第2章建筑钢材ppt-第2章建筑钢材课件

v1、结合钢结构的性能特点，谈一下钢结构的应用。v2、承载能力极限状态和正常使用极限状态的概念。v承载能力的极限状态：结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形时的极限状态v正常使用极限状态：结构或构件达到正常使用的某项限值时的极限状态课前提问：第第 二二 章章 钢结构的材料钢结构的材料 本章讲述建筑钢材（本章讲述建筑钢材（Q235Q235、Q345Q345、Q390Q390及及Q420Q420）的主要机械性能及影响这些性能的主要因素；钢材受的主要机械性能及影响这些性能的主要因素；钢材受力的两种破坏形式及防止脆性破坏的措施；介绍我国力的两种破坏形式及防止脆性破坏的措施；介绍我国目前生产的建筑钢材品种及规格。目前生产的建筑钢材品种及规格。2.1 建筑钢材的基本要求建筑钢材的基本要求v较高的强度较高的强度v较好的塑性及韧性较好的塑性及韧性v良好的加工性能良好的加工性能v良好的可焊性良好的可焊性v较好的抗锈蚀能力较好的抗锈蚀能力 现行钢结构设计规范（现行钢结构设计规范（GBJ50017-2003GBJ50017-2003）推推荐承重结构的钢材宜采用碳素结构钢中的荐承重结构的钢材宜采用碳素结构钢中的Q235Q235，及低及低合金高强度结构钢中的合金高强度结构钢中的Q345Q345、Q390Q390及及Q420Q420钢。钢。2.2 建筑钢材的主要机械性能建筑钢材的主要机械性能一、强度和塑性一、强度和塑性单轴拉伸试验单轴拉伸试验看静力拉伸试验动画看静力拉伸试验动画看静力拉伸试验动画看静力拉伸试验动画看应力看应力看应力看应力 应变应变应变应变 曲线曲线曲线曲线动画动画动画动画 屈服强度屈服强度(yield strength)fy 抗拉强度抗拉强度(tensile strength)fu 伸长率伸长率(elongation)断面收缩率断面收缩率 弹性模量弹性模量E EE为为常常量量，低低碳碳钢钢有有明明显显屈屈服服点点，fy作作为为破破坏坏标标志志，fu/fy为强度储备为强度储备，伸长率伸长率 表示塑性变表示塑性变形形能力能力。图图2-1 2-1 单轴应力单轴应力 ffpfyfu指标指标指标指标:0 fy图图 2-2 为了简化计算，将图为了简化计算，将图2-12-1所示应力所示应力-应变关系简应变关系简化为图化为图2-22-2。实际设计中对实际设计中对 曲线的简化曲线的简化 fy,完全塑性完全塑性 f fu u 作作为为安全安全储备储备伸长率伸长率 根据试件原标距长度根据试件原标距长度 l l0 0与试件中间部分的直径与试件中间部分的直径d d0 0 的比值为的比值为1010或或5 5而分为而分为 1010或或 5 5，为试件拉断时原标距间长，为试件拉断时原标距间长度伸长值与原标距比值的百分率。度伸长值与原标距比值的百分率。式中式中 ：l l1 1 为试件拉断后标距间长度。为试件拉断后标距间长度。断面收缩率断面收缩率 是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分率。与原断面面积比值的百分率。式中：式中：A A0 0 试件原来的断面面积；试件原来的断面面积；A A1 1 试件拉断后颈缩区的断面面积；试件拉断后颈缩区的断面面积；v例如对于一般厚度（t=235n/mm2，ft=375460n/mm2，5=26%.(课本课本211页附页附表表1二、二、冷弯冷弯(cold bending)试验试验冷弯角冷弯角a加工性能，塑性变性能力，材质均匀性加工性能，塑性变性能力，材质均匀性，a=180度合格。度合格。指标指标指标指标：将根据试件厚度按规定的弯曲直径将试件弯曲：将根据试件厚度按规定的弯曲直径将试件弯曲1801800 0，如表面无裂纹或分层则合格，如表面无裂纹或分层则合格.看动画看动画看动画看动画三、三、冲击冲击韧性韧性 钢材的钢材的韧性韧性韧性韧性是钢材在塑性变形和断裂的过程中吸是钢材在塑性变形和断裂的过程中吸收能量的能力，也是表示钢材抵抗冲击荷载或振动收能量的能力，也是表示钢材抵抗冲击荷载或振动荷载的能力，它是荷载的能力，它是强度与塑性强度与塑性的综合表现。的综合表现。钢材韧性通过冲击试验，测定冲击功钢材韧性通过冲击试验，测定冲击功(冲击韧性值冲击韧性值Akv,kv,单位单位J J或或a akvkv单位单位J J /cm/cm2 2)来表示。来表示。钢结构设计规范对钢材的冲击韧性钢结构设计规范对钢材的冲击韧性Akvkv有常温和负有常温和负温要求的规定。选用钢材时，根据结构的使用情况温要求的规定。选用钢材时，根据结构的使用情况和要求提出相应温度的冲击韧性指标要求。常温和要求提出相应温度的冲击韧性指标要求。常温(20)和低温和低温(0，-20，-40)试验试验.用带缺口（用带缺口（V V型或型或U U型）的标准试件（下图）进行型）的标准试件（下图）进行冲击试验，试件破坏时截面单位面积吸收的能量，冲击试验，试件破坏时截面单位面积吸收的能量，称称冲击韧性。冲击韧性越好，表明钢材越不易脆断。冲击韧性。冲击韧性越好，表明钢材越不易脆断。(a)(b)冲击韧性试件冲击韧性试件P看动画看动画四、四、可焊性可焊性(weld ability)焊焊接接接接头头和和焊焊缝缝的的冲冲击击韧韧性性及及近近缝缝区区塑塑性性不不低低于于母母材材性性能。能。(使用性能上的可焊性使用性能上的可焊性)（1 1）可焊性好意味着钢材施焊后能获得良好的焊接接头性能。）可焊性好意味着钢材施焊后能获得良好的焊接接头性能。（2 2）评定可焊性好的标志）评定可焊性好的标志 在在一一定定的的焊焊接接工工艺艺条条件件下下，焊焊缝缝和和近近缝缝区区均均不产生裂纹不产生裂纹(施工上的可焊性施工上的可焊性)2.3 2.3 建筑钢材的两种破坏形式建筑钢材的两种破坏形式塑性破坏：塑性破坏：塑性破坏：塑性破坏：破坏前有显著的变形，吸收很大的能量，破坏前有显著的变形，吸收很大的能量，延续时间长，有明显的塑性变形，断裂时延续时间长，有明显的塑性变形，断裂时 断口呈纤维状，色泽发暗。断口呈纤维状，色泽发暗。脆性破坏：脆性破坏：脆性破坏：脆性破坏：破坏前无明显变形，破坏突然发生，断破坏前无明显变形，破坏突然发生，断 裂时断口平齐，呈有光泽的晶粒状。脆裂时断口平齐，呈有光泽的晶粒状。脆 性破坏危险性大。性破坏危险性大。2.4 2.4 影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素vv一、化学成分的影响一、化学成分的影响(chemical compositions)chemical compositions)普普通通碳碳素素钢钢中中含含有有多多种种化化学学成成分分，其其中中，铁铁占占99%99%左左右右，碳碳、硅硅、锰锰、硫硫、磷磷、氮氮、氧氧等等共共占占1%1%左左右右。在在低低合合金金钢钢中中还还有有合合金金元元素素(MnMn、V V、S Si i)，他他们们含含量量低低于于5%5%。影影响响钢钢材材主主要要性性能能的的元元素素有有：C C、S Si i、MnMn、S S、P P、O O、N N基本有利元素：基本有利元素：基本有利元素：基本有利元素：1 1 1 1、碳（、碳（、碳（、碳（C C C C）影影响响强强度度、塑塑性性、韧韧性性。提提高高含含碳碳量量，强强度度提提高高，塑性和韧性下降，可焊性、抗锈蚀性能变劣。，塑性和韧性下降，可焊性、抗锈蚀性能变劣。钢钢结结构构中中，不不宜宜采采用用含含碳碳量量高高的的钢钢材材，一一般般不不超过超过0.22%0.22%。2 2 2 2、硅（、硅（、硅（、硅（S S S Si i i i）脱脱氧氧剂剂，适适量量（含含量量不不超超过过0.2%0.2%时时）可可提提高高钢钢材强度，而对塑性、韧性和可焊性无明显不良影响。材强度，而对塑性、韧性和可焊性无明显不良影响。3 3 3 3、锰（、锰（、锰（、锰（MnMnMnMn）适适量量可可提提高高强强度度而而不不明明显显影影响响塑塑性性，同同时时可可消消除除热热脆脆和和改改善善冷冷脆脆倾倾向向。是是低低合合金金钢钢中中的的主主要要合合金金元素成分。元素成分。4 4 4 4、钒（、钒（、钒（、钒（V V V V）可提高钢材强度和焊缝性能。可提高钢材强度和焊缝性能。1515MnVMnV钢可用于船舶、钢可用于船舶、桥梁等荷载大的焊接结构以及高中压容器。桥梁等荷载大的焊接结构以及高中压容器。1 1 1 1、硫（、硫（、硫（、硫（S S S S）在在高高温温下下（800-1000800-1000）生生成成硫硫化化铁铁，使使钢钢材材变变脆脆（热热脆脆），因因而而降降低低钢钢材材的的冲冲击击韧韧性性、疲疲劳劳强强度度、可可焊焊性性和和抗抗锈锈蚀蚀能能力力。应应严严格格控控制制钢钢材材中中的的含含硫硫量量，不得超过不得超过0.05%0.05%，1616锰桥钢不超过锰桥钢不超过0.045%0.045%。2 2 2 2、磷（、磷（、磷（、磷（P P P P）可可提提高高强强度度、提提高高抗抗锈锈蚀蚀能能力力，但但严严重重降降低低塑塑性性、韧韧性性和和可可焊焊性性，特特别别易易发发生生低低温温脆脆断断（冷冷脆脆），应应严严格格控控制制其其含含量量，一一般般不不超超过过0.045%0.045%，1515锰锰钒钒钢钢不超过不超过0.040%0.040%。有害元素：有害元素：有害元素：有害元素：3 3 3 3、氮、氧、氮、氧、氮、氧、氮、氧、氮类似磷，氧类似硫。有害杂氮类似磷，氧类似硫。有害杂质，严格控制。质，严格控制。v二、冶炼、浇注、轧制过程及热处理的影响二、冶炼、浇注、轧制过程及热处理的影响3 3 3 3、裂纹、裂纹、裂纹、裂纹 钢材中存在的微观裂纹。钢材中存在的微观裂纹。2 2 2 2、夹层、夹层、夹层、夹层 钢钢材材中中的的夹夹层层是是由由于于钢钢锭锭内内留留有有气气泡泡，有有时时气气泡泡内内害害有有非非金金属属杂杂质质夹夹渣渣，当当轧轧制制温温度度及及压压力力不不够够时时，不不能能使使气气泡泡压压合合，气气泡泡被被压压扁扁延延伸，形成夹层。伸，形成夹层。（一）冶炼、浇注和轧制的影响（一）冶炼、浇注和轧制的影响（一）冶炼、浇注和轧制的影响（一）冶炼、浇注和轧制的影响 沸腾钢、镇静钢、半镇静钢沸腾钢、镇静钢、半镇静钢沸腾钢、镇静钢、半镇静钢沸腾钢、镇静钢、半镇静钢1 1 1 1、偏析、偏析、偏析、偏析 金属结晶后化学成分分布不均匀。金属结晶后化学成分分布不均匀。（二）二）二）二）热处理热处理热处理热处理(heat treatment)heat treatment)heat treatment)heat treatment)控制降温控制降温速度或速度或 重新加热，重新加热，改变晶体结构和材性。改变晶体结构和材性。淬火淬火(quench)：快速降温，快速降温，提高强度、降低韧性；提高强度、降低韧性；退退火火(anneal)：炉中控制，炉中控制，缓慢缓慢降温；降温；回回火火(temper)：自然自然降温降温和控制和控制降温降温相结合相结合；正正火火(normalize)：空气中自然空气中自然降温；降温；4、轧制的影响、轧制的影响改善钢材的力学性能改善钢材的力学性能vv三、钢材硬化的影响三、钢材硬化的影响 超超过过比比例例极极限限后后卸卸载载，再再加加载载时时提提高高了了屈屈服服强度，却牺牲了塑性。这种现象称冷硬。强度，却牺牲了塑性。这种现象称冷硬。冷冷硬硬提提高高了了钢钢材材的的弹弹性性范范围围，被被广广泛泛用用于于提提高高承承载载力力。但但却却使使钢钢材材变变脆脆，牺牺牲牲了了塑塑性性，对对于于承承受受动动力力荷荷载载重重要要构构件件，不不应应使使用用经经过过冷冷硬硬的的钢钢材。材。1、冷作硬化、冷作硬化2、时效硬化、时效硬化 钢材中的钢材中的C C和和N N的化合物以固溶体的形式存的化合物以固溶体的形式存在于纯铁的结晶体中。随着时间的增长逐渐析在于纯铁的结晶体中。随着时间的增长逐渐析出，进入结晶群之间，对纯铁体的塑性变形起出，进入结晶群之间，对纯铁体的塑性变形起着遏制作用，使着遏制作用，