鋼結構材料及性能課件

鋼結構材料及性能課件第1頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四對鋼結構用材的要求較高的強度。即抗拉強度fu和屈服點fy比較高。足夠的變形能力。即塑性和韌性性能好。良好的加工性能。即適合冷、熱加工，良好的可焊性。適應低溫、有害介質侵蝕(包括大氣銹蝕)以及重復荷載作用等的性能。容易生產，價格便宜?！朵摻Y構設計規(guī)范》(GB50017—2002)推薦的普通碳素結構鋼Q235鋼和低合金高強度結構鋼Q345、Q390及Q420是符合上述要求的。選用GB50017規(guī)范還未推薦的鋼材時，需有可靠依據。以確保鋼結構的質量。第2頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四2.1鋼材的主要性能及其鑒定圖2.1

鋼材的一次拉伸應力－應變曲線2.1.1單向拉伸時的工作性能

條件：常溫、靜載條件下一次拉伸Ⅴ頸縮階段第3頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四1.比例極限fP

這是應力-應變圖中直線段的最大應力值。嚴格地說，比fP略高處還有彈性極限，但彈性極限與fP極其接近，所以通常略去彈性極限的點，把fP看做是彈性極限。2.屈服點fy（下屈服點）

表示鋼材強度的重要指標，設計鋼材時可達到的最大應力3.抗拉極限強度fu

無實際意義，表示安全儲備的大小。

fy/fu屈強比強度指標第4頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四結論鋼材達到屈服點后將產生很大的塑性變形，不符合使用要求，結構中不允許。因此，屈服點處的應力是計算鋼結構強度時允許的最大應力fPfyfu三點接近，在計算鋼結構強度時近似將三點合一。屈服點以前的應變很小，屈服點以后的流幅相當長。因此，鋼材是一種理想的的彈性－塑性材料。即在屈服點以前是彈性的，屈服點以后是塑性的鋼材的自強階段在計算中不利用的，增加安全保障第5頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四塑性定義:應力超過屈服點fy后,能產生顯著的塑性變形,而不立即斷裂的性質塑性指標

:伸長率5和10

伸長率是斷裂前試件的永久變形與原標定長度的百分比。取圓形試件直徑d的五倍或十倍為標定長度，其相應的伸長率用5和10表示，伸長率代表材料斷裂前具有的塑性變形的能力。結構制造時，這種能力使材料經受剪切、沖壓、彎曲及錘擊所產生的局部屈服而無明顯損壞。

塑性和塑性指標第6頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四

屈服點、抗拉強度、伸長率是鋼材的三個重要力學性能指標。鋼結構中所采用的鋼材都應滿足鋼結構設計規(guī)范對這三項力學性能指標的要求。

例見p16表2.2ab第7頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四圖2.3

鋼材的冷彎試驗2.1.2冷彎性能

根據試樣厚度a，按規(guī)定的彎心直徑d將試樣彎曲180度，其表面及側無裂紋或分層則為“冷彎試驗合格”

d隨試驗的鋼材種類及厚度不同而異，如取1.5a

2a

3a

定義：鋼材經過冷加工（常溫加工）后出現(xiàn)塑性變形時，對產生裂縫的抵抗能力（無裂縫裂斷起層）第8頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四2.1.2冷彎性能

“冷彎試驗合格”：表示材料塑性變形能力符合要求表示鋼材的冶金質量(顆粒結晶及非金屬夾雜分布，甚至在一定程度上包括可焊性)符合要求因此，冷彎性能是判別鋼材塑性變形能力及冶金質量的綜合指標。重要結構中需要有良好的冷熱加工的工藝性能時，應有冷彎試驗合格保證。第9頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四2.1.3沖擊韌性

（相對于動力荷載）

吸收較多能量才斷裂的鋼材，是韌性好的鋼材。實際工作中，用沖擊韌性衡量鋼材抗脆斷的性能，實際結構中脆性斷裂總是發(fā)生在有缺口高峰應力的地方定義：鋼材在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力（亦鋼材抵抗沖擊荷載的能力）第10頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四圖2.4

鋼材的沖擊試驗韌性指標：沖擊韌性值梅氏試件u形缺口αK:單位面積上所能承受的沖擊功夏比試件Ｖ形缺口Akv：擊斷標準試件所需之功，可由試驗機度盤上直接讀?。ā蹋┑?1頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四

缺口韌性值受溫度影響，溫度低于某值時將急劇降低。材料由韌性破壞轉到脆性破壞叫該種鋼材的轉變溫度T0。在結構設計中要求避免脆性破壞第12頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四

設計處于不同環(huán)境溫度的重要結構，尤其是受動載作用的結構時，要根據相應的環(huán)境溫度對應提出沖擊韌性的保證要求。對寒冷地區(qū)直接承受較大動力荷載的鋼結構，除應具有常溫沖擊韌性的保證，還要具有負溫沖擊韌性保證例p16表2.2b第13頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四2.1.4可焊性

可焊性定義：鋼材在正常施焊條件下焊縫不產生裂紋及焊后力學性能不受影響的性質

鋼材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影響。碳含量在0.12％~0.20％范圍內的碳素鋼，可焊性最好。碳含量再高可使焊縫和熱影響區(qū)變脆(產生裂紋,斷裂)。第14頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四2.2影響鋼材性能的因素鋼：含碳量小于2％的鐵碳合金鑄鐵：碳大于2％結構用鋼：碳素結構鋼中的低碳鋼低合金結構鋼碳素結構鋼：由純鐵、碳及雜質元素組成，其中純鐵約占99％，碳及雜質元素約占1％。低合金結構鋼：除上述元素還加入合金元素，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。2.2.1化學成分的影響第15頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四碳（C）碳是碳素結構鋼中僅次于鐵的主要元素，是影響鋼材強度的主要因素

C增加強度提高塑性和韌性、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。

碳（C）

因此結構用鋼的含碳量一般不應超過0.22%，對焊接結構應低于0.2%。我國鋼結構設計規(guī)范推薦采用Q235，Q215及以下強度低，Q235以上含碳量高不適建造鋼結構第16頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四錳（Mn）

錳是一種弱脫氧劑，可提高鋼材的強度，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韌性。錳在碳素結構鋼中的含量為0.3%-0.8%，在低合金鋼中一般為1.0%-1.7%。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、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。有益元素第17頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四釩（V）、鈮（Nb）、鈦（Ti）

釩、鈮、鈦都能使鋼材晶粒細化。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。第18頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四硫（S）降低鋼材的塑性、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%，在焊接結構中不超過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，它在低溫下使鋼變脆，這種現(xiàn)象稱為冷脆。在高溫時磷也能使鋼減少塑性。但磷能提高鋼的強度和抗銹蝕能力。有害元素第19頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四氧（O）、氮（N）

氧和氮也是有害雜質，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。第20頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四2.2.2成材過程的影響

1．冶煉爐種平爐：冶煉時間長，質量好且穩(wěn)定，一次投資大氧氣頂吹轉爐：效益高，質量同平爐，成本低（√）堿性側吹轉爐：質量差

冶煉這一冶金過程形成鋼的化學成分與含量，不可避免地存在冶金缺陷，從而確定不同的鋼種、鋼號及其相應的力學性能。第21頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四2.3.2成材過程的影響

2．脫氧方式沸騰鋼：Mn弱氧化劑脫氧，脫氧不充分，鋼液沸騰鎮(zhèn)靜鋼：Si（Al脫氧為Mn90倍）脫氧充分，脫氧中液面平靜半鎮(zhèn)靜鋼：兩者之間

區(qū)別：主要機械性能指標如屈服強度、抗拉強度、伸長率相差不大；但焊接性能、沖擊韌性、冷脆、抗疲勞、化學成分的偏析明顯差別。鎮(zhèn)靜鋼性能較好，指標較高，用于重要結構。沸騰鋼用于一般結構（生產成本低）

第22頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四2.2.2成材過程的影響

3．軋制（鋼材的熱加工）將鋼錠加熱至塑性狀態(tài)（1150～1300℃），通過軋鋼機熱軋成型鋼優(yōu)點：使金屬晶粒變細，使氣泡、裂紋等焊合，改善鋼材力學性能。薄板因輥軋次數(shù)多，其強度比厚板略高鋼材的機械性能，強度按厚度劃分（表2.2）缺點：澆鑄時非金屬夾雜物在軋制后能造成鋼材分層。設計時應盡量避免拉力垂直于板面的情況，以防止層間撕裂。第23頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四2.2.2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?？剀垼喝绻摬脑诮K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。第24頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四2.3.2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?；鼗穑菏菍摬闹匦录訜嶂?50oC并保溫一段時間，然后在空氣中自然冷卻。淬火加回火也稱調質處理：淬火是把鋼材加熱至900oC以上，保溫一段時間，然后放入水或油中快速冷卻。強度很高的鋼材，包括高強度螺栓的材料都要經過調質處理。第25頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四2.2.3影響鋼材性能的其它因素

硬化影響

1.冷加工硬化(應變硬化)：在常溫下加工叫冷加工在冷拉、冷拔、冷彎、沖孔和機械剪切冷加工過程中，卸荷后重新加荷，屈服點提高，塑性和韌性降低。第26頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四2.時效硬化：加荷到應變硬化階段卸載后隔一定時間，再重新加載，鋼材的強度將繼續(xù)有所提高圖2.8鋼材的硬化原因：隨著時間的增加，碳化物和氮化物微粒，散布在晶粒的滑動面上，阻礙滑移，阻礙塑性變形發(fā)展，強度增加第27頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四結論

無論哪一種硬化，都降低鋼材的塑性和韌性性能，對鋼材不利。普通鋼結構中不利用硬化現(xiàn)象提高強度。而對特殊的和重要結構采取措施以消除硬化或減輕硬化的不利影響（鋼板因剪切而硬化的邊緣部分刨去）。

用作冷彎薄壁型鋼結構的冷彎型鋼，是由鋼板或鋼帶經冷軋成型，或壓力機模壓成型或彎板機上彎曲成型。薄壁型鋼結構設計中允許利用因局部冷加工而提高的強度。第28頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四

溫度的影響

溫度升高與降低都使鋼材性能發(fā)生變化。低溫性能更重要。常溫~200℃鋼材力學性能基本不變200℃~600℃fy↓δAkv

↑600℃時強度很低不能承擔荷載250℃附近有蘭脆現(xiàn)象:fu有局部性提高，fy也有回升現(xiàn)象，同時塑性有所降低，材料有轉脆傾向。蘭脆現(xiàn)象:脆性強，不能加工，會斷裂第29頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四

高溫對鋼材性能的影響第30頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四材料轉脆，對沖擊韌性的影響十分突出。在結構設計中要求避免完全脆性破壞，所以結構所處溫度應大于脆性轉變溫度。沖擊韌性指標一定要與溫度對應圖2.5Cv值隨溫度T的變化0℃～負溫

fy與fu都略高，δAkv↓第31頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四復雜應力狀態(tài)下鋼材的屈服條件第四強度理論（材料力學）（單向拉伸試驗）鋼材屈服，材料破壞折算應力主應力方向第32頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四結論1純剪狀態(tài)其中：fv抗剪強度設計值

f抗拉強度設計值剪切屈服點不必由試驗求取，可通過強度理論得到第33頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四2雙向應力狀態(tài)σ1σ2相差不大，但各自很大，σeq仍較小，強度提高。二向均勻受拉，塑性變形受限制，鋼材變脆，產生脆性破壞。σ1σ2不要接近，易發(fā)生塑性破壞第34頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四應力集中定義：當截面完整性遭到破壞，如有裂紋(內部的或表面的)、孔洞、刻槽、凹角時以及截面的厚度或寬度突然改變時，構件中的應力分布將變得很不均勻。在缺陷或截面變化處附近，應力線曲折、密集、出現(xiàn)高峰應力的現(xiàn)象稱為應力集中。

結果：孔邊應力高峰處將產生雙向或三向的應力。這是因為材料的某一點在x方向伸長的同時，在y方向(橫向)將要收縮，當板厚較大時還將引起z方向收縮。第35頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四

由力學知識知道，三向同號應力且各應力數(shù)值接近時，材料不易屈服。當為數(shù)值相等三向拉應力時，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，三向應力的應力狀態(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，對于厚鋼材應該要求更高的韌性。圖2.8孔洞、缺口處的應力集中第36頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四2.4鋼材的脆性斷裂（冷脆）鋼材為彈塑性材料，但在特殊條件下可轉變?yōu)榇嘈圆牧纤圆灰税唁摬膭澐譃樗苄院痛嘈圆牧?，而應該區(qū)分材料可能發(fā)生的塑性破壞與脆性破壞塑性破壞特征：1破壞前有較大塑性變形2達到抗拉強度fY脆性破壞特征：1變形很小，破壞突然發(fā)生2破壞應力小于fY3斷口平直第37頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四影響鋼材脆斷的因素鋼材的質量鋼板的厚度加荷的速度應力的性質及大小最低使用溫度連接方法應力集中程度第38頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四影響鋼材脆斷的因素斷裂力學是研究鋼材脆斷的一門新學科鋼材斷裂，源于鋼材中的一些微小裂紋，要防止斷裂，就應設法消除或減少微裂紋。特別是低溫區(qū)焊接結構防止鋼材脆斷措施見p20第39頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四2.6建筑鋼材的類別碳素結構鋼牌號（簡稱鋼號）完整表示方法：

Q235－質量等級符號·脫氧方式符號

Q是屈服強度中屈字漢語拼音，后接數(shù)字表示以N/mm2為單位屈服強度質量等級－A、B、C或D（D級優(yōu)）脫氧方式

F－沸騰鋼Z－鎮(zhèn)靜鋼

b－半沸騰鋼（少）TZ－特殊鎮(zhèn)靜鋼（橋梁用）可省1．碳素結構鋼A級鋼B級鋼有F、Z、b三種脫氧方式，C級鋼只有鎮(zhèn)靜鋼。D級鋼只有特殊鎮(zhèn)靜鋼第40頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四定義：在鋼的冶煉過程中添加少量幾種合金元素使鋼的強度明顯提高Q345、Q390和Q420是鋼結構設計規(guī)范規(guī)定采用鋼種。鋼材牌號：Q屈服點數(shù)值·質量等級（A-E)三部分（脫氧方式略：A、B級屬于鎮(zhèn)靜鋼

C、D、E級屬于特殊鎮(zhèn)靜鋼。）2．低合金高強度結構鋼第41頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四不同質量等級是按對沖擊韌性（夏比V型缺口試驗）的要求區(qū)分的。

A級無沖擊功要求；

B級要求提供20℃沖擊功AKv≥34J（縱向）;C級要求提供0℃沖擊功AKV≥34J（縱向）;D級要求提供一20℃沖擊功AKv≥34J（縱向）;E級要求提供一40℃沖擊功AKv≥27J（縱向）。不同質量等級對碳、硫、磷、鋁等含量的要求也有區(qū)別。質量等級劃分p23第42頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四2.6.2鋼材的選擇我國《鋼結構設計規(guī)范》中對鋼材材性的要求所有承重結構鋼材應具有抗拉強度、伸長率、屈服強度和硫磷含量的合格保證，對焊接結構應具有碳含量的合格保證焊接承重結構以及重要的非焊接承重結構應具有冷彎試驗的合格保證對需驗算疲勞的結構，其鋼材需具有沖擊韌性要求（表2.3）吊車起重量50T，鋼材沖擊韌性要求第43頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四2.6.2鋼材的選擇P24

選擇鋼材的目的是要做到結構安全可靠，同時用材經濟合理。為此，在選擇鋼材時應考慮下列各因素：

1.結構或構件的重要性；

2.荷載性質（靜載或動載）

3.連接方法（焊接、鉚接或螺栓連接）

4.工作條件（溫度及腐蝕介質）。

對于重要結構、直接承受動載的結構、處于低溫條件下的結構及焊接結構，應選用質量較高的鋼材。

第44頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四

Q235A鋼的保證項目中，碳含量、冷彎試驗合格和沖擊韌性值并未作為必要的保證條件，所以只宜用于不直接承受動力作用的結構中。當用于焊接結構時，其質量證明書中應注明碳含量不超過0.2%。

當選用Q235A、B級鋼時，還需要選定鋼材的脫氧方法。

連接所用鋼材，如焊條、自動或半自動焊的焊絲及螺栓的鋼材應與主體金屬的強度相適應。第45頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四2.7型鋼的規(guī)格

鋼結構構件一般宜直接選用型鋼，這樣可減少制造工作量，降低造價。型鋼有熱軋及冷成型兩種。1．熱軋鋼板

熱軋鋼板分厚板及薄板兩種，厚板的厚度為4.5-60mm(用來組成焊接構件和連接鋼板)，薄板厚度為0.35-4mm(冷彎薄壁型鋼)。在圖紙中鋼板用“-厚x寬x長（單位為毫米）”前面附加鋼板橫斷面的方法表示，如：-12x800x2100等。第46頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四圖2.14熱軋型材的截面第47頁，共51頁，2023年，2月20日，星期四