第2章 钢结构的材料

钢的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，籍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。

退火和正火是应用非常广泛的热处理工艺，用其可以消除加工硬化、软化钢材、细化晶粒、改善组织以提高钢的机械性能；消除残余应力，以防钢件的变形和开裂；为进一步的热处理作好准备。对一般低碳钢和低合金钢而言，其操作方法为：在炉中将钢材加热至850～900℃，保温一段时间后，若随炉温冷却至500℃以下，再放至空气中冷却的工艺称为完全退火；若保温后从炉中取出在空气中冷却的工艺称为正火。正火的冷却速度比退火快，正火后的钢材组织比退火细，强度和硬度有所提高。如果钢材在终止热轧时的温度正好控制在上述范围内，可得到正火的效果，称为控轧。如果热轧卷板的成卷温度正好在上述范围内，则卷板内部的钢材可得到退火的效果，钢材会变软。

还有一种去应力退火，又称低温退火，主要用来消除铸件、热轧件、锻件、焊接件和冷加工件中的残余应力。去应力退火的操作是将钢件随炉缓慢加热至500～600℃，经一段时间后，随炉缓慢冷却至300～200℃以下出炉。钢在去应力退火过程中并无组织变化，残余应力是在加热、保温和冷却过程中消除的。

淬火工艺是将钢件加热到900℃以上，保温后快速在水中或油中冷却。在极大的冷却速度下原子来不及扩散，因此含有较多碳原子的面心立方晶格的奥氏体，以无扩散方式转变为碳原子过饱和的?铁固溶体，称为马氏体。由于?铁的含碳量是过饱和状态，从而使体心立方晶格被撑长为歪曲的体心正方晶格。晶格的畸变增加了钢材的强度和硬度，同时使塑性和韧性降低。马氏体是一种不稳定的组织，不宜用于建筑结构。

回火工艺是将淬火后的钢材加热到某一温度进行保温，而后在空气中冷却。其目的是消除残余应力，调整强度和硬度，减少脆性，增加塑性和韧性，形成较稳定的组织。将淬火后的钢材加热至500～650℃，保温后在空气中冷却，称为高温回火。高温回火后的马氏体转化为铁素体和粒状渗碳体的机械混合物，称为索氏体。索氏体钢具有强度、塑性、韧性都较好的综合机械性能。通常称淬火加高温回火的工艺为调质处理。强度较高的钢材，如Q420中的C、D、E级钢和高强度螺栓的钢材都要经过调质处理。

§2-3 钢材的主要性能

2.3.1 钢材的破坏形式

钢材有两种完全不同的破坏形式：塑性破坏（ductile fracture）和脆性破坏（brittle fracture）。钢结构所用的钢材在正常使用条件下，虽然有较高的塑性和韧性，但在某些条件下，仍然存在发生脆性破坏的可能性。

塑性破坏的主要特征是，破坏前具有较大的塑性变形，常在钢材表面出现明显的相互垂直交错的锈迹剥落线。只有当构件中的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。由于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，因此不至发生严重后果。钢材塑性破坏前的较大塑性变形能力，可以实现构件和结构中的内力重分布，钢结构的塑性设计就是建立在这种足够的塑性变形能力上。

脆性破坏的主要特征是，破坏前塑性变形很小，或根本没有塑性变形，而突然迅速断裂。破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或有人字纹。由于破坏前没有任何预兆，破坏速度又极快，无法察觉和补救，而且一旦发生常引发整个结构的破坏，后果非常严重，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。

钢材存在的两种破坏形式与其内在的组织构造和外部的工作条件有关。试验和分析均证明，在剪力作用下，具有体心立方晶格的铁素体很容易通过位错移动形成滑移，即形成塑性变形；

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而其抵抗沿晶格方向伸长至拉断的能力却强大得多，因此当单晶铁素体承受拉力作用时，总是首先沿最大剪应力方向产生塑性滑移变形（图2.3.1）。实际钢材是由铁素体和珠光体等组成的，由于珠光体间层的限制，阻遏了铁素体的滑移变形，因此受力初期表现出弹性性能。当应力达到一定数值，珠光体间层失去了约束铁素体在最大剪应力方向滑移的能力，此时钢材将出现屈服现象，先前铁素体被约束了的塑性变形就充分表现出来，直到最后破坏。显然当内外因素使钢材中铁素体的塑性变形无法发生时，钢材将出现脆性破坏。

ζ

图2.3.1 铁素体单晶体的塑性滑移

ζ ζ η η

2.3.2 钢材在单向一次拉伸下的工作性能

钢材的多项性能指标可通过单向一次（也称单调）拉伸试验获得。试验一般都是在标准条件下进行的，即：试件的尺寸符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽等缺陷；荷载分级逐次增加，直到试件破坏；室温为20℃左右。图2.3.2给出了相应钢材的单调拉伸应力－应变曲线。由低碳钢和低合金钢的试验曲线看出，在比例极限（proportional limit）ζp以前钢材的工作是弹性的；比例极限以后，进入了弹塑性阶段；达到了屈服点（yield point或yield strength）fy后，出现了一段纯塑性变形，也称为塑性平台；此后强度又有所提高，出现所谓自强阶段，直至产生颈缩而破坏。破坏时的残余延伸率表示钢材的塑性性能。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（见图2.3.2）。

σ应力(MPa) 900 0.2% 750 fy=690MPa 600 450 300 ζ

P 抗拉强度fu 热处理低合金钢 低合金高 强度结构钢

fy=345MPa fy=235MPa 碳素结构钢 150 0 0

0.05 0.10

0.15 0.20 ε应变(%)

0.25 0.30 0.35

图2.3.2 钢材的单调拉伸应力－应变曲线

钢材的单调拉伸应力－应变曲线提供了三个重要的力学性能指标：抗拉强度（tensile strength）fu、伸长率（elongation）δ和屈服点fy。抗拉强度fu是钢材一项重要的强度指标，它

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反映钢材受拉时所能承受的极限应力。伸长率δ是衡量钢材断裂前所具有的塑性变形能力的指标，以试件破坏后在标定长度内的残余应变表示。取圆试件直径的5倍或10倍为标定长度，其相应伸长率分别用δ5或δ10表示。屈服点fy是钢结构设计中应力允许达到的最大限值，因为当构件中的应力达到屈服点时，结构会因过度的塑性变形而不适于继续承载。承重结构的钢材应满足相应国家标准对上述三项力学性能指标的要求。

断面收缩率ψ是试样拉断后，颈缩处横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。ψ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ψ分别大于或等于15％、25％、35％时，为Z15、Z25、Z35钢。由单调拉伸试验还可以看出钢材的韧性好坏。韧性可以用材料破坏过程中单位体积吸收的总能量来衡量，包括弹性能和非弹性能两部分，其数值等于应力－应变曲线（图2.3.2）下的总面积。当钢材有脆性破坏的趋势时，裂纹扩展释放出来的弹性能往往称为裂纹继续扩展的驱动力，而扩展前所消耗的非弹性能量则属于裂纹扩展的阻力。因此，上述的静力韧性中非弹性能所占的比例越大，材料抵抗脆性破坏的能力越高。

由图2.3.2可以看到，屈服点以前的应变很小，如把钢材的弹性工作阶段提高到屈服点，且不考虑自强阶段，则可把应力－应变曲线简化为图2.3.3所示的两条直线，称为理想弹塑性体的工作曲线。它表示钢材在屈服点以前应力与应变关系符合虎克定律，接近理想弹性体工作；屈服点以后塑性平台阶段又近似于理想的塑性体工作。这一简化，与实际误差不大，却大大方便了计算，成为钢结构弹性设计和塑性设计的理论基础。

ε 图2.3.3 理想弹塑性体应力－应变曲线 σ fy

2.3.3 钢材的其它性能

一、冷弯性能

钢材的冷弯性能（cold-bending behavior）由冷弯试验确定。试验时，根据钢材的牌号和不同的板厚，按国家相关标准规定的弯心直径，在试验机上把试件弯曲180°（图2.3.4），以试件表面和侧面不出现裂纹和分层为合格。冷弯试验不仅能检验材料承受规定的弯曲变形能力的大小，还能显示其内部的冶金缺陷，因此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用的钢材，均应具有冷弯试验的合格保证。

P d a P 二、冲击韧性

由单调拉伸试验获得的韧性没有考虑应力集中和动荷作用的影响，只能用来比较不同钢材在正常情况下的韧性好坏。冲击韧性也称缺口韧性（notch toughness）是评定带有缺口的钢材在冲击荷载作用下抵抗脆性破坏能力的指

图2.3.4 冷弯试验

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（图2.3.5），以击断试

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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（1J=1N31m，即1焦耳＝1牛顿31米）。

2 40 10±0.05 V型缺口

H2 45±2°

1－摆锤； 2－试件； 3－试验机台座； 4－刻度盘； 5－指针

2 β 55 27.5 1 10±0.05 27.5 30° 5 4 α 1 H1 2 3 图2.3.5 夏比V型缺口冲击试验和标准试件

试验表明，钢材的冲击韧性值随温度的降低而降低，但不同牌号和质量等级钢材的降低规律又有很大的不同。因此，在寒冷地区承受动力作用的重要承重结构，应根据其工作温度和所用钢材牌号，对钢材提出相当温度下的冲击韧性指标的要求，以防脆性破坏发生。

2.3.4 钢材在复杂应力状态下的屈服条件

单调拉伸试验得到的屈服点是钢材在单向应力作用下的屈服条件，实际结构中，钢材常常受到平面或三向应力作用。根据形状改变比能理论（或称剪应变能量理论），钢在复杂应力状态由弹性过渡到塑性的条件，也称米塞斯屈服条件（Mises yield condition）为： ?zs??2x??2y??2z?(?x?y??y?z??z?x)?3(?xy??22yz??zx)?fy (2.3.1)

2或以主应力表示为： ????12zs?(?1??2)?(?2??3)?(?3??1)222??fy (2.3.2)

zs?fy时，为塑性状态 ?fy时，为弹性状态

zs式中?

στx zs为折算应力，fy为单向应力作用下的屈服点。其它应力见图2.3.6。

στyx y σyz y yx σσ

τyx 1 2 τστzx z

τσσ3

2 σ

x 1 zx σττyz xy x σx τxy στxy σz σy

3 σσ2

1

σσ2

1 σy

σ(a) 一般应力分量状态 (b) 主应力状态

图2.3.6 钢材单元体上的复杂应力状态

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