2第一章-材料力学性能

钢结构施工钢结构施工学习情境学习情境 1 钢结构平台施工钢结构平台施工(1)化学成份的影响钢材的化学成分直接影响钢的组织构造，从而影响钢材的力学性能。铁（ Fe）是钢材的基本元素，普通碳素钢中占 99%，此外还有碳（ C）、硅（ Si）、锰（ Mn）等有益元素，及硫（ S）、磷（ P）、氧（ O）、氮（ N）等有害元素，这些总含量不大，约 1%，但对钢材力学性能却有很大影响。低合金钢中有 5%的合金元素，如铜 (Cu)、钒 (V)、钛 (Ti)、铌 (Nb)、铬 (Cr)等。 1.碳（ C） ： 形成钢材强度的主要成分，随其含量增加，强度增加，塑性和韧性降低，可焊性和抗腐蚀性降低。 碳素钢按碳含量区分，小于 0.25的为低碳钢，介于 0.25和 0.6之间的为中碳钢，大于 0.6的为高碳钢。钢结构用钢中，碳含量一般控制在 0.22%以下，当其含量在 0.2以下时，可焊性良好。2.硫（ S） ： 钢材中的有害元素，具有热脆性（温度达到800-1000 时，硫化铁会熔化使钢材变脆，从而引发热裂纹）。规范规定结构用钢中硫的含量不得超过0.05%。3. 氧（ O） ：有害杂质，与 S相似。4.磷（ P） ： 磷在一定程度上可提高钢的强度和抗锈蚀的能力。钢材中的有害元素，具有冷脆性（温度较低时促使钢材变脆）。因此，磷的含量也要严格控制，规范中规定不得超过 0.045%。5.氮（ N） ：有害杂质， 与 P相似 。6.锰（ Mn） ： 有益元素。在普通碳素钢中，是一种弱脱氧剂，可提高钢材强度，与 S形成 MnS，熔点 1600，可以消除硫对钢材的热脆影响。 7.硅（ Si） ： 有益元素。在普通碳素钢中，是一种强脱氧剂，常与锰共同除氧，生成镇静钢。8.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。9.铜（ Cu） ：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有一定影响。（ 3） 钢材的硬化1.冷作硬化 在冷加工或一次加载使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸载后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象 。2.时效硬化 随着时间的增加，纯铁体中有一些数量极少的碳和氮的固熔物质析出，使钢材的屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下降的现象 。在交变荷载、重复荷载和温度变化等情况下，会加速时效硬化的发展。3.应变时效硬化 钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体晶体中的固溶碳和氮更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象。在高温作用下会快速发展 （人工时效）硬化对钢材性能的影响a)时效硬化及冷作硬化 b) 应变时效硬化(5)应力集中的影响在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化和内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，而是在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓 应力集中 现象。应力集中现象不同槽口试件静力拉伸试验的应力 应变曲线应力集中对 - 曲线 关系的影响可以看出截面槽口改变愈急剧，应力集中现象愈厉害，其抗拉强度愈高，但塑性愈差，破坏的脆性倾向愈大。10 20 300.425100% (N/mm2) 10测距 10010100600700500400300200100(6)温度的影响温度对钢材力学性能的影响fufyE正温范围：（ 1）温度在 150 以内，钢材材质变化很小，钢结构可用于温度不高于 150 的场合。（ 2）温度在 250 左右的区间内出现 蓝脆现象 ， fu 有局部性提高，同时塑性降至最低，材料有转脆倾向。（ 3）当温度达到 600 时，钢材进入热塑性状态，强度下降严重，将丧失承载能力。负温范围： 随着温度的降低，钢材的强度提高，而塑性和韧性降低，逐渐变脆，称为钢材的 低温冷脆 。钢材的冲击韧性对温度的降低十分敏感。 冲击韧性和温度关系示意图脆性破坏两种破坏均有 塑性破坏转变温度区冲击断裂功试验温度T1 T0 T2（ 3）在脆性转变温度以下，钢材表现为完全的脆性破坏；而在全塑性转变温度以上，钢材则表现为完全的塑性破坏。（ 4）不同牌号和等级的钢材具有不同的转变温度区和转变温度，均应通过试验来确定。在钢结构设计中，为了防止脆性破坏，选用钢材时应使其工作温度大于 T1,接近 T0。（ 1）冲击功曲线的反弯点T0称为 转变温度 。界限温度T1和 T2分别为 脆性转变温度和 全塑性转变温度 。（ 2）钢材由塑性破坏转变为脆性破坏是在温度区间 T1 T2内完成的，此温度区间称为钢材的 脆性转变温度区 。（ 3）疲劳对缺陷十分敏感。 （ 2）疲劳破坏的断口与一般脆性破坏的断口不同。一般脆性破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或人字纹。而疲劳破坏的主要断口特征是放射和年轮状花纹。破坏特点 ：（ 1）疲劳破坏时的应力小于钢材的屈服强度，钢材的塑性还没有展开，属于脆性破坏。破坏过程 ： 裂纹的形成 -裂纹的扩展 -最后的迅速断裂而破坏疲劳破坏的特征定义 ： 钢材在循环荷载作用下，应力虽然低于极限强度，甚至低于屈服强度，但仍然会发生断裂破坏，这种破坏形式就称为疲劳破坏。(8) 钢材的疲劳6 建筑用钢种类、规格和选用6.1 建筑用钢的种类（ 1）碳素结构钢（ GB/T 700-1988）a）碳素结构钢的表达方式由（ 屈服点的字母 Q、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法符号） 四个部分组成。b)质量等级符号是根据钢材的化学成分和冲击韧性不同化分为 A、 B、 C、 D共 4个质量等级。c)脱氧方法符号也有四种，其中 F代表沸腾钢， b代表半镇静钢， Z代表镇静钢， TZ代表特种镇静钢， 在具体标注时 Z和 TZ可以省略。d） 钢结构设计规范 将 Q235牌号的钢材选为承重结构用钢。其化学成分和脱氧方法、拉伸和冲击试验以及冷弯试验结果均应符合规范 GB/T700的要求。第二章 钢结构的材料（ 2）低合金高强度结构钢 (GB/T 1591-1994)a)含碳量均 不大于 0.20， 强度的提高主要依靠添加少量几种合金元素来达到，但合金元素的总量 低于 5 。b)牌号为 Q345， Q390,Q420的钢材都有较高的强度和较好的塑性、韧性和焊接性能，被 规范 选为承重结构用钢。c)低合金高强度结构钢的牌号命名与碳素结构钢相似，只是质量等级分为 A、 B、 C、 D、 E五等，低合金高强度结构钢采用的脱氧方法均为镇静钢或特殊镇静钢，故 可不加脱氧方法的符号 。d)钢材的化学成分和拉伸、冲击、冷弯试验结果应满足规范GB/T1591要求。（ 3）优质碳素结构钢 (GB/T 699-1988)a)磷、硫等有害元素的含量均 不大于 0.035， 对于其他缺陷的限制也较严格。b)主要用作制造 冷拔高强钢丝 、 高强螺栓 以及 自攻螺钉 等。第二章 钢结构的材料6.2 钢材的规格钢结构所用的钢材主要有 热轧成型的钢板和型钢 ，以及 冷加工成型的冷扎薄钢板 和 冷弯薄壁型钢 。 （ 1）热轧钢板a) 分为 厚钢板、薄钢板 和 扁钢。b) 表示方法：在符号 “ -” 后加 “ 宽度 厚度 长度 ” c) 供应规格 （单位： mm） 厚度 宽度 长度 厚钢板 4.5-60 600-3000 4000-12000薄钢板 0.35-4 500-1500 500-4000扁钢 4-60 12-200 3000-9000第二章 钢结构的材料第二章 钢结构的材料第二章 钢结构的材料（ 2）热轧型钢常用的热轧型钢有 角钢、工字钢、槽钢、钢管 等。 a) 角钢1) 分为 等边和不等边 两种。2）表示方法为在符号 “ ” 后加 “ 长边宽 短边宽 厚度 ” （对不等边角钢），或加 “ 边长 厚度 ” （对等边角钢）。3）我国生产的角钢 最大边长为 200mm，角钢的供应长度一般为 4-19m。 肢宽度 肢厚度 等边角钢 长肢宽度 短肢宽度 肢厚度 不等边角钢b)工字钢1) 分为 普通工字钢、轻型工字钢 和 H型工字钢 三种。3) H型钢的基本类型分为 宽翼缘（ HW），中翼缘（ HM） 和 窄翼缘（ HN） 三类，表示方法为在代号后加 “ 高度 宽度 腹板厚度 翼缘厚度” 。2）普通工字钢的型号用符号 “ 工 ” 后面加截面高度的 厘米数 表示， 20号以上的工字钢，又按腹板的厚度不同，分为 a、 b或 a、 b、 c等类别，轻型工字钢的表示方法同普通工字钢。4）普通工字钢的型号为 10-63号 ，轻型工字钢的型号为 10-70号 ，供应长度为 5-19m。第二章 钢结构的材料c) 槽钢 1) 分为 普通槽钢 和 轻型槽钢 两种 。2）表示方法和工字钢相似 。3） 国内生产的 最大型号为 40c。供应长度为 5-19m。tDd)钢管 1) 分为 无缝钢管 和 焊接钢管 两种 。2）型号可用代号 “ D” 后加 “ 外径 壁厚 ” 表示。 3）国产热轧无缝钢管的 最大外径可达 630mm，供应长度为 3-12m。 第二章 钢结构的材料（ 3）冷弯薄壁型钢和压型钢板冷弯薄壁型钢（ 壁厚 1.5-6mm）和压型钢板（ 壁厚0.4-1.6mm），截面形式和尺寸均可按受力特点合理设计，能充分利用钢材的强度，达到节约钢材的目的。在国内外轻钢建筑结构中被广泛应用。第二章 钢结构的材料6.3 钢材的选择 （ 1）选择钢材的原则安全可靠，经济合理为了保证承重结构的承载能力，防止出现脆性破坏，在选择钢材时应具体考虑以下因素：结构或构件的重要性、荷载特征、连接方式、工作环境、结构的应力状态、钢材的厚度。 第二章 钢结构的材料a）结构或构件的重要性 对于重要的结构或构件（框架的横梁，桁架，屋面楼面的大梁等）应采用质量较高的钢材。b)荷载特征 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的钢材。c)连接方式 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。d)工作环境 处于低温下工作的结构，应选择抗脆性破坏能力强的 钢材，防止钢材的冷脆硬化导致的脆性破坏。e)结构的应力状态 当选用的型材或板材的厚度较大时，应该采用 质量较高的钢材，以防止钢材中较大的残余拉 应力和缺陷等与外力共同作用形成三向拉应 力，引起材料的脆性破坏。f)钢材的厚度 钢材越厚其强度越低，选用厚度较大时应采用 质量较高的钢材 。 表 2.6.8 国内外钢材牌号对应关系中国 美国 日本 欧盟 英国 俄 罗 斯 澳大利 亚Q235 A36 SS400 SM400 SN400Fe360 40 C235 250 C250Q345 A242 A441 A572-50 A588SM490 SN490Fe510 FeE35550B、 C、 DC345 350C350Q390 50F C390 400Hd400Q420 A572-60 SA440B SA440CC4406.4 钢材选择的建议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。当采用其他牌号的钢材时，应符合相应有关标准的规定和要求。 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和非焊接结构，应具有冲击韧性的合格保证。（表 2.6.6） 4）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。 5) 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。 6) 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。 第二章 钢结构的材料1、钢材的生产2、钢材的主要性能3、各种因素对钢材的影响4、钢材的疲劳5、钢材的种类、规格和选用内容回顾第二章 钢结构的材料1、钢材的生产钢材的生产分为 炼铁 、 炼钢 和 轧制 三道工序。炼钢有三种形式： 转炉 、 平炉 和