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1、第 1 页 共 23 页成都航空职业技术学院钢结构配件设计与制作和安装教、学、做一体化教案学习单元 1.2 钢结构材料选用学生: 班级: 学号：2011 年 7 月第 2 页 共 23 页。钢结构的材料的选用钢结构主要部件钢结构主要构件包括柱、梁、桁架、支撑、连接件。钢结构部件主要连接型式钢结构构件的连接型式：焊接、铆接、螺栓连接、螺栓连接和焊接组合连接。焊接：构造简单，制造方便，易于自动化操作，不削弱构件截面，省钢，经济。缺点是产生焊接应力和焊接变形。铆接：韧性和塑性好，传力均匀可靠，易于检查质量，缺点是费工，不经济，现已很少用。螺栓连接：拆装方便，操作简单，不需要特殊设备，常用于安装节点的
2、连接和装拆式结构中。高强螺栓连接：受力性能好，耐疲劳好，施工简便，可拆卸，易于掌握操作方法，将逐步取代铆接。钢结构构件主要截面类型钢板、角钢、槽钢、工字钢、H 型钢、T 型钢、圆钢、方管、圆管、十字型、箱形、三角形、多边型及其组合。钢结构使用的钢材钢材的性能力学性能 满足结构的功能要求（强度、刚度、疲劳等）工艺性能 满足加工过程的要求钢材的力学性能强度抗拉强度、屈服强度；塑性延伸率、断面收缩率韧性冲击吸收功钢材拉伸试件应力应变曲线图A：比例极限；B：弹性极限；C：屈服点（上、下屈服点） ；D：抗拉强度； 第 3 页 共 23 页在比例极限（弹性极限）之前，应力与应变之间呈线性关系（虎克定律）
3、， OB 为材料为弹性变形阶段超过弹性极限后，应力与应变不再呈现线性关系，材料进入弹塑性区域， 变形增加较快曲线呈锯齿形波动，出现应力不增加而变形继续发展，材料进入塑形变形阶段，在应力应变曲线中，出现上下波动阶段，其中波动的最高点为上屈服点，最低点为下屈服点（材料屈服强度） ；塑形变形之后，材料内部晶粒重新进行排列，强度提高，进入应变硬化阶段，出现达到最高点 D抗拉强度，随后试件出现颈缩，试件断裂。钢结构设计的准则是以构件最大应力达到材料屈服点作为极限状态，而把钢材的极限强度视为局部应力高峰的安全储备，这样能同时满足构件的强度与刚度要求，因而对承重结构的选材，要求同时保证抗拉强度和屈服点的强度
4、指标。低碳钢和低合金钢都有明显的屈服平台，对应的应变范围约从 =0.15%至 =2.5%，充分显示了良好的塑性变形能力，但在钢材的力学性能指标中，采用试件的伸长率表示塑性性能，塑性是材料在断裂前产生塑性变形的能力。常用伸长率 和断面收缩率 来表示材料塑性好坏的指标。1断后伸长率断后伸长率是指拉断后标距的伸长量 l1-l0 与原始标距 l0 的比值，即式中，l1 试样拉断后标距的长度；l0 试样的原始%01l标距。同一材料长试样 1和短试样 2测得的断后伸长率是不相等的，测得的结果分别用 10和 5 表示，且 510，长试样测得断后伸长率可以不加下标。2断面收缩率断面收缩率 是指试样拉断处横截面
5、积的减小量 S0-S1 与原始横截面积 S0 的比值，即式中，S1试样拉断后断裂处的最小横截面积。%100S很显然，伸长率 和断面收缩率 越大，说明材料的塑性变形量越大，也就是材料的塑性越好。在零件设计时，塑性指标不是计算出来的，但任何零件都要求材料具有一定的塑性。主要是由于机械零件在使用过程中虽然不允许发生塑性变形，但在偶然过载时，塑性好的材料发生一定的塑性变形而不致于突然断裂；再者，材料塑性变形可以减弱应力1长试样指标距长度是直径的 10 倍的试样。2短试样指标距长度是直径的 5 倍的试样。第 4 页 共 23 页集中、消减应力峰值，零件在使用时更显安全。对于进行压力加工（锻造、轧制、冷冲
6、压等）的型材或零件，材料必须具有良好的塑性。钢材的韧性即荷载作用下钢材吸收机械能和抵抗断裂的能力，反映钢材在动力荷载下的性能。现在国内外通用以 V 型缺口的夏比试件在冲击试验中所耗的冲击功值衡量该材料的冲击韧性（我国过去采用 U 型缺口的梅氏试件） ，冲击功以焦耳（ J）为单位，应不低于27J。冲击试验中击断试件所耗的功愈大，冲击韧性愈高，材料韧性愈好，不易脆断。钢材的冲击韧性值受温度影响很大，如图所示，存在一个由可能塑性破坏到可能脆性破坏的转变温度区（T 1T 2） ，T 1 称为临界温度， T0 称为转变温度。在 T0 以上，只有当缺口根部产生一定数量的塑性变形后才会产生脆性裂纹；在 T0
7、 以下，即使塑性变形很不明显，甚至没有塑性变形也会产生脆性裂纹，脆性裂纹一旦形成，只需很少能量就可使之迅速扩展，至材料完全断裂。为了避免钢结构的低温脆断，结构使用温度需高于钢材的转变温度。各种钢材的转变温度都不同，应由试验确定。在提供有不同负温下的冲击韧性时，通过选材已避免了脆断的风险。钢材的工艺性能加 工 性 能把钢材加工成所需的结构构件，需历经一系列的工序，包括有各种机加工（铣、刨、制孔） ，切割，冷、热矫正以及焊接等，钢材的工艺性能应满足这些工序的需要，不能在加工过程中出现钢材开裂或材质受损的现象。低碳钢和低合金钢所具备的良好的塑性在很大程度上满足了加工需要。冷 弯 性 能钢材的冷弯性能
8、是通过试件 180弯曲试验来判断的一种综合性能。钢材按原有厚度经表面加工成板状，常温下弯曲 180后，如外表面和侧面不开裂，也不起层，则认为合格；第 5 页 共 23 页弯曲时，按钢材牌号和板厚允许有不同的弯心直径 d（可在 0.53 板厚范围内变动） 。冷弯性能反映钢材经一定角度冷弯后抵抗产生裂纹的能力，是钢材塑性能力及冶金质量的综合指标，一般来说，钢材的冷弯性能指标要比钢的塑性指标更难达到，因为弯曲试验中塑性变形的生成是处于受制约的状态，完全不同于拉伸试件，因此，除了反映钢材的塑性和对冷加工的适应程度以外，还能暴露冶金缺陷（如晶粒组织、夹杂物分布及夹层等） ，在一定程度上还可以反映钢材的可
9、焊性。冷弯性能是评价钢材工艺性能和力学性能以及钢材质量的一项综合指标，弯曲试验是鉴定钢材质量的一项有效措施。可 焊 性可焊性是指钢材对焊接工艺的适应能力，包括有两方面的要求：一是通过一定的焊接工艺能保证焊接接头具有良好的力学性能；二是施工过程中，选择适宜的焊接材料和焊接工艺参数后，有可能避免焊缝金属和钢材热影响区产生热（冷）裂纹的敏感性。钢材的可焊性评定可分化学成分判别和工艺试验法评定两种方法。化学成分判别即由碳当量的含量来判定钢材的可焊性，即把钢材化学成分中对焊接有显著影响的各种元素，全部折算成碳的含量。碳元素既是形成钢材强度的主要元素，也是影响可焊性的首要元素，含碳量超过一定含量的钢材甚至
10、是不可施焊的。碳当量愈高，可焊性愈差。国际上比较一致的看法，碳当量 CE（%）小于 0.45%，在现代焊接工艺条件下，钢材的可焊性是良好的。各种因素对钢材性能的影响化学成分的影响对碳素结构钢，常规的化学成分分析是指碳、硅、锰、硫、磷（C、Si 、Mn、S、P）五元素。其中，碳是形成钢材强度的主要元素，并直接影响钢材的可焊性，随着含碳量的增加，钢材的硬度和耐磨性、屈服点和抗拉强度都将提高，但塑性和韧性，尤其是负温冲击韧性下降很多，冷弯性能明显下降，可焊性恶化，因此钢结构选用钢材的碳含量不宜太高，一般不应超过 0.22%，对于焊接结构的钢材，更须控制含碳量和碳当量。硅（Si）通常作为脱氧剂加入普通
11、碳素钢中，用以冶炼质量较高的镇定钢。适量的硅对钢材的塑性、冲击韧性、冷弯及可焊性均无显著的不良影响。一般镇定钢的含硅量为0.10% 0.30%，半镇定钢的含硅量为 0.05%0.10% ，而沸腾钢的含硅量只有痕迹（不大于 0.07%） 。锰（Mn）是一种弱脱氧剂，适当的含锰量可以有效地增加钢材的强度、硬度和耐磨性，同时又能消除硫、氧对钢材的热脆影响，但含量过高，冷裂纹形成倾向将成为主要问题，所以含锰量有上限限制，我国碳素结构钢的含锰量范围为 0.25%0.80% ，钢材成品的允许偏差是+0.05%和-0.03% 。硫（S）和磷（P ）在碳素结构钢中属于杂质，是有害元素。硫的存在可能导致钢材的热
12、脆现象，同时硫又是钢中偏析最严重的杂志之一，片状硫化物的夹渣存在，常常是钢板产生层状撕裂的原因，因此，质量愈好的钢材对含硫量控制愈严格，一般情况，含硫量应小于 0.05%，要求最严格的可低于 0.008%。磷的存在虽可提高钢材的强度和抗腐蚀性能，但会严重降低钢材的塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性，特别是在低温时，使钢材的变得很脆（冷脆性） 。磷亦是一个易于偏析的元素，比硫的偏析还严重，因此磷的含量也必须严格限制，不应超过 0.045%。但值得一提的是，当铜、磷两元素在钢中共存时，其弊端会相互抵消，再适当降低含碳量（C0.12%）后，其强度、韧性、可焊性等均有较好表现，铜磷钢是在国内外现在都已得
13、到公认的耐候钢系列之一，其含磷量可高达 0.07%0.15% 。第 6 页 共 23 页低合金结构钢中的合金元素以锰（Mn） 、钒（V ） 、铌（Nb） 、钛（Ti）和铬（Cr） 、镍（Ni）等为主。钒、铌、钛等元素属于添加元素，都能明显提高钢材强度，细化晶粒改善可焊性。镍和铬属于残余元素，是来自废钢中的合金元素，都是不锈钢的主要元素，能提高强度、淬硬性、耐磨性等综合性能，但对可焊性不利。为改善低合金钢的性能，尚允许加入少量钼（Mo）和稀土（Re）元素，可改善其综合性能。作为常用脱氧剂成分的铝元素，既能脱氧又能脱氮，并有细化晶粒、提高韧性、减少时效倾向性的功能。国家标准中要求，当将铝元素视为细
14、化晶粒元素时，则钢的化学成分中酸溶铝含量不小于 0.015%或全铝含量不小于 0.20%。钢中主要化学元素对建筑钢性能的影响化学元素性能碳C硅Si锰Mn磷P硫S镍Ni铬Cr铜Cu钒V钼Mo钛Ti铝Al强度极限 0屈服极限 0延伸率 0 0 0 0 0 0 0硬度 0 0冲击韧性 0 0 0 0 疲劳强度 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0可焊性 0 0 0 0腐蚀稳定性0 0 0 0冷脆性 0 0 0 0 0 热 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0第 7 页 共 23 页脆性 注:其中: 表示提高，表示提高幅度较大；表示降低，表示降低幅度较大；0 表示影响不显著。冶炼过程的影响钢在冶炼
15、过程中，生成有氧化铁及其固熔体杂质，会增加钢的热脆性，使钢的轧制性能变坏。故在浇注前，应对钢水进行脱氧处理，根据冶炼过程的脱氧程度，钢材分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢。沸腾钢一般用锰脱氧；镇静钢一般用硅为脱氧剂；脱氧程度介于沸腾钢与镇定钢之间的钢称为半镇静钢，它是用较少的硅进行脱氧，脱氧剂的用量约为镇定钢的 1/21/3。轧制过程的影响钢锭的热轧过程不仅改变钢的外形尺寸，也改变了钢的内部组织及其性能。热轧过程始于 12001300高温，终止于 9001000。在压力作用下，钢锭中的小气泡、裂纹等缺陷会焊合起来，是金属组织更致密。轧制过程破坏钢锭的铸造组织、细化晶粒并消除显微组织缺陷，显然，轧制钢材比铸钢具有更高的力学性能。轧制型材规格愈小，一般来说强度愈高，而且塑性及冲击韧性也比较好，这是因为小型材的轧制压缩比大的缘故。如轧制时压缩比过小，成品厚度较大，停轧温度过高，则在随后的冷却过程中会形成降低强度和塑性的金相组织；如停轧温度过低，将增加钢的冷脆倾向，并由于形成带状组织而破坏钢的各向同性的性质。为了保证钢材的质量，必要时，在轧制过程中应控制轧制温度、压下量和冷却速度，提供在“控轧”状态下的供货状态。否则，则可采用热处理后供货以改善质量。
