第二章 钢结构材料第一节 钢材在单向均匀受拉时的工作性能
1、弹性阶段 （ OA段）
OA段符合虎克定律,ζ= Eε
2、屈服阶段 （ AC段）
3、强化阶段 （ CD段）
4、颈缩阶段 （ DE段）
讨论：
1),因 fp与 fy的值很接近，实际工程中常以为 fy钢材单向均匀受拉时弹、塑性的分界。
ζ? fy时 弹性阶段； ζ＞ fy时 塑性阶段
2),fy为钢材屈服点，设计中把它看作构件应力可达到的限值。 fu为抗拉强度，
设计中视为钢材抗破断能力的限值，也是钢材机械性能的一项重要指标。
fy/fu称为 屈强比,表明设计强度的储备能力。 fy/fu越大，强度储备越小。 fy/fu越小，强度储备越大。强度储备越大，越安全，
但 fy/fu太小时，强度利用率低，不经济。
第二节 钢结构对材料性能的要求
1、强度,fy,fu是两项重要的强度指标。
钢结构设计强度一般均依据 fy确定。
2、塑性,当钢材应力超过屈服点后，能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即破坏的性质。
主要指标：
伸长率 δ,δ ＝ x100﹪
断面收缩率 ψ,ψ ＝ x100 ﹪
10
0
ll
l
1o
o
AA
A
3、韧性,钢材抵抗冲击荷载的能力。
它与塑性有关但又不完全相同，是强度与塑性的综合表现 。
韧性指标：
4、可焊性：
施工上的可焊性,指焊缝金属产生裂纹的敏感性。 使用性能上的可焊性,要求焊缝处的机械性能不低于母材的机械性能。
n
k
k A
W
5、冷弯性能钢材的冷弯性能是衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时对产生裂纹的抵抗能力的一项指标。
冷弯试验是鉴定钢材质量的一种好方法，常作为静力拉伸试验和冲击试验的补充试验。
综上所述,fy,fu,δ 被认为是承重钢结构对钢材要求所必需的 三项基本 机械性能指标。
机械性能的六项指标：屈服点 fy，抗拉强度 fu，
伸长率 δ,180° 冷弯，常温及负温冲击韧性。
第三节 影响钢材力学性能的因素
1、化学成分的影响；
2、冶金和轧制过程的影响；
3、时效的影响；
4、冷作硬化的影响；
5、温度的影响；
6、应力集中和残余应力的影响；
7、复杂应力状态的影响。
1、化学成分的影响；
有益元素,Mn,Si,V,Cu…
有害元素,S,P,O,N…
2、冶金和轧制过程的影响：
1)、冶炼方法分类：平炉炼钢法顶吹氧气转炉侧吹（空气）转炉炼钢
2)、脱氧方法,沸腾钢（ F）
镇静钢（ Z）
半镇静钢（ b）
3)、钢材的轧制：
在 1200～ 1300 ℃ 高温下，经轧制细化了钢的晶粒，焊合了小气泡、裂纹等缺陷，使金属组织更致密。
轧制钢材强度、塑性、韧性均较好，且薄板比厚板力学性能更好 。
3、时效影响：
时效硬化指钢材仅随时间的增长而转脆。
4、冷作硬化的影响：
钢结构冷加工过程引起的硬化称为冷作硬化。
如剪、冲、折、钻 … 导致强度提高，塑性韧性降低。
5、温度的影响：
1).升温情况：
200～ 250℃ 时,fu提高但塑性、韧性有所降低，此时的破坏称,蓝脆,现象。
250～ 350 ℃ 时,fy,fu,E显著降低,δ 增大，易产生
,徐变,现象。
400～ 600 ℃ 时,fy,fu,E急剧下降,600 ℃ 时承载力几乎完全丧失。
2).降温情况：
设计时要防止脆性破坏，
因而选材时应使其转变温度下限 T1低于结构工作环境温度。
如,Q235钢，计算温度 ≥ － 15 ℃ 。
6、应力集中和残余应力的影响；
7、复杂应力状态的影响：
在复杂受力情况下，按材力能量强度理论推导可用折算应力 ζ zs来判断其工作状态：三向应力：
ζ zs＝
当 ζ zs< fy时，弹性状态。
当 ζ zs≥ fy时，塑性状态。
双向应力：ζ
zs＝
一般梁中，只有 和,
则 ζ zs＝
纯剪时,ζ ＝ 0，则 ζ zs＝
取 ζ zs＝ ＝ fy,则 ＝ 0.58 fy
表示剪应力达到 0.58fy时，
钢材将进入塑性状态
2 2 2 2 2 2( ) 3 ( )x y z x y y z z x x y y z zx
2 2 23x y x y x y
x
223x
3?
3
第四节 钢材的选用一、钢的种类和代号结构用钢,普通碳素钢（低碳 C≤ 0.25 ﹪ )
合金钢（低合金，合金元素 <5 ﹪ )
1、碳素结构钢主要五种,Q195,Q215,Q235,Q255,Q275
钢号表示方法举例：
Q235－ A ·F Q235－ B ·b Q235－ C Q235－ D
Q — 屈服点,235 — 表示 fy=235 N / mm2
A — 无冲击要求 B — 20 ℃ 冲击功 ＝ 27J
C — 0 ℃ 冲击功 ＝ 27J D— -20 ℃ 冲击功 ＝ 27J
F — 沸腾,b — 半镇静
2、低合金钢：
16Mn — 含碳量 0.16%,合金元素为 Mn
15MnV — 含碳量 0.15%,合金元素为 Mn,V
3、专用结构钢：
16Mnq 15MnVq
二、选用钢材的原则：
结构重要性
荷载特性
连接方法
工作温度第五节 钢材的规格
1、钢板：
厚钢板：厚 4.5～ 60mm,宽 600～ 3000mm
薄钢板：厚 0.35～ 4mm,宽 500～ 1500mm
扁钢,厚 3～ 60mm,宽 100～ 200mm
2、型钢：
角钢,等边 L100 × 8
不等边 L140 × 90 × 8
工字钢,Ⅰ 20a,Ⅰ 20b
槽钢,[ 30a [ 25b
钢管,Φ102 × 5＝ Φ外径 × 壁厚第六节 钢材的疲劳和疲劳强度
1、一般概念
1)、疲劳破坏的特点：
a) 呈现脆性破坏特征
b) 破坏时，截面的应力低于钢材的抗拉强度，甚至低于
fy,破坏断口整齐。
2)、疲劳破坏：钢材在循环应力多次反复作用下裂纹生成，
扩展以致断裂的破坏现象。
3)、疲劳强度：构件在反复荷载作用下，经过一定次数的循环后出现疲劳破坏时的最大应力。
2、影响疲劳强度的因素
1),与应力循环的特征有关应力比或应力幅
2)、与荷载作用性质有关以拉为主时，疲劳强度较低以压为主时，疲劳强度较高
m in
m a x
m a x m i n
Δ
3)、与循环次数有关当 n >2× 106 次时,ζ 已趋于稳定，
称为疲劳强度的极限。
4)、应力集中和残余应力凡出现应力集中的地方，都会加速疲劳的破坏。
f
e?
p
第七节 结构疲劳计算
1、常幅疲劳对应焊接部位对应非焊接部位
c,— 系数，见表 8－ 2 ( p310 )
[]
m a x m i n
m a x m i n0,7
[ ] ( )cn
1?
Δ
Δ
[Δ
Δ Δ
2、变幅疲劳：
若能预测结构在使用寿命期间各种荷载应力幅水平以及循环次数分布所构成的设计应力谱。
即：已知,…
及相应循环次数 n1,n2… nn
则按积累损伤原理把变幅疲劳折合成等效疲劳问题。
e
/1
i
i
e
n
n
1 2 n
3、吊车梁的疲劳验算 （没有设计应力谱的变幅疲劳）
安按等效常幅疲劳计算即 2× 106
4、疲劳计算应注意的问题：
1) 当应力变化的循环次数 ≥ 次时才进行疲劳计算。
2) 由于疲劳计算采用的是容许应力幅法，计算时应取活载的标准值按弹性状态计算,吊车荷载不计动力系数。
3) 在应力循环中不出现拉应力的部位可不作疲劳计算。
4) 钢材的静力强度对大多数焊接连接类别的疲劳强度无显著影响。
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4105?
1、弹性阶段 （ OA段）
OA段符合虎克定律,ζ= Eε
2、屈服阶段 （ AC段）
3、强化阶段 （ CD段）
4、颈缩阶段 （ DE段）
讨论：
1),因 fp与 fy的值很接近，实际工程中常以为 fy钢材单向均匀受拉时弹、塑性的分界。
ζ? fy时 弹性阶段； ζ＞ fy时 塑性阶段
2),fy为钢材屈服点，设计中把它看作构件应力可达到的限值。 fu为抗拉强度，
设计中视为钢材抗破断能力的限值，也是钢材机械性能的一项重要指标。
fy/fu称为 屈强比,表明设计强度的储备能力。 fy/fu越大，强度储备越小。 fy/fu越小，强度储备越大。强度储备越大，越安全，
但 fy/fu太小时，强度利用率低，不经济。
第二节 钢结构对材料性能的要求
1、强度,fy,fu是两项重要的强度指标。
钢结构设计强度一般均依据 fy确定。
2、塑性,当钢材应力超过屈服点后，能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即破坏的性质。
主要指标：
伸长率 δ,δ ＝ x100﹪
断面收缩率 ψ,ψ ＝ x100 ﹪
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3、韧性,钢材抵抗冲击荷载的能力。
它与塑性有关但又不完全相同，是强度与塑性的综合表现 。
韧性指标：
4、可焊性：
施工上的可焊性,指焊缝金属产生裂纹的敏感性。 使用性能上的可焊性,要求焊缝处的机械性能不低于母材的机械性能。
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5、冷弯性能钢材的冷弯性能是衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时对产生裂纹的抵抗能力的一项指标。
冷弯试验是鉴定钢材质量的一种好方法，常作为静力拉伸试验和冲击试验的补充试验。
综上所述,fy,fu,δ 被认为是承重钢结构对钢材要求所必需的 三项基本 机械性能指标。
机械性能的六项指标：屈服点 fy，抗拉强度 fu，
伸长率 δ,180° 冷弯，常温及负温冲击韧性。
第三节 影响钢材力学性能的因素
1、化学成分的影响；
2、冶金和轧制过程的影响；
3、时效的影响；
4、冷作硬化的影响；
5、温度的影响；
6、应力集中和残余应力的影响；
7、复杂应力状态的影响。
1、化学成分的影响；
有益元素,Mn,Si,V,Cu…
有害元素,S,P,O,N…
2、冶金和轧制过程的影响：
1)、冶炼方法分类：平炉炼钢法顶吹氧气转炉侧吹（空气）转炉炼钢
2)、脱氧方法,沸腾钢（ F）
镇静钢（ Z）
半镇静钢（ b）
3)、钢材的轧制：
在 1200～ 1300 ℃ 高温下，经轧制细化了钢的晶粒，焊合了小气泡、裂纹等缺陷，使金属组织更致密。
轧制钢材强度、塑性、韧性均较好，且薄板比厚板力学性能更好 。
3、时效影响：
时效硬化指钢材仅随时间的增长而转脆。
4、冷作硬化的影响：
钢结构冷加工过程引起的硬化称为冷作硬化。
如剪、冲、折、钻 … 导致强度提高，塑性韧性降低。
5、温度的影响：
1).升温情况：
200～ 250℃ 时,fu提高但塑性、韧性有所降低，此时的破坏称,蓝脆,现象。
250～ 350 ℃ 时,fy,fu,E显著降低,δ 增大，易产生
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400～ 600 ℃ 时,fy,fu,E急剧下降,600 ℃ 时承载力几乎完全丧失。
2).降温情况：
设计时要防止脆性破坏，
因而选材时应使其转变温度下限 T1低于结构工作环境温度。
如,Q235钢，计算温度 ≥ － 15 ℃ 。
6、应力集中和残余应力的影响；
7、复杂应力状态的影响：
在复杂受力情况下，按材力能量强度理论推导可用折算应力 ζ zs来判断其工作状态：三向应力：
ζ zs＝
当 ζ zs< fy时，弹性状态。
当 ζ zs≥ fy时，塑性状态。
双向应力：ζ
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一般梁中，只有 和,
则 ζ zs＝
纯剪时,ζ ＝ 0，则 ζ zs＝
取 ζ zs＝ ＝ fy,则 ＝ 0.58 fy
表示剪应力达到 0.58fy时，
钢材将进入塑性状态
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第四节 钢材的选用一、钢的种类和代号结构用钢,普通碳素钢（低碳 C≤ 0.25 ﹪ )
合金钢（低合金，合金元素 <5 ﹪ )
1、碳素结构钢主要五种,Q195,Q215,Q235,Q255,Q275
钢号表示方法举例：
Q235－ A ·F Q235－ B ·b Q235－ C Q235－ D
Q — 屈服点,235 — 表示 fy=235 N / mm2
A — 无冲击要求 B — 20 ℃ 冲击功 ＝ 27J
C — 0 ℃ 冲击功 ＝ 27J D— -20 ℃ 冲击功 ＝ 27J
F — 沸腾,b — 半镇静
2、低合金钢：
16Mn — 含碳量 0.16%,合金元素为 Mn
15MnV — 含碳量 0.15%,合金元素为 Mn,V
3、专用结构钢：
16Mnq 15MnVq
二、选用钢材的原则：
结构重要性
荷载特性
连接方法
工作温度第五节 钢材的规格
1、钢板：
厚钢板：厚 4.5～ 60mm,宽 600～ 3000mm
薄钢板：厚 0.35～ 4mm,宽 500～ 1500mm
扁钢,厚 3～ 60mm,宽 100～ 200mm
2、型钢：
角钢,等边 L100 × 8
不等边 L140 × 90 × 8
工字钢,Ⅰ 20a,Ⅰ 20b
槽钢,[ 30a [ 25b
钢管,Φ102 × 5＝ Φ外径 × 壁厚第六节 钢材的疲劳和疲劳强度
1、一般概念
1)、疲劳破坏的特点：
a) 呈现脆性破坏特征
b) 破坏时，截面的应力低于钢材的抗拉强度，甚至低于
fy,破坏断口整齐。
2)、疲劳破坏：钢材在循环应力多次反复作用下裂纹生成，
扩展以致断裂的破坏现象。
3)、疲劳强度：构件在反复荷载作用下，经过一定次数的循环后出现疲劳破坏时的最大应力。
2、影响疲劳强度的因素
1),与应力循环的特征有关应力比或应力幅
2)、与荷载作用性质有关以拉为主时，疲劳强度较低以压为主时，疲劳强度较高
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3)、与循环次数有关当 n >2× 106 次时,ζ 已趋于稳定，
称为疲劳强度的极限。
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第七节 结构疲劳计算
1、常幅疲劳对应焊接部位对应非焊接部位
c,— 系数，见表 8－ 2 ( p310 )
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2、变幅疲劳：
若能预测结构在使用寿命期间各种荷载应力幅水平以及循环次数分布所构成的设计应力谱。
即：已知,…
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则按积累损伤原理把变幅疲劳折合成等效疲劳问题。
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3、吊车梁的疲劳验算 （没有设计应力谱的变幅疲劳）
安按等效常幅疲劳计算即 2× 106
4、疲劳计算应注意的问题：
1) 当应力变化的循环次数 ≥ 次时才进行疲劳计算。
2) 由于疲劳计算采用的是容许应力幅法，计算时应取活载的标准值按弹性状态计算,吊车荷载不计动力系数。
3) 在应力循环中不出现拉应力的部位可不作疲劳计算。
4) 钢材的静力强度对大多数焊接连接类别的疲劳强度无显著影响。
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