第 2 章钢材 —— 导学

第 2 章钢材

—— 导学

学什么？

难点和重点？

思考？1 钢材拉伸试件的应力和强度这两个概念是否同一？2 影响钢材强度和塑性指标的主要因素有哪些？3 伸长率是如何定义的？4 为什么钢结构设计规范对钢材有伸长率的要求？5 若某一批钢材牌号为 Q235 时，是否钢材的屈服点就是 235MPa？你知道钢材的屈服点大致分布情况如何？6 如何理解“钢材的塑性指标比钢材的强度指标更重要”？7 你认为屈强比高的材料（ 0.9 左右）和屈强低（ 0.6—0.7 ）的材料分别用在哪些场合是合适的？8 钢材“怕冷”，“怕热”的大致范围？高温和低温下可否使用钢结构？9 一块平板，经过冷加工成为圆管，再用一条焊缝将其焊起来，在焊接之前钢材经历了什么变化？在焊接之后钢材又经历了什么变化？

主要内容主要内容1 钢材的基本性能和指标2 影响钢材性能的主要因素3 复杂应力与应力集中 4 钢材疲劳现象5 超屈服荷载作用（反复作用）6 钢材的塑性破坏和脆性破坏7 钢材的品种与规格8 钢材的选用原则

重点和难点重点和难点1 钢材的应力应变曲线和关键指标2 引起钢材脆性破坏的可能的原因3 钢材的疲劳计算

1 钢材的基本性能和指标钢材应力应变曲线

弹性阶段线弹性非线弹性屈服阶段强化阶段颈缩阶段

注意各阶段在曲线上位置、特征、应力上限、应变上限

1 钢材的基本性能和指标强度比例极限、屈服强度、抗拉强度、屈强比

塑性伸长率、面缩率

韧性静力韧性、冲击韧性

冷弯性能冷弯实验

可焊性施工可焊性、使用可焊性耐久性抗腐蚀能力、抗疲劳能力

各性能特征指标、指标来源、作用

比例极限、屈服强度、抗拉强度、屈强比

%100

%100

0

10

0

01

A

AA

l

ll

＝ δ5 、 δ10

伸长率、面缩率

（缺口净面积）（冲击功）

n

kk A

Aa

2 影响钢材性能的主要因素(1) 化学成分占钢材 99% 的铁 Fe 除外，还有 C 、 Si 、 Mn 、 V 、 S(O) 、P(N) 等(2) 生产过程冶炼、浇铸、轧制(3) 时效时效使钢材强度提高，塑性、冲击韧性降低。 (4) 冷作硬化在冷加工过程中引起钢材硬化称冷作硬化。会提高强度、降低韧性、塑性。 (5) 温度高温： 2500C 蓝脆（抗拉强度提高而韧性下降） 6000C 时强度为零）低温：到冷脆临界温度时，冲击韧性急剧下降。

2 影响钢材性能的主要因素(1) 化学成分占钢材 99% 的铁 Fe 除外，还有 C 、 Si 、 Mn 、 V 、 S(O) 、P(N) 等(2) 生产过程冶炼、浇铸、轧制(3) 时效时效使钢材强度提高，塑性、冲击韧性降低。 (4) 冷作硬化在冷加工过程中引起钢材硬化称冷作硬化。会提高强度、降低韧性、塑性。 (5) 温度高温： 2500C 蓝脆。（抗拉提高而韧性下降， 6000C 时强度为零）低温：到冷脆临界温度时，冲击韧性急剧下降。

冶炼过程控制钢材的化学成分。平炉钢顶吹氧气转炉炼钢法碱性侧吹转炉炼钢法


浇铸过程控制脱氧程度。① 沸腾钢用锰脱氧，脱氧不彻底，成本低，以前土木工程常用，但现在提高要求了，许多结构限用：疲劳、低温下非焊接结构，焊接结构； ② 镇静钢用硅脱氧，脱氧彻底，成本高，质量好；③半镇静钢介于前两者之间；④ 特殊镇静钢在锰硅脱氧后再用铝或钛补充脱氧。


轧制过程：轧制可减少缺陷，使金属组织更为致密。轧制方法：高温加压厚度大于 40mm 需进行 Z 向试验。经轧制后不均匀冷却会产生残余应力。

3 复杂应力与应力集中（ 1 ）钢材在复杂应力作用下的性能材料由弹性状态转变为塑性状态时的综合强度指标，要用单位体积内的变形能衡量。即用能量（第四）强度理论判定。折算应力公式为：

222222 3 xzyzxyzxzyyxZyxZS

在平面状态下，与 Z 有关者均为零：在一般梁中：在纯剪时：

222 3 xyyxyxZS

22 3 ZS

yZS f 33 2

2 2 21

2ZS x y y z z x

3 复杂应力与应力集中（ 2 ）应力集中1 ）定义：由于构件形状或截面的突然变化及缺陷导致结构局部应力大大超越其平均值的现象。

2 ）不利影响：促成脆性断裂和疲劳破坏。

3 ）对策：①钢材要有良好的塑性； ② 园滑而渐变的过渡构造设计； ③ 减少轧制、焊接的缺陷。

4 钢材疲劳现象钢材的高周疲劳破坏机理

外部条件：连续反复荷载作用；

内部变化过程：材料内部裂纹缓慢扩展，最后迅速扩张、断裂；

破坏特征：应力低于屈服点，无明显变形，断口平直，突然断裂，属脆性破坏。

4 钢材疲劳现象

应力循环形式

应力比

应力幅

应力比反复荷载作用下，钢材某点应力循环幅值中绝对值最小应力与绝对值最大应力之比 ( 拉为正、压为负 )称为应力比。应力幅反复荷载作用下，钢材某点最大拉应力与另一个幅值（拉为正压为负）之差为应力幅。

各种应力循环下的应力比、应力幅各种应力循环下的应力比、应力幅4 钢材疲劳现象

疲劳强度疲劳强度钢材在一定次数钢材在一定次数 NN的反复荷载作用下发生疲劳破坏，则的反复荷载作用下发生疲劳破坏，则破坏应力即为相应于荷载次数破坏应力即为相应于荷载次数 NN的疲劳强度。的疲劳强度。疲劳寿命疲劳寿命相应的上述的反复次数相应的上述的反复次数 NN则被称为疲劳寿命。则被称为疲劳寿命。疲劳极限疲劳极限循环无穷次而不破坏的应力上限称为疲劳极限。循环无穷次而不破坏的应力上限称为疲劳极限。


疲劳计算（常幅）疲劳计算（常幅）与与 NN 的关系的关系

1

N

C

CC 、、 ββ按实验确定，与结构或连接的形式有关。按实验确定，与结构或连接的形式有关。


非常幅应力循环（非常幅应力循环（ MinerMiner法则）法则）

iin —— 应力幅的作用次数 —— 第种应力幅 i i

1i

i

N

n

—— 应力幅为常量时疲劳破坏的循环次数 iN i

e ——等效应力

1

i

iie n

n


提高疲劳强度的措施提高疲劳强度的措施减少初始缺陷减少初始缺陷减少应力集中减少应力集中


5 超屈服荷载作用（反复作用）（ 1 ）定义：结构在较少次数的高强度（部分材料已进入屈服状态）反复荷载作用下因损伤累积而造成断裂称超屈服荷载累积损伤断裂或低周疲劳断裂（次数少于 104 ）。（ 2 ）原因： ①外部原因：高强度较少次数的反复荷载作用； ②内部原因：应力集中，材料的脆性，损伤的不可逆转性。（ 3 ）防止对策： ① 对钢材和焊缝作无损探伤，防止内部缺陷； ② 合理设计构造细部，避免三向拉应力； ③ 减小应力集中； ④ 低温工作条件下用低温冲击韧性较好的材料； ⑤ 防止施工附加件形成“人工裂缝”。

6 钢材的塑性破坏和脆性破坏引起脆性破坏的原因

uf yf

对比内容塑性破坏脆性破坏

破坏应力破坏前变

形明显不明显

断口外形杯形平直

断口色泽暗淡有光泽

断口细部纤维状晶粒状

破坏过程延续较长时间突然

破坏机理剪应力超过晶粒抗剪能力

拉应力超过晶粒抗拉能力

危害性便于发现和补救，较轻大

对策合理设计结构强度考虑疲劳和冲击作用，合理选择材料种类、构造形式、施工工艺

7 钢材的品种与规格（ 1 ）品种（牌号）的表示 Q×××－ [ ] Q—— 屈服强度 ×××—— 屈服强度数值，单位：－ ——质量等级，分 A、 B、 C、 D、 E 五级，越后质量越好 [ ]——脱氧方法，括号内代号表示： F——沸腾钢； b——半镇静钢；（ Z）——镇静钢；（）表示可以不写；（ TZ）——特殊镇静钢（ D级以上只能是 TZ级）如： Q235D

7 钢材的品种与规格（ 2 ）常用品种普通碳素钢 Q235A[F,b,(z)] ( 旧称 3 号钢 ) Q235B[F,b,(z)] 常温下 Ak 要求 Q235C [(z)] 零度 Ak 要求 Q235D [(TZ)] -20 度 Ak 要求

低合金钢 Q345A, B, C, D, E ： Ak 34J （ E 为 27J ） Q390A, B, C, D, E Q420A, B, C, D, E

7 钢材的品种与规格（ 3 ）钢材质量保证规定力学性能：屈服强度、抗拉强度、伸长率；焊接承重结构和重要非焊接承重结构有冷弯试验的要求；有疲劳、低温工作的钢结构需有冲击韧性要求。化学成分：低碳钢：碳、锰、硅、硫、磷；低合金钢：碳、锰、硅、硫、磷、钒、铌、钛等。

7 钢材的品种与规格（ 4 ）规格钢板：圆钢：等边角钢：不等边角钢：槽钢：工字钢：钢管： H型钢：焊接工字钢 :

8 钢材的选用原则

结构类型及重要性

荷载性质：静力、动力

连接方法：焊接、非焊接

工作温度：常温、低温

应力条件：拉、压

思考？？？钢结构有哪些优点？为什么？

钢材性能有哪些？其中哪些为力学性能？

选用钢材时有哪些性能要求？

可能引起钢结构脆性破坏的因素？

化学成分冶金缺陷（偏析、非金属夹杂）温度（热脆、低温冷脆）冷作硬化时效硬化应力集中同号三向主应力状态

7 钢材的品种与规格（ 4 ）规格钢板：圆钢：等边角钢：不等边角钢：槽钢：工字钢：钢管： H型钢：焊接工字钢 :

7 钢材的品种与规格（ 4 ）规格钢板：圆钢：等边角钢：不等边角钢：槽钢：工字钢：钢管： H型钢：焊接工字钢：

第 2 章 钢材 —— 导 学

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