钢结构-第2章材料

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1、,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,本章主要内容,（1） 对钢结构用材的要求,（2） 钢材的主要性能及鉴定,（3） 影响钢材性能的因素,（4） 钢材的破坏,（5） 建筑钢材的类别及选用,第二章 钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure,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。,钢结构设计原理 Design Principl

2、es of Steel Structure,（1） 较高的抗拉强度fu和屈服点fy,（2） 塑性、冲击韧性好,（3） 冷加工性能好,（4） 可焊性好,（5） 耐久性好,1 钢结构对材料的要求,强度材料抵抗外力作用时不致破坏的能力。,足够的变形能力,对环境的良好适应性耐腐蚀、耐火、耐疲劳,良好的加工性能,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,2、钢材的

3、主要性能及其鉴定,2.1 钢材的破坏形式（2.4.1 P34-35),第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,2.2 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。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理

4、Design Principles of Steel Structure,（2）钢材的应力-应变关系,A. 有屈服点钢材s-e曲线可以分为四个阶段：,(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点对应的应力： sp （比例极限）,AB段：有一定的塑性 变形, 但整个 OB段卸载时, e=0 B点对应的应力： se （弹性极限）,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,（b）屈服阶段（BCD),塑性变形：卸载后试

5、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。,屈服点（屈服强度）：屈服阶段曲线波动部分的最低值。,流幅：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。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,（c）强化阶段(DE段),随荷载的增加缓慢增大,但增加较快 抗拉强度（极限强度）fu 试件所能承受的最大拉应力,（d）颈缩阶

6、段(EF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F点试件断裂。,F,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,B.对无明显屈服点的钢材,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”,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。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of

7、 Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,2.3 单向拉伸时钢材的机械性能指标,（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（取屈服阶段波动部分的应力最低值），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，它是钢材破坏前所能承受的最大应力。,（3）钢材的塑性 当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可用断面收缩率和伸长率表示，通过静力拉伸试验得到。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Mat

8、erial of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,（4）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。伸长率,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。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,（5）断面收缩

9、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。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,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）屈服点之后的流幅现象又接近理想的塑性体，并且流幅的范围（e0.

10、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,钢材是符合理想中的弹性-塑性材料,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,2.4 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：通过冷弯冲头加压。当试件弯曲至180时，检查试件弯曲部分的外面、里面和侧面，如果没有裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。,第二

11、章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,2.冲击韧性,韧性 钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。韧性指标用冲击韧性值表示，冲击韧性也叫冲击功，用符号Wkv或Cv表示，单位为J。,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,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel S

12、tructure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,冲击试验试件的缺口形式 冲击韧性与试件刻槽（缺口）有关，常用缺口形式为夏氏V型，夏氏钥孔型和梅氏U型，我国国家标准规定：冲击试验缺口采用夏氏V型。,冲击试验试件的缺口形式,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。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,3.

13、可焊性,好的可焊性是指焊接安全、可靠、不发生焊接裂缝，焊接接头和焊缝的冲击韧性以及热影响区的塑性和力学性能都不低于母材。,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Q345)，可不采取措施直接施焊。,（2.4.1）,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢

14、结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,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 Cv,小 结,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢材的机械性能指标鉴定,根据钢结构工程施工质量验收规范（GB50205-2001)的规定，对进入钢结构工程实施现场的主要材料需进行进场验收，即检查钢材的质量合格证明文件、中文标识及检验报告，确认钢

15、材的品种、规格、性能是否符合现行国家标准和设计要求,2.5钢材性能的鉴定,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,3.影响钢材性能的因素,3.1 化学成分的影响,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。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。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,碳（C）：形成钢材强度的主要成分，随其含量增加，强度增加，塑性和韧性降低，可焊性和抗腐蚀性降低。 碳素钢按碳含量区分，小于0.25的为低碳钢，介于0.25和0.6之间的为中碳钢，大于0.6的为高碳钢。钢结构用钢中，碳含量一般控制在0