钢结构的材料及性能思维导图

U1141038320

2026-09-19

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钢结构

材料

性能

钢材

钢结构材料与性能知识思维导图

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思维导图大纲

概述

成分

铁、碳、其他元素

钢种

碳素结构钢

低合金高强度结构钢

钢的生产

钢材的冶炼

炼铁

含碳量超过2.06%的铁碳合金

炼钢

去掉生铁中过多的碳和其他杂质

轧制

特殊镇静钢TZ、镇静钢Z、半镇静钢b、沸腾钢F

钢材的组织构造和铸造缺陷

组织构造

碳素结构钢

纯铁+适量碳元素

低合金结构钢

碳素结构钢+不超过5%的合金元素

铸造缺陷

组织结构不均匀、偏析、非金属夹杂、气孔、缩孔和裂纹等

钢材的加工

热加工

将钢锭或钢坯加热到一定温度后再进行加工，通常有轧制和锻压等加工方式

冷加工

在常温下通过机械加工使钢材达到变形、拉直、除锈等效果的一种加工方式

冷作硬化（应变硬化）：强度、硬度提高，塑性、韧性降低

热处理

将钢在固态范围内以不同的加热、保温和冷却措施，以改变其内部组织构造，达到改善钢材性能的一种加工工艺

包括淬火、回火、退火、正火四种基本工艺

钢结构所用钢材的性能

钢材的破坏形式

塑性破坏

构件应力超过屈服点，并且达到抗拉极限强度后，构件产生明显的变形并断裂

脆性破坏

在破坏前无明显变形，平均应力也小（一般小于屈服点），没有任何预兆

常温下钢材的应力-应变关系

应力-应变关系曲线：弹性阶段 (OA)、塑性阶段 (AB)、强化阶段 (BC)、颈缩阶段 (DE)

设计以钢材的屈服点fy作为静力强度承载力极限

钢材的冷弯性能

以试件表面和侧面不出现裂缝和分层为合格

检验钢材适应冷加工的能力，显示钢材内部缺陷，考察钢材在复杂应力状态下塑性变形能力

钢材的冲击韧性

反映钢材的塑性变形能力

钢材强度越高，韧性越差，脆性越强

影响钢材性能的主要因素

化学成分

纯铁Fe(约占99%)

碳C↑→变脆(强度↑, 塑性↓, 韧性↓, 可焊性↓, 冷弯性能↓)

其它主要元素

有益元素

硅Si适量↑→强度↑,塑性、韧性、可焊性、冷弯性能变化不大

锰Mn→影响同Si

有害元素

硫S→热脆, 降低冲击韧性、疲劳强度、焊接性能等

磷P→冷脆, 明显降低塑性、韧性、冷弯和焊接性能

氧O→影响同S

氮N→影响同P

焊接

碳素结构钢

含碳量在0.12%~0.2%范围内

低合金高强度钢

碳当量不超过0.38%

应力集中

定义

受力构件由于外部因素或自身原因、几何形状、外形尺寸等发生突变而引起局部范围内应力显著增大的现象

特点

自相平衡，与外力无关

避免或减小

在进行钢结构设计时，应尽量使构件和连接节点的形状和构造合理，防止截面的突然改变；在进行钢结构的焊接构造设计和施工时，应尽量减小焊接残余应力

温度

钢材具有一定的热脆性能，但不耐火

防止钢结构火灾损伤的途径有两种：其一是用防火材料加以保护；其二是开发和应用耐火钢材

低温冷脆

荷载类型

加载速率

循环荷载

复杂应力状态下钢材的屈服条件

σ < fy

弹性受力状态

σ≥ fy

已经屈服或处于强化受力阶段

钢材的疲劳

疲劳破坏的特征

交变应力远小于钢材屈服强度

低应力脆性断裂

局部性质

累积损伤过程

常幅疲劳

非焊接结构的疲劳

除与主体金属和连接类型有关外，还与循环应力的应力比ρ和循环次数n有关

焊接结构的疲劳

对于焊接钢结构，疲劳强度起控制作用的是应力幅

常幅疲劳验算

钢结构的疲劳计算采用传统的基于名义应力幅的构造分类法

取N=5×10⁶次时的应力幅为常幅疲劳极限，取N=1×10⁸次时的应力幅为变幅疲劳极限

低于疲劳极限（对常幅疲劳问题）或截止限（对变幅疲劳问题）的应力幅一般不会导致疲劳破坏

变幅疲劳

变幅疲劳的一般计算方法

吊车梁的疲劳验算

疲劳计算中应注意的问题

直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力循环次数n大于或等于 5×10⁴次时，应进行疲劳计算

在非焊接构件和连接的条件下，在应力循环中不出现拉应力的部位可不计算疲劳

所有类别的容许应力幅都与钢材的静力强度无关

钢的种类和钢材规格

钢的种类

碳素结构钢

牌号：Q+屈服强度+质量等级+脱氧程度（1）Q——屈服点的字母（2）屈服强度——屈服点数值，如 Q195, Q215, Q235, Q255, Q275 （3）质量等级—— A~D(低→高)，冲击韧性、冷弯性能要求不同（4）脱氧程度——F, b, Z 和 TZ

冲击韧性

Q235A：不要求 Q235B：20℃ Q235C：0℃ Q235D：-20℃

冷弯性能

A: 不要求 B、C、D: 合格

脱氧程度

A、B：F、b、Z C：Z D：TZ

低合金高强度结构钢

牌号：Q+屈服强度+质量等级+脱氧程度（1）Q——屈服点的字母（2）屈服强度——屈服点数值，如 Q295, Q355, Q390, Q420, Q460等（3）质量等级—— A~E(低→高)，冲击韧性、冷弯性能要求不同（4）脱氧程度——Z和TZ

冲击韧性

A: 不要求 B: 20℃ C: 0℃ D: -20℃ E: -40℃

冷弯性能

A: 按要求 B、C、D、E: 合格

脱氧程度

A、B：Z C、D和E：TZ

优质碳素结构钢

与碳素结构钢的主要区别在于钢中杂质元素较少，磷、硫等有害元素的含量均不大于0.035%，其他缺陷的限制也较严格，具有较好的综合性能

其他建筑用钢

特殊用途的钢结构常用专用结构钢

相应钢号再加上专用用途代号 (R、q、G、g、GJ)

耐候钢

加入少量的合金元素

连接用钢

钢材的规格

钢板

—宽×厚×长 (mm)

热轧型钢

工字钢：I32c,Q I32 H型钢：HW, HM, HN 角钢：L 边宽×厚度，L 长边宽×短边宽×厚度 (mm) 槽钢：[(Q [ ） + 截面高度 (cm) + a, b, c 钢管：φ d×t

冷弯薄壁型钢

钢材的选用原则

结构的重要性

荷载情况

连接方法

结构所处的温度和环境

钢材厚度

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钢结构所用钢材的性能

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复杂应力状态下钢材的屈服条件

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