《建筑钢材》PPT课件 (2).ppt

Chap.2 建筑钢材,2.1 概述,1. 较高的抗拉强度fu和屈服强度fy； 2. 较高的塑性和韧性； 3. 良好的工艺性能（包括冷加工、热加工和可焊性等）； 4. 较强的抗锈蚀能力。,一、建筑钢材的基本要求,二、钢材的破坏形式,破坏前有显著的变形，并吸收很大能量，从变形发生到最后破坏要持续较长的时间,1. 塑性破坏,2. 脆性破坏,破坏前没有显著的变形，吸收能量很少，破坏突然发生。,2.2 建筑钢材的机械性能,包括：强度、塑性、韧性、冷弯试验及可焊性。,一、单向拉伸时的工作性能,钢材可以简化为理想弹塑性体,强度计算以 fy 为依据; fu 为结构的安全储备,讨论：材料的强度设计值为何用 ，而不用 ？,伸长率10或5 伸长率是断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比。伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形的能力。,当l0/d=5时，用5表示，当l0/d=10时，用10表示。,断面收缩率,面缩率也是钢材塑性的指标之一,衡量钢材的冷加工性能，材质均匀性 ，塑性变形能力,冷弯性能,冲击试验的试件主要有： a.夏比试件(V形槽口)Akv(J) 。 b.梅氏试件(U形槽口)akv(J/mm2)；,冲击韧性,衡量钢材的抗脆断、抗动载能力。,缺口韧性值受温度影响较大，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，要根据相应的环境温度对应提出常温 (205)冲击韧性、0冲击韧性或负温(-20或-40)冲击韧性的保证要求。,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。Q235B的碳含量就定在这一适宜范围。碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆。 Q235A的碳含量略高于B级，这一钢号通常不能用于焊接构件。,钢材经过焊接后保持原有机械性能的能力,可焊性,小结 钢材的五项主要机械性能指标,屈服点 fy ,抗拉强度 fu,钢材的强度极限，仅作为安全储备。,伸长率5,冷弯性能 ,冲击韧性 ,衡量钢材塑性变形能力的重要指标。,衡量钢材塑性性能和冶金质量的综合指标。,衡量钢材在动荷载作用下抵抗脆性破坏能力的指标。,衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的指标。,2.3 影响钢材性能的主要因素,一、化学成分,基本成份为Fe，碳钢中Fe含量占99，其余C、Si、Mn等为杂质元素，S、P、N、O为冶炼过程中不易除尽的有害元素。, 碳（C）：含C使强度，塑性、韧性、可焊性，应控制在0.22%，焊接结构应控制在0.20%。, 锰（Mn） 锰是有益元素，它能显著提高钢材强度但不过多降低塑性和冲击韧性。锰是弱脱氧剂。但是锰可使钢材的可焊性降低，故含量有限制。, 硅（Si）硅是有益元素，也是强脱氧剂。硅能使钢材的粒度变细，控制适量时可提高强度而不显著影响塑性、韧性、冷弯性能及可焊性。硅的含量过量时则会恶化可焊性及抗锈蚀性。, 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，既可提高钢材强度，又保持良好的塑性、韧性。, 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） 硫是有害元素，当热加工及焊接使温度达8001000时，可能出现裂纹，称为热脆。硫还能降低钢的冲击韧性，同时影响疲劳性能与抗锈蚀性能。一般不得超过0.0450.05%。 磷（P） 磷是有害元素，它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆，其含量应限制在0.045%以内。 氧（O）、氮（N） 氧和氮也是有害杂质，氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈，氮能使钢冷脆，与磷相似。,注：+：表示有利影响； ：表示不利影响； *：表示含量过多时，影响不利。,（1）冶炼 钢材的冶炼方法: 平炉炼钢质量好，但效率低；（已停产） 氧气顶吹转炉炼钢质量好，效率高； 碱性侧吹转炉炼钢质量差；（禁用） 电炉炼钢质量好，但成本高；（不用） 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，以及不可避免的冶金缺陷，从而确定不同的钢种、钢号及其相应的力学性能。,二、生产过程, 沸腾钢加弱脱氧剂（锰），脱氧不充分，浇铸时有大量气体逸出，引起钢液剧烈沸腾，冷却速度快，晶粒粗，偏析、气泡等缺陷较严重； 镇静钢加强脱氧剂（硅、有时还加铝或钛），保温时间得以加长，氧气杂质少且晶粒较细，偏析等缺陷不严重，所以钢材性能比沸腾钢好。,（2）浇铸 、浇入铸模做成钢锭；（传统的方法） 、浇入连续浇铸机做成钢坯；（现代工艺）,浇铸过程控制脱氧程度。 沸腾钢用锰脱氧，脱氧不彻底，成本低，以前土木工程常用，但现在提高要求了，许多结构限用：疲劳、低温下非焊接结构，焊接结构； 镇静钢用硅脱氧，脱氧彻底，成本高，质量好；半镇静钢介于前两者之间； 特殊镇静钢在锰硅脱氧后再用铝或钛补充脱氧。,冶金缺陷：偏析指金属结晶后化学成分分布不匀； 非金属夹杂指钢中含有如硫化物等杂质； 气泡指浇铸时由FeO与C作用所生成的CO 气不能充分逸出而留在钢锭内形成 的微小空洞。 这些缺陷都将影响钢的力学性能。,（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（332页，附表10、11）。,轧制过程：轧制可减少缺陷，使金属组织更为致密。 轧制方法：高温加压 厚度大于40mm需进行Z向试验。 经轧制后不均匀冷却会产生残余应力。,三、钢材硬化的影响,由于某种因素的影响而使钢材强度提高，塑性、韧性下降，增加脆性的现象称之为硬化现象。 冷加工时（常温进行弯折、冲孔剪切等），钢材发生塑性变形从而使钢材变硬的现象称之为冷作硬化。 钢材中的C、N，随着时间的增长和温度的变化，而形成碳化物和氮化物，使钢材变脆的“老化”现象称之为时效硬化。 这些都是使钢材转脆的性质。,四、温度的影响,（1）正温范围,当结构表面长期受辐射热达150以上，应采用砖或而热材料做成隔热层加以防护！,（2）负温范围,在低温工作的结构，钢材须具有0冲击韧性或负温（-20 或-40 ）冲击韧性的合格保证，以提高抵抗低温脆断的能力！,五、应力集中,应力集中的影响： 应力集中造成双向或三向应力场的复杂应力状态，从而使钢材塑性降低，容易产生脆性破坏！,应力集中在缺陷或截面变化处附近，应力线曲折、密 集、出现高峰应力。,减小应力集中现象的措施 避免截面急剧改变！,六、反复荷载作用的影响,钢材在循环应力多次反复作用下裂纹生成、扩展，以致破坏的现象称为钢材的疲劳或疲劳破坏。,规范GB50017-2003规定，直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化的循环次数n5104 次时，应进行疲劳计算。,钢结构用的钢材主要有两种：碳素结构钢和低合金高强度结构钢,1、碳素结构钢,屈服强度中屈字汉语拼音的字首,阿拉伯字表示屈服强度的大小,表示按质量划分的级别：A、B、C、D,脱氧方法的符号（Z、TZ可省略）,F-沸腾钢 B-半镇静钢 Z-镇静钢 TZ-特殊镇静钢,2.4 钢材的种类及选择,钢号中质量分级由A到D，表示质量的由低到高。 A级钢冲击韧性不作为要求条件，冷弯试验只在需 方要求时进行； B级钢要求常温（205）冲击韧性值AKV 27J 冷弯合格； C级钢要求（0）冲击韧性值AKV 27J、冷弯合格； D级钢要求负温（20）冲击韧性值AKV 27J、 冷弯合格； 对Q235钢来说，A、B两级的脱氧方法可以是Z、b或F，C级只能是Z，D级只能是TZ。,2、低合金高强度钢,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（合金元素的总量低于5），使钢的强度明显提高，故称低合金高强度结构钢。Q345、Q390和Q420是钢结构设计规范规定采用的钢种。这三种钢都包括A、B、C、D、E五种质量等级。,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。,A级同碳素钢,B、C、D级冲击值AKV 34J、冷弯合格； E级钢要求负温（40 ）冲击值AKV 27J、 冷弯合格。,例：Q235AF表示屈服强度为235Nmm2的A级沸腾钢； Q235-Bb表示屈服强度为235Nmm2的B级半镇静钢； Q235-C表示屈服强度为235Nmm2的C级镇静钢。,Q345-B表示屈服强度为345 N/mm2的B级镇静钢； Q390-D表示屈服强度为390 N/mm2的D级特殊镇静钢。,3、钢结构常用型材,1）钢板和钢带,钢带、钢板区别在成品形状,厚板的厚度为4.560mm，用来组成焊接构件和连接钢板， 薄板厚度为0.354mm。是冷弯薄壁型钢的原料。,钢板分厚板及薄板两种,在图纸中钢板用“-厚宽长 ” 表示， (单位为毫米) 如：-128002100等。,2）热轧工型钢,20号以上的工字钢分a、b 或a、b、c三类，其中a类 腹板最薄、翼缘最窄， c类最厚最宽,如I32a、I32b、I32c,3）热轧槽型钢材,从14开始，亦有a、b 或a、b、c规格的区分,如32a、 32b、 32c,4）热轧角钢,不等肢角钢 “长肢宽短肢宽厚度”,如100638,等肢角钢“肢宽厚度”,如1008,目前我国生产的角钢最大边长为200mm，角钢的供应长度 一般为419m。,5）H型钢和T型钢,H型钢与普通工字钢的区别: 翼缘宽，故早期有宽翼缘工字钢一说； 翼缘内表面无斜度、上下表面平行，便于与其它构件连接； 从材料分布形式来看，工字钢材料主要集中在腹板附近，愈向两侧延伸，钢材愈少，而在轧制H型钢中，材料分布侧重在翼缘部分。 所以，H型钢的截面特性要明显优越于传统的工、槽、角钢及它们的组合截面。,H型钢和T型钢均分为三类：