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1、第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料 钢材的破坏形式钢材的破坏形式: : 1. 1.塑性破坏：钢材在产生很大的变形以后发生塑性破坏：钢材在产生很大的变形以后发生的断裂破坏称为塑性破坏，也称为延性破坏。的断裂破坏称为塑性破坏，也称为延性破坏。 2. 2.脆性破坏：钢材在变形很小的情况下突然发脆性破坏：钢材在变形很小的情况下突然发生断裂破坏。生断裂破坏。 钢结构的材料PPT课件 (2)钢结构对所用材料的要求钢结构对所用材料的要求: :l强度强度f fy y、f fu u高。强度高可减轻结构自重。高。强度高可减轻结构自重。 l塑性、韧性、耐久性好。可防止脆性破坏，抗塑性、韧性、耐久性好。可防止脆性
2、破坏，抗动力荷载好，耐疲劳。动力荷载好，耐疲劳。l良好的加工性能。冷、热加工和可焊性好。良好的加工性能。冷、热加工和可焊性好。l耐腐性好。耐腐性好。l有时还要求钢材具有适应低温、高温等环境的有时还要求钢材具有适应低温、高温等环境的能力。能力。钢结构设计规范（钢结构设计规范（GB50017)GB50017)推荐使用：碳素推荐使用：碳素结构钢中的结构钢中的Q235Q235钢、低合金结构钢中的钢、低合金结构钢中的Q345Q345钢、钢、Q390Q390钢、钢、Q420Q420钢。钢。钢结构的材料PPT课件 (2)第一节钢材的主要机械性能第一节钢材的主要机械性能l钢材的机械性能（力学性能）由试验得到，
3、试钢材的机械性能（力学性能）由试验得到，试验采用的试件的制作和试验方法都必须按照各验采用的试件的制作和试验方法都必须按照各相关国家标准规定进行。相关国家标准规定进行。一、单向拉伸性能一、单向拉伸性能 标准试件在室温（标准试件在室温（10100 0C C35350 0C) C) 、满足静、满足静力加载的加载速度一次加载所得钢材的应力应力加载的加载速度一次加载所得钢材的应力应变曲线显示的钢材机械性能如下：变曲线显示的钢材机械性能如下： 钢结构的材料PPT课件 (2)钢结构的材料PPT课件 (2) 可把钢材视为理可把钢材视为理想弹塑性体。想弹塑性体。强度强度：fy fy 强度设计强度设计标准值，设计
4、依标准值，设计依据；据；fufu钢材的最钢材的最大承载强度。大承载强度。二、冷弯性能二、冷弯性能伸长率伸长率, ,反映钢材的塑性变形能力。反映钢材的塑性变形能力。钢结构的材料PPT课件 (2) 将试件弯成将试件弯成180 180 o o，若试件外表面不出现裂纹，若试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。冷弯试验综合反映钢材的和分层，即为合格。冷弯试验综合反映钢材的塑塑性性能和冶金质量性性能和冶金质量。 三、冲击韧性三、冲击韧性 钢结构的材料PPT课件 (2) 冲击韧性值用击断试样所需的冲击功冲击韧性值用击断试样所需的冲击功A AKVKV表示表示, ,单位为单位为J J。 冲击韧性与冲击韧性与温度
5、温度有关，当温度低于某一值时，有关，当温度低于某一值时，冲击韧性值将冲击韧性值将急剧降低急剧降低。因此在寒冷地区建造的直。因此在寒冷地区建造的直接承受动力荷载的钢结构，除应有常温冲击韧性的接承受动力荷载的钢结构，除应有常温冲击韧性的保证外，尚应依钢材的类别，使其具有保证外，尚应依钢材的类别，使其具有-20-20o oC C 或或- -4040o oC C的冲击韧性保证，应的冲击韧性保证，应A AKVKV 27J 27J（焦耳）。（焦耳）。钢结构的材料PPT课件 (2) 四、钢材受压和受剪时的性能四、钢材受压和受剪时的性能 钢材在单向受压（短试件）时，受力性能基本与单钢材在单向受压（短试件）时，
6、受力性能基本与单向受拉相同。受剪的情况也相似，但屈服点向受拉相同。受剪的情况也相似，但屈服点y y及及抗剪强度抗剪强度u u均低于均低于f fy y和和f fu u；剪变模量；剪变模量G G也低于弹性也低于弹性模量模量E E。第三节第三节 影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素一、化学成分的影响一、化学成分的影响 基本成份为基本成份为FeFe，钢中含量占，钢中含量占9999，C C含量小含量小于于0.22 0.22 。SiSi、MnMn为脱氧元素，为脱氧元素，S S、P P、N N、O O为为冶炼过程中不易除尽的有害元素。冶炼过程中不易除尽的有害元素。钢结构的材料PPT课件 (2)C C
7、：含：含CC使强度使强度塑性、韧性、可焊性塑性、韧性、可焊性，应控制在，应控制在0.22%0.22%，焊接结构应控制在，焊接结构应控制在0.20%0.20%。SiSi：含：含SiSi适量使强度适量使强度 其它影响不大，有益，应控制其它影响不大，有益，应控制0.10.3%0.10.3%MnMn：含：含SiSi适量使强度适量使强度 降低降低S S、O O的热脆影响，改善热加的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大，有益。工性能，对其它性能影响不大，有益。S S：含量：含量使强度使强度塑性、韧性、性能冷弯、可焊性塑性、韧性、性能冷弯、可焊性； 高温时使钢材变脆热脆现象。高温时使钢材变脆热脆现象
8、。P P：低温时使钢材变脆冷脆现象；其它同：低温时使钢材变脆冷脆现象；其它同S SO O、N N：O O同同S S；N N同同P P，控制含量，控制含量0.008%0.008%钢结构的材料PPT课件 (2)二、钢材生产过程的影响二、钢材生产过程的影响钢的脱氧钢的脱氧 因脱氧程度或方法不同，把钢分为沸腾因脱氧程度或方法不同，把钢分为沸腾钢钢(F)(F)、半镇静钢、半镇静钢(b)(b)、镇静钢、镇静钢(Z)(Z)和特殊和特殊镇静钢镇静钢(TZ)(TZ)。钢材的轧制钢材的轧制 轧钢机的压力作用可使钢锭中的小气泡轧钢机的压力作用可使钢锭中的小气泡和裂纹弥合，并使组织密实，其强度和和裂纹弥合，并使组织密
9、实，其强度和冲击韧性也愈高。冲击韧性也愈高。 钢结构的材料PPT课件 (2)三、温度的影响三、温度的影响l温度温度T T0 0称为脆性转变温度。称为脆性转变温度。钢结构的材料PPT课件 (2) 四、冷加工硬化和时效硬化四、冷加工硬化和时效硬化1.1.应变硬化应变硬化 钢材在常温下加工称为冷加工。冷轧、冷弯、钢材在常温下加工称为冷加工。冷轧、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大的塑性变冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大的塑性变形，从而使形，从而使f fy y提高，但同时降低了钢材的塑性和韧提高，但同时降低了钢材的塑性和韧性，这种现象称为冷加工硬化。性，这种现象称为冷加工硬化。2.2.时效
10、硬化时效硬化 钢材经过一定时间后强度提高但塑性钢材经过一定时间后强度提高但塑性降低，这种现象称为时效硬化。不同种类钢材的时降低，这种现象称为时效硬化。不同种类钢材的时效硬化过程可从几小时到数十年。效硬化过程可从几小时到数十年。 钢结构的材料PPT课件 (2)3.3.人工时效人工时效 使钢材产生使钢材产生10%10%的塑性变形，再加热的塑性变形，再加热到到200200300 300 o oC C，然后冷却到室温进行试验。这，然后冷却到室温进行试验。这样可使时效在几小时内完成。样可使时效在几小时内完成。 4.4.设计要求设计要求 钢结构设计一般钢结构设计一般不利用不利用冷加工硬化冷加工硬化造成的强
11、度提高，而且对直接承受动力荷载的造成的强度提高，而且对直接承受动力荷载的钢结构还应设法消除冷加工硬化的影响，如将钢结构还应设法消除冷加工硬化的影响，如将局部硬化部分用刨边或扩钻予以消除。局部硬化部分用刨边或扩钻予以消除。 钢结构的材料PPT课件 (2)五、复杂应力状态的影响五、复杂应力状态的影响 在复杂应力如平面在复杂应力如平面或立体应力作用下，或立体应力作用下，钢材的屈服并不只取钢材的屈服并不只取决于某一方向的应力，决于某一方向的应力，而是由反映各方向应而是由反映各方向应力综合影响的屈服条力综合影响的屈服条件来确定。件来确定。 钢结构的材料PPT课件 (2)六、应力集中的影响六、应力集中的影
12、响l钢构件在缺陷或截面变化处附近钢构件在缺陷或截面变化处附近将产生局部高峰应力，称为应力将产生局部高峰应力，称为应力集中。集中。l在应力高峰区域存在着同号的双在应力高峰区域存在着同号的双向或三向应力。这种同号的双向向或三向应力。这种同号的双向或三向应力场有使钢材变脆的趋或三向应力场有使钢材变脆的趋势。势。l在负温下或动力荷载作用下，应在负温下或动力荷载作用下，应力集中往往是引起脆性断裂的根力集中往往是引起脆性断裂的根源，设计中应设法避免或减小应源，设计中应设法避免或减小应力集中，并选用质量优良的钢材。力集中，并选用质量优良的钢材。钢结构的材料PPT课件 (2)第四节第四节 钢材的疲劳钢材的疲劳
13、一、钢材疲劳的基本概念一、钢材疲劳的基本概念 钢材在反复荷载作用下，在应力低于钢材抗拉强钢材在反复荷载作用下，在应力低于钢材抗拉强度甚至低于屈服点时突然断裂，度甚至低于屈服点时突然断裂，称为钢材的疲劳或疲劳称为钢材的疲劳或疲劳破坏破坏。 钢结构中总存在有微观裂纹或类似的缺陷，导致钢结构中总存在有微观裂纹或类似的缺陷，导致应力集中。在多次反复荷载作用下，微观裂纹不断开展，应力集中。在多次反复荷载作用下，微观裂纹不断开展，应力集中现象越来越严重。当荷载反复循环达一定次数应力集中现象越来越严重。当荷载反复循环达一定次数n n（疲劳寿命）时，裂纹扩展使得净截面承载力不足以（疲劳寿命）时，裂纹扩展使得净
14、截面承载力不足以承受外力作用时，构件突然断裂，发生疲劳破坏。承受外力作用时，构件突然断裂，发生疲劳破坏。 疲疲劳破坏一般经历劳破坏一般经历裂纹形成、裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂纹形成、裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂裂三个阶段。三个阶段。 钢结构的材料PPT课件 (2)二、疲劳计算二、疲劳计算l反复荷载作用产生的应力重复一周叫做一个循反复荷载作用产生的应力重复一周叫做一个循环。环。= =maxmax-minmin称为应力幅，表示应力变称为应力幅，表示应力变化的幅度。化的幅度。 l试验表明，焊接结构发生疲劳破是焊缝部位足试验表明，焊接结构发生疲劳破是焊缝部位足够大小的应力幅反复作用的结果。够大小的应力幅
15、反复作用的结果。l非焊接结构的的疲劳寿命不仅与应力幅有关，非焊接结构的的疲劳寿命不仅与应力幅有关，还与其他因素有关。还与其他因素有关。l规范把疲劳计算公式中的应力幅调整为折算应规范把疲劳计算公式中的应力幅调整为折算应力幅，以反映其实际工作情况。力幅，以反映其实际工作情况。l疲劳计算的公式是以试验为依据的，分为常幅疲劳计算的公式是以试验为依据的，分为常幅和变幅疲劳两种情况进行计算。和变幅疲劳两种情况进行计算。钢结构的材料PPT课件 (2)1. 1. 常幅疲劳计算常幅疲劳计算 C、参数。 对焊接部位 =max-min；对非焊接部位 =max-0.7min。 由上式可见，容许应力幅与钢材的强由上式可
16、见，容许应力幅与钢材的强度无关，这表明不同钢材具有相同的抗疲度无关，这表明不同钢材具有相同的抗疲劳性能。劳性能。钢结构的材料PPT课件 (2)2. 2. 变幅疲劳计算变幅疲劳计算l可可近近似似地地按按照照线线性性疲疲劳劳累累积积损损伤伤原原则则，将将随随机机变变化化的的应应力力幅幅折折算算为为等等效效应应力力幅幅e e，按按下下式式进进行行疲疲劳劳计计算：算：l 吊吊车车梁梁：根根据据实实测测结结果果，推推算算出出设设计计基基准准期期5050年年内内各各种种吊吊车车梁梁的的应应力力循循环环总总次次数数n(等等效效于于满满荷荷载载时时n= 2 2 10106 6次次) ) ，相应的，相应的欠载效
17、应的等效系数欠载效应的等效系数 f值值 钢结构的材料PPT课件 (2)l当当n n10105 5时，应进行疲劳计算。时，应进行疲劳计算。l疲劳计算采用的是容许应力幅法，计算公式是以疲劳计算采用的是容许应力幅法，计算公式是以实验为依据的，实验中已包含了动力的影响，故实验为依据的，实验中已包含了动力的影响，故荷载应采用标准值且不乘动力系数，应力幅按弹荷载应采用标准值且不乘动力系数，应力幅按弹性工作计算。性工作计算。l在完全压应力（不出现拉应力）循环中，由于压在完全压应力（不出现拉应力）循环中，由于压应力不会使裂纹继续扩展，故规范规定此种情况应力不会使裂纹继续扩展，故规范规定此种情况可不进行疲劳计算
18、。可不进行疲劳计算。三、疲劳计算应注意问题三、疲劳计算应注意问题钢结构的材料PPT课件 (2)第五节第五节 钢材的钢种、钢号及选择钢材的钢种、钢号及选择 例如例如Q235-BF, Q235-BF, 表示屈服强度为表示屈服强度为235 N/mm235 N/mm2 2的的B B级沸腾钢。钢材的质量等级中，级沸腾钢。钢材的质量等级中，A A、B B级钢按级钢按脱氧方法可为沸腾钢、半镇静钢或镇静钢，脱氧方法可为沸腾钢、半镇静钢或镇静钢，C C级级为镇静钢，为镇静钢，D D级为特殊镇静钢。级为特殊镇静钢。一、钢种一、钢种 钢材的种类，钢结构常用的是碳素结构钢材的种类，钢结构常用的是碳素结构钢和低合金结构
19、钢。钢和低合金结构钢。二、钢材的牌号二、钢材的牌号钢结构的材料PPT课件 (2)专用结构钢专用结构钢(1)(1)特殊用途的钢结构常采用专用结构钢。专用特殊用途的钢结构常采用专用结构钢。专用结构钢的钢号用在相应钢号后再加上专业用途代结构钢的钢号用在相应钢号后再加上专业用途代号（压力容器、桥梁、船舶和锅炉用钢材的专业号（压力容器、桥梁、船舶和锅炉用钢材的专业用途代号分别为用途代号分别为R R、q q、C C和和g g）来表示。）来表示。(2)(2)耐候钢耐候钢 在钢材冶炼时加入少量的合金元素在钢材冶炼时加入少量的合金元素如如CuCu、CrCr、NiNi、MoMo、NbNb、TiTi、ZrZr、V
20、V等，提高钢等，提高钢材的耐腐蚀性能。也称为耐大气腐蚀钢。例如材的耐腐蚀性能。也称为耐大气腐蚀钢。例如15MnCuCrQT15MnCuCrQT钢表示含碳量为钢表示含碳量为0.15%0.15%，合金元素，合金元素为锰、铜、铬的淬火加回火热处理耐候钢。为锰、铜、铬的淬火加回火热处理耐候钢。钢结构的材料PPT课件 (2)（3 3）连接用钢）连接用钢 钢结构连接中的铆钉、高强度钢结构连接中的铆钉、高强度螺栓、焊条用钢丝等，也采用满足各自连接件要螺栓、焊条用钢丝等，也采用满足各自连接件要求的专门用钢。求的专门用钢。 钢结构的材料PPT课件 (2)四、常用钢材的规格l钢结构所用钢材主要是钢结构所用钢材主要
21、是热轧成型的钢板、型钢和热轧成型的钢板、型钢和冷加工（冷弯、冷压和冷轧）成型的薄壁型钢。冷加工（冷弯、冷压和冷轧）成型的薄壁型钢。1. 热轧钢板热轧钢板 钢板的标注符号是钢板的标注符号是“（截面代号）（截面代号）宽度宽度厚度厚度长度长度”，单位为，单位为mm，亦可用亦可用“宽宽度度厚度厚度”或或“厚度厚度”来表示。如来表示。如360123600360123600，亦可表示如，亦可表示如3601236012或或1212。2. 2. 热轧型钢热轧型钢（1 1）角钢）角钢 分为等边和不等边角钢两种。角钢标注分为等边和不等边角钢两种。角钢标注符号是符号是“边宽边宽厚度（等边角钢）或厚度（等边角钢）或长
22、边宽长边宽短边宽短边宽厚度（不等边角钢），单位为厚度（不等边角钢），单位为mm”mm”。如如10081008和和100808100808。钢结构的材料PPT课件 (2)钢结构的材料PPT课件 (2)（2 2）槽钢）槽钢 有热轧普通槽钢和轻型槽钢两种。槽钢规格有热轧普通槽钢和轻型槽钢两种。槽钢规格用槽钢符号（普通槽钢和轻型槽钢的符号分别为用槽钢符号（普通槽钢和轻型槽钢的符号分别为 和和Q Q ）和截面高度（单位为）和截面高度（单位为cmcm）表示，当腹板厚度不同时，）表示，当腹板厚度不同时，还要标注出腹板厚度类别符号还要标注出腹板厚度类别符号a a、b b、c c，例如，例如1010、20a20
23、a、Q20aQ20a。与普通槽钢截面高度相同的轻型槽钢的翼缘和。与普通槽钢截面高度相同的轻型槽钢的翼缘和腹板均较薄，截面面积小但回转半径大。腹板均较薄，截面面积小但回转半径大。（3 3）工字钢）工字钢 有普通工字钢和轻型工字钢两种。标注方有普通工字钢和轻型工字钢两种。标注方法与槽钢相同，但槽钢符号法与槽钢相同，但槽钢符号“” “” 应改为应改为 “I”, “I”,例如例如I18I18、I50aI50a、QI50QI50。（4 4）H H型钢型钢 H H型钢比工字钢的翼缘宽度大并为等厚度，型钢比工字钢的翼缘宽度大并为等厚度，截面抵抗矩较大且质量较小，便于与其它构件连接。热截面抵抗矩较大且质量较小
24、，便于与其它构件连接。热轧轧H H型钢分为宽、中、窄翼缘型钢分为宽、中、窄翼缘H H型钢，它们的代号分别为型钢，它们的代号分别为HWHW、HMHM和和HNHN。标注方法与槽钢相同，但代号。标注方法与槽钢相同，但代号“” “” 应改应改变为变为”H” ”H” ，例如，例如HW260aHW260a、HM360HM360、HN300bHN300b。钢结构的材料PPT课件 (2)l钢管钢管 钢结构中常用热轧无缝钢管和焊接钢管。用钢结构中常用热轧无缝钢管和焊接钢管。用“外径外径壁厚壁厚”表示，单位为表示，单位为mmmm，例如，例如36063606。3.3.薄壁型钢薄壁型钢l薄壁型钢通常是用薄壁型钢通常是
25、用1.51.56mm6mm厚的薄钢板冷加工而成，厚的薄钢板冷加工而成，其截面形式和尺寸可按工程要求合理设计。与相同截其截面形式和尺寸可按工程要求合理设计。与相同截面积的热轧型钢相比，其截面抵抗矩大，钢材用量可面积的热轧型钢相比，其截面抵抗矩大，钢材用量可显著减少。但因板壁较薄，对锈蚀影响较为敏感。显著减少。但因板壁较薄，对锈蚀影响较为敏感。五、其它钢材的使用五、其它钢材的使用l当上述钢材不能满足要求时，还可选用优质碳当上述钢材不能满足要求时，还可选用优质碳素结构钢或其它低合金钢。当在有腐蚀介质中素结构钢或其它低合金钢。当在有腐蚀介质中使用钢结构时，可采用耐侯钢。具体可参考使用钢结构时，可采用耐侯钢。具体可参考钢结构材料手册。钢结构材料手册。 钢结构的材料PPT课件 (2)各国钢材品种与我国钢材品种对应各国钢材品种与我国钢材品种对应表表中国 美 国日 本英 国法 国德 国俄罗斯 235A36 SS400 SM400 SMA400 40E24St37C235Q345 A572-50SM490YA SM490YBSM520 50DE36St44C345Q390 A572-60 SM57050FA50St50C390Q420 A572-65 A60St60C440钢结构的材料PPT课件 (2)
