【PPT课件】钢结构的材料

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1、2.1 钢材的主要力学性能 2.2 影响钢材性能的因素 2.3 复杂应力下的屈服条件2.4 钢结构的疲劳破坏和疲劳计算 2.5 钢材的种类、选用和型钢规格,本章内容：,钢材的种类很多，其化学成分不同，性能各异。钢材的性能主要有：力学性能、加工性能和抗侵蚀等性能。因此，必须了解钢材的强度、塑性、冷弯、韧性、可焊性以及影响钢材性能变化的各种因素，才能根据钢结构所受的荷载、工作环境，选择符合要求的钢材。,2.1 钢材的主要力学性能,2.1.1 钢材的强度指标和塑性指标（1）单向均匀受拉的工作特性 在常温静载情况下，Q235钢材标准试件（图2.1）受单向拉伸试验时的应力应变曲线如图2.2。,图2.1

2、标准试件,图2.2 Q235钢单向受拉应力应变曲线,拉伸曲线反映了钢材的力学特性，描述如下：1)弹性阶段：OAE段 OA直线的斜率称为弹性模量E，fp称为比例极限，fe称为弹性极限。2)弹塑性阶段：EC段 与不呈比例，除弹性变形外还有塑性变形，fy称为屈服强度，又叫屈服点（yield point，材料力学中用s表示）。,工作特性,单向受拉应力应变曲线,3)屈服阶段：CF段 钢材完全屈服，不增加（保持fy），而骤增。4)强化阶段：FB段 经过屈服阶段后，钢材内部组织重新排列，抵抗外力的能力增强。5)颈缩阶段：BD段 应力超过fu后，试件出现“颈缩”而断裂， fu称为抗拉强度(tensile st

3、rength，材料力学中用b表示）。,工作特性,单向受拉应力应变曲线,根据上述特性，可确定钢材的强度指标和塑性指标。,(2)强度指标 由于fy、fp、fe很接近，应变很小，0.1%(y0.15%)可以把三点看作为一点，并以屈服点fy作为代表。 钢结构设计中，把钢材的屈服点fy作为钢材的强度标准值fkfy。 常用结构钢材的强度设计值f（design value）可查材料手册（见附表1.1）。弹性设计时，构件的应力不能大于f值。 抗拉强度fu在实际构件中是不允许达到的，钢材的抗拉强度fu值高，可以增加结构的安全保障。,另外，Q235钢材在屈服前接近理想的弹性体，而屈服后的流变现象接近理想的塑性体，

4、且流变的范围很大（0.15%2.5%）。因此，可认为钢材是理想的弹-塑性体（图2.3）。即假定钢材应力小于fy时是完全弹性的，应力超过fy后则是完全塑性的。利用钢材理想弹塑性假定，可以简化钢构件的弹塑性分析计算。,强度指标,图2.3 理想弹塑性的应力应变曲线,高强度钢材没有明显的屈服台阶，这类钢的屈服点是根据实验分析结果人为规定的，称为条件屈服（用f0.2表示，定义为试件卸载后其残余应变为2%时所对应的应力）。这类钢材在设计中不宜利用塑性。,图2.4 高强度钢的应力应变曲线,强度指标,钢材在单向受压时（短试件） ，抗压强度与单向受拉时相同。钢材受扭转时的应力应变曲线也与受拉时相似，但剪切屈服点

5、和抗剪强度低于fy和fu；剪变模量G也低于弹性模量E。钢材和铸钢件的弹性模量、剪变模量、线膨胀系数和质量密度列于表2.1。,强度指标,断面收缩率：,式中l0试件拉伸前标距长度; l1试件拉断后原标距间长度; A0试件截面面积; A1拉断后颈缩区的截面面积。钢材的伸长率愈大，钢材塑性愈好,(3)塑性指标延伸率：,2.1.2 冷弯性能 冷弯性能是指钢材在冷加工产生塑性变形（deformed）时，对产生裂缝的抵抗能力。如图2.3所示将试件弯曲成规定的角度后,检查试件弯曲部分的表面有无裂缝、裂断、分层等，没有即为合格。 冷弯试验是鉴定钢材质量的一种良好方法，常作为静力拉伸试验和冲击试验的一种补充试验，

6、是一项衡量钢材力学性能的综合指标。,图2.5 冷弯1800试件,2.1.3 冲击韧性 冲击韧性是衡量钢材强度、塑性及材质的一项综合指标。钢材的韧性与轧制方法、环境温度有关。冲击韧性由冲击试验测定。 冲击韧性： (Nm/cm2) 式中：AK试验机的冲击功（Nm)； A缺口处净截面面积(cm2)。,图2.6 冲击韧性试验,2.1.4 可焊性 焊接后焊缝金属及其附近的热影响区金属不产生裂纹，并且焊缝的力学性能不低于母材的力学性能。2.1.5 耐久性 耐腐蚀性：钢材耐腐蚀性较差，必须采取防护措施，新建结构需要油漆，已建成的结构需定期维护。 耐老化性：随着时间的增长，钢材的力学性能有所改变，出现“时效”

7、现象，即“老化”。“时效” 使钢材变脆。 耐长期高温性：在长期高温条件下工作的钢材，其破坏强度比常温拉伸试验的强度低得多，应另行测定“强度”。 耐疲劳性：钢结构或构件在长期连续的交变荷载或重复荷载作用下，应力虽低于fy也会发生破坏，称为“疲劳破坏”。,2.1.6 钢构件的两种破坏形式1)塑性破坏构件破坏前有明显的变形或破坏前兆。塑性破坏容易被发现而采取补救措施,可避免造成严重后果.2)脆性破坏破坏前构件变形很小,平均应力一般都小于屈服点fy,破坏始于应力集中处,如缺口、裂纹、凹角和多向受拉区域. 破坏前没有任何预兆,无法及时被发现和采取补救措施,危及生命财产安全,后果严重。因此，设计时应尽量避

8、免构件出现脆性破坏。,BACK,2.2.1 化学成分的影响主要化学成分铁（Fe，在碳素结构钢中约占99%） 少量元素碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、磷（P）、硫（S）、氧（O）、氮（N）、钛（Ti）、钒 （V）碳碳是决定钢材性能的最重要元素。建筑用钢一般多用碳素结构钢，属于低碳钢，含碳量小于0.25%；工程所用低合金钢，其含碳量小于0.52%。,2.2 影响钢材性能的因素,硅 硅是作为脱氧剂存在钢中，是钢中的有益元素。硅含量较低（小于1.0%）时，能提高钢材的强度，而对塑性和韧性无明显影响。 锰 锰是炼钢时用来脱氧去硫而存在于钢中的，是钢中的有益元素。锰具有很强的脱氧去硫能力，能消除或减轻氧

9、、硫所引起的热脆性，能提高钢材的强度和硬度。磷 磷是钢中很有害的元素。随着磷含量的增加，钢材的强度、屈强比、硬度均提高，而塑性和韧性显著降低。特别是温度愈低，对塑性和韧性的影响愈大，加大钢材的冷脆性。,影响因素,硫 硫是钢中很有害的元素。硫的存在会加大钢材的热脆性，降低钢材的各种机械性能，也使钢材的可焊性、冲击韧性、耐疲劳性和抗腐蚀性等均降低。氧氧是钢中的有害元素。随着氧含量的增加，钢材的强度有所提高，但塑性特别是韧性显著降低，可焊性变差。氧的存在会造成钢材的热脆性。氮 氮对钢材性能的影响与碳、磷相似，随着氮含量的增加，可使钢材的强度提高，塑性特别是韧性显著降低，可焊性变差，冷脆性加剧。氮在铝

10、、铌、钒等元素的配合下可以减少其不利影响，改善钢材性能，可作为低合金钢的合金元素使用。,影响因素,钛 钛是强脱氧剂。钛能显著提高强度，改善韧性、可焊 性，但稍降低塑性。钛是常用的微量合金元素。钒 钒是弱脱氧剂。钒加入钢中可减弱碳和氮的不利影响，有效地提高强度，但有时也会增加焊接淬硬倾向，钒也是常用的微量合金元素。,影响因素,2.2.2 冶炼、浇铸、轧制的影响(1)冶炼 我国目前钢结构用钢主要是平炉和氧气转炉冶炼而成，两种冶炼方法炼制的钢质量大体相当。,影响因素,(2)脱氧方法 用锰、硅、铝作为脱氧剂进行脱氧（deoxidize）.它们之间的脱氧能力比为锰:硅:铝=1:5:90。按脱氧程度或方法

11、不同而分为沸腾钢(F)、镇定钢(Z)、半镇定钢(b)和特殊镇定钢(TZ)。沸腾钢 组织不够致密，成分不太均匀，硫、磷等杂质偏析较严重，故质量较差。但因其成本低、产量高，故被广泛用于一般工程。镇静钢 成本较高，但其组织致密，成分均匀，含硫量较少，性能稳定，故质量好。适用于预应力混凝土等重要结构工程。半镇静钢 质量较好。特殊镇静钢 质量最好，适用于特别重要的结构工程。,影响因素,（3）轧制 轧制（rolling）钢材是把钢锭加热到1200-1300高温时进行，这时钢具有较好的热塑性，利用轧钢机压力的作用，可使钢锭中的小气泡、裂纹和质地较疏松部分压合密实，消除组织缺陷和细化钢的晶粒。因此，轧制钢比铸

12、钢质量好。压缩比越大，钢材的力学性能越好。此外，由于轧辊的压延作用，钢材顺轧辊轧制方向的性能比横向的性能好。,影响因素,2.2.3 残余应力的影响 热轧型钢中的残余应力（remaining stress）是因不均匀冷却而产生的。型钢冷却时其边缘、尖角及薄细部位因与空气接触多而冷却快，先冷却部位常形成强劲的约束（constraint），阻止后冷却部位的自由收缩，从而使后冷却部位受拉，形成自相平衡的复杂的残余应力分布。此后钢材的调直和加工（剪切、气割、焊接等）还将改变这种分布。构件承受荷载时，荷载引起的应力将与残余应力叠加（superposition），使构件有些部位提前达到屈服并发展塑性变形，使

13、截面的弹性区域减少。因此残余应力将降低构件的刚度（stiffness）和稳定性，而对构件的强度不产生影响。,影响因素,2.2.4 温度的影响(1)温度升高 当温度升高，钢材的强度和弹性模量的总趋势是降低，但在150以下时变化不大。当温度在250时，钢材的抗拉强度有较大的提高，但塑性、韧性变差，此时的破坏为脆性破坏，称为“蓝脆”。当温度超过300时，其强度和弹性模量开始显著下降，而塑性开始显著增大，钢材产生徐变。达到600时，强度几乎为零。,影响因素,(2)温度降低 温度下降到负温时，钢材的强度虽有提高，但塑性和韧性降低、脆性增加，出现脆性转变温度。以韧性指标为例（右图），反弯点对应的温度T0即

14、为脆性转变温度。选用钢材时应使结构所处的环境温度高于脆性转变温度的下限值T1，且在环境温度下具有足够的冲击韧性值。,影响因素,2.2.5 钢材硬化的影响(1)冷作硬化 钢材在常温下冷加工（拉、拔、弯、冲切、剪切等）的过程。当加载到强化区间卸载后，钢材的塑性变形不能恢复，再次加时，钢材的屈服强度提高，弹性范围增加，但塑性和伸长率降低。这一性质称为冷作硬化（stiffening）。,(2)时效硬化 钢材随存放时间延长，会出现屈服强度提高，弹性范围增加，伸长率降低，这一性质称为时效effectiveness for a given period of time）硬化。这是因为随着时间的推移，钢材化学

15、成分中的氮和碳逐渐析出，形成了自由的氮化物和碳化物，他们能起到阻止纯铁体晶粒间的滑移，约束塑性发展，从而提高钢材的强度，降低塑性。人工加载让钢试件先产生10%左右的塑性变形，然后加热至250，并保温一小时后自然冷却（cooling），这一方法能加速时效进程，称为人工时效。,2.2.6 应力集中的影响 在构件截面发生变化的区域，截面应力分布并不均匀，突变处将产生局部高峰应力，这种因截面尺寸显著变化而引起应力局部增大的现象称应力集中（stress concentration）。分析表明：应力集中产生的高峰应力区附近总是存在平面或三维应力场，使钢材性能变脆而引发脆性破坏。 钢结构中应力集中现象不可避免，但只要在设计和施工时注意采取合理的构件形状和构造措施，使截面的变化平缓过渡，就能降低应力集中的影响。另外，在常温下承受静力荷载作用的钢结构，由于建筑钢材的塑性较好，当应力在局部达到屈服应力后，钢材的塑性变形使应力重分布，应力分布不均匀现象也会趋于平缓。因此，只要符合设计与施工规范的有关规定，计算时可不考虑应力集中的影响。,