1、PAGE PAGE 34長春工程學院教案用紙序號22 鋼結結構的材材料本章主要內內容：了了解鋼結結構對鋼鋼材的要要求；掌掌握鋼材材的破壞壞形式、鋼鋼材的主主要性能能、響鋼鋼材性能能的因素素。本 章 重重 點：（11）鋼材材的破壞壞形式；（2）鋼材材的主要要性能；（3）影響響鋼材性性能的因因素。本 章 難難 點：影響響鋼材性性能的因因素。2.1 鋼結構構對材料料的要求求對鋼材的基基本要求求：(1)較高高的抗拉拉強度fu和屈服服點fy ；(2)較高高的塑性性和韌性性；(3)良好好的工藝藝性能(包括冷冷加工、熱熱加工和和焊接性性能)。此外，根據據結構的的具體工工作條件件，有時時還要求求鋼材具具有適應

2、應低溫、高高溫和腐腐蝕性環環境的能能力。按以上要求求，鋼結結構設計計規范具具體規定定：承重重結構采采用的鋼鋼結材應應具有抗抗拉強度度、伸長長率、屈屈服強度度和硫、磷磷含量的的合格保保證，對對焊接結結構尚應應具有碳碳含量的的合格保保證。焊焊接承重重結構以以及重要要的非焊焊接承重重結構采采用的鋼鋼材還應應具有冷冷彎試驗驗的合格格保證。對對需要驗驗算疲勞勞強度的的結構用用鋼材，根根據具體體情況應應當具有有常溫或或負溫沖沖擊韌性性的合格格保證。2.2 鋼材的的破壞形形式鋼材有兩種種性質完完全不同同的破壞壞形式，即即塑性破破壞和脆脆性破壞壞。塑性破壞：斷口呈呈纖維狀狀，色澤澤發暗。脆性破壞：破壞前前沒有

3、任任何預兆兆，破壞壞是突然然發生的的，斷口口平直并并呈有光光澤的晶晶粒狀。教法提示鋼材的破壞壞形式，鋼鋼材的主主要性能能，鋼影影響鋼材材性能的的因素。提問：塑性性、脆性性破壞的的區別。長春工程學院教案用紙2.3 鋼材的的主要性性能鋼材的主要要性能是是機械性性能，可可通過某某些試驗驗（拉伸伸、冷彎彎、沖擊擊）確定定。2.3.11 強度度性能鋼材標準試試件在常常溫靜荷荷載情況況下，單單向均勻勻受拉試試驗時的的荷載-變形（F-L）曲線或應力-應變（-）曲線，如圖2.1所示。圖2.1 碳素結結構鋼的的應力-應變曲曲線高強度鋼沒沒有明顯顯的屈服服點和屈屈服臺階階。這類類鋼的屈屈服條件件是根據據試驗分分析

4、結果果而人為為規定的的，故稱稱為條件件屈服點點（或屈屈服強度度）。條條件屈服服點是以以卸荷后后試件中中殘余應應變為00.2%所對應應的應力力定義的的（有時時用f0.22表示），見見圖2.2。由由于這類類鋼材不不具有明明顯的塑塑性平臺臺，設計計中不宜宜利用它它的塑性性。圖2.2 高強度度鋼的應應力-應應變關系系塑性：在靜靜力荷載載作用下下，鋼材材吸收變變形能的的能力。延伸率率（塑性性性能） 2.3.22 冷彎彎性能冷彎性能是是檢驗鋼鋼材彎曲曲變形能能力或塑塑性性能能，還是是顯示鋼鋼材內部部缺陷狀狀況的一一項指標標；是鑒鑒定鋼材材在彎曲曲狀態下下塑性應應變能力力和鋼材材質量的的綜合指指標。教法提示

5、提問：條件件屈服點點。長春工程學院教案用紙圖2.3 鋼材冷冷彎試驗驗示意圖圖2.3.33 沖擊擊韌性沖擊韌性：在動力力荷載作作用下，材材料吸收收能量的的能力。韌性是鋼材材抵抗沖沖擊荷載載的能力力，它用用材料在在斷裂時時所吸收收的總能能量來量量度（CCv）。韌性是鋼材材強度和和塑性的的綜合指指標。圖2.4 沖擊韌韌性試驗驗鋼材性能可可用五項項機械性性能指標標衡量：、18000C冷彎、沖沖擊韌性性ak。 ak衡量量鋼材承承受動力力荷載作作用時抵抵抗脆性性破壞的的性能。2.4 各種因因素對鋼鋼材性能能的影響響2.4.11 化學學成分鋼中基本元元素：、。普通碳素鋼鋼中，占占99%，其余余元素占占1%，

6、低低合金鋼鋼中，除除了上述述元素外外，還有有一定合合金元素素（鎳、釩釩、鈦等等）（含含量5%）。各種元素對對鋼材機機械性能能的影響響如下。碳C ：含含量增加加，鋼材材強度提提高，而而塑性、韌韌性和疲疲勞強度度低。同同時焊接接性能和和抗腐蝕蝕性惡化化。一般般在碳素素結構鋼鋼中不應應超過00.222%；在在焊接結結構中還還應低于于0.22%。教法提示長春工程學學院教案案用紙硅Si：碳碳素結構構鋼中應應控制0.33%, 在在低合金金高強度度鋼中硅硅的含量量可達00.555%。錳Mn：含含Mn適適量使強強度，降低低S、OO的熱脆脆影響，改改善熱加加工性能能，對其其它性能能影響不不大，有有益。在在碳素結

7、結構鋼中中錳的含含量為00.3%0.88% ，在在 低合金金高強度度鋼中錳錳的含量量可達11.0% 1.66%。硫S：降低低鋼材的的塑性、韌韌性、可可焊性和和疲勞強強度，在在高溫時時，使鋼鋼材變脆脆，稱之之為熱脆脆。含量量應不超超過0.0455%。(有害成成分)磷P：降低低鋼材的的塑性、韌韌性、可可焊性和和疲勞強強度，在在低溫時時，使鋼鋼材變脆脆，稱之之為冷脆脆。含量量應不超超過0.0455%。可可以提高高強度和和抗銹蝕蝕性。(有害成成分)氧O：降低低鋼材的的塑性、韌韌性、可可焊性和和疲勞強強度，在在高溫時時，發生生熱脆。 (有害害成分)氮N：降低低鋼材的的塑性、韌韌性、可可焊性和和疲勞強強度

8、，在在低溫時時，發生生冷脆。 (有害害成分)釩和鈦：是是鋼中的的合金元元素，能能提高鋼鋼的強度度和抗腐腐蝕性能能，又不不顯著降降低鋼的的塑性。銅：可顯著著提高鋼鋼的抗腐腐蝕性能能，也可可以提高高鋼的強強度，但但對焊接接性能有有不利影影響。2.4.22 冶金金缺陷在冶煉、軋軋制過程程中常常常出現的的缺陷有有偏析、非非金屬夾夾雜、裂裂紋、夾夾層及氣氣孔等。圖2.5 鋼錠剖剖面 1、偏析：鋼中化化學成分分不一致致和不均均勻性，主主要的偏偏析是硫硫、磷，將將嚴重惡惡化鋼材材的性能能,使偏偏析區鋼鋼材的塑塑性、韌韌性及可可焊性變變壞。2、非金屬屬夾雜：鋼材中中存在非非金屬化化合物（硫硫化物、氧氧化物），

9、使使鋼材性性能變脆脆。教法提示長春工程學學院教案案用紙3、裂紋、分分層：在軋制制中可能能出現，影影響鋼材材的冷彎彎性能。圖2.6 鋼的軋軋制使晶晶粒細化化 (aa)鎮靜靜鋼錠,鋼液含含硫0.0322% (bb)沸騰騰鋼錠,鋼液含含硫0.04%圖2.7 鋼錠中中硫的偏偏析圖2.8 型鋼硫硫的偏析析2.4.33 鋼材材的硬化化冷作硬化當加加載超過過材料比比例極限限卸載后后，出現現殘余變變形，再再次加載載則屈服服點提高高，塑性性和韌性性降低的的現象，也也稱“應變硬硬化”。時效硬化隨時時間的增增長，碳碳和氮的的化合物物從晶體體中析出出，使材材料硬化化的現象象。應變時效鋼材材產生塑塑性變形形時，碳碳、氮

10、化化合物更更易析出出。即冷冷作硬化化的同時時可以加加速時效效硬化，因因此也稱稱“人工時時效”。 教法提示推廣時效冷冷作硬化化的特征征。長春工程學學院教案案用紙2.4.44 溫度度影響鋼材性能隨隨溫度變變動而變變化。總總的趨勢勢是：溫溫度升高高，鋼材材強度降降低，應應變增大大；反之之，溫度度降低，鋼鋼材強度度會略有有增加，塑塑性和韌韌性卻會會降低而而變脆，見見圖2.9。圖2.9 溫度對對鋼材機機械性能能的影響響溫度升高，在在200以內鋼鋼材性能能沒有很很大變化化，43305540之間強強度急劇劇下降，600時強度很低不能承擔荷載。但在250左右，鋼材的強度反而略有提高，同時塑性和韌性均下降，材料

11、有轉脆的傾向，鋼材表面氧化膜呈現藍色，稱為藍脆現象。鋼材應避免在藍脆溫度范圍內進行熱加工。當溫度在260320之間時，在應力持續不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度繼續變形，此種現象稱為徐變現象。當溫度從常常溫開始始下降，特特別是在在負溫度度范圍內內時，鋼鋼材強度度雖有些些提高，但但其塑性性和韌性性降低，材材料逐漸漸變脆，這這種性質質稱為低低溫冷脆脆。圖22.100是鋼材材沖擊韌韌性與溫溫度的關關系曲線線。由圖圖可見，隨隨著溫度度的降低低，Cvv值迅速速下降，材材料將由由塑性破破壞轉變變為脆性性破壞，同同時可見見這一轉轉變是在在一個溫溫度區間間T1T2內完成成的，此此溫度區區T1T2稱為鋼鋼材的脆

12、脆性轉變變溫度區區，在此此區間內內曲線的的反彎點點（最陡陡點）所所對應的的溫度TT0稱為脆脆性轉變變溫度。如如果把低低于T00完全脆脆性破壞壞的最高高溫度TT1作為鋼鋼材的脆脆斷設計計溫度即即可保證證鋼結構構低溫工工作的安安全。圖2.100 沖擊擊韌性與與溫度的的關系曲曲線教法提示讓學生思考考：“三脆”的的區別。長春工程學學院教案案用紙2.4.55 應力集集中構件上孔洞洞、刻槽槽、凹角角、裂紋紋以及截截面厚度度或寬度度改變等等部位，在在力作用用下，該該處出現現高峰應應力，而而其它部部位應力力較低，截截面應力力分布不不均勻現現象應力集集中。應力集中系系數 應力集中是是造成構構件脆性性破壞的的主要

13、原原因之一一。應力集中系系數越大大，變脆脆的傾向向越嚴重重。 圖2.111 孔洞洞及槽孔孔處的應應力集中中2.5 復雜應應力作用用下鋼材材的屈服服條件在單軸應力力作用下下時鋼材材屈服，構構件由彈彈性工作作狀態轉轉為塑性性工作狀狀態。在多軸應力力作用下下鋼材的的屈服條條件不能能以某一一軸向應應力超過過某屈服服點來判判別，而而是按材材料力學學的能量量強度理理論計算算折算應應力與鋼鋼材在單單軸應力力作用下下的比較較判斷。圖2.122 復雜雜應力教法提示長春工程學學院教案案用紙當用應力分分量表示示時：當用主應力力表示時時：在普通梁中中，一般般只存在在正應力力和剪應應力討論：（1）當三三個主應應力同號號

14、且數值值接近時時，即使使很大，但但鋼材很很難屈服服，發生生脆性破破壞。（2）有異異號應力力，且同同號兩個個應力差差較大，即即使，但但可能大大于，發發生塑性性破壞。純剪： 2.7 鋼材的的種類和和規格2.7.11 鋼材材的種類類(1)按 用 途：結構鋼鋼、工具具鋼、特特殊鋼(如不銹銹鋼等)。(2)按冶冶煉方法法：轉爐爐鋼、平平爐鋼。(3)按脫脫氧方法法：沸騰騰鋼、鎮鎮靜鋼、特特殊鎮靜靜鋼。(4)按成成型方法法：軋制制鋼、鍛鍛鋼、鑄鑄鋼。(5)按化化學成分分：碳素素鋼、合合金鋼。在建筑工程程中采用用的是：碳素結構鋼鋼、低合合金高強強度結構構鋼、優優質碳素素結構鋼鋼。普通碳素鋼鋼（碳素素結構鋼鋼）、

15、（低低合金結結構鋼）：牌號有四部部分組成成：代表表屈服點點的字母母；教法提示提問：選擇擇鋼材應應該從哪哪幾個方方面考慮慮，引出出選擇鋼鋼材要考考慮的因因素。長春工程學學院教案案用紙屈服點的的數值1995、2215、2235、2255、2275、3345、3390等等；質量等級級符號A、BB、C、DD四個等等級（普普通碳素素鋼） A、BB、C、DD、E五五個等級級（普通通低合金金鋼）脫氧方法法符號F代代表沸騰騰鋼、bb代表半半鎮靜鋼鋼、z代代表鎮靜靜鋼、TTz代表表特殊鎮鎮靜鋼。優質碳素結結構鋼：主要用于鋼鋼結構某某些節點點或用作作連接件件。建筑結構用用鋼板：高性能建筑筑結構鋼鋼材(GGJ鋼)，

16、牌號號由以下下組成：Q代代表屈服服強度的的字母；屈服點的的數值；代表高性性能建筑筑結構用用鋼的漢漢語拼音音字母GGJ；質量等級級符號B、CC、D、EE四個等等級對于厚度方方向性能能鋼板，在在質量等等級后面面加上厚厚度方向向性能級級別（ZZ15、ZZ25、ZZ35 ）。適用于建造造高層建建筑結構構、大跨跨度結構構及其他他重要建建筑結構構。2.7.22 鋼材材的選擇擇確定鋼材種種類及其其質量等等級。1、結構的的重要性性安全等級不不同，所所選鋼材材的質量量等級也也不應不不同，重重要的結結構構件件選用質質量好的的鋼材。2、荷載特特征荷載為靜力力或動力力荷載，應應選用各各項性能能不同的的鋼材。3、連接方

17、方法焊接應選擇擇可焊性性好的鋼鋼材。非非焊接結結構對含含碳量可可降低要要求。4、結構所所處的溫溫度和環環境處于負溫下下工作時時，選用用負溫沖沖擊合格格的鋼材材，結構構周圍有有腐蝕介介質存在在時要選選用抗銹銹性好的的鋼材。5、鋼材的的厚度教法提示長春工程學學院教案案用紙厚度大焊接接結構應應采用材材質較好好的鋼材材。2.7.33 鋼材材規格鋼結構采用用的型材材有：熱熱軋鋼板板、熱軋軋型鋼、冷冷彎薄壁壁型鋼。1、熱軋鋼鋼板 “” 寬度度厚度長度（mmm）2、熱軋型型板（1）熱軋軋角鋼等肢角鋼 LL肢寬肢厚不等肢角鋼鋼 L長肢肢寬短肢寬寬肢厚（2）熱軋軋工字鋼鋼普通工字鋼鋼 I號數數（代表表截面高高度厘米米數）輕型工字鋼鋼 QI號號數（代代表截面面高度厘厘米數）20號以上上的工字字鋼，按按腹板厚