结构用钢材的种类及本构关系如何?

钢材的品种繁多，钢结构中采用的钢材主要有两类，即碳素结构钢和低合金高强度结构钢。

(1)碳素结构钢根据现行的国家标准《碳素结构钢》(CB/T700-2006)的规定，碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点的数值(N/mm )、质量等级符号和脱氧方法符号等四个部分按顺序组成。

碳索结构钢分为Q195、Q215、 Q235、 Q255和Q275等五种，屈服强度越大，其含碳量、强度和硬度越大，塑性越低。其中Q235在使用、加工和焊接方面的性能都比较好，是钢结构常用钢材之-。

质量等级分为A、B、C、D四级，由A到D表示质量由低到高。不同质量等级钢对化学成分和力学性能的要求不同。A级无冲击吸收功规定，对冷弯试验只在需方有要求时才进行，其碳、锰、硅含量也可以不作为交货条件; B级、C级、D级分别要求保证20℃、0℃、-20℃时夏比V形缺口冲击吸收功Cv不小于27J (纵向)，都要求提供冷弯试验的合格保证，以及碳、锰、硅、硫和磷等含量的质量保证。

所有钢材交货时供方应提供属服点、极限强度和伸长率等力学性能的质量保证。

沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢分别用汉字拼音字首F、Z、b和TZ表示。对Q235, A、B级钢可以是Z、b或F, C级钢只能是Z, D级钢只能是TZ。Z和TZ可以省略不写。

如Q235AF表示屈服强度为235N/mm的A级沸腾钢; Q235Bb表示屈服强度为235N/mm的B级半镇静钢; Q235C表示屈服强度为235N/mm的C级镇静钢。

(2)低合金高强度结构钢低合金钢是指在炼钢过程中添加、种或几种少量合金元素，其总量低于5%的钢材。低合金钢因含有合金元素而具有较高的强度。根据现行国家标准《低合金高强度结构钢》(GB/T1591-1994)的规定,其牌号与碳素结构钢牌号的表示方法相同，常用的低合金钢有Q345、Q390、Q420等。

低合金钢交货时供方应提供屈服强度、抗拉强度、伸长率和冷弯试验等力学性能质量保证;还要提供碳、锰、硅、硫、磷、钒、铝和铁等化学成分含量质量保证。

低合金钢的质量等级除与碳素结构钢A、B、C、D四个等级相同外，增加E级，其要求提供-40℃时夏比V形缺口冲击吸收功C、不小于27J (纵向)。不同质量等级对碳、硫、磷、铝的含量的要求也有区别。

低合金钢的脱氧方法为镇静钢或特殊镇静钢。

Q345B表示屈服强度为345N/mm的B级镇静钢;Q390D表示屈服强度为390N/mm的D级特殊镇静钢。

各种牌号的结构钢材强度设计值见附录A。

碳素结构钢和低合金钢都可以采取适当的热处理(如调质处理)进一步提高其强度。例如用于制造高强度螺栓的45号优质碳素钢以及40硼(40B) 、20锰钛硼(20MnTiB)就是通过调质处理提高强度的。

当钢材厚度较大时(如大于40mm)，为避免焊接时产生层状撕裂，需采用Z向钢。Z向钢是在某一级结构钢(母级钢)的基础上，经过特殊冶炼和处理的钢材。z向钢在厚度方向有较好的延展性，有良好的抗层状撕裂能力，适用于高层建筑和大跨度钢结构的厚钢板结构。我国生产的Z向钢板的标记是在母级钢牌号后面加上Z向钢板等级标记，如Z15、Z25、Z35等，Z后数字为截面收缩率的指标(%)，截面收缩率的级别愈高，其抗层状撕裂的性能愈好。

为提高钢材的耐腐蚀性能，在低碳钢或低合金钢中加人铜、铬、镍等合金元素，从而冶炼制成一种耐大气腐蚀的钢材，称为耐候钢。在大气作用下，耐候钢表面会自动生成一种致密的防腐薄膜，起到抗腐蚀作用，这种钢材适用于露天的钢结构。

钢材在单向均匀受拉时的工作性能，通常是以标准试件静力拉伸试验的应力一应变曲线表示。图3-10a为低碳钢一次拉伸时的应力—应变曲线，从图中叮以看出，钢材的工作性能可分成如下几个阶段:

(1)弹性阶段(0A段)在此阶段，钢材表现出弹性，当荷载降为零时(完全卸载)，变形也降为零(回到原点)。0A段为一条斜直线，应力与应变成正比关系，符合胡克定律，弹性模量很大，直线的斜率为钢材的弹性模量。A点所对应的应力为比例极限fp严格地讲，比后略高处还有一个弹性极限点，但这一点与A点非常接近，内此通常略去该弹性极限点，将fp看作弹性极限。Q235钢的比例极限fp≈200N/mm，对应的应变Ep≈0.1%。

(2)弹塑性(AB段)当应力超过弹性极限后，应力与应变不再成正比，应变比应力增加速度快，弹性模量缓慢降低，材料进人弹塑性阶段。当应力达到σb，该阶段结束。由于该阶段过程较短，有时也归到殚性阶段。

(3)塑性阶段(BD段)该阶段应力基本保持不便，而应变不断增加，弹性模量儿乎为零，卸载后试件不能完全恢复到原来的长度，这个阶段称之为屈服阶段。卸载后能消失的变形称弹性变形，而不能消失的变形称塑性变形或残余变形。其应变的变化幅度为ε≈0.15%~2.5%。

在该阶段初期试件截面应力有一定的波动，其最高点和最低点分别称为上屈服点和下屈服点，上屈服点受试验条件(加荷速度、试件形状、试件对中的准确性)影响较大，不稳定，而下屈服点较稳定。因此,一般采用下屈服点作为钢材屈服点或屈服强度fvQ235钢的屈服点f,≈235N/mm，对应的应变εy =0.15%。

试验表明，钢材的屈服强度fy与比例极限fp很接近，在屈服强度fy之前，钢材应变很小，而在屈服强度fy以后，钢材产生很大的塑性变形，常使结构出现使用上不允许的残余变形。因此认为:屈服强度fy是设计时钢材可以达到的最大应力，在达到屈服强度以前钢材可看作为理想的弹性体(图3-12)。

(4)强化阶段(DE段)屈服阶段之后，曲线再度上升,但应变的增加快于应力的增加，塑性特征明显，这个阶段称为强化阶段。对应于E点的应力为抗拉强度或极限强度fu。

(5)颈缩阶段(EF段)到达极限强度后，试件出现局部截面横向收缩,塑性变形迅速增大，即颈缩现象。此时，荷载不断降低，变形继续发展，直至F点试件断裂。

低合金钢与低碳钢类似，有明显的屈服点和屈服平台，如图3-10b所示。对高强度钢材(如热处理钢材)，应力一应变曲线是一条连续的曲线，没有明显的屈服点和屈服台阶。这类钢的屈服点(或屈服强度)是以卸荷后试件残余应变为0.2%所对应的应力来定义的，称为名义属服点，如图3-11所示。