钢结构的材料教程ppt课件.ppt
思考题,钢结构基本原理 材料,1 钢材拉伸试件的应力和强度这两个概念是否同一？2 影响钢材强度和塑性指标的主要因素有哪些？3 伸长率是如何定义的？4 为什么钢结构设计规范对钢材有伸长率的要求？5 若某一批钢材牌号为Q235时，是否钢材的屈服点就是235MPa？ 你知道钢材的屈服点大致分布情况如何？6 如何理解“钢材的塑性指标比钢材的强度指标更重要”？7 你认为屈强比高的材料（0.9左右）和屈强低（0.60.7）的材 料分别用在哪些场合是合适的？8 钢材“怕冷”，“怕热”的大致范围？ 高温和低温下可否使用钢结构？9 一块平板，经过冷加工成为圆管，再用一条焊缝将其焊起来，在 焊接之前钢材经历了什么变化？在焊接之后钢材又经历了什么变 化？10 假如平板经冷加工成为方管，是否能回答与上面相同的问题？,课堂提问,1 什么是塑性？2 为什么对钢材要求塑性的要求？3 钢材的塑性和韧性有何差别？4 哪些因素对钢材性能有影响？5 分别有哪些影响？,化学成分,生产过程,温度,加荷速度,应力应变历史,所有性能（详述）,冶炼化学成分；冷却残余应力表观屈服点；脱氧缺陷与宏观强度；轧制板的屈服强度,强度，塑性,高温强度；低温韧性，可焊性,塑性破坏与脆性破坏的定义？,课堂提问,3 在疲劳破坏中应力集中起了什么作用？4 钢材的塑性性能对减缓疲劳断裂是否有作用？5 你认为对钢材进行疲劳计算时，材料的抗力应采用什么指标？,1 右图哪一种是理想弹塑性模型？ 为什么钢材可以采用理想弹塑性模型？2 各平板端部沿竖向均匀受拉时，何者应 力集中程度最严重？,钢结构材料Material of Steel Structures,第1节 结构钢对材料基本性能的要求 第2节 影响钢材性能的一般因素第3节 复杂应力与应力集中 第4节 钢材疲劳破坏第5节 钢材分类、规格和选用第6节 结构钢材的新发展,一、钢结构对钢材性能的要求,第1节 结构钢对材料基本性能的要求,较高的强度,较好的塑性和韧性,良好的加工和可焊性能,专用的特种性能（耐候、耐火）,一、单向拉伸试验,第1节 结构钢对材料基本性能的要求,试验条件,：标准试件,标准加载方式,标准温度,试验曲线,弹性、屈服、强化、颈缩,弹性、强化、颈缩,：低碳钢与低合金钢,：高强度钢,屈服荷载与极限荷载,二、基本性能要求和指标,第1节 结构钢对材料基本性能的要求,1.强度,2.塑性,5.可焊性,3.韧性,6.耐久性,比例极限、屈服点、极限强度、屈强比,4.冷加工性,静力韧性、冲击韧性,伸长率、面缩率,冷弯实验,施工可焊性、使用可焊性,抗腐蚀能力、抗疲劳能力,影响钢材性能的一般因素,第2节 影响钢材性能的一般因素,1.化学成分,2.生产过程,3.时效,Fe, C, Si, Mn, V, S(O), P(N), 其他,时间硬化,冶炼方法、浇铸过程、轧制工艺不均匀温度场引起的残余应力,随着时间增长冶炼中留在纯铁中的少量氮和碳的固溶体，随着时间的增长将逐渐析出，并形成氮化物和碳化物，使得钢材的抗拉强度提高，塑性和韧性降低。,影响钢材性能的一般因素,第2节 影响钢材性能的一般因素,5.温度,6.加荷速度,4.应力应变历史,超屈服加载硬化、残余应变与塑性变形引起的残余应力,低温：冲击韧性的温度转变区,高温：300C蓝脆、600C软化,钢材在弹塑性阶段卸载后，在重复加载时，其屈服点将提高，而塑性和韧性降低称为冷作硬化。,当温度下降到负温度某一个区间，其冲击韧性急剧下降，破坏由塑性转为脆性破坏。,当温度上升到300度左右强度提高，塑性和韧性下降，出现脆性破坏特征。,一、复杂应力与屈服条件,第3节 复杂应力与应力集中,折算应力,Mises屈服条件,弹性,多轴应力场对屈服条件的影响,若应力同号则屈服时,纯剪状态,塑性 理想弹塑性模型,考虑两向应力状态且,反之,二、应力集中,第3节 复杂应力与应力集中,定义：,因钢材缺陷或制作引起的几何改变，造成各点钢材应力不均匀的状况称为应力集中,应力集中与同号应力场：,应力集中系数：,应力集中程度与缺陷几何的关系(变化越剧烈峰值应力增加剧烈，塑性也下降),几何变化不均匀泊凇比正交方向的同号应力,钢材塑性与应力集中程度的缓解,塑性好，应力不均匀现象会趋于平缓，有些情况不会影响极限承载能力。,二、应力集中,第3节 复杂应力与应力集中,塑性好，应力不均匀现象不趋于平缓，尤其一些复杂应力趋于，有些情况也会影响极限承载能力。,三、超屈服作用（低周疲劳）,第3节 复杂应力与应力集中,材料滞回曲线,鲍辛格效应,应力强化,塑性能量消耗,在重复荷载作用下，钢材的破坏强度低于静力作用下的抗拉强度，且呈现突发性的脆性破坏特征，称为疲劳破坏。,三、超屈服作用（低周疲劳）,第3节 复杂应力与应力集中,滞回曲线,一、钢材牌号,第5节 钢材规格与选用,普通碳素钢,低合金钢,Q235AF,b,(z) 无冲击韧性(旧称3号钢),Q235BF,b,(z) 常温20度下Ak要求,Q235C (z) 0度Ak要求,Q235D (TZ) -20度Ak要求,Q345A, B, C, D, E：Ak 34J（E为27J）,Q390A, B, C, D, E,Q420A, B, C, D, E,优质碳素结构钢,经调质（精炼去除杂质）、热处理,优质钢丝绳,fy=235MPa, fu=400MPa,fvy=?,fy=345MPa,fu=?(范围值),E=?,E=?,二、钢材规格,第5节 钢材规格与选用,钢板,热轧型钢及标注,薄板 1mm 4mm,冷弯薄壁型钢,焊接型钢及冷成型钢,紧固件和焊接材料,中厚板 4.5mm20mm,厚板 20mm60mm,极厚板 60mm,建筑钢材的种类及钢材的选用,1、碳素结构钢Q195，Q215A、B，Q235A、B、C、D，Q255A、B，Q275Q为屈服强度汉语拼音的字首，后面数字为屈服强度值，而A、B、C、D表示质量等级，钢号由低到高代表了含碳量由低到高。Q195、Q215强度较低，而Q255、Q275含碳量超量，所以碳素结构钢主要应用Q235这一钢号。,Q235A屈服强度为235N/mm，A级，镇静钢Q235A.b屈服强度为235N/mm，A级，半镇静钢Q235A. F屈服强度为235N/mm，A级，沸腾钢Q235B屈服强度为235N/mm，B级，镇静钢Q235B.b屈服强度为235N/mm，B级，半镇静钢Q235B.F屈服强度为235N/mm，B级，沸腾钢Q235C屈服强度为235N/mm，C级，镇静钢Q235D屈服强度为235N/mm，D级，特殊镇静钢注意钢材质量由A到D为提高，主要由冲击韧性性能而定，A级无要求，B级在20C，C级在0C， D级在-20C，AKV 不小于27J当然，在化学元素的含量上，冶炼过程要求上也有所不同。,2、低合金高强度结构钢（GB/T151994） 在冶炼过程中加入少量几种合金元素（5%），使钢的强度明显提高。合金钢分Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五种，每种有A、B、C、D、E五个等级，A无冲击功要求， B级在20C，C级在0C， D级在-20C ， AKV 不小于34J ，E级在-40C， AKV 不小于27J 。A、B级属镇静钢，C、D、E级属特殊镇静钢。,3、高强度钢丝和钢索材料 在张拉结构中的钢索，由高强平行钢丝束、钢铰线和钢丝绳作成。一般而言，其强度高15701700N/mm，伸长率最小46%。在实际应用中有松弛效应。,钢材的选用,选材考虑的因素：结构或构件的重要性荷载性质（静荷或动荷）连接方式（焊接、铆接或栓接；加工成形）工作环境（温度、介质，如海洋、石化、高寒）对于重要结构、直接承受动力荷载的结构、处于低温条件下的结构以及焊接结构，要选用质量比较高的钢材。 主要在今后工作中体验，选用合适钢材。,型钢规格,钢结构构件一般宜直接选用型钢：工作量少，费用较低。对于一些大构件，当型钢选用不合适时，可用板材和型材进行组合。,板材表示：厚宽长，如-108006000型材表示：808、80506；25a; I32aHW400 400、 HM500 300、 HN300 150；TW200 400、TM300 300、TN300 200；C120 50 3，C120 50 20 3,型钢规格,钢结构构件一般宜直接选用型钢：工作量少，费用较低。对于一些大构件，当型钢选用不合适时，可用板材和型材进行组合。,板材表示：厚宽长，如-108006000型材表示：808、80506；25a; I32aHW400 400、 HM500 300、 HN300 150；TW200 400、TM300 300、TN300 200；C120 50 3，C120 50 20 3,三、钢材强度设计指标,第5节 钢材规格与选用,强度设计指标的形式,钢结构设计中需要的强度设计值,容许应力设计法(ASD),分项系数表达的极限状态设计法（LRFD）,钢板和型钢：依钢材牌号（屈服点）、厚度确定强度,铸钢：,焊缝：不同焊缝的依据不同,螺栓和其他连接件：极限强度为依据,强度设计值的确定,近似概率方法,四、钢材选用的一般原则,第5节 钢材规格与选用,结构类型及重要性,荷载性质：静力、动力,连接方法：焊接、非焊接,工作温度：常温、低温,应力条件：拉、压,新型结构钢,第6节 结构钢材的新发展,耐火钢,耐候钢,高强度钢：高强可焊（Ceq）、Z向性能钢,极低屈服点钢,结构用铸钢,高摩擦系数钢板：0.30.45 0.9,作业,钢结构材料,1.书面作业： p.56 E2.1, E2.2, E2.6, E2.7,2.综合思考： 钢材的脆性破坏和延性破坏有何区别？(2.7,3.3) 那些因素可能导致脆性破坏？ 理解结构设计对材料强度和塑性要求的平衡性。 检验钢材质量可以采取哪些手段？其中有哪些基本试验方法？ 对不同钢材（钢板、型钢、圆管）怎样作材性试验？,3.自学： 碳当量的概念及意义(2.5) 应力强度因子和断裂韧性（2.7, 3.6 ）,书面作业 p.56,钢结构材料,E2.1 如图所示钢材在单向拉伸状态下的应力-应变曲线,写出弹性阶段和非弹性阶段的关系式。,E2.2 如图所示钢材在单向拉伸状态下的应力-应变曲线,若试验时分别在A、B、C点卸载至零，写出卸载前应变 、卸载后应变残余应变 及可恢复弹性应变 各是多少。,A,B,C,E2.6 一两跨连续梁，在外荷载作用下截面上A点正应力为 =120MPa， =-80MPa，B点正应力 =-20MPa， =-120MPa，求该梁A、B点的应力比和应力幅。,E2.7 指出下列符号的意义：（1）Q235AF，（2）Q345D，（3）Q390E，（4）Q235D,单向拉伸曲线,第1节 结构钢对材料基本性能的要求,从单向拉伸曲线得到哪些信息？,N,0.2%,线弹性、弹性、屈服、强化、颈缩、断裂,第2节 影响钢材性能的一般因素,冶炼和轧制过程,多轴应力对屈服强度的影响,第3节 复杂应力与应力集中,以平面应力场为例，设存在任意,证：,经转轴可以化为仅有两个主应力,证明满足Mises屈服条件时,试证若,证毕,则满足Mises屈服条件时,且,若,单轴应力,多轴同号应力,多轴异号应力,理想弹塑性模型,第3节 复杂应力与应力集中,Goodman图,第4节 钢材疲劳破坏,疲劳强度极限（门槛值）,（疲劳强度）,设计时针对某一特定构造N 为定值,应力比定义中何者是,耐火钢,第5节 钢材规格与选用,普通结构钢材的缺点：600C时强度跌至1/3耐火钢目标： 600C时强度保持2/3,耐候钢与不锈钢,第6节 结构钢材的新发展,添加元素 Cr，Cu，Mn， RE(稀土)等美国Cro-Ten，耐候性为 普通钢28倍中国宝钢 09CuPTiRE, B490RNQ两种系列，耐候性为普通钢 23 倍 无明显屈服台阶，按2法屈强比为0.6以下伸长率35以上良好可焊性,Z向钢,第6节 结构钢材的新发展,厚度可达100mm具有优良韧性,极低屈服钢,第6节 结构钢材的新发展,低屈服点 100120MPa抗拉强度 250260MPa伸长率 60左右保证主要承重构件不进入塑性,结构用铸钢,第6节 结构钢材的新发展,一、基本性能要求,第1节 结构钢对材料基本性能的要求,1.强度,定义：,材料抵抗外力作用时不致破坏的能力,比例极限,指标：,抗拉强度（抗拉极限、极限强度）,高强度钢材屈服点的定义、常用结构钢材屈服点,屈服点（屈服强度）,承载能力、安全储备、公称强度及统计意义,意义：,屈强比：,与钢材性质的关系,二、基本性能指标（2）,第1节 结构钢材料基本性能的要求,2.塑性,定义：,材料在外力作用下发生的不可恢复的变形,伸长率及其范围,指标：,面缩率,避免突发性破坏；调整峰值应力；延性耗能,意义：,
