钢结构的材料（2011831）课件

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1、第二章,钢结构的材料,本章内容：（1）钢结构对材料的基本要求；,（2）钢材的破坏形式；,（3）钢材的主要机械性能；,（4）影响钢材性能的主要因素；,本章重点：钢材的主要机械性能、各种因素 对钢材性能的影响,本章难点：影响钢材性能的主要因素,（5）钢材种类和钢材规格；,1.较高的抗拉强度fu和屈服点fy；（结构的承载力大，所需的截面小，结构的自重轻） 2.较好的塑性、韧性；（塑性好，不易发生脆性破坏；韧性好，易于承受动力荷载） 3.良好的工艺性能（耐疲劳，冷、热加工，可焊性，耐锈蚀）,2.1 钢结构对材料的要求,2.2 钢材的破坏形式 钢材的破坏形式：塑性破坏和脆性破坏 塑性破坏： 破坏前变形大

2、，征兆明显，破坏延续时间长，断口呈纤维状，色泽发暗。 脆性破坏： 破坏前变形小，预兆不明显，破坏突然发生，断口平直并呈有光泽的晶粒状。,单向均匀拉伸时的性能 条件：标准试件（GB22863），常温（10-35）下缓慢加载，一次完成。含碳量为0.1%0.3%。 标准试件：Lo/d=5、10；Lo-标距； d -直径,2.3 钢材的主要性能,d,1.强度性能 1)比例极限fp：图中OP段为直线，表示钢材具有完全弹性性质，这时应力 P点应力称为比例极限。 弹性极限fe ：PE段仍具有弹性，但为非线性弹性阶段，此时的模量叫做切线模量， ， E点的应力称为弹性极限。 弹性极限和比例极限相距很近，实际上很

3、难区分，故通常只提比例极限。,2)屈服点 ：荷载增加，出现ES段，为非弹性性质，即卸荷曲线成为与OP平行的直线(图中虚线)，留下永久性的残余变形。此段上限S点的应力 称为屈服点。 低碳钢 出现明显的屈服台阶SC段，即在应力保持不变的情况下，应变继续增加。 高强度钢(高碳钢) 没有明显的屈服点和屈服台阶。屈服条件是根据试验分析结果人为规定的，故称为条件屈服点(或屈服强度)。条件屈服点是以卸荷后试件中残余应变为0.2所对应的应力定义的。,上屈服点和下屈服点 进入塑性流动范围时，曲线波动较大，逐渐趋于平稳，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 和试验条件(加荷速度、试件形状、试件对

4、中的准确性)有关。 下屈服点 不敏感，设计中则以下屈服点为依据。 理想的弹-塑性体 无缺陷和残余应力影响的试件比例极限和屈服点比较接近，且屈服点前应变很小。为简化计算，假定屈服点前钢材为完全弹性，屈服点后为完全塑性的，这样就可把钢材视为理想的弹-塑性体。 应力-应变曲线表现为双直线。,3)抗拉强度或极限强度 超过屈服台阶，材料出现应变硬化，曲线上升，直至曲线最高处的B点，这点的应力 称为抗拉强度或极限强度。 当应力达到B点时，试件发生颈缩现象，至D点而断裂。当以屈服点的应力 作为强度限值时，抗拉强度称为材料的强度储备。,2.塑性性能-伸长率和截面收缩率,伸长率:试件被拉断时的绝对变形值与试件原

5、标距之比的百分数，称为伸长率。 伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性应变的能力。,当l0/d=5时，用5表示， 当l0/d=10时，用10表示。,断面收缩率:颈缩断口处截面积的缩减值与原截面积的比值,3 、冷弯性能,弯曲有无裂纹、分层 衡量钢材塑性性能和质量优劣的综合指标。,冷弯性能由冷弯试验来确定。试验时在试验机上用冲头加压，使试件弯成l80，如试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。,4、冲击韧度,衡量钢材在动力（冲击）荷载、复杂应力作用下抗脆性破坏能力的指标，用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。,(a)梅氏U型缺口 (b)夏比V型缺口 (恰贝),由试件断裂吸收的能量Akv来衡量钢材的

6、冲击韧性， 单位：J。 Akv受温度的影响,2.3.2 焊接性与耐久性能,焊接性：采用一般焊接工艺就可完成合格的（无裂纹的）焊缝的性能。 焊接性受碳含量和合金元素含量的影响。,对于承受动力荷载的焊接结构，应对所用钢材进行焊接性能的鉴定。,耐久性主要指耐腐蚀性能。,钢材的机械性能指标,1、屈服点fy； 2、抗拉强度fu ； 3、伸长率； 4、冷弯试验； 5、冲击韧性Cv (包括常温冲击韧性、 0度时冲击韧性 负温冲击韧性）； 6、焊接性与耐久性能,小 节,一、化学成分 二、冶金缺陷 三、温度影响 四、钢材硬化 五、应力集中 六、反复荷载作用,2.4 各种因素对钢材主要性能的影响,一、化学成分 碳

7、素结构钢中Fe占99%，其他杂质元素占1%； 低合金高强度结构钢中合金元素3%。 1. 碳（C）：钢材强度的主要来源，随其含量增加，强度增加，塑性和韧度降低，焊接性降低，冷弯性能降低，抗腐蚀性降低。 一般控制在0.17%-0.22%以下， 在0.2以下时，可焊性良好。,2.锰（Mn）：含Mn适量使强度，降低S、O的热脆影响，改善热加工性能，有益元素。在碳素结构钢中0.3%-0.8%，在低合金高强度钢中1.0%-1.7%。 3.硅（Si）：含Si适量使强度，其他影响不大，有益元素，在碳素结构钢中0.07%-0.3%，在低合金高强度钢中0.55%。 4.钒（V）、铌（Nb）、钛（Ti）：使强度，同

8、时提高耐腐蚀性能，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。 5.铝（Al）：含Al适量能使冲击韧性，减少钢中的有害氧化物，细化晶粒。,6.硫（S）：含量增加使钢材的塑性 、韧性 、可焊性 、强度，热脆性（高温下使钢材脆性增加）。不得超过0.045%-0.05%。 7.磷（P）：含量增加使钢材的塑性 、韧性 、可焊性 、强度，冷脆性。可焊性降低。不得超过0.045%。 8.氧（O）：有害杂质，与S相似。 9.氮（N）：有害杂质，与P相似。,钢材性能之情况 化学成分有影响 碳锰硅钒铝适量 硫磷氧氮使变脆,巧记忆顺口溜：,二冶金缺陷,钢材在冶炼、轧制过程中出现的缺陷。常见的冶金缺陷有：偏析

9、、非金属夹杂、裂纹、分层、气孔等。,钢锭剖面,冶炼（脱氧） 沸腾钢 脱氧不充分，浇铸时大量气体逸出，钢液表面沸腾。冷却快，气体不能充分逸出，偏析严重。 镇静钢 脱氧充分，浇铸时，气体易逸出，钢液表面平静，缺陷少。,二冶金缺陷,注意：薄钢板的强度比厚钢板的强度高。,钢的轧制使晶粒细化,工字钢轧辊,二冶金缺陷,1、偏析：钢中化学成分分布不均匀，主要的偏析是硫、磷，将使偏析区钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。,型钢硫的偏析,二冶金缺陷,2、非金属杂质：钢中存在非金属的夹杂，如硫化物、氧化物。 3、裂纹、分层：影响冷弯性能。 4、气孔：浇铸过程中由FeO与C作用所生成的CO气体不能充分逸出而滞留在钢锭内形

10、成的微小空洞。,三、温度影响,1正温范围,100以内对钢材性能无大影响； 随温度升高总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大。,250左右抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性增加兰脆现象，该温度区段称为“兰脆区”。 260320产生徐变现象。 600左右弹性模量趋于零 ，承载能力几乎完全丧失。,150度为宜，超过之后表面需加隔热保护层。,钢材的脆性倾向随温度降低而增加，材料强度略有提高，但其塑性和韧性降低，该现象称为低温冷脆。,2负温范围,四、钢材的硬化（强度提高，塑性和韧度下降）,冷作硬化冷加工使钢材产生很大的塑性变形，使得屈服强度提高，而塑性和韧度降低的现象，称“应变硬化”。 时效硬化随时间的增

11、长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。 应变时效钢材产生10%的塑性变形后，再加热到200 -300，然后冷却到室温，可使碳、氮化合物更易析出，时效硬化加速发展，只需几小时即可完成，即冷加工硬化的同时可以加速时效硬化，因此也称“人工时效”。,五、应力集中,1.应力集中的概念 构件表面不平整，有孔洞、缺口、凹角等缺陷或截面变化处，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处有高峰应力应力集中。,2.应力集中的影响,3.减小应力集中现象的措施,由于钢材具有良好的塑性性能，当承受静力荷载且在常温下工作时，只要符合规范规定的设计要求，可以不考虑应力集中的影响。,六反复荷载作用,疲劳 在直接连续反复的动力

12、荷载作用下，根据试验，钢材的强度将降低，即低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的极限强度。 疲劳破坏表现为突然发生的脆性断裂。 实际上疲劳破坏是累积损伤的结果。材料总是有“缺陷”的，在反复荷载作用下，先在其缺陷处发生塑性变形和硬化而生成一些极小的裂痕，此后这种微观裂痕逐渐发展成宏观裂纹，试件截面削弱，而在裂纹根部出现应力集中现象，使材料处于三向拉伸应力状态，塑性变形受到限制，当反复荷载达到一定的循环次数时，材料破坏，并表现为突然的脆性断裂。,2.5 复杂应力作用下钢材的屈服条件,单向拉伸 应力达到屈服点时，钢材即进入塑性状态。 复杂应力状态 如平面或立体应力作用下，钢材由弹性状态转入塑性状态的条件

13、是按能量强度理论计算的折算应力与单向应力下的屈服点比较来判断：,当 时，为弹性状态； 时为塑性状态。,2.5 复杂应力作用下钢材的屈服条件,三向应力有一向应力很小(如厚度较小，厚度方向的应力可忽略不计)或为零时，则属于平面应力状态： 在一般的梁中，只存在正应力和剪应力，则： 当只有剪应力时， 0 得： 因此，钢材抗剪设计强度为抗拉设计强度的0.58倍。,2.6 钢的种类和钢材规格,2.6.1 钢的种类 用途分类：结构钢、工具钢和特殊钢(如不锈钢等)。 结构钢：建筑用钢、机械用钢。 冶炼方法：转炉钢、平炉钢。 转炉钢 采用氧气顶吹转炉钢，侧吹(空气)转炉钢所含杂质多，使钢易脆，质量很低，已取消这

14、种钢的使用。平炉钢 质量好，冶炼时间长，成本高。 脱氧方法：沸腾钢(F)、半镇静钢(b)、镇静钢(Z)和特殊镇静钢(TZ)，镇静钢和特殊镇静钢的代号可以省去 镇静钢脱氧充分，沸腾钢脱氧较差，半镇静钢介于镇静钢和沸腾钢之间。一般采用镇静钢。,2.6.1 钢的种类,成型方法：轧制钢(热轧、冷轧)、锻钢和铸钢。 化学成分：碳素钢和合金钢。 建筑工程中采用碳素结构钢、低合金高强度结构钢和优质碳素结构钢。 (1) 碳素结构钢 按质量等级分为A、B、C、D四级。 A级钢只保证抗拉强度、屈服点、伸长率，必要时尚可附加冷弯试验的要求。 B、C、D钢均保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击韧性（分别为20，0

15、，20)等力学性能。,2.6.1 钢的种类,钢的牌号表示方法 屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号(A、B、C、D)、脱氧方法符号等四个部分按顺序组成。 碳素结构钢常用五种牌号：Q195、Q2l5、Q235、Q255、Q275。 钢结构一般仅用Q235。,2.6.1 钢的种类,(2)低合金高强度结构钢 牌号表示方法 根据厚度(直径)l6mm钢材的的屈服点大小，分为Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。 钢的牌号仍有质量等级符号，除与碳素结构钢A、B、C、D四个等级相同外增加一个等级E，主要是要求-40的冲击韧性。钢的牌号如：Q345-B、Q390-C等等。低合金高强度结构钢一般

16、为镇静钢，因此钢的牌号中不注明脱氧方法。冶炼方法也由供方自行选择。,2.6.2钢材的规格,型材：热轧成型钢板和型钢 、 冷弯(或冷压)成型的薄壁型钢。 1.热轧钢板: 厚钢板、薄钢板、扁钢。 厚钢板: t=4.560mm 薄钢板：t=0.35 4mm 扁钢： t=460mm，B12200mm。 钢板的表示方法为，在符号“-”后加“宽x厚x长”，如-600 x8x1200。,2.热轧型钢 角钢、槽钢、工字钢和钢管 角钢两种，不等边角钢的表示方法为L100808，等边角钢L1008，单位为mm。 工字钢 普通工字钢、轻型工字钢 普通工字钢和轻型工字钢 用号数表示，即为其截面高度的厘米数。20号以上的工字钢，同一号数a、b、c三类。如I30a、I30b、I30c，a类腹板较薄用作受弯构件较为经济。 H型钢 翼缘内外两侧平行，便于与其他构件相连。它可分为宽翼缘H型钢(代号HW，翼缘宽度B与截面高度H相等)、中翼缘H