二章节钢结构材料.ppt

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1、第二章 钢结构材料,第一节 建筑钢结构对材料的要求 第二节 钢材的主要性能测试 第三节 影响钢材性能的主要因素 第四节 复杂应力状态下的屈服条件 第五节 钢材的疲劳 第六节 建筑结构用钢的种类及选择,第一节 建筑钢结构对材料的要求,建筑结构用钢来说，主要有三方面的要求。 1、较高的强度：结构承载力大，所需截面小，结构的自重轻； 2、较好的塑性及韧性：塑性好，破坏前变形明显，不易发生脆性破坏，同时可以调整局部高峰应力，内力重分布；韧性好，利于承受动力荷载，避免发生裂纹和脆性断裂； 3、良好的加工性能：不因加工对结构的强度、塑性、韧性造成较大的不良影响； 4、其他性能：具有适应低温、高温和抵抗腐蚀

2、的性能； 钢结构设计规范GB50017-2003推荐承重结构用钢宜采用：炭素结构钢中的Q235钢及低合金高强结构钢中的Q345、Q390和Q420钢四种钢材。,第二节 钢材的主要性能测试,一、强度,1、弹性阶段 由零到比例极限，应力应变符合虎克定律，完全卸载时变形变为零，不存在残余变形，直线斜率为弹模,曲线五个阶段,2、弹塑性阶段 应力应变非线性关系，应变包括弹性应变和塑性应变，卸载时塑性应变不能恢复，存在残余变形；钢材内部晶粒发生滑移；相应的应力为屈服点； 3、塑性阶段 应力屈服后，应力保持不变，应变继续增加；相应的应变幅度称为流幅，流幅越大，钢材的塑性越好 4、强化阶段 屈服后，恢复抵抗外

3、载能力，曲线呈上升的非线性关系，直到抗拉强度（对应极限荷载） 5、颈缩阶段 到达极限荷载后，在试件质量较差截面发生颈缩，即截面减小，变形增大，承载能力随之下降，试件破坏。,钢材的破坏形式 塑性破坏：加载后有较大变形，有明显的颈缩现象，因此破坏前有预兆，断裂时断口呈纤维状，色泽发暗；构件断裂发生在应力达到钢材的抗拉强度fu； 脆性破坏：加载后，无明显变形，因此破坏前无预兆，断裂时断口平齐，呈有光泽的晶粒状，脆性破坏危险性大；破坏时应力常小于钢材的屈服点fy；,二、塑性 1、定义：钢材屈服后，产生残余变形（塑变）而不发生脆性断裂的性质,2、指标：伸长率5（10）和断面收缩率 3、意义：代表钢材断裂

4、前具有的塑性变形能力；便于内力重分布，吸收能量。,思考：相同材料分别采用长试件（10d）和短试件（5d），请问两者哪个大？,三、韧性冲击韧性 1、定义：动力性能，钢材在一定温度下塑变及断裂过程中吸收能量的能力，即抵抗冲击荷载的能力； 2、计算：断口（单位面积上）的功即为冲击韧性； 3、试件类型：夏比（V形）和梅氏（U形） 4、温度的影响：温度越低，冲击韧性越低；按常温（20）、零温（0） 、负温（-20、-40）四档区分。,冲击韧性测量实验,四、冷弯性能 1、定义：在冷加工过程中产生塑性变形（弯曲变形）时，对产生裂纹（分层）的抵抗能力。 2、两个参数：弯心直径d和弯曲角度180； 3、意义：判

5、别钢材塑性变形能力及冶金质量（颗粒结晶及非金属杂质分布）的综合指标。 4、对象：对需进行冷加工、尤其是焊接结构焊接变形需要进行调直和调平的构件。,五、可焊性 1、定义：可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合格的(无裂纹的)焊缝的性能。,2、分类：施工上可焊性（焊缝金属和近缝区不出现裂缝）和使用性能上的可焊性（焊接构件在施焊后的力学性能不低于母材的力学性能）； 3、所含元素的影响：钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在0.120.20范围内的碳素钢，可焊性最好。碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆。,第三节 影响钢材性能的主要因素,1、化学成分 2、成材（冶金、浇铸及轧制）过程 3、钢材缺

6、陷 4、钢材硬化 5、应力集中 6、温度,一、化学成份的影响 基本成份：铁（Fe) 有益元素：碳（C）、硅（Si）、锰（Mn） 有害元素：硫（S）、磷（P）、氮（N）、氧（O） 1、碳（C） 碳是形成钢材强度的主要成分； C强度塑性、韧性、可焊性、冷弯性能 焊接结构应控制在0.20%。,2、锰（Mn）：提高强度但不过多降低塑性和冲击韧性； 脱氧作用，但属于弱脱氧剂； 消除硫对钢的热脆影响； 锰可使钢材的可焊性降低，故含量有限制。 3、硅（Si）： 有脱氧作用，是强脱氧剂。 使钢材的粒度变细，控制适量时可提高强度而不显著影响塑性、韧性、冷弯性能及可焊性； 过量时则会恶化可焊性及抗锈蚀性。 4钒(

7、V)、铌(Nb)、钛(Ti) 使钢材晶粒细化； 低合金钢的合金元素； 提高钢材强度，又保持良好的塑性、韧性。,5、硫(S) 生成易于熔化的硫化铁，当热加工及焊接时易出现裂纹，称为热脆。 降低钢的冲击韧性，同时影响疲劳性能与抗锈蚀性能。 6磷(P) 碳素钢中的杂质，在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。在高温时使钢减少塑性。 但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。 7氧(O)、氮(N) 氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈； 氮能使钢冷脆，与磷相似。 在浇铸过程中，应根据需要进行不同程度的脱氧处理。,二、 成材过程的影响 1冶炼 平炉炼钢 氧气顶吹转炉炼钢：投资少、建厂快、生产效率高、原料适应性大 电炉炼钢 2

8、浇铸 特殊镇静钢 镇静钢：硅强脱氧剂；晶粒较细，强度高，塑性韧性好，可焊性好 半镇静钢 沸腾钢：锰弱脱氧剂，CO溢出；构造和晶粒粗细不均匀，塑性、韧性和可焊性较差,3轧制 轧制能使金属的晶粒变细，气泡、裂纹等焊合，能改善钢材的力学性能。 薄板因辊轧次数多，其强度比厚板略高； 浇铸时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层，设计时应尽量避免拉力垂直于板面的情况，以防止层间撕裂。 三、钢材缺陷的影响 1、偏析：化学成分不一致和不均匀性，尤其是硫磷偏析； 2、非金属夹杂：硫化物和氧化物等杂质； 3、裂纹：微观和宏观的裂纹都将使钢材的冷弯性能、韧性和疲劳强度降低； 4、分层：沿厚度方向形成并不相互脱离的

9、层间。垂直厚度方向强度不影响，冷弯性能降低，分层容易被锈蚀。,四、钢材硬化的影响 1、冷作(应变)硬化：冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大塑性变形，强度提高，但减小了塑性和韧性。 2、时效硬化：钢材中的C、N，随着时间的增长和温度的变化，而形成碳化物和氮化物，使钢材变脆，又称“老化” 3、应变时效：冷作硬化加时效硬化。 不管哪一种硬化都将降低钢材的塑性和韧性，所以普通钢结构中一般不利用硬化现象所提高的强度；对于有些重要结构要求对钢材进行特殊处理，以消除或减轻硬化的不利影响。,钢材硬化示意图,五、温度影响 随着温度的升高，钢材强度降低，变形增大；随着温度降低，强度增高但塑性和韧性降

10、低，材料转脆，对冲击韧性的影响十分突出。 当温度降至某一数值时，钢材的韧性突然降低，称为低温冷脆现象。,在结构设计中要求避免完全脆性破坏，所以结构所处温度应大于脆性转变温度T1。,六、应力集中 概念：当截面完整性遭到破坏，如有裂纹(内部的或表面的)、孔洞、刻槽、凹角时以及截面的厚度或宽度突然改变时，构件中的应力分布将变得很不均匀。在缺陷或截面变化处附近，应力线曲折、密集、出现高峰应力的现象称为应力集中。 力学特点：构件变化愈急剧，高峰应力愈大，塑性下降愈严重，脆性破坏危险愈大。,第四节 复杂应力状态下的屈服条件,复杂应力状态下的屈服准则：复杂应力状态下单位体积的单元体发生畸变时的变形能与单向拉

11、伸时单位体积的单元体屈服时的畸变应变能量相等，则该复杂应力状态的单元体达到屈服；,复杂应力状态下单位体积单元体变形能：,单向受力状态下单位体积单元体变形能：,单向受力达到屈服时单位体积单元体变形能：,令,则,记折算应力,进一步讨论 （1）三向同号应力作用下，折算应力很小，不易屈服，没有明显的塑性变形，属于脆性破坏；反之，当存在异号应力时，钢材易屈服而进入塑性状态，呈塑性破坏。 （2）平面应力：今后判断复杂平面应力是否屈服的公式； （3）平面纯剪时，fvy，剪切屈服点。,（1）当 时，钢材未屈服； （2）当 时，钢材屈服；,1、概念：在连续反复荷载作用下，当应力低于抗拉强度甚至低于屈服强度，钢材

12、发生疲劳破坏；属于脆性破坏 2、实质：微观裂缝在多次重复荷载作用下，微细裂缝缓慢发展到削弱原有截面，使构件或连接件因净截面强度不足而突然破坏。 3、疲劳强度：取决于应力集中、残余应力和应力循环次数。 4、验算对象：（1）出现拉应力；（2）循环次数大于5万。,第五节 钢材的疲劳,完全对称循环( -1) 静荷载作用( +1),脉冲循环( 0) 一般应力循环(-1+1),5、应力循环： 应力比值 常幅应力循环 变幅应力循环,6、疲劳验算,：对焊接结构为应力幅 maxmin；对非焊接部位为折算应力幅 max0.7min ，应力以拉为正，压为负； ：常幅疲劳的容许应力幅：,式中C，查表系数。容许应力幅与

13、循环次数和应力集中程度有关，次数越多， 越小；构件和连接所属的类别越高，其应力集中程度越严重，容许应力幅越小。,第七节 钢材的种类和选择,一、建筑钢材的类别,1、碳素结构钢 牌号表示： 质量等级据化学成分及冲击韧性分为A、B、C、D四级； 脱氧程度 冲击韧性,2、低合金高强度结构钢 在钢的冶炼过程中添加少量几种合金元素使钢的强度明显提高，故称低合金高强度结构钢。 Q345、Q39O和 Q420 是钢结构设计规范规定采用的钢种。其符号的含义和碳素结构钢牌号的含义相同。不同质量等级对碳、硫、磷、铝等含量的要求也有区别。 低合金高强度结构钢一般属于镇静钢，因此牌号中不注明脱氧方法。,二、 钢材的选择

14、,1. 结构或构件的重要性； 2. 荷载性质（静载或动载）； 3. 连接方法（焊接、铆接或螺栓连接）； 4. 工作条件（温度及腐蚀介质）。 Q235A 钢的保证项目中，碳含量、冷弯试验合格和冲击韧性值并未作为必要的保证条件，所以只宜用于不直接承受动力作用的结构中。当用于焊接结构时，其质量证明书中应注明碳含量不超过 0.2%。,三、型钢规格 1热轧钢板 热轧钢板分厚板及薄板两种，厚板的厚度为4.560mm(广泛用来组成焊接构件和连接钢板)，薄板厚度为0.354mm(冷弯薄壁型钢的原料)。在图纸中钢板用“-厚 x 宽 x 长（单位为毫米）” ，如：-12 x800x 2100等。 2热轧型钢 角钢

15、 有等边和不等边两种。等边角钢，以边宽和厚度表示，如 L100 x10为肢宽 100 mm 、厚 10mm 的等边角钢。不等边角钢，则以两边宽度和厚度表示，如 L100 x 80 x10 等。,槽钢表示法如 30a ，指槽钢外廓高度为 30cm 且腹板厚度为最薄的一种； 工字钢表示法如 I 30a ，指槽钢外廓高度为 30cm 且腹板厚度为最薄的一种； H 型钢分为三类：宽翼缘 H 型钢（ HW ）、中翼缘 H 型钢（ HM ）和窄翼缘 H 型钢（ HN ）。 表示方法如：HW300x300 ，即为截面高度为 300mm ，翼缘宽度为 300 mm 的宽翼缘 H 型钢。 剖分 T 型钢分为三类，即：宽翼缘剖分 T 型钢（ TW ）、中翼缘剖分 T 型钢 ( TM ）和窄翼缘剖分 T 型钢( TN ）。剖分 T 型钢系由对应的 H 型钢沿腹板中部对等剖分而成。表示方法与 H 型钢类同。,3、冷弯薄壁型钢 用 26mm 厚的薄钢板经冷弯或模压而成型的。压型钢板是近年来开始使用的薄壁型材，所用钢板厚度为 0.42mm ，用做轻型屋面等构件。,第二章 作业 2-4 简述引起钢材脆性破坏的因素。,