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1、单元二 钢结构材料,钢结构施工,钢结构的材料 Material of Steel Structure,1. 钢材比混凝土容重大，但为什么说钢结构比混凝土结构自重轻？结构自重轻会带来哪些好处？ 2 . 钢结构和其他结构相比有哪些优缺点？ 3.试举例说明钢结构的哪些应用，分别由什么特点决定？ 4.计算钢构件强度、连接强度以及构件稳定性时，应采用荷载设计值还是标准值？计算变形呢？,2.掌握结构用钢材的主要性能及其机械性能指 标；,3.掌握影响钢材性能的主要因素特别是导致钢材变脆的主要因素；,4.熟悉结构用钢材的种类、牌号、规格；,5.理解钢材选择的依据，做到正确选择钢材；,6.掌握钢材疲劳的概念和机
2、理。,1.了解钢结构的两种破坏形式；,教学要求:,2.1 钢结构对材料的要求,（1） 较高的抗拉强度fu和屈服点fy；,（2） 足够的变形能力良好塑性和韧性,（3） 良好的加工性能适应冷、热加工，可焊性好,（4） 对环境的良好适应性耐腐蚀、耐火、耐疲劳,钢结构的材料关系到钢结构的计算理论，同时对钢结构的制造、安装、使用、造价、安全等均有直接联系。本章简要介绍钢材的生产过程和组织构成，重点介绍钢材的主要性能以及各种因素对钢材性能的影响；钢材的种类、规格及选择原则。,强度材料抵抗外力作用时不致破坏的能力。,2.2 钢材的生产,钢材的生产大致分为炼铁、炼钢和轧制三道工序。,电炉钢是利用电热原理，在电
3、弧炉内冶炼。（质量好，但耗电量大，成本高，一般只用来冶炼特种用途的钢材。）,炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。,转炉钢是利用高压空气或氧气使炉内生铁熔液的碳和其它杂物氧化，在高温下使铁液变为钢液。（生产周期短，效率高，质量好，成本低，已经成为国内外发展最快的炼钢方法。）,平炉钢是利用煤气和其它燃料供应热能，把废钢、生铁熔液或铸铁块和不同的合金元素等冶炼成各种用途的钢。（生产周期长，效率低，成本高，现已逐步被转炉钢所取代。）,（1）炼 钢,浇注是指把熔炼好的钢液做成钢锭或钢坯。 用连续铸造法生产钢坯的工艺和设备，由于机械化、自动化程度高的优势，已经逐渐取代了笨重而复杂的铸锭工艺和设备。,钢液从
4、出炉到浇筑的过程中，会析出氧气并生成氧化铁。钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不均匀并发生热脆，降低钢材的力学性能。 按照钢液在炼钢炉中进行脱氧的方法和程度不同，碳素结构钢可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。,（2） 浇 注,（3）脱 氧,2020/8/8,2020/8/8,（4）加工（热加工、冷加工和热处理 ）,热处理 指通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢材的组织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺。（退火、正火、淬火和回火）,热加工 指将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状，生产出各种厚度的钢板和型钢。（热加工的开轧和锻压温度控制在1150-1300 ）,冷加工 指在常温下对钢
5、材进行加工。（冷作硬化现象）,2020/8/8,2020/8/8,剪 板,自动钢板切割,钻 孔,2020/8/8,2020/8/8,2020/8/8,2.3 钢材的主要性能,钢材的破坏形式,单向拉伸时的工作性能,钢材的其它性能,在复杂应力作用下钢材的屈服条件,2020/8/8,2.3.1 钢材的破坏形式,2020/8/8,2.3.2 单向拉伸时的工作性能,（1）试验条件 （a）试件的尺寸要符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽等缺陷。试件的标定长度取其直径的5或10倍。 （b）荷载要分级逐次增加，直到试件破坏。 （c）试验温度要控制在室温20左右。,2020/8/8,应力应变曲线,低碳钢拉伸试
6、验,（2）钢材的应力-应变关系,A. 有屈服点钢材s-e曲线可以分为五个阶段：,(a)弹性阶段(OB段),单调拉伸应力-应变曲线,OA段：纯弹性阶段 s=Ee A点：sp（比例极限）,AB段：有一定的塑性变形, 但整个OB段卸载后变形消失, e=0 B点：se （弹性极限）,屈服阶段（BC),强化阶段(CD段),颈缩阶段(DE段),E,由于比例极限与弹性极限极为接近，故通常略去弹性极限的点，把p看作弹性极限。,（b）弹塑性阶段（AB),塑性变形：卸载后试件不能完全恢复原来的长度。不能恢复的这一部分变形称为塑性变形或永久变形。,B点：屈服点fy（屈服强度）：屈服阶段曲线波动部分的最低值。,弹性模
7、量：由A点处的E=2.06105MPa逐渐下降，至B点趋于0。,特点：应力与应变进入非线性的弹塑性阶段，不再成正比关系，应变不再保持 直线变化而呈曲线关系。,2020/8/8,E,塑性变形或永久变形,屈服上限,屈服下限,（c）屈服阶段（BC),B点：屈服点fy（屈服强度）：屈服阶段曲线波动部分的最低值。,流幅/台阶：从屈服阶段的开始到曲线再度上升的应变幅度称为流幅。,特点：应力与应变进入非线性的弹塑性阶段，不再成正比关系，应变增加很快， 应力-应变曲线呈锯齿形波动，出现应力不增加而应变仍然在继续发展。,2020/8/8,E,（d）应变硬化（强化）阶段(CD段),钢材内部晶粒重新排列，恢复承载能
8、力，随荷载的增加缓慢增大,但增加较快，最终应力达到最高点D抗拉强度（极限强度）fu 试件所能承受的最大拉应力,（e）颈缩阶段(DE段),截面出现了横向收缩，截面面积开始显著缩小，塑性变形迅速增大，应力不断降低，变形却延续发展，直至E点试件断裂。,E,2020/8/8,B.对无明显屈服点的钢材,无屈服点钢材的应力-应变曲线,没有明显屈服点的钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变形小，破坏突然。,2020/8/8,设计时以卸载后试件中残余应变为0.2所对应的应力作为屈服点 “条件屈服点”或“名义屈服点”,(4) 应力应变曲线的简化,曲线简化的依据： 1）钢材在屈服点之前的性质接近理想的弹性体。 2）
9、从开始屈服到破坏，塑性区变形范围很大（e0.15-2.5）已足够用来考虑结构或构件的塑性变形的发展。,简化的应力应变曲线,2020/8/8,（3）单向拉伸时钢材的机械性能指标(3项力学指标fy、fu、),（1）屈服点fy-应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力，它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。,（2）抗拉强度fu-应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材最大的抗拉强度。,（3）伸长率试件断裂前的永久变形与原标定长度的百比。,l0 原标距长 l1 拉断后标距长度 d0 试件直径 试件有两种标距：l0/ d0=5 和 l0/ d0=10 相应的伸长率用5和10表示。,实际工程
10、中以伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形能力。,2020/8/8,（4）断面收缩率是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比。,式中： A0 试件原来的断面面积 A1 试件拉断后颈缩区的断面面积,断面收缩率越大，钢材的塑性越好。由于在测量试件的断面面积时容易产生较大的误差，因而钢材塑性指标仍然采用伸长率作为保证要求。,2020/8/8,2.3.3 钢材的其它性能,冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标。,1.冷弯性能,钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力。,鉴别指标：当试件弯曲至180时，试件表面和侧面，无裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯
11、性能合格。,2020/8/8,动画,2.冲击韧性,韧性 反映钢材抵抗冲击荷载、动力荷载的能力，是钢材在变形和断裂中吸收能量的度量。衡量韧性指标用冲击韧性值表示，也叫冲击功，用符号Akv表示，单位为J。 Akv 值越高，韧性越好。,冲击韧性试验 一般采用试件长55mm，截面1010mm2，中间一小槽。在摆锤式冲击试验机上进行试验，冲断试件后，读出摆锤消耗的功。,冲击韧性试验,冲击韧性还与试验的温度有关。我国钢材标准中将试验分为四档，即+20, 0，-20和-40时的冲击韧性。温度越低，冲击韧性越低。,2020/8/8,3.可焊性,好的可焊性是指焊接安全、可靠、不发生焊接裂缝，焊接接头和焊缝的力学
12、性能不低于母材力学性能。,影响钢材可焊性的因素,钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在0.12%0.20%范围内的碳素钢，可焊性最好（如Q235B）。对于高强度低合金钢中，低合金元素大多对可焊性有不利影响，我国行业标准JGJ81-2002建筑钢结构焊接技术规程推荐使用碳当量来衡量低合金钢的可焊性。当碳当量小于0.38%，钢材的可焊性好(如Q235.Q345)，可不采取措施直接施焊。,2020/8/8,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、断面收缩率 5、冷弯性能 6、冲击韧性 Akv,小 结,2020/8/8,2.4. 各种因素对钢材的影响,1、
13、化学成份的影响,2、冶金缺陷的影响,3、钢材硬化的影响,5、应力集中的影响,7、温度的影响,8、重复荷载作用的影响（疲劳）,2020/8/8,4、复杂应力的影响,6、残余应力的影响,2.4.1 化学成份的影响,钢材的化学成分直接影响钢的组织构造，从而影响钢材的力学性能。,纯铁Fe（占99）,碳C变脆（强度，塑性、韧性、可焊性，抗腐蚀性）,其它主要元素,硫S热脆、韧性、疲劳强度、抗锈蚀性、可焊性,磷（P）强度、抗锈蚀能力塑性、韧性、冷弯性能、可焊性， 冷脆，低温工作性能差。,氧O 影响同硫,氮（N）影响同磷,硅Si 适量强度，塑性、韧性、冷弯性能、可焊性变化不大,锰Mn强度消除热脆，改善冷脆，塑
14、性韧性降低不显著,钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb) 等适量强度、韧性、塑性良好,2020/8/8,铁（Fe）是钢材的基本元素，普通碳素钢中占99%，此外还有碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）等有益元素，及硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等有害元素，这些总含量不大，约1%，但对钢材力学性能却有很大影响。低合金钢中有5%的合金元素，如铜(Cu)、钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)、铬(Cr)等。,2020/8/8,1. 碳（C）：钢材强度的主要来源，随其含量增加，强度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。 一般控制在0.22%以下， 在0.2以下时，可焊性良好。 2.硫（S）：有害元素，热脆
15、性。不得超过0.05%。 3.磷（P）：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。不得超过0.045%。 4.锰（Mn）：合金元素。弱脱氧剂。与S形成MnS，熔点1600，可以消除一部分S的有害作用。,5.硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。 6.钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。 7.氧（O）：有害杂质，与S相似。 8.氮（N）：有害杂质，与P相似。 9.铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。,2.4.2 冶金缺陷的影响,1.偏析 金属结晶后化学成分分布不均匀的现象。后果是偏析区钢材的塑性、韧性、可焊性变坏。,3.裂纹
16、 钢材中存在的微观裂纹。,2.非金属夹杂 指钢材中的非金属化合物，如硫化物、氧化物，他们使钢材性能变脆。,4.气泡 浇铸时由FeO和C作用所生成的CO气体不能充分逸出而滞留在钢锭那形成的微小空洞。,5.分层 浇铸时的非金属夹杂在轧制后可能造成钢材的分层。,2020/8/8,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。,时效硬化随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象，即强度提高，塑性降低。 冷作硬化钢材受荷超过弹性范围以后，若重复地卸载、加载，将使钢材弹性极限提高，塑性降低的现
