1、第2章 鋼材 導 學學什么？難點和重點？思 考 ？1 鋼材拉伸試件的應力和強度這兩個概念是否同一？2 影響鋼材強度和塑性指標的主要因素有哪些？3 伸長率是如何定義的？4 為什么鋼結構設計規范對鋼材有伸長率的要求？5 若某一批鋼材牌號為Q235時，是否鋼材的屈服點就是235MPa？ 你知道鋼材的屈服點大致分布情況如何？6 如何理解“鋼材的塑性指標比鋼材的強度指標更重要”？7 你認為屈強比高的材料（0.9左右）和屈強低（0.60.7）的材 料分別用在哪些場合是合適的？8 鋼材“怕冷”，“怕熱”的大致范圍？ 高溫和低溫下可否使用鋼結構？9 一塊平板，經過冷加工成為圓管，再用一條焊縫將其焊起來，在 焊

2、接之前鋼材經歷了什么變化？在焊接之后鋼材又經歷了什么變 化？1 鋼材的基本性能和指標2 影響鋼材性能的主要因素3 復雜應力與應力集中 4 鋼材疲勞現象5 超屈服荷載作用（反復作用）6 鋼材的塑性破壞和脆性破壞7 鋼材的品種與規格8 鋼材的選用原則1 鋼材的應力應變曲線和關鍵指標2 引起鋼材脆性破壞的可能的原因3 鋼材的疲勞計算1 鋼材的基本性能和指標 鋼材應力應變曲線彈性階段線彈性非線彈性屈服階段強化階段頸縮階段注意各階段在曲線上位置、特征、應力上限、應變上限BDOffffAECF1 鋼材的基本性能和指標強度 比例極限、比例極限、屈服強度、抗拉強度屈服強度、抗拉強度、屈強比、屈強比塑性 伸長率

3、、面縮率伸長率、面縮率韌性 靜力韌性、沖擊韌性靜力韌性、沖擊韌性冷彎性能 冷彎實驗冷彎實驗可焊性 施工可焊性、使用可焊性施工可焊性、使用可焊性耐久性 抗腐蝕能力、抗疲勞能力抗腐蝕能力、抗疲勞能力各性能特征指標、指標來源、作用BDOffffAECF比例極限、屈服強度、抗拉強度、屈強比%100%100010001AAAlll5 、10 伸長率、面縮率（缺口凈面積）（沖擊功）nkkAAa 2 影響鋼材性能的主要因素(1) 化學成分占鋼材占鋼材99%的鐵的鐵Fe除外，還有除外，還有 C、Si、Mn、 V、 S(O)、P(N) 等等(2) 生產過程冶煉、澆鑄、軋制冶煉、澆鑄、軋制(3) 時效時效使鋼材強

4、度提高，塑性、沖擊韌性降低。時效使鋼材強度提高，塑性、沖擊韌性降低。 (4) 冷作硬化在冷加工過程中引起鋼材硬化稱冷作硬化。會提高強度、降低韌在冷加工過程中引起鋼材硬化稱冷作硬化。會提高強度、降低韌性、塑性。性、塑性。 (5) 溫度高溫：高溫：2500C藍脆（抗拉強度提高而韌性下降）藍脆（抗拉強度提高而韌性下降）6000C時強度為零）時強度為零）低溫：到冷脆臨界溫度時，沖擊韌性急劇下降。低溫：到冷脆臨界溫度時，沖擊韌性急劇下降。 2 影響鋼材性能的主要因素(1) 化學成分占鋼材占鋼材99%的鐵的鐵Fe除外，還有除外，還有 C、Si、Mn、 V、 S(O)、P(N) 等等(2) 生產過程冶煉、澆

5、鑄、軋制冶煉、澆鑄、軋制(3) 時效時效使鋼材強度提高，塑性、沖擊韌性降低。時效使鋼材強度提高，塑性、沖擊韌性降低。 (4) 冷作硬化在冷加工過程中引起鋼材硬化稱冷作硬化。會提高強度、降低韌在冷加工過程中引起鋼材硬化稱冷作硬化。會提高強度、降低韌性、塑性。性、塑性。 (5) 溫度高溫：高溫：2500C藍脆。（抗拉提高而韌性下降，藍脆。（抗拉提高而韌性下降，6000C時強度為零）時強度為零）低溫：到冷脆臨界溫度時，沖擊韌性急劇下降。低溫：到冷脆臨界溫度時，沖擊韌性急劇下降。 冶煉過程控制鋼材的化學成分。冶煉過程控制鋼材的化學成分。平爐鋼平爐鋼頂吹氧氣轉爐煉鋼法頂吹氧氣轉爐煉鋼法堿性側吹轉爐煉鋼法

6、堿性側吹轉爐煉鋼法2 影響鋼材性能的主要因素(1) 化學成分占鋼材占鋼材99%的鐵的鐵Fe除外，還有除外，還有 C、Si、Mn、 V、 S(O)、P(N) 等等(2) 生產過程冶煉、澆鑄、軋制冶煉、澆鑄、軋制(3) 時效時效使鋼材強度提高，塑性、沖擊韌性降低。時效使鋼材強度提高，塑性、沖擊韌性降低。 (4) 冷作硬化在冷加工過程中引起鋼材硬化稱冷作硬化。會提高強度、降低韌在冷加工過程中引起鋼材硬化稱冷作硬化。會提高強度、降低韌性、塑性。性、塑性。 (5) 溫度高溫：高溫：2500C藍脆。（抗拉提高而韌性下降，藍脆。（抗拉提高而韌性下降，6000C時強度為零）時強度為零）低溫：到冷脆臨界溫度時，

7、沖擊韌性急劇下降。低溫：到冷脆臨界溫度時，沖擊韌性急劇下降。 澆鑄過程控制脫氧程度。澆鑄過程控制脫氧程度。沸騰鋼用錳脫氧，脫氧不徹底，成本低，以前沸騰鋼用錳脫氧，脫氧不徹底，成本低，以前土木工程常用，但現在提高要求了，許多結構限土木工程常用，但現在提高要求了，許多結構限用：疲勞、低溫下非焊接結構，焊接結構；用：疲勞、低溫下非焊接結構，焊接結構； 鎮靜鋼用硅脫氧，脫氧徹底，成本高，質量好；鎮靜鋼用硅脫氧，脫氧徹底，成本高，質量好；半鎮靜鋼介于前兩者之間；半鎮靜鋼介于前兩者之間；特殊鎮靜鋼在錳硅脫氧后再用鋁或鈦補充脫氧。特殊鎮靜鋼在錳硅脫氧后再用鋁或鈦補充脫氧。 2 影響鋼材性能的主要因素(1)

8、化學成分占鋼材占鋼材99%的鐵的鐵Fe除外，還有除外，還有 C、Si、Mn、 V、 S(O)、P(N) 等等(2) 生產過程冶煉、澆鑄、軋制冶煉、澆鑄、軋制(3) 時效時效使鋼材強度提高，塑性、沖擊韌性降低。時效使鋼材強度提高，塑性、沖擊韌性降低。 (4) 冷作硬化在冷加工過程中引起鋼材硬化稱冷作硬化。會提高強度、降低韌在冷加工過程中引起鋼材硬化稱冷作硬化。會提高強度、降低韌性、塑性。性、塑性。 (5) 溫度高溫：高溫：2500C藍脆。（抗拉提高而韌性下降，藍脆。（抗拉提高而韌性下降，6000C時強度為零）時強度為零）低溫：到冷脆臨界溫度時，沖擊韌性急劇下降。低溫：到冷脆臨界溫度時，沖擊韌性急

9、劇下降。 軋制過程：軋制可減少缺陷，使金屬軋制過程：軋制可減少缺陷，使金屬組織更為致密。組織更為致密。軋制方法：高溫加壓軋制方法：高溫加壓 厚度大于厚度大于40mm需進行需進行Z向試驗。向試驗。經軋制后不均勻冷卻會產生殘余應力。經軋制后不均勻冷卻會產生殘余應力。3 復雜應力與應力集中（1）鋼材在復雜應力作用下的性能材料由彈性狀態轉變為塑性狀態時的綜合強度指標，要用材料由彈性狀態轉變為塑性狀態時的綜合強度指標，要用單位體積內的變形能衡量。即用能量（第四）強度理論判單位體積內的變形能衡量。即用能量（第四）強度理論判定。折算應力公式為：定。折算應力公式為： 2222223xzyzxyzxzyyxZy

10、xZS在平面狀態下，與在平面狀態下，與Z有關者均為零有關者均為零 ：在一般梁中：在一般梁中： 在純剪時：在純剪時： 2223xyyxyxZS223ZSyZSf33222212ZSxyyzzx3 復雜應力與應力集中（2）應力集中1 1）定義：由于構件形狀或截面的突然變化及缺陷導致結構）定義：由于構件形狀或截面的突然變化及缺陷導致結構局部應力大大超越其平均值的現象。局部應力大大超越其平均值的現象。2 2）不利影響：促成脆性斷裂和疲勞破壞。）不利影響：促成脆性斷裂和疲勞破壞。3 3）對策：）對策：鋼材要有良好的塑性；鋼材要有良好的塑性； 園滑而漸變的過渡構造設計；園滑而漸變的過渡構造設計； 減少軋制

11、、焊接的缺陷。減少軋制、焊接的缺陷。 4 鋼材疲勞現象鋼材的高周疲勞破壞機理 外部條件：連續反復荷載作用； 內部變化過程：材料內部裂紋緩慢擴展，最后迅速擴張、斷裂； 破壞特征：應力低于屈服點，無明顯變形，斷口平直，突然斷裂，屬脆性破壞。4 鋼材疲勞現象應力循環形式應力比應力幅應力比反復荷載作用下，鋼材某點應力循環幅值中絕對值最小應力與絕對值最大應力之比(拉為正、壓為負)稱為應力比。應力幅反復荷載作用下，鋼材某點最大拉應力與另一個幅值（拉為正壓為負）之差為應力幅。4 鋼材疲勞現象4 鋼材疲勞現象1NC4 鋼材疲勞現象iin應力幅 的作用次數 第 種應力幅 ii1iiNn應力幅 為常量時疲勞破壞的

12、循環次數 iNie等效應力1iiienn4 鋼材疲勞現象4 鋼材疲勞現象5 超屈服荷載作用（反復作用）（1）定義： 結構在較少次數的高強度（部分材料已進入屈服狀態）反復荷載作用下因損傷累積而造成斷裂稱超屈服荷載累積損傷斷裂或低周疲勞斷裂（次數少于104）。 （2）原因： 外部原因：高強度較少次數的反復荷載作用； 內部原因：應力集中，材料的脆性，損傷的不可逆轉性。 （3）防止對策： 對鋼材和焊縫作無損探傷，防止內部缺陷； 合理設計構造細部，避免三向拉應力； 減小應力集中； 低溫工作條件下用低溫沖擊韌性較好的材料； 防止施工附加件形成“人工裂縫”。 6 鋼材的塑性破壞和脆性破壞 引起脆性破壞的原因

13、ufyf對比內容塑性破壞脆性破壞破壞應力破壞前變形明顯不明顯斷口外形杯形平直斷口色澤暗淡有光澤斷口細部纖維狀晶粒狀破壞過程延續較長時間突然破壞機理剪應力超過晶粒抗剪能力拉應力超過晶粒抗拉能力危害性便于發現和補救，較輕大對策合理設計結構強度考慮疲勞和沖擊作用，合理選擇材料種類、構造形式、施工工藝7 鋼材的品種與規格（1）品種（牌號）的表示 Q Q屈服強度 屈服強度數值，單位： 質量等級，分A、B、C、D、E五級，越后質量越好 脫氧方法，括號內代號表示： F沸騰鋼； b半鎮靜鋼； （Z）鎮靜鋼；（ ）表示可以不寫； （TZ）特殊鎮靜鋼（D級以上只能是TZ級）如：Q235D 7 鋼材的品種與規格（2

14、）常用品種 普通碳素鋼 Q235AF,b,(z) (舊稱舊稱3號鋼號鋼) Q235BF,b,(z) 常溫下常溫下Ak要求要求 Q235C (z) 零度零度Ak要求要求 Q235D (TZ) -20度度Ak要求要求 低合金鋼 Q345A, B, C, D, E：Ak 34J（E為為27J） Q390A, B, C, D, E Q420A, B, C, D, E 7 鋼材的品種與規格（3）鋼材質量保證規定力學性能力學性能 ： 屈服強度、抗拉強度、伸長率；屈服強度、抗拉強度、伸長率； 焊接承重結構和重要非焊接承重結構有冷彎試焊接承重結構和重要非焊接承重結構有冷彎試驗的要求；驗的要求； 有疲勞、低溫工

15、作的鋼結構需有沖擊韌性要求。有疲勞、低溫工作的鋼結構需有沖擊韌性要求。化學成分：化學成分： 低碳鋼：碳、錳、硅、硫、磷；低碳鋼：碳、錳、硅、硫、磷； 低合金鋼：碳、錳、硅、硫、磷、釩、鈮、鈦低合金鋼：碳、錳、硅、硫、磷、釩、鈮、鈦等。等。7 鋼材的品種與規格（4）規格 鋼板 ： 圓鋼： 等邊角鋼： 不等邊角鋼： 槽鋼： 工字鋼： 鋼管： H型鋼： 焊接工字鋼: 8 鋼材的選用原則 結構類型及重要性結構類型及重要性 荷載性質：靜力、動力荷載性質：靜力、動力 連接方法：焊接、非焊接連接方法：焊接、非焊接 工作溫度：常溫、低溫工作溫度：常溫、低溫 應力條件：拉、壓應力條件：拉、壓 思考？鋼結構有哪些

16、優點？為什么？ 鋼材性能有哪些？其中哪些為力學性能？選用鋼材時有哪些性能要求？可能引起鋼結構脆性破壞的因素？ 化學成分冶金缺陷（偏析、非金屬夾雜）溫度（熱脆、低溫冷脆）冷作硬化時效硬化應力集中同號三向主應力狀態7 鋼材的品種與規格（4）規格 鋼板 ： 圓鋼： 等邊角鋼： 不等邊角鋼： 槽鋼： 工字鋼： 鋼管： H型鋼： 焊接工字鋼:7 鋼材的品種與規格（4）規格 鋼板 ： 圓鋼： 等邊角鋼： 不等邊角鋼： 槽鋼： 工字鋼： 鋼管： H型鋼： 焊接工字鋼:7 鋼材的品種與規格（4）規格 鋼板 ： 圓鋼： 等邊角鋼： 不等邊角鋼： 槽鋼： 工字鋼： 鋼管： H型鋼： 焊接工字鋼:7 鋼材的品種與規格（4）規格 鋼板 ： 圓鋼： 等邊角鋼： 不等邊角鋼： 槽鋼： 工字鋼： 鋼管： H型鋼： 焊接工字鋼:7 鋼材的品種與規格（4）規格 鋼板 ： 圓鋼： 等邊角鋼： 不等邊角鋼： 槽鋼： 工字鋼： 鋼管： H型鋼： 焊接工字鋼:7 鋼材的品種與規格（4）規格 鋼板 ： 圓鋼： 等邊角鋼： 不等邊角鋼： 槽鋼： 工字鋼： 鋼管： H型鋼： 焊接工字鋼:7 鋼材的品種與規格（4）規格 鋼板 ： 圓鋼： 等邊角鋼： 不等邊角鋼： 槽鋼： 工字鋼： 鋼管： H型鋼： 焊接工字鋼:7 鋼材的品種與規格（4）規格 鋼板 ： 圓鋼： 等邊角鋼： 不等邊角鋼： 槽鋼： 工