氧程度脫氧程度 1.碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼 Q195、 Q215 A及及B，Q235 A、B、C及及D， Q255 A及及B、Q275等等質(zhì)量等級質(zhì)量等級：AD質(zhì)量等級由低質(zhì)量等級由低高，高， 區(qū)別：沖擊韌性（區(qū)別：

17、沖擊韌性（CVN）、冷彎性能。）、冷彎性能。4.5.1 建筑鋼材的種類建筑鋼材的種類 沖擊沖擊 韌性（韌性（CVN）：）：Q235A：不要求：不要求Q235B：常溫（：常溫（20 5） 27JQ235C：0 27JQ235D：-2027J 冷彎性能：冷彎性能： A級不要求；級不要求；B、C和和D級鋼均要求冷彎性能合格。級鋼均要求冷彎性能合格。 脫氧程度：脫氧程度：Z、b、F和和TZ A、B：Z、b、F C：Z D：TZ 1.碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼 說明下列鋼號代表的意義：說明下列鋼號代表的意義： Q235A Q235Ab Q235AF Q235Bb Q235BF Q235C Q235D Q295

18、、Q345、Q390、Q420、Q460等等 質(zhì)量等級：質(zhì)量等級：AE質(zhì)量等級由低質(zhì)量等級由低高，高， 區(qū)別：區(qū)別：沖擊韌性沖擊韌性（CVN）。）。A：不要求：不要求 B：常溫（：常溫（20 5C）34JC：0C 34J D：-20C 34JE：-40C 27J2.低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼脫氧程度：脫氧程度：Z和和TZ A、B：Z C、D和和E：TZ種類：鋼板、型鋼種類：鋼板、型鋼4.5.2 建筑鋼材的規(guī)格建筑鋼材的規(guī)格分：厚板分：厚板 4.560mm 薄板薄板 0.354mm。 圖紙中鋼板的表示方法：寬圖紙中鋼板的表示方法：寬厚厚長（單位為毫米）長（單位為毫米）600 12 30

19、00角鋼角鋼 分：等邊和不等邊兩種分：等邊和不等邊兩種等邊角鋼等邊角鋼以邊寬和厚度表示（單位為毫米）以邊寬和厚度表示（單位為毫米）100 10 1.熱軋鋼板熱軋鋼板2.熱軋型鋼熱軋型鋼不等邊角鋼不等邊角鋼以兩邊寬和厚度表示（單位為毫米）以兩邊寬和厚度表示（單位為毫米）100 80 10工字鋼工字鋼 分分: :熱軋普通工字鋼熱軋普通工字鋼和和熱軋輕型工字鋼熱軋輕型工字鋼熱軋普通工字鋼熱軋普通工字鋼以工字鋼外廓高度表示（單位為厘米）以工字鋼外廓高度表示（單位為厘米）熱軋輕型工字鋼熱軋輕型工字鋼以工字鋼外廓高度表示（單位為厘米）以工字鋼外廓高度表示（單位為厘米）63c32Q熱軋普通工字鋼熱軋普通工字

20、鋼熱軋輕型工字鋼熱軋輕型工字鋼不等邊角鋼不等邊角鋼槽鋼槽鋼 分分: :熱軋普通槽鋼和熱軋輕型槽鋼熱軋普通槽鋼和熱軋輕型槽鋼熱軋普通槽鋼熱軋普通槽鋼以槽鋼外廓高度表示（單位為厘米）以槽鋼外廓高度表示（單位為厘米）熱軋輕型槽鋼熱軋輕型槽鋼以槽鋼外廓高度表示（單位為厘米）以槽鋼外廓高度表示（單位為厘米）25Q熱軋普通槽鋼熱軋普通槽鋼熱軋輕型槽鋼熱軋輕型槽鋼40a鋼管鋼管 型號可用代號型號可用代號“D D”后加后加“外徑外徑壁厚壁厚”表示，單表示，單位為位為mm mm ： D100 6H H型鋼和剖分型鋼和剖分T T型鋼型鋼 熱軋熱軋H H型鋼分為三類：型鋼分為三類：寬翼緣寬翼緣H H型鋼（型鋼（HWHW）、中翼緣）、中翼緣H H型鋼型鋼（HMHM）窄翼緣）窄翼緣H H型鋼（型鋼（HNHN）。）。 H H型鋼型號的表示方法：前面是符號型鋼型號的表示方法：前面是符號HWHW、HMHM、HNHN表示表示H H型型鋼的類別，后面加鋼的類別，后面加“截面高度（毫米）截面高度（毫米） 翼緣寬度翼緣寬度腹板厚腹板厚度度翼緣厚度（毫米）翼緣厚度（毫米）”。 HW 300 300 10 15剖分剖分T T型鋼也分為三類，表示方法與型鋼也分為三類，表示方法與H H型鋼類同。型鋼類同。TN225200 914 3. 3.冷彎薄壁型鋼冷彎薄壁型鋼 是用是用26