第2章钢结构材料.ppt

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1、第二章,钢结构的材料,大纲要求:,1.了解钢结构的两种破坏形式；,2.掌握结构用钢材的主要性能及其机械性能指标；,3.掌握影响钢材性能的主要因素特别是导致钢 材变脆的主要因素；,4.了解结构用钢材的种类、牌号、规格；,5.了解钢材选择的依据，做到正确选择钢材；,1.较高的抗拉强度fu和屈服点fy；2.较好的塑性、韧性；3.良好的工艺性能（冷、热加工，可焊性）；4.对环境的良好适应性。,2.1 钢结构对材料的要求,一、受拉、受压、受弯的性能（一）一次拉伸时的性能 1.条件：标准试件（GB22863），常温（20）下缓慢加载，一次完成。含碳量为0.1%0.3%。标准试件：lo/d=5、10；lo-

2、标距；d-直径,2.2 钢材的主要性能,d,2.阶段划分,A.有屈服点钢材-曲线可以分为五个阶段：,(1)弹性阶段(OB段),OA段材料处于纯弹性，即:,AB段有一定的塑性变形,但整个OB段卸载时，=0；E=206103N/mm2,（2）弹塑性阶段（BC)该段很短,表现出钢材的非弹性性质;B屈服上限;C屈服下限(屈服点),（3）塑性阶段（CD)该段基本 保持不变（水 平),急剧 增大,称为屈 服台阶或流 幅段,变形模 量 E=0,（4）强化阶段(DE段),极限抗拉强度fu,（5）颈缩阶段(EF段),随荷载的增加缓慢增大,但增加较快,B.对无明显屈服点的钢材,该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑

3、性变 形小，破坏突然。,设计时取相当于 残余变形为0.2%时所对应的应力 作为屈服点条 件屈服点,3.应力应变曲线的简化,1)fy与fb相差很小；2)超过 fy到屈服台阶终止的变形约为2.5%-3%，足以满足考虑结构的塑性变形发展的要求。,（1）钢材可以简化为理想弹塑性体,（2）钢材在静载作用下：强度计算以fy为依据;fu为结构的安全储备。,（3）断裂时变形约为弹性变形的200倍，在破坏前 产生明显可见的塑性 变形，可及时补救，故几乎不可能发生。,0.15%,22%,fu,fy,fu-fy,4.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，它是衡量钢

4、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，它是钢材最大的抗拉强度。,（3）伸长率,（4）断面收缩率,它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。,当l0/d=5时，用5表示，当l0/d=10时，用10表示。,A0,A1,同单向拉伸时的性能，屈服点也相差不多。,（二）受压时的性能,采用短试件l0/d=3,屈服点同单向拉伸时的屈服点。,（三）受弯时的性能,二、冷弯性能,衡量钢材塑性性能和质量优劣的综合指标。,三、冲击韧性,衡量钢材在动力（冲击）荷载、复杂应力作用下抗脆性破坏能力的指标，用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。,(a)梅氏U型缺口(

5、b)夏比V型缺口,由试件断裂吸收的能量Cv来衡钢材的冲击韧性，单位：J。Cv受温度的影响,冲击韧性试验装置,钢材的机械性能指标,1、屈服点fy；2、伸长率；3、抗拉强度fu；4、冷弯试验；5、冲击韧性Cv(包括常温冲击韧性、0度时冲击韧性 负温冲击韧性）。,小 节,一、塑性破坏 破坏前有明显的塑性变形，破坏过程长，断口发暗，可以采取补救措施。二、脆性破坏 坏前没有明显的变形和征兆，破坏时的变形远比材料应有的变形能力小，破坏突然，断口平直、发亮呈晶粒状，无机会补救。,2.3 钢材的破坏形式,一、化学成分 普通碳素钢中Fe占99%，其他杂质元素占1%；普通低合金钢中合金元素5%。1.碳（C）：钢材

6、强度的主要来源，随其含量增加，强度增 加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。含碳量超过0.2时，钢材的焊接性能将开始恶化。因此，规范推荐的钢材，含碳量均不超过0.22，对于焊接结构则严格控制在0.2以内。,2.4 各种因素对钢材性能的影响,2.硫（S）：有害元素，热脆性。不得超过0.05%。,当温度达8001000时，硫化铁会熔化使钢材变脆，因而在进行焊接或热加工时，有可能引发热裂纹，称为热脆。硫还会降低钢材的冲击韧性、疲劳强度、抗锈蚀性能和焊接性能等。非金属硫化物夹杂经热轧加工后还会在厚钢板中形成局部分层现象，在采用焊接连接的节点中，沿板厚方向承受拉力时，会发生层状撕裂破坏。,应严格限制钢

7、材中的含硫量，随着钢材牌号和质量等级的提高，含硫量的限值由0.05依次降至0.025，厚度方向性能钢板（抗层状撕裂钢板）的含硫量更限制在0.01以下。,3.磷（P）：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。不得超过0.045%。,磷可提高钢的强度和抗锈蚀能力，但却严重地降低钢的塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能，特别是在温度较低时促使钢材变脆，称为冷脆。磷的含量也要严格控制，随着钢材牌号和质量等级的提高，含磷量的限值由0.045依次降至0.025。,4.锰（Mn）：合金元素。弱脱氧剂。与S形成MnS，熔点1600，可以消除一部分S的有害作用。,锰是有益元素，在普通碳素钢中，它是一种弱脱氧

8、剂，可提高钢材强度，消除硫对钢的热脆影响，改善钢的冷脆倾向，同时不显著降低塑性和韧性。锰是低合金钢的主要合金元素，其含量为0.81.8。但锰对焊接性能不利，因此含量也不宜过多。,5.硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。,常与锰共同除氧，生产镇静钢。适量的硅，可以细化晶粒，提高钢的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能无显著不良影响。硅的含量在一般镇静钢中为0.120.30，在低合金钢中为0.20.55。过量的硅会恶化焊接性能和抗锈蚀性能。,6.钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。7.氧（O）：有害杂质，与S相似。8.氮（N）：有害杂质，与P相

9、似。9.铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。,二冶金缺陷,常见的冶金缺陷有：偏析：化学成分分布的不均匀程度；非金属夹杂；气孔；裂纹等。,生铁和钢的比较,2%4.3%,0.03%2%,硅锰(较多)硫磷(较多),硅锰(适量)硫磷(较少),可铸不可锻,可铸,可锻,可压延,硬而脆,硬而韧,有弹性,铁合金,生铁,钢,炼钢生铁（白口铁）,铸造生铁（灰口铁）,球墨生铁,合金生铁,碳素钢,合金钢,低碳钢,中碳钢,高碳钢,铸造生铁（灰口铁）,球墨生铁,1、反应原理：2、目的：,炼钢,高温下，用氧化剂把生铁里过多的碳和其它杂质氧化成气体或炉渣而除去。,降碳 调硅锰 去硫磷,方法：氧气顶吹转炉炼钢法

10、（1）转炉的构造（2）原料：（3）热源：,炼钢的方法,转炉、电炉、平炉。,生铁（液态）、氧气、适量的造渣材料（如生石灰CaO等）、脱氧剂。,依靠熔融铁水中的杂质等被氧气氧化所放出的热量，不需要燃料。,炼钢主要反应（分三个阶段）,（1）氧化造渣（降碳）氧化剂生成除杂造渣,FeOCCOFe2FeOSiSiO22FeQFeOMnFeMnOQ,生成的二氧化硅、氧化锰与造渣材料生石灰CaO相互作用成为炉渣。,2FeO22FeOQ,（2）去硫、磷（3）脱氧（调硅、锰）用硅铁、锰铁或金属铝来还原钢水中含有的少量FeO,FeS+CaOFeO+CaS2P+5FeO+3CaO5Fe+Ca3(PO4)2,2FeO+

11、SiSiO2+2Fe3FeO+2Al3Fe+Al2O3FeO+MnFe+MnO,生成的二氧化硅等大部分形成炉渣而除去，部分的硅、锰等留在钢里以调整钢的成分。钢水合格后，可以浇成钢的铸件或钢锭，钢锭可以再轧成各种钢材,沸腾钢采用脱氧能力较弱的锰作脱氧剂，脱氧不完全，钢液中的氧化铁和碳作用生成的一氧化碳气体逸出,出现钢液的沸腾现象。冷却后钢材中留有较多的氧化铁夹杂和气孔。镇静钢采用锰加硅作脱氧剂，脱氧较完全，不会有一氧化碳气体逸出,钢液表面平静。这种钢质量好。半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间。特殊镇静钢是在锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧，其脱氧程度高于镇静钢。,三、钢材的硬化,冷作硬化当荷载超过材料

12、比例极限卸载后，出现残余变形，再次加载则比例极限（或屈服点）提高的现象，也称“应变硬化”。时效硬化随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。应变时效钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易析出。即冷作硬化的同时可以加速时效硬化，因此也称“人工时效”。,四、温度影响,1正温范围,200以内对钢材性能无大影响，该范围内随温度升高总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大。,800,600,400,200,0,N/mm2,E,fu,fy,200,400,600,温度对钢材机械性能的影响,20,40,60,80,%,T(0C),250左右抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性增加兰脆现象，该温度区

13、段称为“兰脆区”,钢结构最高工作温度。600左右弹性模量趋于零，承载能力几乎完全丧失。,当温度低于常温时，钢材的脆性倾向随温度降低而增加，材料强度略有提高，但其塑性和韧性降低，该现象称为低温冷脆。钢结构最低工作温度。,2负温范围,取Cv=30J对应的温度，或Cv=0.4Cvmax对应的温度,五、应力集中,1.应力集中的概念 构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变时，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处有高峰应力应力集中。,2.应力集中的影响,3.减小应力集中现象的措施,由于钢材具有良好的塑性性能，当承受静力荷载且在常温下工作时，只要符合规范规定的设计要求，可以不考虑应力集中的影响。,）材料由弹性转入

14、塑性的强度指标用变形时单位体积中积聚的能量来表达；,2.5 复杂应力作用下钢材的屈服条件,假定：,）当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能时，钢材即由弹性转入塑性。,主应力表示,材料处于弹性状态,材料处于塑性状态,三向受拉时 一定破坏;由于三向受拉限制了材料的塑性发展，材料要发 生脆性破坏。,图示简支梁1-1截面腹板与翼缘交界A点的应力,对于薄板，厚度方向的应力很小，为平面受力状态。,一般的梁，只存在正应力和剪应力，则：,3-3 截面仅有剪力，弯矩、局部压力均为零，故该截面除剪应力外，正应力均为零，即为纯剪状态。,一、钢的种类 1、碳素结构钢（GB/T 700-88）-低碳钢牌号 Q23

15、5-质量等级（A、B、C、D）浇注方法（F、Z、Tz）A-保证fu、fy、，P、S含量 B-保证fu,fy,冷弯，常温时Cv，P，S，C含量；C-保证 fu,fy,冷弯,0oC时Cv，P，S，C含量;D-保证fu,fy,冷弯,-20oC时Cv，P，S，C含量;,2.6 钢材的种类和规格,2.低合金钢(GB/T 1591-94),低合金钢的质量等级分A、B、C、D、E，其中E主要是要求-400 C 的冲击韧性。,二、钢材的选择,（一）选择钢材的原则,1结构或构件的重要性；,2荷载情况（静力荷载，动力荷载）；静力荷载作用下可选择经济性较好的Q235钢材。动力荷载作用下应选择综合性能较好钢材。3连接

16、方法（焊接连接、螺栓连接）；焊接结构对材质的要求严格，应严格控制C、S、P的极限含量；非焊接结构对C的要求可降低一些。4结构所处的工作条件（环境温度，腐蚀等）；低温下工作的结构应选择低温脆断性能好的镇定钢钢材的厚度。厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。,（二）钢材选择建议,1、承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢，其质量应分别符合国家标准碳素结构钢GB/T700和低合金高强度结构钢GB/T1591的规定。,2、承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚具有含碳量的合格保证。,3、对于需要验算疲劳的焊接结构，应具有常温冲击韧

17、性的合格保证；当结构工作温度等于或低于0但高于20时，Q235钢和Q345钢应具有0冲击韧性合格的保证；对于Q390钢和Q420钢应具有20冲击韧性的合格保证。当结构工作温度等于或低于20时，对Q235钢和Q345钢应具有20冲击韧性的合格保证；对Q390和Q420钢应具有40冲击韧性的合格保证。,4、对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温冲击韧性的合格保证，当结构工作温度等于或低于20时，对Q235钢和Q345钢应具有0冲击韧性合格的保证；对Q390钢和Q420钢应具有20冲击韧性的合格保证。,5、重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于16mm的钢材应具有常温冲击韧性合格的保证。

18、,6、当焊接结构为防止钢材的层状撕裂而采用 Z 向钢时，其材质应符合现行国家标准厚度方向性能钢板GB/T5313的规定。,8、对于外露环境，且对大气腐蚀有特殊要求的或在腐蚀性气态和固态介质作用下的承重结构，宜采用耐候钢，其质量要求应符合现行国家标准焊接耐候钢GB/T4172的规定。,7、钢板的抗撕裂性能采用厚度方向的断面收缩率z来评定。该标准将沿厚度方向的断面收缩率分为三个等级，即Z15，Z25，Z35，分别对应其允许值。,三、钢材的规格,热轧成型的钢板和型钢，冷弯（或冷压）成型的薄壁型钢。,（一）热轧钢板,（表示方法 宽厚度长度）,分为:厚板（厚度4.5-60mm)薄板（厚度0.35-4mm

19、),扁钢：厚度4-60mm，宽度20-200mm。,(二）热轧型钢,1.工字钢,2.槽钢,工字钢根据截面高度h及厚度分类a(或b、c),槽钢根据截面高度h及厚度分类a(或b、c),3.角钢,4.H型钢,分为：宽翼缘HW、中翼缘HM、窄翼缘HN,5.钢管,（三）冷弯薄壁型钢,壁厚1.55mm,压型钢板壁厚0.41.5mm,与Q235钢（fy=235255n/mm2）相当的国外钢材：（A36）美国，43A、43B（英国），St37（德国），SM41（日本），Fe360（ISO）等。,与Q345钢、Q390钢和Q420钢相当的国外钢种为：A242，A440，A441（美国）；50AD，55CE（英国）St52，St70（德国）；SM50，SM53，SM58（日本）。,