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1、第2章 钢结构的材料,2.1 概述,建筑用钢：碳素结构钢、低合金高强度钢 钢材应具有较高的强度、塑性和韧性，及良好的加工性能 钢材性能与化学成分、组织构造、冶炼和成型方法等内在因素密切相关，也受荷载类型、结构形式、连接方法和工作环境等外界因素的影响。 本章包括钢材的生产过程和组织构造；钢材的主要性能以及各种因素对钢材性能的影响；钢材的种类、规格及选用原则。,2.2 钢材的生产,炼铁 高温下通过一氧化碳和碳等还原剂除去氧化铁矿石中的氧，还原出铁，以石灰石作为熔剂把砂质和粘土等杂质熔化为熔渣。 产生生铁，含碳量在2.06%以上 除铸铁管外，建筑中很少使用,2.2.1 钢材的冶炼,炼钢 高温下通过氧
2、化作用除去生铁中多余的碳和其它杂质，使它们转变为氧化物进入渣中，或成气体逸出。 含碳量在2.06以下的铁碳合金称为碳素钢。 常用的炼钢炉有：平炉、转炉和电炉。 电炉炼钢是利用电热原理，以废钢和生铁等为主要原料，在电弧炉内冶炼。不与空气接触，易于清除杂质和严格控制化学成分，炼成的钢质量好。但因耗电量大，成本高，一般只用来冶炼特种用途的钢材。,转炉炼钢是利用高压空气或氧气使炉内生铁熔液中的碳和其它杂质氧化，在高温下使铁液变为钢液。氧气顶吹转炉冶炼的钢中有害元素和杂质少，质量和加工性能优良，且可根据需要添加不同的元素，冶炼碳素钢和合金钢。由于氧气顶吹转炉可以利用高炉炼出的生铁熔液直接炼钢，生产周期短
3、、效率高、质量好、成本低，已成为国内外发展最快的炼钢方法。 平炉炼钢是利用煤气或其它燃料供应热能，把废钢、生铁熔液或铸铁块和不同的合金元素等冶炼成各种用途的钢。平炉的原料广泛，容积大，产量高，冶炼工艺简单，化学成分易于控制，炼出的钢质量优良。但平炉炼钢周期长，效率低，成本高，现已逐渐被氧气顶吹转炉炼钢所取代。,按钢材的脱氧方法和程度的分类 沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢 沸腾钢采用脱氧能力较弱的锰作脱氧剂，脱氧不完全，钢液进入钢锭模时有气体逸出，出现沸腾现象。冷却很快，一氧化碳不能全部逸出，凝固后钢材中有较多的氧化铁夹杂和气孔。钢的质量较差。现在已较少有供货。 镇静钢采用锰加硅作脱氧剂，
4、脱氧较完全，硅在还原氧化铁的过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢，使气体充分逸出，浇注时不会出现沸腾现象。这种钢质量好，但成本高。 半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间。 特殊镇静钢是在锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧，脱氧程度高于镇静钢。 低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。,建筑钢材的分类 碳素结构钢是通过在强度较低而塑性较好的纯铁中加适量的碳来提高强度的，一般常用的低碳钢含碳量不超过0.25。 低合金结构钢是在碳素结构钢的基础上，适当添加总量不超过5的其它合金元素（少量的锰、硅、钒、铌、钛、铝、铬、镍、铜、氮、稀土等），来改善钢材的性能。,2.2.2 钢材的组织构造和缺陷,碳素钢的组织构造 常温下主
5、要由铁素体和渗碳体（Fe3C）组成。 铁素体是碳溶入铁体心立方晶体(纯铁的一种形式)后的固溶体，常温下溶碳仅0.0008，与纯铁的显微组织没有明显的区别，其强度、硬度较低，而塑性、韧性良好。是钢的主要成分，约占重量的99。 渗碳体是铁碳化合物，含碳6.67，熔点高，硬度大，几乎没有塑性，在钢中与铁素体晶粒形成机械混合物-珠光体，填充在铁素体晶粒的空隙中，形成网状间层。珠光体强度很高，坚硬而富于弹性。 碳素钢的力学性能与铁素体和珠光体的比例有关。同时，铁素体的晶粒越细小，珠光体的分布越均匀，钢的性能也就越好。,碳素钢多晶体结构示意图 铁的体心立方晶体,钢材的铸造缺陷 内部晶体形状的不均匀 偏析硫
6、磷等富集 非金属夹杂硫化物、氧化物 气孔 缩孔 凝固内应力产生的裂纹,2.2.3 钢材的加工,热加工、冷加工、热处理三种,热加工 热加工可使晶粒变细，在高温和压力下压合钢坯中的气孔、裂纹，改善力学性能。壁厚较薄的热轧型钢和钢板，因辊轧次数较多，其强度、塑性、韧性和焊接性能均优于厚板和厚壁型钢。钢材强度按板厚分组就是这个缘故。,热加工使钢材沿轧制方向（纵向）的性能优于垂直轧制方向（横向）的性能，使其各向异性增大。钢中的硫化物和氧化物等经轧制之后被压成薄片，对厚板来说更容易出现分层现象，沿厚度方向受力时可能出现层状撕裂现象。,冷加工 包括冷轧、冷弯、冷拔等延伸性加工，也包括剪、冲、钻、刨等切削性加
7、工。 如冷轧卷板和冷轧钢板、冷弯薄壁型钢和压型钢板、钢丝束、钢绞线或钢丝绳。 冷加工后会产生局部或整体硬化，提高了钢材的强度和硬度，却降低了塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化（或应变硬化）。 优点：冷拔高强度钢丝就是充分利用了冷作硬化现象；冷弯薄壁型钢在强度验算时，可有条件地利用这种强度提高现象。 缺点：多数情况下会造成钢材冷硬变脆，成为脆裂的起因。对于重要结构，要尽量避免局部冷加工硬化的发生。,热处理 热处理是将钢在固态范围内，施以不同的加热、保温和冷却措施，改变其内部组织构造，达到改善钢材性能的一种加工工艺。 钢材的普通热处理包括退火、正火、淬火和回火四种基本工艺。 如Q420C、D、E和高
8、强螺栓等都是要经过热处理的。,2.3 钢材的主要性能,塑性破坏 破坏前具有较大的塑性变形，常在钢材表面出现明显的垂直交错的锈迹剥落线。只有应力达到抗拉强度后才会发生破坏，破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。 塑性破坏前总有较大的塑性变形发生，且变形持续时间较长，容易被发现和抢修加固，不至发生严重后果。 塑性破坏前的较大塑性变形能力，可实现内力重分布。钢结构的塑性设计正是利用了这种塑性变形能力。,2.3.1 钢材的破坏形式,有塑性破坏和脆性破坏两种形式,脆性破坏 破坏前塑性变形很小，或根本没有塑性变形，突然迅速断裂。破坏后断口平直，呈有光泽的晶粒状或有人字纹。 破坏前没有预兆，速度极快，无法察觉和补
9、救，一旦发生常引发整个结构的破坏，后果严重，因此在钢结构的设计、施工和使用过程中，要特别注意防止这种破坏的发生。,2.3.2 钢材在单向一次拉伸下的工作性能,单向一次拉伸试验（见动画资源材料试验） 可由曲线直接获得： 比例极限p （proportional limit） 屈服点fy （yield point） 抗拉强度fu （tensile strength） 伸长率5或10 （elongation）,名义屈服点f0.2 调质处理的低合金钢没有明显的屈服点和塑性平台。这类钢的屈服点是以卸载后试件中残余应变为0.2所对应的应力人为定义的，称为名义屈服点或f0.2,断面收缩率 试样拉断后，颈缩处横
10、断面积的最大缩减量与原始横断面积的百分比，也是单调拉伸试验提供的一个塑性指标。越大，塑性越好。 在国家标准厚度方向性能钢板中，使用沿厚度方向的标准拉伸试件的断面收缩率来定义Z向钢的种类，如分别大于或等于15、25、35时，为Z15、Z25、Z35钢。,应力应变曲线的简化计算模型 理想弹塑性模型 与实际误差不大,2.3.3 钢材的其它性能,冷弯性能与冷弯试验（见动画资源材料试验）,在试验机上把试件弯曲180 以试件表面和侧面不出现裂纹和分层为合格。 冷弯试验能检验材料承受规定的弯曲变形能力，还能显示内部冶金缺陷，是判断钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标。 焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采
11、用的钢材，应具有冷弯试验的合格保证。,冲击韧性与夏比缺口冲击试验（见动画资源材料试验）,冲击韧性也称缺口韧性（notch toughness）是评定钢材在冲击荷载作用下抵抗脆性破坏能力的指标。 通常用带有夏比V型缺口（Charpy V-notch）的标准试件做冲击试验，以击断试件所消耗的冲击功大小来衡量钢材抵抗脆性破坏的能力。,冲击韧性也叫冲击功，用AKV或CV表示，单位为J。 冲击韧性与钢材牌号、质量等级、工作温度有关。 寒冷地区承受动力荷载的重要结构，应对冲击韧性指标提出要求，以防脆性破坏。,2.3.4 钢材在复杂应力状态下的屈服条件,Mises屈服条件,平面或三向应力状态时，屈服条件由形
12、状改变比能理论得到，折算应力为：,以主应力表示的折算应力为：,可以看出，当1、2、3为同号应力且数值接近时，即使各自都远大于fy，折算应力zs仍小于fy，说明钢材很难进入塑性状态。 当为三向同号应力场时，甚至直到破坏也没有明显的塑性变形产生，表现为脆性破坏。 相反，在异号应力场下，钢材会较早地进入塑性状态，表现为较好的塑性破坏。,Mises屈服条件的典型应用,在平面应力状态下（如钢材厚度较薄时，厚度方向应力很小，常可忽略不计） （如受局部压应力作用的梁的腹板） ，上式成为：,当只有正应力和剪应力时（如不受局部压应力作用的梁的腹板）：,当承受纯剪应力时： 所以得到钢材的抗剪强度为：,2.4 各种
13、因素对钢材性能的影响,碳 C 除铁以外的主要元素，是形成钢材强度的主要成分。 C，fy、fu，5、CV，冷弯性能、焊接性能和抗锈蚀性能等也变劣。C含量超过0.3时，抗拉强度很高，但却没有明显的屈服点，且塑性很小。 碳素钢按碳的含量区分：小于0.25的为低碳钢，介于0.25和0.6之间的为中碳钢，大于0.6的为高碳钢。 含碳量超过0.2时，钢材的焊接性能将开始恶化。因此，规范推荐的钢材，含碳量均不超过0.22，对于焊接结构则严格控制在0.2以内。,2.4.1 化学成分的影响,硫 S 硫是有害元素，常以硫化铁形式夹杂于钢中。 当温度达8001000时，硫化铁会熔化使钢材变脆，因而在进行焊接或热加工
14、时，有可能引发热裂纹，称为热脆。 S，CV，疲劳强度，冷弯性能、焊接性能和抗锈蚀性能等。 非金属硫化物夹杂经热加工后还会在厚钢板中形成局部分层现象，在采用焊接连接的节点中，沿板厚方向承受拉力时，会发生层状撕裂破坏。 随着钢材牌号和质量等级的提高，含硫量的限值由0.05依次降至0.025，厚度方向性能钢板的含硫量更限制在0.01以下。,磷 P 磷可提高钢的强度和抗锈蚀能力。 严重地降低钢的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能，特别是在温度较低时促使钢材变脆，称为冷脆。 磷的含量也要严格控制，随着钢材牌号和质量等级的提高，含磷量的限值由0.045依次降至0.025。 但是当采取特殊的冶炼工艺时，磷可作为
15、一种合金元素来制造含磷的低合金钢，此时其含量可达0.120.13%。,锰 Mn 锰是有益元素，是一种弱脱氧剂，可提高钢材强度，消除硫对钢的热脆影响，改善钢的冷脆倾向，同时不显著降低塑性和韧性。 锰还是低合金钢的主要元素，其含量为0.81.8。 但锰对焊接性能不利，因此含量也不宜过多。,硅 Si 硅是有益元素，在普通碳素钢中，它是一种强脱氧剂，常与锰共同除氧，生产镇静钢。 适量的硅，可以细化晶粒，提高钢的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能无显著不良影响。 硅的含量在一般镇静钢中为0.120.30，在低合金钢中为0.20.55。 过量的硅会恶化焊接性能和抗锈蚀性能。,氧和氮 ON 氧和氮属于
16、有害元素。氧与硫类似使钢热脆，氮的影响和磷类似，因此其含量均应严格控制。 但当采用特殊的合金组分匹配时，氮可作为一种合金元素来提高低合金钢的强度和抗腐蚀性，如在九江长江大桥中已成功使用的15MnVN钢。,其它元素 钒、铌、钛等元素加入适量，能细化晶粒和弥散强化，提高钢材的强度和韧性，又可保持良好的塑性。 铝是强脱氧剂，还能细化晶粒，可提高钢的强度和低温韧性，在要求低温冲击韧性合格保证的低合金钢中，其含量不小于0.015。 铬、镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390及以上牌号的钢材中，但其含量应受限制，以免影响钢材的其它性能。 铜和铬、镍、钼等，可在金属表面形成保护层，提高钢对大气的抗腐蚀能力。耐候钢中，铜含量为0.200.40。 镧、铈等稀土元素（RE）可提高钢的抗氧化性，并改善其它性能，在低合金钢中其含量按0.020.20控制。 氢是有害元素，氢分子产生巨大的内压力，使钢材开裂，称为氢脆。钢的强度等级越高，对
