钢结构基础第二章钢结构的材料.ppt

第2章 钢结构的材料 对钢结构用材的要求 钢材的主要性能及其鉴定 影响钢材性能的因素 钢材的延性破坏和非延性破坏循环加载和快速加载 建筑钢材的类别及钢材的选用 主要内容：主要内容： 重点：重点： 对钢结构用材的要求 建筑钢材的类别及钢材的选用 Date 2.1 对钢结构用材的要求 较高的强度。即抗拉强度fu和屈服点fy比较高。 足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。 良好的加工性能。即适合冷、热加工，良好的可焊性。 适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀)以及重复荷载 作用等的性能。 容易生产，价格便宜。 钢结构设计规范(GB500172002)推荐的普通碳素结 构钢Q235钢和低合金高强度结构钢Q345、Q390及 Q420是符合上述要求的。 选用GB50017规范还未推荐的钢材时，需有可靠依据。以 确保钢结构的质量。 Date 2.2 钢材的主要性能及其鉴定 图2.1 钢材的一次拉伸应力应变曲线 2.2.1 单向拉伸时的工作性能 条件：常温、静载条件下一次拉伸 Date 1.比例极限P 这是应力-应变图中直线段的最大应力值。严格地说 ，比 P略高处还有弹性极限，但弹性极限与 P极其接 近，所以通常略去弹性极限的点，把 P看做是弹性极限 。 2.屈服点y 应变在P之后不再与应力成正比，而是渐渐加大 ，应力-应变间成曲线关系，一直到屈服点。 3.抗拉强度u 屈服平台之后，应变增长时又需有应力的增长，但 相对地说应变增加得快，呈现曲线关系直到最高点。 Date 4.伸长率5和10 伸长率是断裂前试件的永久变形与原标定长度的百 分比。取圆形试件直径d的五倍或十倍为标定长度，其 相应的伸长率用5和10表示，伸长率代表材料断裂前具 有的塑性变形的能力。结构制造时，这种能力使材料经 受剪切、冲压、弯曲及锤击所产生的局部屈服而无明显 损坏。 屈服点、抗拉强度和伸长率，是钢材的三个重要力 学性能指标。钢结构中所采用的钢材都应满足钢结构设 计规范对这三项力学性能指标的要求。 Date 屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性，其意义是： 1作为结构计算中材料强度标准，或材料抗力标准。应 力达到y时的应变与P时的应变较接近，可以认为应力 达到y时为弹性变形的终点。同时，达到y 后在一个较 大的应变范围内应力不会继续增加，表示结构一时丧失 继续承担更大荷载的能力，故此以y作为弹性计算时强 度的标准。 2形成理想弹塑性体的模型，为发展钢结构计算理论提 供基础。 y之前，钢材近于理想弹性体， y之后，塑 性应变范围很大而应力保持不增长，所以接近理想塑性 体。因此，可以用两根直线的图形作为理想弹塑性体的 应力-应变模型。钢结构设计规范对塑性设计的规定， 就以材料是理想弹塑性体的假设为依据，忽略了应变硬 化的有利作用。 Date 图2.2 钢材的冷弯试验 2.2.2 冷弯性能 根据试样厚度，按规定的弯心 直径将试样弯曲180度，其表面及 侧无裂纹或分层则为“冷弯试验合格 ”。 “冷弯试验合格”一方面同伸 长率符合规定一样，表示材料塑性 变形能力符合要求，另一方面表示 钢材的冶金质量(颗粒结晶及非金属 夹杂分布，甚至在一定程度上包括 可焊性)符合要求，因此，冷弯性能 是判别钢材塑性变形能力及冶金质 量的综合指标。重要结构中需要有 良好的冷热加工的工艺性能时，应 有冷弯试验合格保证。 Date 2.2.3 冲击韧性 与抵抗冲击作用有关的钢材的性能是韧性。韧性是钢 材断裂时吸收机械能能力的量度。吸收较多能量才断裂的 钢材，是韧性好的钢材。钢材在一次拉伸静载作用下断裂 时所吸收的能量，用单位体积吸收的能量来表示，其值等 于应力-应变曲线下的面积。塑性好的钢材，其应力-应变 曲线下的面积大，所以韧性值大。然而，实际工作中，不 用上述方法来衡量钢材的韧性，而用冲击韧性衡量钢材抗 脆断的性能，因为实际结构中脆性断裂并不发生在单向受 拉的地方，而总是发生在有缺口高峰应力的地方，在缺口 高峰应力的地方常呈三向受拉的应力状态。 Date 图2.4 钢材的冲击试验 缺口韧性值受温度影响，温度低于某值时将急剧降低 。设计处于不同环境温度的重要结构，尤其是受动载作用 的结构时，要根据相应的环境温度对应提出冲击韧性的保 证要求。 Date 2.2.4 可焊性 与可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合格的(无裂 纹的)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0.120.20范围内的碳素钢，可焊性最好。碳含量 再高可使焊缝和热影响区变脆。 Date 2.2.5 钢材性能的鉴定 与根据钢结构工程施工质量验收规范 (GB50205- 2001)的规定，对进入钢结构工程实施现场的主要材料需进 行进场验收，即检查钢材的质量合格证明文件、中文标识 及检验报告，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。 Date 2.3 影响钢材性能的因素 钢是含碳量小于2的铁碳合金，碳大于2时则为铸 铁。制造钢结构所用的材料有碳素结构钢中的低碳钢及 低合金结构钢。 碳素结构钢由钝铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约 占99，碳及杂质元素约占1。低合金结构钢中，除上 述元素外还加入合金元素，后者总量通常不超过3。碳 及其他元素虽然所占比重不大，但对钢材性能却有重要 影响。 2.3.1 化学成分的影响 Date 碳（C） 碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素，是影 响钢材强度的主要因素，随着含碳量的增加，钢材强度 提高，而塑性和韧性、尤其是低温冲击韧性下降，同时 可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能明显降低。因此结构用钢 的含碳量一般不应超过0.22%，对焊接结构应低于 0.2%。 锰（Mn）锰是一种弱脱氧剂，适量的锰含量可以有效 地提高钢材的强度，又能消除硫、氧对钢材的热脆影响 ，而不显著降低钢材的塑性和韧性。锰在碳素结构钢中 的含量为0.3%-0.8%，在低合金钢中一般为1.0%-1.7% 。 Date 硅（Si） 硅是一种强脱氧剂，适量的硅可提高钢材的强度， 而对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性无明显不良影响， 但硅含量过大时，会降低钢材的塑性、韧性、抗锈蚀性 和可焊性。 钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti) 钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢 都含有这三种元素，作为锰以外的合金元素，既可提高 钢材强度，又保持良好的塑性、韧性。 Date 铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni) 铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进一步减 少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。铬和镍是提高 钢材强度的合金元素，用于Q390钢和Q420钢。 硫（S） 硫是一种有害元素，降低钢材的塑性、韧性、可焊 性、抗锈蚀性等，在高温时使钢材变脆，即热脆。因此 ，钢材中硫的含量不得超过0.05%，在焊接结构中不超 过0.045%。 Date 磷(P) 磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷是碳素 钢中的杂质，它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆 。在高温时磷也能使钢减少塑性。但磷能提高钢的强度 和抗锈蚀能力。 氧(O)、氮(N) 氧和氮也是有害杂质，在金属熔化的状态下可以从 空气中进入。氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈，氮能使 钢冷脆，与磷相似。 Date 2.3.2 成材过程的影响 1冶炼 钢材的冶炼方法主要有平炉炼钢、氧气顶吹转炉炼钢 、碱性侧吹转炉炼钢及电炉炼钢。在建筑钢结构中，主要 使用氧气顶吹转炉生产的钢材。目前氧气顶吹转炉钢的质 量，由于生产技术的提高，已不低于平炉钢的质量。 冶炼这一冶金过程形成钢的化学成分与含量、钢的金 相组织结构，不可避免地存在冶金缺陷，从而确定不同的 钢种、钢号及其相应的力学性能。 Date 2.3.2 成材过程的影响 2浇铸 把熔炼好的钢水浇铸成钢锭或钢坯有两种方法，一种 是浇入铸模做成钢锭，另一种是浇入连续浇铸机做成钢坯 。铸锭过程中因脱氧程度不同，最终成为镇静钢、半镇静 钢与沸腾钢。 钢在冶炼及浇铸过程中会不可避免地产生冶金缺陷 。常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔及裂纹等等 。这些缺陷都将影响钢的力学性能。 Date 2.3.2 成材过程的影响 3轧制 钢材的轧制能使金属的晶粒变细，也能使气泡、裂纹 等焊合，因而改善了钢材的力学性能。薄板因辊轧次数多 ，其强度比厚板略高、浇铸时的非金属夹杂物在轧制后能 造成钢材的分层，所以分层是钢材(尤其是厚板)的一种缺 。设计时应尽量避免拉力垂直于板面的情况，以防止层间 撕裂。 Date 2.3.2 成材过程的影响 4热处理 热处理的目的在于取得高强度的同时能够保持良好 的塑性和韧性。正火属于最简单的热处理：把钢材加热至 850900 oC并保持一段时间后在空气中自然冷却，即为正 火。如果钢材在终止轧制时温度正好控制在上述温度范围 ，可得到正火的效果，称为控轧。回火是将钢材重新加热 至650 oC并保温一段时间，然后在空气中自然冷却。淬火 加回火也称调质处理，淬火是把钢材加热至900 oC以上， 保温一段时间，然后放入水或油中快速冷却。强度很高的 钢材，包括高强度螺栓的材料都要经过调质处理。 Date 2.3.3 影响钢材性能的其它因素 1.冷加工硬化(应变硬化) 在常温下加工叫冷加工。冷拉、冷弯、冲孔、机械剪 切等加工使钢材产生很大塑性变形，由于减小了塑性和韧 性性能，普通钢结构中不利用硬化现象所提高的强度。重 要结构还把钢板因剪切而硬化的边缘部分刨去。 用作冷弯薄壁型钢结构的冷弯型钢，是由钢板或钢带 经冷轧成型的，也有的是经压力机模压成型或在弯板机上 弯曲成型的。由于这个原因，薄壁型钢结构设计中允许利 用因局部冷加工而提高的强度。 Date 此外，还有性质类似的 时效硬化与应变时效。时效 硬化指钢材仅随时间的增长 而转脆，应变时效指应变硬 化又加时效硬化由于这些是 使钢材转脆的性质，所以有 些重要结构要求对钢材进行 人工时效，然后测定其冲击 韧性，以保证结构具有长期 的抗脆性破坏能力。 图2.5 钢材的硬化 Date 2.温度的影响 钢材对温度相当敏感，温度升高与降低都使钢材性能 发生变化。相比之下，低温性能更重要。 正温范围总的趋势是随着温度的升高，钢材强度降低 ，变形增大。约在200oC以内钢材性能没有很大变化，430- 540oC之间则强度(fy与fu)急剧下降；到600oC时强度很低不 能承担荷载。此外，250oC附近有兰脆现象，约260-320oC 时有徐变现象。 兰脆现象指温度在250oC左右的区间内，fu有局部性提 高，fy也有回升现象，同时塑性有所降低，材料有转脆倾 向。在兰脆区进行热加工，可能引起裂纹。徐变现象指在 应力持续不变的情况下钢材以很缓慢的速度继续变形的现 象。设计时以规定150oC为适宜，超过之后结构表面即需 加设隔热保护层。 Date 图2.6 高温对钢材性能的影响 Date 负温范围 fy与fu都增高 但塑性变形能力减小，因而 材料转脆，对冲击韧性的影 响十分突出。材料由韧性破 坏转到脆性破坏叫该种钢材 的转变温度，在结构设计中 要求避免完全脆性破坏，所 以结构所处温度应大于脆性 转变温度。 图2.7 Cv值随温度T的变化 Date 3.应力集中 当截面完整性遭到破坏，如有裂纹(内部的或表面的) 、孔洞、刻槽、凹角时以及截面的厚度或宽度突然改变时 ，构件中的应力分布将变得很不均匀。在缺陷或截面变化 处附近，应力线曲折、密集、出现高峰应力的现象称为应 力集中。 孔边应力高峰处将产生双向或三向的应力。这是因为材 料的某一点在x方向伸长的同时，在y方向(横向)将要收缩 ，当板厚较大时还将引起z方向收缩。 Date 由力学知识知道，三向 同号应力且各应力数值接近 时，材料不易屈服。当为数 值相等三向拉应力时，直到 材料断裂也不屈服。没有塑 性变形的断裂是脆性断裂。 所以，三向应力的应力状态 ，使材料沿力作用方向塑性 变形的发展受到很大约束， 材料容易脆性破坏。因此， 对于厚钢材应该要求更高的 韧性。 图2.8 孔洞、缺口处的应力集中 Date 2.4钢材的延性破坏和非延性破 坏循环加载和快速加载的效应 有屈服现象的钢材或者虽然没有明显屈服现象而能发生 较大塑性变形的钢材，一般属于塑性材料。没有屈服现象或 塑性变形能力很小的钢材，则属于脆性材料。 塑性材料是指由于材料原始性能以及在常温、静载并一 次加荷的工作条件之下能在破坏前发生较大塑性变形的材料 。然而一种钢材具有塑性变形能力的大小，不仅取决于钢材 原始的化学成分，熔炼与轧制条件，也取决于后来所处的工 作条件。即使原来塑性表现极好的钢材，改变了工作条件， 如在很低的温度之下受冲击作用，也完全可能呈现脆性破坏 。所以，严格地说，不宜把钢材划分为塑性和脆性材料，而 应该区分材料可能发生的塑性破坏与脆性破坏。 2.4.1 延性破坏和非延性破坏 Date 1疲劳断裂的概念 疲劳断裂是微观裂缝在连续重复荷载作用下不断扩展直 至断裂的脆性破坏。断口可能贯穿于母材，可能贯穿于连接 焊缝，也可能贯穿于母材及焊缝。 出现疲劳断裂时，截面上的应力低于材料的抗拉强度， 甚至低于屈服强度。同时，疲劳破坏属于脆性破坏，塑性变 形极小，因此是一种没有明显变形的突然破坏，危险性较大 。 2.4.2 循环荷载的效应 Date 疲劳破坏的构件断口 上面一部分呈现半椭圆形 光滑区，其余部分则为粗 糙区（如图 2-9 )。 2.4.2 循环荷载的效应 图2.9 断口示意 1光滑区；2粗糙区 Date 应力循环特性常用应力比值来表示，以拉应力 为正值。连续重复荷载之下应力往复变化一周 叫做一个循环。 完全对称循环( -1) 静荷载作用( +1) 脉冲循环( 0) 一般应力循环(-1 105时应进行疲劳验算。 永久荷载所产生的应力为不变值，没有应力幅。应力 幅只由重复作用的可变荷载产生，所以疲劳验算按可变 荷载标准值进行。荷载计算中不乘以吊车动力系数，常 幅疲劳按下式进行验算。 式中 对焊接结构为应力幅 max-min； 对非焊接部位为计算 应力幅 max-min ，应力以拉为 正，压为负； 常幅疲劳的 容许应力幅。 式中C，系数。焊接结构 中根据各种不同的构造细部使 疲劳强度不同程度地降低，详 见第 8 章。 Date 2.4.3 快速加荷效应 快速加荷使钢材的屈服点和抗拉强度提高，而钢厂在 做钢材拉伸试验时往往加荷比较快，致使所得fy、fu偏高 。快速加荷的不利效应在于影响能量吸收的能力，图 2-11 给出三条不同加荷速率下的断裂能量一温度关系曲线。从 图可以看出，随着加荷速率的减小，曲线向温度较低的方 向移动。有些结构的钢材在工作温度下冲击韧性值很低， 但仍然保持完好，就可以由加荷速率很慢来说明。对于同 一冲击韧性的材料，当设计承受动力荷载时，允许最低的 使用温度要比承受静力荷载高的多。 Date 2.4.3 快速加荷效应 图2.11 断裂吸收能量随温度的变化图2.12 加荷速度对断裂韧性的影响 Date 2.5 建筑钢材的类别及钢材的选用 2.5.1 建筑钢材的类别 1 碳素结构钢 碳素结构钢的牌号（简称钢号）有 Q195 、Q235A 、 B 、 C 及 D , Q275 。其中的 Q 是屈服强度中屈字汉语拼 音的字首，后接的阿拉伯字表示以 N / mm2为单位屈服强 度的大小， A 、 B 、 C 或 D 等表示按质量划分的级别 。最后还有一个表示脱氧方法的符号如 F ,Z或 b 。从 Q195 到 Q275 ，是按强度由低到高排列的；钢材强度主 要由其中碳元素含量的多少来决定，但与其他一些元素 的含量也有关系。所以，钢号的由低到高在较大程度上 代表了含碳量的由低到高。 Date 2 低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢是在钢的冶炼过程中添加少量几 种合金元素使钢的强度明显提高，故称低合金高强度结构 钢。Q345 、 Q39O 和 Q420 是钢结构设计规范规定采用的 钢种。其符号的含义和碳素结构钢牌号的含义相同。这三 种钢都包括 A 、 B 、 C 、 D 、 E 五种质量等级，和碳素 结构钢一样，不同质量等级是按对冲击韧性（夏比 V 型缺 口试验）的要求区分的。 A 级无冲击功要求； B 级要求提 供 20 冲击功 AKv 34J（纵向） ; C 级要求提供0 冲击 功 AKV 34J（纵向） ; D 级要求提供一 20 冲击功 AKv34J（纵向） ; E 级要求提供一 40 冲击功 AKv 27J （纵向）。不同质量等级对碳、硫、磷、铝等含量的要求 也有区别。低合金高强度结构钢的 A 、 B 级属于镇静钢， C 、 D 、 E 级属于特殊镇静钢。 Date 3 高强钢丝和钢索材料 悬索结构和斜张拉结构的钢索、桅杆结构的钢丝绳等 通常都采用由高强钢丝组成的平行钢丝束、钢绞线和钢丝 绳。高强钢丝是由优质碳素钢经过多次冷拔而成，分为光 面钢丝和镀锌钢丝两种类型。 钢丝强度的主要指标是抗拉强度，其值在 1570-1700N / mm2范围内，而屈服强度通常不作要求。高强钢丝的伸 长率较小，最低为 4 % ，但高强钢丝（和钢索）却有一个 不同于一般结构钢材的特点 松弛，即在保持长度不变 的情况下所承拉力随时间延长而略有降低。 Date 平行钢丝束由 7 根、 19 根、 37 根或 61 根钢丝组成 ，其截面见图示。钢丝束内各钢丝受力均匀，弹性模量接 近一般受力钢材。用来组成钢丝束的钢丝除圆形截面外， 还有梯形和异形截面的钢丝。 钢绞线亦称单股钢丝绳，由多根钢丝捻成。 钢丝绳多由 7 股钢绞线捻成，以一股钢绞线为核心， 外层的 6 股钢绞线沿同一方向缠绕。 图2.13 平行钢丝束的截面 Date 图2.14 钢丝绳的捻法及截面 Date 2.5.2 钢材的选择 选择钢材的目的是要做到结构安全可靠，同时用材经 济合理。为此，在选择钢材时应考虑下列各因素： 1. 结构或构件的重要性； 2.荷载性质（静载或动载） ; 3. 连接方法（焊接、铆接或螺栓连接） ; 4.工作条件（温度及腐蚀介质）。 对于重要结构、直接承受动载的结构、处于低温条 件下的结构及焊接结构，应选用质量较高的钢材。 Date Q235A 钢的保证项目中，碳含量、冷弯试验合格和 冲击韧性值并未作为必要的保证条件，所以只宜用于不 直接承受动力作用的结构中。当用于焊接结构时，其质 量证明书中应注明碳含量不超过 0.2%。 当选用 Q235A 、 B 级钢时，还需要选定钢材的脱氧 方法。 连接所用钢材，如焊条、自动或半自动焊的焊丝及 螺栓的钢材应与主体金属的强度相适应。 Date 2.5.3 型钢的规格 钢结构构件一般宜直接选用型钢，这样可减少制造 工作量，降低造价。型钢尺寸不够合适或构件很大时则 用钢板制作。型钢有热轧及冷成型两种。 1 热轧钢板 热轧钢板分厚板及薄板两种，厚板的厚度为 4.5- 60mm(广泛用来组成焊接构件和连接钢板)，薄板厚度为 0.35-4mm(冷弯薄壁型钢的原料)。在图纸中钢板用“-厚 x 宽 x 长（单位为毫米）”前面附加钢板横断面的方法表 示，如：-12 x 800 x 2100等。 Date 2 热轧型钢 角钢有等边和不等边两种。等边角钢，以边宽和 厚度表示，如 L100 x 10为肢宽 100