钢结 构的 材料

《钢结 构的 材料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《钢结 构的 材料（84页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第2章 钢结构的材料,本章导学,导学提示 本章主要介绍钢结构对钢材的要求及其破坏形式，在此基础上深入讨论了钢材的主要性能及设计指标，影响钢材性能的因素，钢结构的脆断和防止脆断的设计要求，选择钢材的原则和保证项目。,本章要求 1.掌握钢结构对材料的要求； 2.掌握钢材的破坏形式； 3.重点掌握钢材的主要性能（包括受拉、受压及受剪时的性能、冷弯性能、冲击韧性）； 4.了解各种因素对钢材主要性能的影响（如化学成分、冶金缺陷、钢材硬化、温度影响、应力集中、反复荷载作用）； 5.了解复杂应力作用下钢材的屈服条件； 6.掌握钢材的疲劳的概念及计算方法； 7.了解钢的种类和钢材规格。,关键知识 1.钢材的受

2、拉、受压及受剪时的性能、冷弯性能、冲击韧性； 2.钢材的疲劳的概念及计算方法。,重点讲解 1.钢材的受拉、受压及受剪时的性能、冷弯性能、冲击韧性 2.钢材的疲劳破坏,难点解析 1.钢材的疲劳破坏,（1） 强度要求，即对材料屈服强度（又称为屈服点）与抗拉强度的要求。 （2） 塑性、韧性要求，即要求钢材具有良好的适应变形与抗冲击能力，以防止脆性破坏。 （3） 耐疲劳性能及适应环境能力要求，即要求材料本身具有良好的抗动力荷载性能及较强的适应低温、高温等环境变化的能力。,2.1 钢结构对钢材性能的要求,（4） 冷、热加工性能及焊接性能要求，良好的工艺性能不但易于将钢材加工成各种形式的结构，而且不会产生

3、因加工对结构的强度、塑性、韧性等造成不利影响。 （5） 耐久性能要求，主要指材料的耐锈蚀能力要求，即要求钢材具备在外界环境作用下仍能维持其原有力学及物理性能基本不变的能力。 （6） 生产与价格方面的要求，即要求钢材易于施工、价格合理。,钢结构设计规范具体规定： 承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证，焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证；对某些承受动力荷载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构尚应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。,2.2 钢材的破坏形式,1.塑性破坏的特征： 构件应力超过屈服点、并达到抗拉极限强度后，产生明显的变形并断裂。构件在断裂破坏时产生很大的

4、塑性变形，又称为延性破坏。断裂后的断口呈纤维状，色泽发暗，有时能看到滑移的痕迹。 钢材在发生塑性破坏时变形特征明显，很容易被发现并及时采取补救措施，因而不致引起严重后果。而且适度的塑性变形能起到调整结构内力分布的作用，使原先结构应力不均匀的部分趋于均匀，从而提高结构的承载能力。,2.脆性破坏的特征： 钢材在断裂破坏时没有明显的变形征兆，平均应力小，按材料力学计算的名义应力往往比屈服点低。断裂后断口平直并呈有光泽的晶粒状。 由于脆性破坏具有突然性，无法预测，而且个别构件的断裂常引起整个结构塌毁，危及人民生命财产的安全，后果严重，比塑性破坏要危险得多，因此，在钢结构工程设计、施工与安装中应采取适当

5、措施尽力避免发生脆性破坏。,2.3.1 受拉、受压及受剪时的性能 1.强度性能 （1）碳素结构钢材的应力应变曲线分为五个阶段： a.弹性阶段 b.弹塑性阶段 c.屈服阶段 d.强化阶段 e.颈缩阶段,屈服点fy是钢结构设计中应力允许达到的最大限值，因为当构件中的应力达到屈服点时，结构会因过度的塑性变形而不适于继续承载。,比例极限,屈服强度,极限强度,fy,fu,e,d,流幅,a,b,c,2.3 建筑钢材的主要性能,0.2%, 0.2,（2）高强度钢的应力-应变曲线,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

6、10表示。,实际工程中以伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形能力。,2.塑性性能 试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百分数，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。,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。,3.钢材物理性能指标 钢材在单向受压(粗而短的试件)时，受力性能基本上和单向受拉时相同。受剪的情况也相似，但屈服点及抗剪强度均较受拉时为低，

7、剪变模量也低于弹性模量。,弹性模量 泊松比 剪变模量 线膨胀系数 质量密度,2.3.2 冷弯性能 冷弯性能由冷弯试验来确定，冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲 变形能力或塑性性能，还能暴露钢材内部的冶金缺陷，如硫、磷偏 析和硫化物与氧化物的掺杂情况，这些都将降低钢材的冷弯性能。 因此，冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢 材质量的综合指标。,2.3.3 冲击韧性 韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力，它用材料在断裂时所吸收的总能量(包括弹性和非弹性能)来量度，韧性是钢材强度和塑性的综合指标。 夏比试件比梅氏试件具有更为尖锐的缺口，更接近构件中可能出现的严重缺陷，近年来用Cv能量来表示材料

8、冲击韧性的方法日趋普遍。,2.3.4 钢材的可焊性,钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件下，获得性能良好的焊接接头。 焊接过程中要求焊缝及焊缝附近金属不产生热裂纹或冷却收缩裂纹；在使用过程中焊缝处的冲击韧性和热影响区内塑性良好。我国钢结构设计规范中除了Q235A不能作为焊接构件外，其他的几种牌号的钢材均具有良好的焊接性能。在高强度低合金钢中低合金元素大多对可焊性有不利影响，我国的行业标准JGJ 812002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。,2.3.5 特种性能,1.耐火性能 2.耐候性能 3.Z向性能,小结：钢材的机械性能指标,1.屈服点 fy 2.抗拉强度 fu

9、 3.伸长率 4.断面收缩率 5.冷弯性能 6.冲击韧性 Cv,2.4.1 化学成分,钢是含碳量小于2%的铁碳合金。钢中基本元素：Fe、C、Si、Mn、S、P、N、O。 普通碳素钢中， Fe占99%，其余元素占1%。在低合金钢中，除了上述元素外，还有一定合金元素（镍、钒、钛等）（含量低于5%）,2.4 影响钢材性能的主要因素,碳C ：含量增加，钢材强度提高，而塑性、韧性和疲劳强度低。同时焊接性能和抗腐蚀性恶化。一般在碳素结构钢中不应超过0.22%；在焊接结构中还应低于0.2%。,硅Si：碳素结构钢中应控制0.3%, 在低合金高强度钢中硅的含量可达0.55%。 锰Mn：含Mn适量使强度，降低S、

10、O的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大，有益。,钒和钛：是钢中的合金元素，能提高钢的强度和抗腐蚀性能，又不显著降低钢的塑性。 铜：可显著提高钢的抗腐蚀性能，也可以提高钢的强度，但对焊接性能有不利影响。,硫S：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度， 在高温时，使钢材变脆，称之为热脆。含量 应不超过0.05%。 (有害成分) 磷P：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度， 在低温时，使钢材变脆，称之为冷脆。含量 应不超过0.045%。可以提高强度和抗锈蚀性。 (有害成分) 氧O：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度， 在高温时，发生热脆。 (有害成分) 氮N：降低钢材的塑性、韧性、可

11、焊性和疲劳强度， 在低温时，发生冷脆。 (有害成分),2.4.2 冶金缺陷,1.偏析 金属结晶后化学成分分布不均匀的现象。主要是硫、磷偏析，其后果是偏析区钢材的塑性、韧性、可焊性变坏。,3.裂纹 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。,冷作硬化 在冷加工或一次加载使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸载后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象 。,时效硬化 随着时间的增加，

12、纯铁体中有一些数量极少的碳和氮的固熔物质析出，使钢材的屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下降的现象。俗称老化。在交变荷载、重复荷载和温度变化等情况下，会加速时效硬化的发展。,冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大塑性变形，从而提高了钢的屈服点，同时降低了钢的塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化(或应变硬化)。,2.4.3 钢材硬化,注意：在一般钢结构中，不利用硬化所提高的强度，有些重要结构要求对钢材进行人工时效后检验其冲击韧性，以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。,人工时效:先使钢材产生10左右的塑性变形，卸载后再加热至250，保温一小时后在空气中冷却。,2.4.4 温度的影响,正温范围：

13、 （1）温度在150以内，钢材材质变化很小，钢结构可用于温度不高于150的场合。 （2）温度在250左右的区间内出现蓝脆现象，fu 有局部性提高，同时塑性降至最低，材料有转脆倾向。 （3）当温度达到600时，钢材进入热塑性状态，强度下降严重，将丧失承载能力。,蓝脆现象在250左右，钢材的强度反而略有提高，同时塑性和韧性均下降，材料有转脆的倾向，钢材表面氧化膜呈现蓝色。钢材应避免在蓝脆温度范围内进行热加工。,徐变现象当温度在260 320 时，在应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形。,负温范围：随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，逐渐变脆，称为钢材的低温冷脆。钢材的冲击

14、韧性对温度的降低十分敏感。,（1）冲击功曲线的反弯点T0称为转变温度。界限温度T1和T2分别为脆性转变温度和全塑性转变温度。,（2）钢材由塑性破坏转变为脆性破坏是在温度区间T1 T2内完成的，此温度区间称为钢材的脆性转变温度区。,（3）在脆性转变温度以下，钢材表现为完全的脆性破坏；而在全塑性转变温度以上，钢材则表现为完全的塑性破坏。,（4）不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度，均应通过试验来确定。在钢结构设计中，为了防止脆性破坏，选用钢材时应使其工作温度大于T1,接近T0。,为了防止脆性破坏，结构的工作温度应大于T1接近To，可小于T2。,2.4.5 应力集中,在钢结构构件中不可

15、避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化和内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，而是在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓应力集中现象。,不同槽口试件静力拉伸试验的应力应变曲线,可以看出截面槽口改变愈急剧，应力集中现象愈厉害，其抗拉强度愈高，但塑性愈差，破坏的脆性倾向愈大。,热轧型钢在冷却过程中，在截面突变处如尖角、边缘及薄细部位，率先冷却，其他部位渐次冷却，先冷却部位约束阻止后冷却部位的自由收缩，产生复杂的热轧残余应力分布。 不同形状和尺寸规格的型钢残余应力分布不同。,残余应力不影响构件的静力强度，但要降低构件的刚度和稳定性。,2.4.6 残余应力的影响,2.4.7 重复

16、荷载作用,疲劳破坏: 钢材在直接的反复的动力荷载作用下，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，这种现象称为疲劳。疲劳破坏表现为突然发生的脆性断裂。,钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。,为防止脆性破坏，在设计、制造及使用中应注意: 合理设计 正确制造 正确使用,疲劳破坏的特征和定义：,钢材在循环荷载作用下，应力虽然低于极限强度，甚至低于屈服强度，但仍然会发生断裂破坏，这种破坏形式就称为疲劳破坏。,破坏过程：裂纹的形成-裂纹的扩展-最后的迅速断裂而破坏,破坏特点： （1）疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度，钢材的塑性还没有展开，属于脆性破坏。,（3）疲劳对缺陷十分敏感。,（2）疲劳破坏的断口与一般脆性破坏的断口不同。一般脆性破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或人字纹。而疲劳破坏的主要断口特征是放射和年轮状花纹