钢结构工程识图与施工ppt课件第二章.pptx
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1、,2.1 建筑钢材的破坏形式,钢材的破坏形式,塑性破坏,脆性破坏,材料在破坏之前有显著的变形,且持续时间较长,能吸收较多的能量,使破坏有明显的预兆,材料在破坏之前没有显著变形,且突然发生,吸收能量很少,塑性破坏在破坏发生前有明显的变形且持续时间较长,易于发现,及时补救,因此不会引起严重后果;而脆性破坏由于事先无显著变形且突然发生,无法及时察觉和采取补救措施,其一旦发生可能会导致整个结构坍塌,所以脆性破坏造成的危害和损失比塑性破坏严重得多。钢材的破坏形式除了与钢材的品种有关外,还与钢结构的工作环境、结构形式、加工条件等因素有关。,2.1 建筑钢材的破坏形式,2.2.1 钢材的主要力学性能,2.2
2、.2 钢材的冷弯性能,2.2 钢材的性能,2.2.3 钢材的可焊性能,2.2.4 钢材的耐火性能和耐候性能,钢结构在使用过程中会受到各种作用,选用钢材时应保证它们具备抵抗各种作用的能力。钢材在各种作用下表现出来的各种特性(如强度、塑性、韧性、冷弯性能等)称为钢材的力学性能。钢材的力学性能是钢结构设计的重要依据。,2.2.1 钢材的主要力学性能,1强度,在静载、常温条件下,对钢材标准试件(如图所示)进行一次单向均匀拉伸试验是力学性能试验中最具有代表性的。,图2-1 静力拉伸试验的标准试件,(a),(b),图(a)为低碳钢单向均匀拉伸试验的应力应变曲线,图(b)所示为曲线的局部放大图。下面根据两图
3、对低碳钢在单向受拉过程中经历的几个阶段以及强度、塑性的几项指标进行介绍。,1)弹性阶段,图2-2 低碳钢单向均匀拉伸的应力应变曲线,(a),(b),2)屈服阶段,3)强化阶段,4)颈缩阶段,图2-3 理想弹塑性材料的应力应变曲线,图2-4 钢材的条件屈服点,塑性是指钢材破坏前产生塑性变形的能力,可由静力拉伸试验得到的力学性能指标伸长率A和截面收缩率Z来衡量。A和Z数值越大,表明钢材塑性越好。,2塑性,图2-5 理想弹塑性材料的应力应变曲线,3塑性,冷弯性能可衡量钢材在常温下冷加工弯曲时产生塑性变形的能力。如图2-6所示为冷弯性能试验情况。厚度为 a 的标准试件放置在冷弯机辊轴上,用弯心直径为d
4、的冲头对试件中部加压,使其弯曲180,然后检查试件表面,以不出现裂纹和分层为合格。,2.2.2 钢材的冷弯性能,图2-6 冷弯性能试验,冷弯性能是钢材力学性能的一项指标。冷弯性能不仅是检验钢材适应加工能力和显示钢材内部缺陷(如非金属夹杂和分层等)的指标,而且由于冷弯时试件弯曲部位受到冲头挤压以及弯曲和剪切的复杂作用,所以冷弯性能也是考察钢材在复杂应力状态下塑性变形能力的指标。,钢结构的制作和安装,通常采用焊接的方法。因此,钢材是否具备可焊性能,是其能否在建筑工程中应用的重要条件。,2.2.3 钢材的可焊性能,钢材的焊接是将焊缝及其附近母材金属经升温熔化,然后再冷却凝结成一体的过程。钢材的可焊性
5、则指在一定的焊接工艺条件下,所施焊的焊缝熔敷金属和母材金属均不产生裂纹,且焊接的接头机械性能不低于母材的机械性能。影响钢材可焊性的因素很多,除钢材品种、化学成分及规格等自身因素外,还与节点复杂程度、约束程度、焊接的环境温度、焊接材料和焊接工艺等众多外在因素有关。因此,钢材可焊性的优劣应根据上述各种因素对焊接难易的影响程度进行区分。易焊钢材的可焊性好;反之,难焊钢材的可焊性差。,2.2.4 钢材的耐火性能和耐候性能,对建筑钢材的耐火性能要求,不同于对用于工业生产的耐热钢有长时间高温强度的要求。建筑钢材的耐火性能只需满足在一定高温下,保持结构在一定时间内不致垮塌,以保证人员和重要物资安全撤离火灾现
6、场。因此,它不需要在钢中添加大量贵重的、耐热性高的合金元素(如铬、钼),而只需添加少量较便宜的合金元素,即可具备一定的耐火性能。建筑钢材的耐火性能指标应满足下式要求,即(2-3)式(2-3)表示钢材在600高温时的屈服点应具有高于常温时屈服点的2/3,这也是保证建筑防火安全性的一个许用指标。,耐火性能和耐候性能是针对某些专用钢材所具有的附加性能。,1耐火性能,耐火钢一般是在低碳钢或低合金钢中添加V(钒)、Ti(钛)、Nb(铌)合金元素,组成Nb-V-Ti合金体系,或者再添加少量Cr(铬)、Mo(钼)合金元素。具有耐火性能的钢材,可以根据防火要求的需要,不用或减薄防火涂料,因此它有良好的经济效果
7、,并且能加大使用空间。,在自然环境下,普通钢材每5年的腐蚀厚度可达0.11 mm。如果钢材处于腐蚀气体环境中,则更为严重。对建筑钢材的耐候性能要求,它只需满足在自然环境下可裸露使用(如输电铁塔等),其耐候性提高到普通钢材的68倍,即可获得良好效果。,2耐候性能,同耐火钢一样,耐候钢一般也是在低碳钢或低合金钢中添加合金元素,如Cu,P,Cr,Ni等,以提高抗腐蚀性能。在大气作用下,耐候钢表面可形成致密的稳定锈层,以阻绝氧气和水的渗入,进而避免电化学腐蚀过程。如果在耐候钢上再涂装防腐涂料,其使用年限将远高于一般钢材。钢材还可在钢厂将其表面镀锌或镀铝锌,然后再在上面辊涂彩色聚酯类涂料,以使其具有优良
8、的耐候性能,但这种工艺只能生产彩涂薄钢板。钢材的耐火、耐候性能一般均是在低碳钢或低合金钢中添加与其相关的合金元素,添加的合金元素可综合提高数种性能(包括力学性能、Z向性能和可焊性能)。,2.3.1 化学成分影响,2.3.2 培冶炼、轧制、浇铸和热处理的影响,2.3 影响钢材性能的因素,2.3.3 钢材的硬化,2.3.4 温度的影响,2.3.5 复杂应力作用的影响,2.3.6 应力集中的影响,2.3.7 残余应力的影响,2.3.8 钢材的疲劳,钢的基本元素是铁(Fe)和少量的碳(C)。碳素结构钢中纯铁约占99%,其余是碳和硅(Si)、锰(Mn)等有利元素以及在冶炼过程不易除尽的有害杂质元素硫(S
9、)、磷(P)、氧(O)、氮(N)等。在低合金高强度结构钢中,除上述元素外,还含有改善钢的某些性能的合金元素,主要有钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)和铝(Al),以及铬(Cr)、镍(Ni)、钼(Mo)、稀土(RE)等。其总含量一般低于3%。在钢中碳和其他元素的含量尽管不大,但对钢的力学性能却有着决定性的影响。,钢的化学成分直接影响钢的颗粒组织和结晶构造,并与钢材力学性能有密切关系。,2.3.1 化学成分的影响,钢材性能的直接影响因素:,钢材性能的直接影响因素:,没有什么生意比人才的利润更高!李嘉诚,合金元素可明显提高钢的综合性能。如钒、钛、铌能细化钢的晶粒,提高钢的韧性。稀土有利于脱氧、脱硫,改
10、善钢的性能。铬、镍、钼能发挥微合金沉淀强化作用,提高钢的强韧性,尤其是低温韧性。另外,铜(Cu)能提高钢的耐蚀性能,但会降低可焊性能。铝能很好地细化钢的晶粒,提高钢的韧性,因此,低合金高强度钢各牌号的高质量等级(C,D,E级)均规定铝含量应不小于0.015%。,7合金元素对钢材性能的影响,化学成分偏析使钢材的塑性、冷弯性能、冲击韧性及可焊性变坏。非金属夹杂中的硫化物使钢材“热脆”,氧化物则严重地降低钢材的力学性能和工艺性能。裂纹使钢材的冷弯性能、冲击韧性和抗脆性破坏的能力大大降低。钢材在厚度方向不密合的分层,虽各层间仍相互连接,并不脱离,但它将严重降低冷弯性能。分层的夹缝处还易锈蚀,甚至形成裂
11、纹,这将大大降低钢材的冲击韧性及抗脆断能力,尤其是在承受垂直于板面的拉力时,易产生层状撕裂。,钢材的生产要经过冶炼、浇铸和轧制等工艺过程,在这些过程中,可能出现化学成分偏析、夹杂、裂纹、分层等缺陷而影响钢材性能。,1 冶炼对钢材性能的影响,2.3.2 冶炼、轧制、浇铸和热处理的影响,冶炼是将生铁水、废钢和石灰石等原料加入炼钢炉(氧气转炉、电炉等)炉膛中,用燃料(纯氧、煤气或重油等)加热燃烧至温度约1 650,使铁水中多余的碳、硫、磷等元素,在高温下经过熔化、氧化、还原等物理化学、反应过程而被除去,从而炼成合乎化学成分要求的各类钢种。,2 浇铸对钢材性能的影响,由于钢在熔炼时的氧化过程会生成氧化
12、铁等夹杂,使钢的性能变坏,因而在浇铸过程需用与氧亲和力比铁高的脱氧剂加入钢液中脱氧。常用的脱氧剂有锰、硅、铝等,根据脱氧方式和脱氧程度的不同,将钢材分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢。,3 轧制对钢材性能的影响,钢材热轧可改善钢锭(坯)的铸造组织,使其结晶致密,消除冶炼过程中的部分缺陷。尤其是轧制压缩比大的小型钢材,如薄板、小型钢等,其强度、塑性、冲击韧性均优于压缩比小的大型钢材。另外,钢材性能还与轧制方向有关,顺着轧制方向(纵向)较好,横向较差。,轧制工艺,传统方法,连铸连轧(续锭续钢),在钢炼好后,将钢液浇铸于钢锭模中成为体积较大的钢锭,经脱锭车间脱模后运至初轧厂再经均热炉加温,然后
13、在初轧机中开坯,轧成厚度较小且长、宽适当的各种钢坯,供应给各钢厂(轨梁厂、轧板厂、无缝钢管厂等),轧成各种钢材,它省去了铸锭开坯工序,直接将炼好的钢水在钢厂连铸机中浇铸成近终型的钢坯(薄板坯、中厚板坯、方坯、圆坯、异形坯等),然后经轧机连续轧制成各种钢材,4 处理对钢材性能的影响,钢材的热处理一般采用正火、退火、淬火和回火,其作用是通过改变钢的组织,细化晶粒,消除残余应力来改善钢的性能。,淬火和回火,退火,正火,正火是将钢材加热至900以上并保温一定时间,然后在空气中冷却。普通热轧钢材轧制后在空气中自然冷却,可以说也是处于正火状态,但往往因停轧温度过低或过高,而使钢的组织改变,降低了钢材性能。
14、因此,对质量要求高的钢材(如Q390,Q420,Q460钢和GJ钢等),常需要正火处理或控制停轧(控制停轧温度为850900)。,淬火是将钢材加热至900以上并保温一定时间后。放入水或油中快速冷却。淬火后钢材强度大幅提高。但淬火后要及时回火,即将钢材加温至500600,经保温后在空气中冷却。采用淬火后回火的调质工艺处理,可显著地提高钢材强度,且能保持一定的塑性和韧性。,退火是将钢加热到适当温度,保持一定时间,然后以适宜的速度冷却。目的是使经过铸造、锻轧、焊接或切削加工的材料或工件软化,改善塑性和韧性,使化学成分均匀化,去除残余应力,或得到预期的物理性能。除了一般性的退火外,还有一种去应力退火,
15、又称低温退火,主要用来消除铸件、热轧件、锻件、焊接件和冷加工件中的残余应力。,2.3.3 钢材的硬化,冶炼时留在纯铁体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,它们对纯铁体的塑性变形起着阻碍作用,从而使钢材的强度提高,塑性和韧性下降,这种现象称为时效硬化。时效硬化的过程有短有长(几天至几十年),但在材料经塑性变形(10%左右)后加热到250,可使时效硬化加速发展,只需几小时即可完成,这称为人工时效。它一般被用来对特别重要结构使用的钢材进行时效硬化,然后测定其冲击韧性。,在弹塑性阶段或塑性阶段卸荷后再重复加荷时,其屈服点将提高,即弹性范围增大,而塑性和韧性降低,这种
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