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1、第二章 钢结构的材料n钢结构对钢材性能的要求是多方面的,主要有以下几个方 面:n1.较高的强度。 n2.足够的变形能力-塑性、韧性好。n3.良好的加工性能-冷加工性能和可焊性。n4.耐久性好。n2.1钢材在单向均匀受拉时的工作性能n2.1.1钢材的应力一应变曲线n单向拉伸试验可得钢材的应力一应变曲线。从中可得 到钢材受力的几个阶段和强度、塑性的几项指标。n由低碳钢-关系曲线可见,结构钢材一次拉伸试验时 ,历经四个阶段。(1) 弹性阶段(OA段)可得比例极限 fP;n(2)弹塑性阶段(AB段) 可得屈服强度 fY;n(3)塑性阶段(BC段) 完成屈服台阶; n(4)强化阶段(CD段) 可得抗拉强
2、度 fu,获得 伸长率。n(5)颈缩阶段(DE段) 截面缩小,应力降低, 到E点拉断。2.1.2结构用钢的工作特性n钢材强度性能的指标有弹性模量E、比例极限fP、 屈服强度fy、抗拉强度(极限强度)fu等,可以通 过单向拉伸的应力-应变曲线得到。n1、强度nfy、fu、是衡量结构钢强度的主要指标。n钢结构的设计强度f一般以钢材的屈服强度fy作为 依据确定 。n因此对钢结构而言,结构钢可看成理想弹性-塑性 体,即在屈服之前为弹性阶段,屈服之后为塑性 阶段,屈服强度则为其承载能力的极限。而将抗 拉强度作为安全储备。n2、塑性n衡量钢材塑性好坏的主要指标是伸长率(最大应 变max)和断面收缩率,可由
3、静力拉伸试验得到。n伸长率等于试件拉断后的原标距间的伸长量和原 标距比值的百分率:n式中伸长率;nl0试件原标距长度;n l1试件拉断后标距的长度。 n伸长率是衡量钢材塑性性质的一项主要指标。n断面收缩率是试件拉断后,颈缩区的断面面积缩 小值与原断面面积比值的百分率,按下式计算:n式中 A0试件原来的断面面积,n A1试件拉断后颈缩区的断面面积。n断面收缩率标志着钢材在颈缩区的三向同号拉应 力状态下可能产生的最大塑性变形能力,是衡量钢 材在该拉伸应力状态下发生永久塑性变形而不致断 裂的性质的一项重要指标。值愈大,表明塑性性质愈好。nfy、fu、是结构钢的基本力学指标,又称三项保证。n2.1.3
4、、冲击韧性n冲击韧性是指钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机 械能的一种能力。n钢材的韧性可通过不同温度下的冲击韧性试验得到 。n韧性试验的标准试件的型式有夏比(CharPy)V形 缺口试件。此外还有U形缺口试件。n钢材的轧制方向和厚度要影响冲击韧性。n2.1.4、冷弯性能n冷弯性能是指钢材在冷加工(常温下加工)产生塑 性变形时,对产生裂缝的抵抗能力。通过冷弯试验 来检验。冲击试验钢材冷弯试验示意图fy、fu、冷弯性能、冲击韧性反映了结构钢的机械 性能,又称五项保证。n2.1.5钢材Z向收缩率n当钢材厚度较大时(40mm),在焊接过程中或承受 沿板厚方向的拉力作用时,容易发生层状撕裂。n1.层状撕
5、裂的发生n钢板的层状撕裂一般在焊接节点中产生。厚钢板较 易产生层状撕裂,因为钢板越厚,非金属夹杂缺陷 越多,且焊缝也越厚,焊接应力和变形也越大。n2.钢板的Z向性能n钢板沿厚度方向的受力性能(主要为延性性能)称为Z 向性能,一般以断面收缩率作为评定指标。nGB5313厚度方向性能钢板的规定,适用于厚 度15150mm及屈服点不大于500Nmm2的镇静 钢钢板。该标准将钢板Z向断面收缩率分为Z15、 Z25、Z35等三个级别,它对应的断面收缩率相应为 15、25、35。对这三个级别的钢材还规定含 硫量相应地分别小于0.01、0.007,0.005。n断面收缩率的级别愈高,其抗层状撕裂的性能愈好;
6、含 硫量愈高, 断面收缩率的级别愈低。n板厚40mm称为厚板,使用时应考虑其Z向性能,即 采用Z向性能钢。 nZ向断面收缩率大于20的钢板,其层状撕裂一般可 以避免;当Z向断面收缩率小于20时,则有可能发 生层状撕裂。n2.1.6钢材的可焊性n钢材的可焊性是指在一定的焊按工艺和结构条件下, 钢材经过焊接后能够获得良好的焊接接头的性能。n对普通碳素钢,含碳量在0.27%以下,锰含量在0.7% 以下,硅含量在0.4%以下,磷、硫含量各低于0.05% 以下,可认为可焊性良好。n对低合金钢,我国行业标准建筑钢结构焊接技术规 程(JGJ81)采用下式计算碳当量来衡量低合金钢 的可焊性 :n计算的CE不超
7、过0.38时,钢材的可焊性很好;n计算的CE大于0.38但未超过 0.45时,钢材淬硬倾 向逐渐明显,需要采取适当的预热措施并注意控制施 焊工艺;n计算的CE大于0.45时,钢材的淬硬倾向明显,需采 用较高的预热温度和严格的工艺措施来获得合格的焊 缝。2.3钢材在复杂应力作用下的工作性能 n钢材受双向或三向复杂应力的作用 ,用材料力学中的 能量强度理论,来确定钢材在多轴应力状态下的屈服 条件。n能量强度理论材料多项受力时单位体积的畸变能 等于其单向受力屈服时单位体积的畸变能则屈服。n当折算应力用主应力表示:n由上式可知:钢材在多轴应力状态下,当处于同号应 力场时,钢材易产生脆性破坏;而当处于异
8、号应力场 时,钢材将发生塑性破坏。n平面应力时,折算应力可简化为:n梁中,只存在正应力与剪应力,上式化为:n当钢梁受纯剪时,=0, 极限屈服状态为:n所以钢材的抗剪设计强度取为0.58f,f为钢材抗拉强度 设计值。2.4钢材的破坏形式 n钢材有两种破坏形式,一种是塑性破坏,也叫延性破坏 ;另一种是脆性破坏。疲劳破坏是钢材在多次反复荷载 作用下引起的断裂破坏,其性质属于脆性断裂n1、塑性破坏n钢材晶粒中对角面上的剪应力值超过抵抗能力而引起晶 粒相对滑移的结果。断口与作用力方向常成45o,断口 呈纤维状,色泽灰暗而不反光,有时还能看到滑移的痕 迹。n 2、脆性断裂脆性破坏在破坏前无明显变形,平均应
9、力小, 按材料力 学计算的名义应力往往比屈服点低很多。脆性断裂没有 任何预兆,破坏断口平直和呈有光泽的晶粒状。2.4.1钢材的脆性断裂n1.概述n一般认为脆性断裂是由裂纹引起的,是在荷载和侵蚀 性环境中裂纹明显发展时发生的。n2.影响钢结构脆性断裂的因素 n(1) 钢材质量差n(2) 结构构件构造不当 n(3) 制造安装质量差n(4) 结构受有较大动力荷载,或在较低环境温度下工作 等 。n 3. 脆性断裂的防止n从设计、构造、加工和安装等方面来控制。2.4.2钢材的疲劳破坏n钢材经过多次循环反复荷载的作用,虽然平均应力低于 抗拉强度甚至低于屈服点,也会发生破坏的现象叫疲劳 破坏。n钢材的疲劳破
10、坏是在循环荷载的长期反复作用下,裂纹 发展而造成的突然破坏。n顾得曼(Goodman)提出了关于交变应力和平均应力 的一些疲劳图。他认为不论非焊接结构和焊接结构,其 疲劳强度均与最大应力、应力比和钢材强度级别有关。n大量全尺寸焊接梁试件的疲劳断裂试验证明:影响焊接 结构疲劳强度的最重要因素是应力幅(最大应力与最小 应力的代数差)、接头细部构造类型,而不是最大应力 、应力比。1应力比和应力幅n反复荷载引起的应n力循环形式有同号n应力循环和异号应n力循环两种类型。n每次循环中绝对值n最小的应力与绝对n值最大的应力比值n称为应力比(拉n为正,压为负)。n在应力循环中,最大拉应力与最小拉应力(或压应力
11、) 的代数差叫应力幅,即(拉为正压为负)。应力幅总为 正值。n在每一次应力循环中,若应力幅为常数,叫常幅应力循 环;若应力幅不是常数而是变数,则叫变幅应力循环。n对于焊接结构,由于残余应力的存在和影响,其疲劳破 坏并不是最大应力重复作用的结果,而是应力幅重复作 用的结果,故其疲劳强度主要取决于应力幅,并且与构 件或连接的细部构造和作用的循环次数有关,而与表示 荷载循环特征的应力比及钢材种类无关。对于非焊接结 构,疲劳强度与最大应力和应力比有关。n2. 疲劳强度与应力循环次数(疲劳寿命)的关系n当应力循环的形式不变,钢材的疲劳强度与应力 循环的次数(疲劳寿命)N有关。n由试验可知,当应力循环无数
12、次时,疲劳强度并不无 限变小,而是趋于某一值,此值称为疲劳极限强度。2.4.3损伤累积破坏n各种因素都可能造成结构损伤,而随时间的增加,损伤 不断积累造成破坏,称为损伤累积破坏。n损伤有塑性损伤、疲劳损伤、材质的变化和蠕变损伤等 。n2.5影响结构钢材力学性能的主要因素n2.5.1化学成分影响n1. 碳(C) n 碳钢的组织都是由铁素体和渗碳体这两个相组成的。 钢的强度来自渗碳体与珠光体(渗碳体与纯铁体的混合 物)。n碳含量的增加,钢材的抗拉强度和屈服强度提高;但其 塑性、冷弯性能和冲击韧性、特别是低温冲击韧性降低 ,焊接性也变坏。钢材中碳含量不能过高,通常不超过 0.22。n2. 锰(Mn)
13、n锰是有益元素,它能增加珠光体相对量,使组织细化。 因此,它能显著提高钢材强度,但不过多降低塑性和冲击 韧性。锰是弱脱氧剂;n我国低合金钢中锰的含量在1.01.7。但是过量的 锰含量会使钢材的可焊性降低,钢材变脆和塑性降低, 故含量有限制。n 3. 硅(Si)n硅是有益元素,有更强的脱氧作用,是强脱氧剂。硅有 细化晶粒、提高钢的强度、硬度和弹性的作用;并使钢 的塑性、韧性和可焊性不受影响。n硅的含量在碳素镇静钢中为0.120.3,低合金钢 中为0.20.55,过量时则会恶化可焊性及抗锈蚀 性。 n4.钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti)n钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢都 含有这三种元
14、素,可提高钢材强度和细化钢的晶粒。n钒、铌、钛的化合物具有高温稳定性,使钢的高温硬 度提高。 n5.铝(Al)。铬(Cr)、镍(Ni)n铝是强脱氧剂,用铝进行补充脱氧,不仅进一步减少 钢中的有害氧化物,而且能细化晶粒。n低合金钢的C、D及E级都规定铝含量不低于0.015 ,以保证必要的低温韧性。n铬和镍是提高钢材强度的合金元素,用于Q390钢和 Q420钢。n6.硫(S)n硫是有害元素,在钢中主要以FeS的形态存在。FeS塑 性差,强度低,所以含S量高的钢,脆性大。更严重的 是,FeS和Fe能形成低熔点(985)的共晶体分布在 奥氏体晶界上,当碳钢加热到11001200进行锻、 轧等压力加工时
15、,由于低熔点共晶体熔化而使钢在热加 工过程中沿着晶界开裂,这种现象称为钢的“热脆”。n硫还能降低钢的冲击韧性,同时影响疲劳性能与抗锈蚀 性能。n7磷(P)n磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷固溶于铁素 体中,提高了钢的强度和硬度,但在室温下使钢的塑性 、韧性显著下降,并使脆性转变温度升高,使钢变脆。 这种脆化现象在低温时更为严重,称为“冷脆”。n磷的存在也使钢材焊接性能变坏。n磷有时也作为有效元素加入或与其他合金元素一起加 入,生产出某些特殊性能钢,如耐大气腐蚀钢,尤其 钢中含铜时,其抗腐蚀性能更为显著,以及高磷钢等 。 8.氧(O)、氮(N)、氢(H)氧、氮、氢通常是在 钢熔融时从空气或水分子分解等进入钢液,在冷却后 余留下来的极其有害的元素。氧的有害作用同硫且更甚,增加钢的脆性;氮的作用 类似于磷,能显著降低钢材的塑性、冲击韧性并增大 其“冷脆”性;n氢在低温时易使钢呈脆性破坏,产生所谓“氢脆”破坏 现象。 2.5.2钢材生产过程的影响n1、冶炼n冶炼方法有三种:碱性平炉炼钢法、顶吹氧气转炉炼钢 法和碱性侧吹氧气转炉炼钢法。n2、浇注n脱氧成度不同,钢材分为沸腾钢、半镇静钢和镇静钢及 特殊镇静钢。n3、轧制n轧制是将钢锭热轧成钢板和型钢。钢材的力学性能与轧 制方向有关,钢材沿轧制方向比垂直于轧制方向的强度 高。n钢材愈薄其强度愈高、塑性和冲击韧性愈好。