1，钢材均匀受拉的工作特性 (1)弹性阶段——OAE 段 OA 段为线弹性工作阶段，fp 为比例极限；AE 段为非线弹性工作阶段，fe 为弹性极限。 (2)弹塑性阶段--EC 段 σ 与 ε 不呈比例，除弹性变形外还有靼性变形，fy 为屈服强度，又叫屈服点、流限。 (3)屈服阶段——CF 段 钢材(试件)完全屈服，σ 不增加(保持 fy)而 ε 骤增。 (4)强化阶段——FB 段 钢材内部组织滑动后，重新排列和建立了新的平衡，弹性未完全恢复故塑性特性明显。 (5)颈缩阶段——BD 段 应力超过 fu 后，试件出现“颈缩”而断裂，人为抗拉强度，又叫极限强度、抗拉极限。 2．重要的工作特性： (1)强度指标 fp、fe、fy 很接近，且在屈服前应变很小，对 Q235εp≈0.1％(εy≈0.15％)， 可以把三点看作为一点，并以屈服点 fy 作为代表。 (2)应力小于 fy 时，钢材处于弹性阶段工作，而当应力达到人后，钢材因屈服而产生很 大变形，在构件设计中一般将人作为确定钢材设计强度的依据。 (3)应力大于 fy 但小于 fu，材料尚未最后破坏，当应力大于 fu 则造成破坏。比值 fu／fy 可以看作是衡量钢材强度储备的一个系数。 (4)钢材在屈服点前的性质接近理想的弹性体，而屈服点后的流幅现象又接近理想的塑 性体，并且流幅的范围又是足够大(对 Q235ε=0.15％～2.5％)，故可认为钢材是最理想的弹 性—塑性体。 注：(1)以上工作特性是由单向均匀受拉静力试验结果得出。对于受力情况复杂的实际 构件仅供参考。 (2)强度指标是重要依据之一，但单凭这一指标不足以完全判定结构是否安全可靠。
第十五章 钢 结 构 第一节 钢结构的材料 一、钢的种类 钢结构所用的钢材主要为碳素钢和低合金钢二类。钢结构所用钢种如下： 碳素钢：普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、锅炉用碳素钢 低合金钢：低合金高强度结构钢、焊接结构用耐候钢、高耐候性结构钢、桥梁用结构钢、 锅炉用低合金钢 二、钢材的力学性能 (一)强度
可焊性：在一定材料，工艺和结构条件下，钢材经过焊接后能够获得良好的焊接接头 的性能。 可焊性又分为施工上的可焊性和使用性能上的可焊性。施工上的可焊性，指(焊接接头 的)焊缝金属产生裂纹的敏感性，以及由于焊接加热的影响，近缝区钢材的硬化和产生裂纹 的敏感性，可焊性好就不产生裂纹。使用性能上的可焊性，指焊接接头和焊缝的缺口冲击韧 性和热影响区的延伸性(塑性)，要求焊接结构在施焊后的力学性能不低于母材的力学性能。 (七)耐久性 耐腐蚀性：通过油漆等表面防护措施提高钢材的耐腐蚀能力。 耐老化性：随着时间的增长，钢材出现所谓“时效”现象，即“老化”现象。 耐长期高温性：在长期高温条件下工作的钢材，其破坏强度比静力拉伸试验的强度低 得多，应另行测定“持久强度” 。 耐疲劳性：钢结构或构件在长期连续的交变荷载或重复荷载作用下，虽应力低于人也 往往会发生破坏，叫“疲劳破坏” 。 ××××××××××××××××××××××××××× 三、影响钢材力学性能的因素 钢材的两种破坏形式： (1)塑性破坏——构件的应力超过屈服点 fy，并达到 fu 后，构件产生很大的变形和明显 的“颈缩”现象。破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。 特点：破坏前有明显的预兆，破坏常可以预防和避免；破坏前有很大塑性变形，导致 内力重分布，对构件有利。 (2)脆性破坏——破坏前构件变形很小，平均应力亦小(一般都小于屈服点 fy)。破坏前没 有任何预兆，破坏是突然发生的，断口平直和呈有光泽的晶粒状。 特点：在构件的缺口、裂缝处应力集中而引起破坏，后果严重，损失较大，应努力防 止脆性破坏。 影响钢材力学性能的主要因素有钢材的化学成分，钢材的冶金和轧制过程，时效、冷 作硬化，工作温度，复杂应力，加荷速度，焊接影响和制作技术，应力集中和疲劳现象等。 (一)化学成分的影响 钢材的化学成分直接影响钢的组织构造，从而影响钢材的力学性能。 结构用钢的基本元素是铁(Fe)，约占 99％。此外还有其他元素。 有益的元素有： 碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)等，还有合金元素，如镍 Ni、铬 Cr、铜 Cu、钒 v、钼 Mo、铝 Al、钛 Ti 等，其总量不超过 1.5％。 有害元素有： 硫(S)、磷(P)、氧(O)、氮(N)等，它在冶炼中不易除尽，其总量不超过 0.95％0。 1．碳(C) 碳是除铁以外最主要的元素，它直接影响钢材的强度、塑性、韧性和可焊性等。碳的 含量提高， 钢材的屈服强度和抗拉极限强度提高， 但塑性和韧性、 特别是低温冲击韧性下降。 钢材的可焊性、疲劳强度和冷弯性能也会下降。因此结构用钢的含碳量不宜太高，一般不超 过 0.22％，在焊接结构中则低于 0.2％。 2．锰(Mn)：弱脱氧剂，锰与铁、碳的化合物能溶解于纯铁体、渗碳体中，起强化作用。 一般含量 0.3％--0.8％，含量过高(达 1.6％以上)会使钢材变脆。 3．硅(Si：一般作脱氧剂加入，含量 0.10％--0.30％，能使纯铁体结晶均匀，晶粒细致， 它能使强度提高而塑性、韧性等不降低。含量过高(达≥1.0％时)则会使钢材变脆。 4．硫(S)：有害元素，使钢材“热脆” 。
随着时间的增长钢材变脆的现象，称为时效。时效的后果是钢材的强度(屈服点和抗拉 强度)提高，但塑性(伸长率)降低，特别是冲击韧性大大降低。在交变荷载、重复荷载和温度 变化等情况下，容易引起时效。 (四)冷作硬化的影响 钢结构的冷加工包括剪、冲、辊、压、折、钻、刨、铲、撑、敲等，使钢材内部发生 冷作硬化现象。后果是强度提高，但是降低了塑性和冲击韧性，增加了出现脆性破坏的危险 性。 (五)温度的影响 当温度从常温下降时，钢材的强度略有提高而塑性和韧性降低(变脆)，特别是当温度下 降到某一数值时，钢材的冲击韧性急剧下降，这种现象称为低温冷脆现象。这个转变温度叫 冷脆转变温度(或叫冷脆临界温度)。钢材在整个使用过程中，可能出现的最低工作温度，应 高于钢材的冷脆转变温度。 (六)应力集中的影响 在钢结构构件中不可避免地存在着孔洞，槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化、 内部缺陷等，此时钢材中的应力不再保持均匀分布，而是在某些区域产生局部高峰应力，在 另一些区域则应力降低，形成所谓应力集中现象。 靠近高峰应力的区域总是存在着同号平面或立体应力场，因而促使该区域钢材转变为 脆性状态，而另一些区域可能提早出现塑性变形。 (七)钢材疲劳的影响 在动力荷载、连续反复荷载或循环荷载作用下的构件及其连接，当应力变化的循环次 数 n 等于或大于 5x104 次时，虽然应力还低于极限强度(抗拉强度)，甚至还低于屈服强度， 也会发生破坏， 这种现象称为钢材的疲劳现象或疲劳破坏。 在疲劳破坏之前并不出现明显的 变形和局部收缩，它和脆性破坏一样，是一种突然发生的断裂。 钢材的晶种、 四、钢材的晶种、牌号和选用 (一)钢材的品种和牌号 钢材的品种繁多，性能各异，在钢结构中采用的钢材主要有二个种类，一是碳素结构 钢(或称普通碳素钢)，二是低合金钢。 1．碳素结构钢 我国碳素结构钢有五种牌号， Q235 是钢结构常用的钢材品种。 其中 Q 是屈服点的意思， 2 235 代表钢材屈服强度(单位为 N／mm )。 Q235 按质量等级、脱氧方法不同，分别表示如下： AB(F, b, Z). C(Z). D(TZ) ABCD 表示质量等级 Q235 质量等级分为 A、B、C、D 四级，由 A 到 D 表示质量由低到高。不同质量等级 要求如下： A——提供 S、P、C、Mn、Si 化学成分和 fu、fy、δ5(δ10)，根据买方需要可提供 1800 冷弯试验，但无冲击功规定，含炭量和含锰量不作为交货条件。 B--提供 S、P、C、Mn、Si 化学成分和 fu、fy、δ5(δ10),冷弯 180试验。还提供200C 时冲击功 Ak≥27J C--除与 B 级要求一样外，还提供 00C 时冲击功 Ak≥27J。 D----除与 B 级要求一样外，还提供-200C 时冲击功 Ak≥27J 根据脱氧方法不同，钢材分为沸腾钢(F)、半镇静钢(b)、镇静钢(z)和特殊镇静钢(TZ)， 对 Q235 来说，A、B 两级钢的脱氧方法可以是 Z、F、b，C 级钢只能是 Z，D 级钢只能是 TZ，表示牌号时 Z 和 TZ 可以省略。
硫与铁化合为硫化铁(FeS)，散布在纯铁体晶粒间层中，含硫量大时，钢材的塑性、 韧性、疲劳强度等降低，高温时(800—12000C)如焊、铆、热加工等，硫化铁即熔化(熔 点为 9850C)，造成晶界开裂，称为“热脆” ，一般结构控制≤0.055％；焊接结构≤0.050％。 5．磷(P)：有害元素，使钢材“冷脆” 。 磷与纯铁体结成不稳定的固溶体，有增大纯铁体晶粒的害处。磷可使钢的强度提高， 但大大降低塑性和韧性，使钢在低温时变得很脆，即“冷脆” ，一般含量≤0.050％，焊接结 构≤0.045％。 6．氧(O)：残留杂质，作用与硫 s 相似， “热脆” 。 7．氮(N)：残留杂质，作用与磷 P 相似， “冷脆” 。 硫、磷含量严重影响钢材质量： 普通碳素钢：硫 S≤0．055％；磷 P≤0．045％。 优质碳素钢：硫 S≤0．040％一 0．030％；磷 P≤0．040％一 0．035％。 高级优质碳素钢：硫 S≤0．030％一 0．020％； 磷 P≤0．035％一 0．030％。 为了改善钢材的力学性能，可以掺入一定数量的合金元素，这种钢称为合金钢。钢材 中掺入的合金元素含量较少，称为低合金钢，它可提高钢材强度，对其他性能均无不利影 响。 (二)钢材生产过程的影响 结构用钢需经过冶炼、浇铸、轧制和矫正等工序才能成材，分述如下： 1．冶炼 目前冶炼方法根据炼钢炉种不同有三种冶炼方法： 氧气顶吹转炉——质量好，成本低，投资少、生产效率高、建厂快 平炉——质量好、成本高、建厂投资大，目前逐渐被氧气顶吹转炉代替 电炉——质量好、成本最高、冶炼低合金钢 冶炼方法中还有侧吹空气转炉和底吹空气转炉。因冶炼质量差，国内已不使用。 2．浇注 钢液出炉后，将铸成钢锭，它是一种脱氧工艺。钢液放在钢罐中使用的脱氧剂种类有： 锰、硅、铝(钛)。脱氧能力为 1：5：90。 根据加入脱氧剂的不同，形成如下四种类型的钢： 沸腾钢：仅用锰脱氧、脱氧不充分、氧、氮和一氧化碳等气体从钢中逸出，呈沸腾现 象。冷却快，有害气体来不及逸出，钢的构造不均匀，晶粒粗细不匀、质地差、偏析度大。 生产率高、成本低。 镇静钢：除用锰外，再加入硅、铝等补充脱氧。脱氧完全、冷却较慢，各种有害物质 易于逸出、品质较纯，构造均匀，晶粒组织紧密坚实。偏析度小。切头损耗大(约 20％)，收 得率低，成本高。 半镇静钢：介于二者之间，用以代替沸腾钢，国内甚少。 特殊镇静钢：用 TZ 表示，它是在采用锰和硅脱氧之后，再用铝或钛进行补充脱氧，钢 材质量比镇静钢还好。 四种类型钢材的质量，由低到高依次为： 沸腾钢(F)，半镇静钢(b)，镇静钢(z)，特殊镇静钢(TZ)。 3．轧制 轧制是将钢锭热轧成钢板或型钢，它可改善钢材的内部组织，改善钢材的力学性能。 一般来讲，钢材愈薄强度愈高。 (三)时效的影响
(二) 塑性 塑性：一般指钢材受力屈服后，能产生显著的残余变形(塑性变形)而不立即断裂的性 质。 塑性指标：衡量钢材塑性好坏的主要指标是伸长率 δ 和断面收缩率 δ=(l1-l0)/ l0 *100% =(A0-A1)/ A0 *100% 式中 lo——试件拉伸前标距长度； 11--试件拉断后原标距间长度； Ao--试件截面面积； Al--拉断后颈缩区的截面面积。 δ 是标距 l0 范围内的平均值(包括颈缩区和非颈缩区)， 不完全代表颈缩区的钢材的最大 塑性变形能力，但容易测量。 是衡量钢材塑性的一个比较真实和稳定的指标，表示复杂应力的颈缩区的最大塑性 变形量，但测量误差大。 注：(1)由于实际结构承受的复杂应力、冲击或振动应力、局部应力高峰等，要求钢材 具有良好的塑性才能进行“塑性内力重分配”和避免脆性断裂。 (2)钢材塑性好坏对于承受活动荷载特别是动力荷载的结构是决定结构是否安全的主 要因素之一。在这种意义下可以说钢材塑性指标比强度指标更为重要。 (三)韧性 韧性：钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。 韧性指标：冲击韧性 2 ak=AK/A N.m／cm 式中: Ax——试验机的冲击功 N.m； 2 A——缺口处净截面面积 cm 。 注： (1)韧性是反映强度与塑性的综合表现的指标。 (2)韧性的显著特点在于它表示钢材抵抗冲击荷载的能力。 (3)为了使韧性指标更有实用价值，除了以冲击试验代替静力试验外，试件做成有缺口 的(应力集中严重)。 (4)目前国际上有三类缺口型式：V 形、钥孔形和 U 形。我国国家标准规定 v 形。 (5)钢材的韧性与温度有关。 (6)钢材的韧性与轧制方向有关。 (四)冷弯性能 冷弯性能：钢材在冷加工产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。 冷弯性能指标： 冷弯试验通过冷弯冲头加压(d=1a:2a)当试件弯曲至某一规定角度。 时(一 0 般 a=180 )，检查弯曲部分的外面、里面、侧面，如无裂纹、裂断、分层等即合格。 冷弯试验一方面是检验钢材能否适应构件制作中的冷加工工艺过程，另一方面通过试 验还能暴露出钢材的内部缺陷(颗粒组织、结晶情况和非金属夹杂物分布等缺陷)，鉴定钢材 的塑性和可焊性。 (五)沿板厚方向性能 在焊接承重结构中，对沿厚度方向受拉的接头，必须防止钢材的层状撕裂。对于板厚 大于 40mm 的钢板需进行沿板厚方向性能试验。 试件应取沿板厚方向，检查断面收缩率 是否满足正方向性能等级要求，其含硫量比 一般结构用钢的含硫量严格，要求不大于 0.1％。 (六)可焊性