钢结构基本原理2钢结构的材料本章内容:1钢结构对材料的基本要求2钢材的破坏形式3钢材的主要机械性4影响钢材性能的主要因素5钢的种类和钢材规格本章重点:钢材的主要机械性能、各种因素对钢材性能的影响本章难点:影响钢材性能的主要因素2.1钢结构对材料的要求对钢材的基本要求：1、具有较高的抗拉强度fu和屈服点fy结构的承载力大，所需的截面小，结构的自重轻.2、具有较好的塑性、韧性塑性好，不易发生脆性破坏；韧性好，利于承受动力荷载.3、良好的工艺性能包括冷加工、热加工以及焊接性能规范规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证；焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证；对某些承受动力荷载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构尚应具有常温或负温冲击性的合格保证.据上要求《钢结构设计规范》GB50017-2003推荐承重结构用钢宜采用：碳素结构钢中的Q235钢及低合金高强结构钢中的Q345、Q390和Q420钢四种钢材。2.2钢材的破坏形式钢材的破坏形式：塑性破坏和脆性破坏。1、塑性破坏：断口呈纤维状，色泽发暗。破坏前有明显的变形，破坏历时时间长，可以采取补救措施。2、脆性破坏：破坏前没有任何预兆，破坏是突然发生的，断口平直并呈有光泽的晶粒状。在设计、施工和使用钢结构时，注意防止脆性破坏。2.3钢材的主要性能2.3.1受拉、受压及受剪时的性能钢材的主要性能是机械性能，可通过某些试验（拉伸、冷弯、冲击）确定。fp—比例极限fy—屈服强度强度标准、设计依据fu—极限强度最大承载强度、强度储备图2.1碳素结构钢的应力-应变关系塑性：在静力荷载作用下，钢材吸收变形能的能力。δ—延伸率（塑性性能）L1L0100L0条件屈服点：以卸荷后试件中残余应变为0.2所对应的应力（f0.2图2.2高强度钢的应力-应变曲线2.3.2冷弯性能冷弯性能是检验钢材弯曲变形能力或塑性性能，还是显示钢材内部缺陷状况的一项指标；是鉴定钢材在弯曲状态下塑性应变能力和钢材质量的综合指标。图2.3钢材冷弯试验示意图2.3.3冲击韧性冲击韧性：在动力荷载作用下，材料吸收能量的能力。韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力，它用材料在断裂时所吸收的总能量来量度（Cv）。韧性是钢材强度和塑性的图2.4冲击韧性试验综合指标。2.4各种因素对钢材性能的影响2.4.1化学成分钢是含碳量小于2的铁碳合金。钢中基本元素：Fe、C、Si、Mn、S、P、N、O。普通碳素钢中，Fe占99，其余元素占1。在低合金钢中，除了上述元素外，还有一定合金元素（镍、钒、钛等）（含量低于5）各种元素对钢材机械性能的影响如下。碳C：含量增加，钢材强度提高，而塑性、韧性和疲劳强度低。同时焊接性能和抗腐蚀性恶化。一般在碳素结构钢中不应超过0.22；在焊接结构中还应低于0.2。硅Si：碳素结构钢中应控制≤0.3在低合金高强度钢中硅的含量可达0.55。锰Mn：含Mn适量使强度↑，降低S、O的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大有益.在碳素结构钢中锰的含量为0.3～0.8，在低合金高强度钢中锰的含量可达1.0～1.6。硫S：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在高温时，使钢材变脆，称之为热脆。含量应不超过0.045。有害成分磷P：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在低温时，使钢材变脆，称之为冷脆。含量应不超过0.045。可以提高强度和抗锈蚀性。有害成分氧O：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在高温时，发生热脆。有害成分氮N：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在低温时，发生冷脆。有害成分钒和钛：是钢中的合金元素，能提高钢的强度和抗腐蚀性能，又不显著降低钢的塑性。铜：可显著提高钢的抗腐蚀性能，也可以提高钢的强度，但对焊接性能有不利影响。2.4.2冶金缺陷在冶炼、轧制过程中常常出现的缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹和分层。保温帽缩孔冶炼（脱氧）a沸腾钢b镇静钢图2.5钢锭剖面轧制轧棍注意：薄钢板的强度比厚钢板的强度高。图2.6钢的轧制使晶粒细化1.偏析：钢中化学成分分布不均匀，主要的偏析是硫、磷，将使偏0.090.10析区钢材的塑性、0.0350.0400.080.090.0300.0350.070.080.060.07韧性及可焊性变坏。0.0550.060.050.0550.0250.0300.0450.050.040.0450.0250.0350.040.030.0350.0250.0300.0250.030.025a镇静钢锭b沸腾钢锭钢液含硫0.032钢液含硫0.04图2.7钢锭中硫的偏析图2.8型钢硫的偏析2、非金属夹杂：钢材中存在非金属化合物（硫化物、氧化物），使钢材性能变脆。3、裂纹、分层：浇注时的非金属夹杂物在轧制中可能造成钢材的分层，影响钢材的冷弯性能。2.4.3钢材硬化冷作