第一章,钢结构材料

　第一章 钢结构的材料及其性能 1.1 学习思路

　图 1-1 本章学习思路 1.2 主要内容 1.2.1 钢材的力学性能 1.强度 强度指标由单向拉伸试验测得。对于低碳钢，其单向拉伸时的  -  曲线如图 1-2 所示，其中重要的指标包括：比例极限pf 、屈服点yf 、抗拉强度uf 以及弹性模量 E 。

　图 1-2

　低碳钢单向拉伸  -  曲线（未按比例画出）

　屈服点yf 作为强度计算时的限值，其原因是：（1）屈服点yf 和比例极限pf 接近，可作为弹塑性的分界点；（2）应力达到yf 时变形已较大，容易被察觉，实际达到抗拉强度uf 时才破坏，因而有较大钢材的性能强度塑性冲击韧性冷弯性能比例极限、屈服点、抗拉强度单向拉伸试验伸长率、断面收缩率结构用钢碳素结构钢低合金高强度牌号Q235BF结构钢Q345D选用原则影响因素规格、型号

　的安全储备。

　屈强比yf /uf 越小，安全储备越大。《钢结构设计规范》GB 50017-2003 规定塑性设计时强屈比应满足uf /yf ≥1.2，相当于屈强比yf /uf ≤0.83。

　规范规定钢材的弹性模量 E =206×10 3 N/mm 2 。

　2.塑性 塑性指标包括伸长率  和断面收缩率  ，分别按照下式计算：

　1 00L LL ×100%

　 （1-1）

　0 10A AA ×100%

　 （1-2）

　式中，0L 、1L 分别为试样施力前的标距与断裂后的标距；0A 、1A 分别为试样原始横截面积与断裂后断口处的横截面积。

　试件的伸长率与试件尺寸有关。取圆截面试件直径 d 的 5 倍、10 倍作为标距，其相应的伸长率分别记作5 、10 ，同一种钢材的5 要比10 的值大。钢材的  值越大说明它的塑性越好。

　伸长率反映的是标距范围内变形的平均值，相比较而言，用  作为钢材的塑性指标更真实，但由于在测量面积时较困难且误差较大，所以，通常塑性指标只用伸长率  而不用断面收缩率  。

　3.冲击韧性 冲击韧性是材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。依据《金属夏比缺口冲击试验方法》GB/T 229-1994，试验通常采用夏比 V 形缺口试样，测得的冲击韧性指标记作kvA ，单位为 J（焦耳）。

　由于钢材的冲击韧性随试验温度不同而变化，低温时冲击韧性将明显降低，因此，对冲击韧性的要求应指明试验温度。试验温度分为 20℃、0℃、－20℃和－40℃四种。

　4. 冷弯性能 钢材在常温下，经过冷加工发生塑性变形后，抵抗产生裂纹的能力称作钢材的冷弯性能。

　依据《金属材料弯曲试验方法》GB/T 232-1999 对冷弯性能进行测定。按照规定的弯曲角度和规

　定的弯曲半径将试样弯曲，若试样弯曲外表面无肉眼可见裂纹评定为合格。

　冷弯性能是一个综合形指标，不仅检验钢材的塑性，还能检查钢材的冶金缺陷。

　1.2.2 影响钢材性能的因素 1.化学成分 碳（C）是碳素结构钢中除铁（Fe）之外含量最高的元素。碳的含量高，则钢的强度也愈高，但塑性、韧性和可焊性降低。对于焊接结构，要求含碳量在 % 22 . 0 以下。

　硅（Si）和锰（Mn）为有益元素，但如果含量过高，也将使钢的塑性，韧性、耐腐蚀性和可焊性降低。

　硫（S）和磷（P）为有害元素，硫引起热脆而磷引起冷脆，故应严格限制其含量。

　2.冶金工艺 沸腾钢与镇静钢：钢液中残留氧，应加入脱氧剂以消除氧。当使用锰作为脱氧剂时，会产生气体逸出而出现“沸腾”现象，所形成的称作沸腾钢。若使用硅作为脱氧剂，钢液在平静状态下凝固，所形成的称作镇静钢。使用硅脱氧之后再以铝补充脱氧，则可得特殊镇静钢。沸腾钢比镇静钢的冶金缺陷多。

　冶金缺陷：常见的冶金缺陷有偏析、夹碴、气孔及裂纹等。偏析是指钢锭各部分的化学成分不一致；夹碴是指钢中残留的硫化物和氧化物；气孔是浇注时 FeO 与 C 作用所生成的 CO 气体不能充分逸出而形成的；裂纹是钢材中已出现的局部破坏。

　钢材的轧制：在压力作用下，钢中的小气孔、裂纹、疏松等缺陷可以焊合，金属晶粒变细，因此，轧制材比铸钢具有更高的力学性能；薄板因辊轧次数多，力学性能比厚板好；钢材分层缺陷是浇注时的夹碴在轧制后形成的，设计时应避免拉力垂直于板面。

　热处理：热处理的方式是先淬火，然后高温回火。热处理可以显著提高强度并具有良好的塑性与韧性。

　3.冷加工硬化和时效硬化 所谓“冷加工”是指在常温下加工。

　钢材在弹性范围内重复加、卸载一般不致改变钢材的性能，超过此范围则会引起钢材性能的改变。图 1-3a 中，钢材加载至 J 点后卸载至"O 点，当再次加载时，  -  曲线将沿"OJGH 发展，表现为屈服强度提高而塑性、韧性降低，这一性质称作冷加工硬化（也称冷作硬化、应变硬化）。

　（a）

　（b）

　图 1-3 冷加工硬化、时效硬化与应变时效 钢材随时间延长将使屈服强度和抗拉强度提高，塑性和韧性逐渐降低，称为时效硬化（见图 1-3b中的 b 曲线）。钢材经冷加工之后经一段时间后再加载，其  -  发展曲线将是图 1-3b 中的 c 曲线，称作应变时效。

　通常，钢结构中不但不利用硬化的方法提高屈服强度，反而对重要结构还要消除硬化带来的不利影响。

　4.应力集中 荷载作用下，在截面突然改变处（例如孔洞、槽口）将产生局部高峰应力，而其余部位应力较低且分布极不均匀，这种现象称作应力集中。

　在应力集中的高峰应力区，通常形成双向受拉或三向受拉的应力场，易导致脆性破坏。

　1.2.3 复杂应力状态下的屈服条件 根据材料力学中的“第四强度理论”（形状改变能密度理论），钢材在单向或三向应力状态下由弹性状态进入塑性状态的条件，可用钢材的折算应力red 来衡量：当red yf   时，钢材处于弹性状态,当red yf   时，钢材进入塑性状态。折算应力计算公式如下: 2 2 2 2 2 2red( ) 3( )x y z x y y z z x xy yz zx                     

　（1-3）

　双向应力作用下，式（1-3）可简化为：

　2 2 2red3x y x y xy         

　（1-4）

　对于只有x 和xy 的情况（例如，一般工字形截面梁受力时），则为：

　2 2red3     

　（1-5）

　当受纯剪时，上式进一步简化，为：

　2red3 3     

　（1-6）

　由式（1-3 可知，当钢材受三向拉应力很大但数值彼此接近时，折算应力的数值将很小，钢材很难进入塑性状态，容易产生脆性断裂。

　由式（1-6）可得发生屈服的条件为red y3 f     ，即y0.58 f   ，故取vyf =y0.58f 作为钢材的抗剪屈服强度。

　1.2.4 脆性断裂与预防措施 1.脆性断裂的概念 脆性破坏通常表现为拉断，故也称脆性断裂。脆性破坏的特征是：（1）破坏前变形很小，为突然发生；（2）破坏时应力常小于yf ；（3）断口平直，呈有光泽的晶粒状。

　2.预防措施 为防止钢材脆性断裂，可采取以下措施：

　（1）对低温地区的焊接结构要注意选用含碳量低、质量等级高的钢材。

　（2）对焊接结构要注意正确施焊，避免过大的残余应力。

　（3）钢构件制作中避免应力集中。

　（4）结构使用中避免突然受力。

　1.2.5 钢材的牌号与选用 1.钢材牌号 （1）碳素结构钢 依据《碳素结构钢》GB/T 700-2006，碳素结构钢的牌号形如“Q235AF”，符号的含义依次为：屈服强度的首字母 Q、厚度≤16mm 钢材的屈服强度数值（单位 N/mm 2 ）、质量等级符号（分为 A、B、C、D 四级，质量依次提高）、脱氧方法符号（沸腾钢、镇静钢和特殊镇静钢的代号分别为 F、Z 和TZ，其中 Z 和 TZ 可以省略）。

　钢材的质量等级中，A、B级可以为沸腾钢、镇静钢，C级为镇静钢，D级为特殊镇静钢。不同质量等级对冲击韧性的要求不同：A级无冲击功要求；B、C、D级应分别保证20℃、0℃、-20℃的冲击韧性kvA ≥27J。

　《碳素结构钢》GB/T 700-2006规定的牌号有Q195，Q215A、Q215B，Q235A、Q235B、Q235C、Q235D和Q275A、Q275B、Q275C、Q275D，其中Q235系列是GB50017－2003推荐钢材。

　以前施行的《碳素结构钢》GB/T 700-1988中，钢材牌号表示形如“Q235-B•F”，同时，还有“半镇静钢”这一类型，符号为b。

　（2）低合金高强度结构钢 依据《低合金高强度结构钢》GB/T 1591-2007，低合金高强度结构钢的牌号表示形如“Q345E”。

　低合金高强度结构钢的 A、B 级属于镇静钢，C、D、E 级属于特殊镇静钢，因此钢的牌号中不需注明脱氧方法。

　该标准根据钢材厚度（直径）≤16mm 时的屈服点不同，分为 Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690 等八种，其中 Q345、Q390 和 Q420 是 GB50017-2003 推荐采用的牌号。

　低合金高强度结构钢分为 A、B、C、D、E 五个质量等级，不同质量等级是按对冲击韧性的要求区分的。A 级无冲击功要求；对于 Q345~Q460 钢材，B、C、D、E 级要求厚度 12~150mm 钢材对应于20℃、0℃、-20℃、-40℃时的冲击韧性2KV ≥34J。

　2.钢材的规格 钢结构所用的钢材通常以热轧钢板和热轧型钢供应。

　（1）热轧钢板 热轧钢板符号为“-厚度×宽度×长度”，单位为 mm。

　（2）热轧型钢 角钢：角钢的符号为“∟边长×厚度”（等边角钢）或者“∟场边×短边×厚度” （不等边角钢），单位为 mm。

　槽钢：槽钢的符号为“［型号”，型号表示截面高度，单位为 cm。

　工字钢：工字钢的符号为“I 型号”， 由于腹板厚度不同，型号后还会有 a、b、c 符号。型号表示截面高度，单位为 cm。

　H 型钢：H 型钢翼缘内外表面平行，这时与普通工字钢的区别。符号为“H 高度×宽度×腹板厚度×翼缘厚度”，单位为 mm。

　剖分 T 型钢：由 H 型钢一剖为二而成，符号表达为“T 高度×宽度×腹板厚度×翼缘厚度”，单位为 mm。

　钢管：钢管符号为“  外径×壁厚”，单位为 mm。

　3.钢材的选用 《钢结构设计规范》GB 50017-2003 规定，承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证。

　规范还规定，对于焊接的承重结构和构件，有三种情况不应采用 Q235 沸腾钢：（1）直接承受动力荷载或振动荷载且需要验算疲劳的结构；（2）工作温度低于-20℃时的直接承受动力荷载或振动荷载但可不验算疲劳的结构以及承受静力荷载的受弯及受拉的重要承重结构；（3）工作温度等于或低于-30℃的所有承重结构。对于非焊接的情况，工作温度等于或低于-20℃的直接承受动力荷载且需要验算疲劳的结构不应采用 Q235 沸腾钢。

　对于需要验算疲劳的结构，规范规定了较严格的不同低温下冲击韧性合格保证的要求，见表 1-1。

　要求低温冲击韧性的钢材选择表

　表 1-1 结构类别 结构所处 工作温度 要求下列温度冲击韧性合格 0℃ -20℃ -40℃ 需要验算疲劳的焊接结构 0℃≥ t ＞－20℃ Q235 钢 Q345 钢 Q390 钢 Q420 钢 — t ≤－20℃ — Q235 钢 Q345 钢 Q390 钢 Q420 钢 需要验算疲劳的非焊接结构 t ≤－20℃ Q235 钢 Q345 钢 Q390 钢 Q420 钢 — 注：结构工作温度指室外最低日平均气温。

　除规范规定外，选择钢材时一般还应考虑结构的重要性、荷载特征（静力荷载、动力荷载）、结构形

　式、应力状态（拉应力或压应力）、连接方法（焊接或非焊接）、板件厚度和工作环境。

　1.3 疑问解答 1.问：在单向拉伸试验中测得的比例极限、屈服点、极限抗拉强度，有的书上分别记作p 、s 、b ，有的书上则记作pf 、yf 、uf ，应如何理解？ 答：从材料性能角度看，单向拉伸试验得到的是应力-应变曲线，由于正应力用  表示，故增加一个下角标以分别表示比例极限、屈服点、极限抗拉强度。

　从结构设计角度看，钢材是因为具有强度（strength）才能抵抗外力作用，而强度的符号通常记作f ，于是，增加下角标 p（plastic）、y（yield）、u（ultimate）以表示比例极限、屈服点、极限抗拉强度。

　2.问：Z 向钢是怎样的一种钢材？ 答：对于厚钢板，不仅要求宽度方向和长度方向有一定的力学性能，还要求厚度方向有良好的抗层状撕裂性能，这需要用厚度方向拉伸试验的断面收缩率来评定。

　在《厚度方向性能钢板》GB 5313-85 中，钢板厚度方向性能级别分为 Z15、Z25、Z35，划分依据为断面收缩率，此外，还对应有硫含量限值要求，如表 1-2 所示。

　厚度方向性能钢板的级别

　表 1-2

　级别 断面收缩率z （%）

　含硫量（%）

　三个试样平均值 单个试样值 不大于 不小于 Z15 15 10 0.01 Z25 25 15 0.007 Z35 35 25 0.005

　3.问：对于折算应力，我认为该值大些比较好，因为这样可以进入塑性，但是，应力大了又容易破坏，两者似乎矛盾，应如何理解？ 答：应力越大，构件越容易破坏，所以，应力大肯定不会是好事，折算应力也是一样。我们希望的

　是构件不破坏。但是若一定要破坏的话，我们是希望发生塑性破坏，因为这种破坏形式经历时间比较长，便于发现处理。三向拉应力都很大，但彼此数值比较接近时，折算应力很小，这时也会发生破坏，属于脆性破坏性质，这是我们不愿意看到的。

　3.问：我发现不同文献给出的钢材规格表稍有差别，个别的截面特征数值竟然不同，这是怎么回事？ 答：钢材的规格是有国家标准予以规定的。例如，普通热轧工字钢的标准为《热轧工字钢尺寸、外形、重量及允许偏差》GB 706-88，其中给出了不同型号工字钢的截面特征表格。因为标准会不定期更新，造成有的文献中引用的是旧的标准，于是，出现了不同。

　顺便说明，《热轧 H 型钢和剖分 T 型钢》GB/T 11263-2005 已经代替了《热轧 H 型钢和剖分 T 型钢》GB/T 11263-1998 和《热轧轻型 H 型钢》YB/T 4113-2003。

　1.4 知识拓展 1. 与钢材有关的新的国家标准 目前，大多数教科书对金属拉伸试验的讲述依据《金属拉伸试验方法》GB/T 228-1987），事实上，该标准已被《金属材料室温拉伸试验方法》GB/T 228-2002 所代替。因此，有必要对现行标准做一介绍。

　依据 GB/T 228-2002 标准，试样采用“比例试样”，即oL ＝o5.65 S 的试样（oL 为试样原始标距，oS 为平行长度的原始横截面积），原始标距应不小于 15mm。当oS 太小以致不能符合最小标距要求时，可采用oL ＝o11.3 S ...