《钢结构材料》PPT课件.ppt

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1、(4学时),主要内容 2.1钢结构用材的要求 2.2钢材的主要性能及其鉴定 2.3影响钢材性能的因素 2.4钢材疲劳 2.5建筑用钢种类及选用 重点：钢材的主要性能及其影响因素,第2章 钢结构材料(4学时）,本次课程内容 钢结构用材的要求 钢材的主要性能及其鉴定 影响钢材性能的因素 重点：钢材的主要性能 影响钢材性能的因素,虽然钢材有几百种，符合钢结构性能要求 的只有碳素钢及合金钢中的少数几种。钢结构的钢材必须具备下列性能：较高的强度。即抗拉强度和屈服点比较高。足够的变形能力。即塑性韧性性能好。良好的加工性能。即适合冷、热加工。良好的可焊性。还应具有适应低温、有害介质侵蚀、重复 荷载作用。,2

2、.1钢结构用材的要求,钢结构设计规范（GB500172002）推荐的承重钢结构用钢：碳素结构钢(carbon structural steels)Q235钢 低合金高强度结构钢（high strength low alloy structural steels)Q345、Q390、Q420钢 钢材有两种破坏形式,2.2钢材的主要性能及其鉴定 2.2.1钢材的破坏形式,塑性破坏（ductile fracture)破坏前具有较大的塑性变形；破坏后断口呈纤维状，色泽发暗；应力达到抗拉强度后才会发生破坏；破坏过程较长，容易被发现和抢修加固，不致发生严重后果。钢材塑性破坏前的较大塑性变形能力，可 以实现

3、构件和结构中的内力重分布，钢结构 的塑性设计就是建立在这种足够的塑性变形 能力上。,脆性破坏（brittle fracture)破坏前塑性变形很小，甚至没有。破坏后断口平直，呈有光泽的晶粒状。破坏时应力低于抗拉强度，甚至低于屈服 强度 破坏速度极快，无法察觉和补救，一旦发 生破坏后果非常严重。钢结构在设计、施工和使用过程重，要特 别注意防止脆性破坏发生。,钢材拉伸试验可获得三个重要的力学性能 指标：抗拉强度(tensile strength)：反映钢材 受拉时所能承受的极限应力。伸长率(elongation)：衡量钢材断裂前所 具有的塑性变形能力的指标。屈服强度(yield strength)

4、：衡量钢材在 单向应力作用下屈服的标志。是钢结构设计 中应力允许达到的最大限值。,钢材在单向一次拉伸下的工作性能,拉伸试验,Steel,根据试样厚度，按规定 的弯心直径将试样弯曲180 度，表面及侧面无裂纹或分 层则为“冷弯合格”，图2-1。冷弯性能是衡量钢材在 常温下冷加工弯曲时产生塑 性变形的能力，及判别钢材 图2-1 冷弯试验 内部缺陷和可焊性的综合指 标。重要结构需要有良好的冷热加工的工艺性 能时，应有冷弯合格保证。,2.2.3 冷弯性能（cold-bending behavior),Steel,冷弯试验,冲击韧性衡量钢材断裂时吸收机械能量的 能力，是强度与塑性的综合指标。现行国家标准

5、碳素结构钢(GB700-88)规定采用国际上通用的夏比试验法，夏比缺 口韧性用 表示，其值为试件折断所 需要的功，单位为焦耳，图2-2。对重要结构要根据相应的环境温度对应提 出常温(+20)冲击韧性、0 冲击韧性或 负温(负温-20、-40)冲击韧性的合格 保证。,2.2.4 冲击韧性(notch toughness),图2-3 夏比V型缺口冲击试验 1-摆锤；2-试件；3-试验机台座；4-刻度盘；5-指针,冲击韧性试验,可焊性是指采用一般焊接工艺就可以完成 合格的焊缝的性能。钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的 影响。碳含量在0.12-0.20%范围内的碳素钢，可焊性最好。含碳量再高可使焊缝

6、和热影响 区变脆。一般Q235A通常不能用于焊接构件，而Q235B、Q235C、Q235D适合焊接使用。高强度低合金钢中，合金元素对可焊性由 不利影响。,2.2.5 可焊性,我国行业标准建筑钢结构焊接技术规程 JGJ81-2002，推荐使用碳当量来衡量低合金 钢可焊性，公式如下：(2-1)当碳当量不超过0.38%时钢材可焊性很好；当 在0.38%0.45%时施焊时需要控制焊接工艺 和预热措施；大于0.45%时，需要严格控制焊 接工艺和预热措施。,钢材质量性能指标有：抗拉强度、伸长率、屈服强度、冷弯性能、冲击韧性。工艺性能和 化学成分也是反映钢材性能的重要因素。根据 钢结构工程施工质量验收规范(

7、GB50205-2001)的规定，对于进入施工现场的钢材需进 行进场验收，即检查钢材的质量合格证明文件、中文标识及验收报告，确认钢材的品种、规格、性能是否符合现行国家标准和设计要求。钢材质量的抽样检验应由有相应资质的质检 单位进行。,2.2.6钢材性能的鉴定,课间休息2,2.3.1化学成分的影响 钢材化学成分有铁(Fe)，占 99%左右，此 外是碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、硫(S)、磷(P)、氧(0)、氮(N)、钒(V)等。碳是形成钢材强度的重要成分，随着含碳 量的提高，钢材强度逐渐增高，而塑性和韧性 下降，冷弯性能、焊接性能和抗锈蚀性能也变 劣。,2.3 影响钢材性能的因素,低碳钢含碳

8、量小于0.25%的钢材；中碳钢含碳量介于0.25%和0.6%之间的 钢材；高碳钢含碳量大于0.6%的钢材。钢结构所用钢材中碳含量0.22%，对于焊 接结构严格控制在0.2%以内。锰是有益元素，是一种弱脱氧剂，可提高 钢材的强度，改善钢的冷脆倾向，但却降低焊 接性能，应控制含量，在低合金钢中含量为 1.2%1.6%。,硅是强脱氧剂，可使钢材粒度变细，提高 强度且不影响其他性能。在普通碳素钢中(Si)含量在0.12%0.3%,在低合金钢中含量0.2%0.55%。过量硅会恶化焊接性能和抗腐蚀性 能。硫是有害元素，能生成易于熔化的硫化硫 化铁。温度达8001000 时，出现裂纹，称 为热脆，还会降低钢

9、的冲击韧性，影响疲劳性 能和抗锈蚀性能，故对硫的质量分数应严格控 制在0.05%以内。,磷也是有害元素，在低温下会使普通碳素 钢变脆，称为冷脆；高温时则使钢的塑性降低，故含量应限制在0.045%以内。氧也是有害元素，氧能使钢热脆。氮也是有害元素，使钢冷脆，故含量应严 加控制。钒、铌、钛适量可提高钢的强度、韧性和 抗锈蚀能力，而不显著降低塑性。铝是强脱氧剂，提高钢的强度、低温韧性 含量不小于0.015%。,冶炼方法炉种的影响；浇铸脱氧因脱氧程度的不同，形成 镇静钢、半镇静钢、沸腾钢；冶金缺陷偏析、非金属夹杂、气泡、裂纹等；轧制使金属的晶粒变细，使气泡、裂 纹等焊合，改善了力学性能，钢板越薄强度

10、越高；,2.3.2 成材过程的影响,热处理是指金属在固态夏通过改变温 度、保温和随后调整至室温，实现改变金属组 织，获得所需性能的工艺方法。目的在于取得 高强度的同时保持良好的塑性和韧性。其工艺 分为退火、正火、淬火、回火。时效硬化 钢材中的氮和碳，随时间的增 长从固体中析出，从而使钢材的强度提高，塑 性韧性 降低，脆性增大。这种现象称为时效硬 化，也称老化。如图 2-3所示。,2.3.3硬化的影响,图2-3 硬化对钢材性能的影响 冷作硬化(应变硬化）钢结构不考虑此种 方法提高强度的，因为它容易引起裂缝。应变时效硬化 钢材经冷加工硬化后又经 时效而硬化变脆的现象。,在截面形状改变处,如孔眼、切

11、口、加粗等，会出现应力集中现象，图2-4。图2-5应力集中,2.3.4应力集中的影响,图2-5 应力集中对钢材性能的影响,在正温度范围内，总的趋势是随着温度的升 高，钢材的强度降低，塑性增大。在250 左右时，钢材的强度略有提高，而 塑性降低，钢材呈脆性，此现象称为蓝脆现象。在250350时，钢材会产生徐变现象。在600 时钢材的强度很低不能承担荷载，如图2-6。钢结构规范规定在超过150时结构表面 需要加设隔热保护层。,2.3.5 温度的影响,在负温范围内，随着温度降低，钢材的脆性 倾向逐渐增加，钢材的冲击韧性下降。当冬季 计算温度等于或 低于20 时，不同不同钢种，特别是受动力荷 载的结构

12、，要有 负温冲击韧性的 保证。图2-6低碳钢在高温下性能,荷载可分为静力荷载和动力荷载两大类。静力荷载中的永久荷载属于一次加载，可变 荷载看作重复加载。动力荷载中的冲击荷载属于一次快速加载，吊车梁所受的吊车荷载及建筑结构所承受的地 震作用则属于连续交变荷载，或称循环荷载。加荷速度的影响 由图2-7 看出，随着加荷速率的减小，曲线 向温度低侧移动。在温度较高和较低两侧，三 条曲线趋于接近，应变速率的影响不十分明显，,2.3.6荷载类型的影响,当在常温范围 内加荷速率越 高，缺口试件 断裂时吸收的 能量越低，变 得越脆。因此 在钢结构防止 低温脆性破坏 设计中应考虑 图2-6不同应变速率下钢材断裂

13、吸收 加荷速度影响。能量随温度的变,请同学们预习下次课内容 钢材的疲劳：疲劳的定义；疲劳破坏的特征；疲劳验算。建筑用钢的种类及选用：钢材种类规格 钢材的选择,下次课再见,本次课的内容 疲劳的定义 钢材的疲劳 疲劳破坏的特征 疲劳验算 钢材种类规格 建筑用钢的种类及选用 钢材的选择 重点：疲劳破坏的特征 难点：疲劳验算,钢材在连续交变荷载作用下，逐渐积累损伤、产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后突然破坏 的现象称为疲劳(fatigue)。按照断裂寿命和应力高低的不同，疲劳分为 高周疲劳和低周疲劳两类。高周疲劳的断裂寿 命长，断裂前的应力循环次数大于等于50000，断裂应力水平较低，应力小于屈服应力，

14、因此 也称为低应力疲劳或疲劳，一般常见的疲劳多 属于这种疲劳。,2.4钢材的疲劳 2.4.1疲劳的定义,低周疲劳的断裂寿命较短，断裂前的应力循 环次数常在10050000，断裂应力较高，应力 大于等于屈服应力，伴有塑性应变发生，因此 也称为应变疲劳或高应力疲劳。引起疲劳破坏的交变荷载由两种类型：一种 为常幅交变荷载，引起的应力称为常幅循环应 力；一种为变幅交变荷载，引起的应力称为变 幅循环应力，图 2-8。由这两种荷载引起的疲 劳破坏分别称为常幅疲劳和变幅疲劳。,2.4.2疲劳破坏的特征,图2-7常幅循环应力和变幅循环应力(a)常幅循环应力(b)变幅循环应力 疲劳破坏具有突然性，破坏前没有明显

15、的宏 观塑性变形，属于脆性断裂。但于一般脆断的瞬间断裂不同，疲劳是在名 义应力低于屈服点的低应力循环下，经历了长 期的积累损伤过程后才突然发生的。,其破坏过程经历三个阶段，即裂纹的萌生、裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。疲劳破坏的断口与一般脆性断口不同，可 分为三个区域：裂纹源、裂纹扩展区和断裂区，图2-9。疲劳对缺陷 十分敏感。缺陷 部位应力集中严 重，会加快疲劳 破坏的裂纹萌生 和发展。图2-8 疲劳破坏断口特征,1.基本概念 一次循环：连续 重复荷载之下应力 往复变化一周（图 2-10).常幅应力循环：一次应力循环中应 力幅为常数。应力比：等于按 绝对值计算的最小 图2-9 循环应力谱,2.

16、4.3常幅疲劳,最小应力和最大应力之比，即（拉为 正，压为负）。图2-9(a)为完全对称循环,（c）脉冲循环，（d）相当于静荷载作用。应力幅：应力变化的幅度。试验表明：疲劳强度除与主体金属和连接类型 有关外，还与循环应力的应力比和循环次数有 关。2.疲劳验算 直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及 连接，当应力循环次数 时应进行疲劳 验算。,（2-1)式中(2-2)表2.1 系 数,将变幅应力幅折算为常幅等效应力幅，然 后按常幅疲劳进行验算，公式(2-3)式中,2.4.4变幅疲劳验算,课间休息3,2.5.1建筑用钢的种类 我国的建筑用钢主要为碳素结构钢和低合金 高强度钢两种。1.碳素结构钢 按

17、国家标准 GB/700-1998 生产的钢材共有 Q195、Q215、Q235、Q255、Q275 等5种。其中 Q235 含碳量在0.22%以下，属于低碳钢，强度 适中，塑性、韧性均好。根据化学成分和冲击 韧性的不同划分为A、B、C、D 共4个质量等级，按字母顺序由A到D，表示质量等级由低到高。,2.5建筑用钢的种类及选用,碳素结构钢的钢号由代表屈服点的字母 Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号四 个部分组成。F-沸腾钢，b-半镇静钢，Z-镇静 钢，TZ-特种镇静钢。Z、TZ可省略。2.低合金高强度钢 按国家标准GB/T1591-1994 生产的钢材共有 Q295、Q345、Q390、

18、Q420、Q460等5种。按化 学成分和冲击韧性划分为A、B、C、D、E共5个 质量等级。Q345、Q390、Q420 有较高的强度 和塑性、韧性、焊接性能。,钢板 有厚钢板、薄钢板、扁钢。表示方法 为在符号“”后加“宽度厚度”。厚钢板：厚度4.560mm，宽度6003000mm，长度4m12m；热轧型钢 常用有角钢、工字钢、槽钢等，图2-10af。冷弯薄壁型钢 采用1.56mm厚的钢板冷弯和辊压成型的型 材图2-10g；采用0.41.6mm 的薄钢板经辊压 成型的压型钢板图2-10h。,2.5.2钢材规格,图2-10热轧型钢及冷弯薄壁型钢,选用原则 保证结构安全可靠，符合使用要求，尽可能 地

19、节省钢材和降低工程造价。具体应考虑下列 因素：（1)结构的重要性。（2）荷载特征。（3)连接方式。（4）结构的工作环境。（5）钢材厚度。,2.5.3钢材的选择,1.钢材有哪两种破坏形式?2.衡量钢材性能的好坏常用哪些指标?3.影响钢材性能的主要化学成分有哪些?4.碳、硫磷对钢材的性能有那些影响？5.影响钢材性能的主要因素有那些?6.钢材在温度作用下的力学性能如何?7.硬化是如何影响钢材性能的?8.疲劳破坏的特征是什么?9.哪些因素可使钢材变脆?10.钢材的选用主要考虑那些因素?,思考题,请同学们预习下次课内容 钢结构连接形式：焊接连接；铆钉和螺栓连接；轻钢结构的紧固连接。对接焊缝设计：对接焊缝的构造 对接焊缝的计算,下次课再见,