钢结构的材料教学课件PPT

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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。