钢材的破坏形式与主要性能.ppt

2 钢结构的材料 2.1 钢结构对材料的要求 1、较高的屈服点 和抗拉强度 。 2、较高的塑性和韧性。 可以增强结构在静载和动载下的应变能力。 3、良好的工艺性能：冷加工、热加工和可焊性。 4、耐火、耐腐蚀、低温、高温等。,衡量结构承载能力,衡量结构经较大变形后的抗拉能力，提供足够安全保障,小结： 承重结构： 抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证。 焊接结构： 同时具有冷弯试验的合格保证。 承受动力荷载的结构及重要的受拉或受弯的焊接结构： 同时具有常温或负温冲击韧性的合格保证。,2.2 钢材的破坏形式 塑性破坏： 由于变形过大，且构件的应力达到了钢材的抗拉强度 。有较大的塑性变形，并出现内力重分布，使结构中原先受力不等的部分应力趋于均匀，因而提高结构的承载能力。 脆性破坏： 破坏前变形很小，计算应力小于钢材屈服点 。因破坏前无明显预兆，易造成严重后果，设计、施工和使用中应特别注意防止出现脆性破坏。,钢材由力学性能不同分成：,软钢：有明显屈服台阶的钢筋(热轧钢筋、冷拉钢筋),硬钢：无明显屈服台阶的钢筋(高强钢丝、钢绞线),2.3 钢材的主要性能 2.3.1 受拉、受压及受剪性能 1 强度,低碳钢单向均匀拉伸试验应力应变曲线,P点比例极限 E点弹性极限 S点屈服点 B点抗拉强度,理想弹塑性材料的应力应变曲线,软钢：,屈强比表征钢材强度储备大小。,新抗规规定： 3 钢结构的钢材应符合下列规定： 1)钢材的屈服强度实测值与抗拉强度实测值的比值不应大于0.85；,取相应于残余应变 = 0.2%时的应力 0.2作为名义屈服点。常取 0.2=0.85 fsu。, 0.2条件屈服强度,无明显屈服平台钢材的应力应变曲线,硬钢：,2 塑性性能,伸长率：代表材料在单向拉伸时塑性应变的能力。 表示试件标距长度与试件直径之比为10时的伸长率。,伸长率、截面收缩率,截面收缩率,新抗规规定： 3 钢结构的钢材应符合下列规定： 2)钢材应有明显的屈服台阶，且伸长率不应小于20；,钢材物理性能指标 弹性模量E、剪变模量G、线性膨胀系数和质量密度。 2.3.2 冷弯性能 钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。 冷弯试验,弯心直径,冷弯角度,2.3.3 冲击韧性 表现钢材的动力性能。 韧性：钢材抵抗冲击荷载的能力，用材料在断裂时所吸收的总能量（包括弹性和非弹性）来度量。是钢材强度和塑性的综合指标。,钢材韧性通过冲击试验，测定冲击功来表示。,钢筋力学性能指标：,对于有明显屈服台阶的软钢取屈服强度 fy 作为强度设计依据。,对于无明显屈服台阶的硬钢取条件屈服强度 0.2作为强度设计依据。,屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯性能。,2.3.4 钢材的可焊性能,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。,主要影响因素： 钢板厚度 钢材化学成分 节点的条件 焊接材料、工艺等,可焊性分为施工上的可焊性和使用性能上的可焊性。 施工上的可焊性指对产生裂纹的敏感性，使用性能上的可焊性是指焊接构件在焊接后的力学性能是否低于母材。,2.3.5 钢材的特种性能（自学）,耐火性能 钢材在600度高温时的屈服点应高于常温时屈服点的2/3。 耐候性能 可在自然条件下裸露使用。 Z向性能 在厚度方向具有抗层状撕裂的性能。,2.4 影响钢材性能和脆性破坏的因素 2.4.1 化学成分 碳C：强度、塑性、韧性和可焊性。一般不超过0.22，焊接结 构中不超过0.20。 S：降低塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，产生热脆。 P：降低塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，产生冷脆。但能提 高抗锈性。 O: 热脆 N: 冷脆。,有害成分,有益成分,硅：提高强度。含量一般不大于0.3。 锰：提高强度。含量一般0.30.8。,合金元素：提高强度和抗腐蚀性。,2.4.2 冶炼、浇铸、轧制和热处理的影响,按脱氧程度分： 沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。,偏析：钢中化学成分不一致和不均匀性。 非金属夹杂：含有硫化物与氧化物等杂质。 气孔：一氧化碳气体未排出。 裂纹：影响塑性。,冶炼,冶金缺陷,热处理,退火 正火 淬火 回火,轧制：改善晶粒组织。,冷作硬化（应变硬化）( strain hardening)： 冷加工使钢材强度增加，塑性及韧性降低的现象。,注：一般钢结构中，都不利用硬化所提高的强度。,时效硬化（老化） （age hardening） ： 高温时，氮和碳随着时间增长从纯铁中析出，使钢材强度提高，塑性及韧性下降。,2.4.3 钢材硬化,应变时效：在钢材塑性变形后加热，加快时效硬化的速度。它是应变硬化和时效硬化的复合作用。,2.4.4 温度影响 温度升高，强度降低，塑性增大； 温度降低，强度略增，塑性和韧性降低。 蓝脆：当温度在250C左右，钢材强度略有提高，同时塑性和韧性下降，材料转脆，钢材表面氧化膜呈现蓝色。 徐变：温度在250C350 C时，在应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形。 低温冷脆：在负温度范围时，钢材强度有所提高，但塑性及韧性降低，材料逐渐变脆。,2.4.5 应力集中 应力集中：构件中应力分布在截面上不是均匀的，在某些区域产生局部高峰应力，在另一些区域则降低。 应力集中系数：高峰区最大应力与净截面平均应力之比。,2.4.6 残余应力的影响,2.4.7 重复荷载作用的影响（疲劳） 疲劳：在直接的连续反复的动力荷载作用下，根据试验，钢材的强度将降低，即低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的极限强度。 疲劳破坏是脆性破坏。是累积损伤的结果。 防止疲劳破坏： 1、合理设计 应力传递均匀、连续，按满足结构使用功能的相关设计要求进行设计。 2、正确制造 严格遵守设计对制造提出的技术要求。 3、正确使用 不随意焊接、超负荷使用，及时检查维护等。,2.5 钢材的疲劳,疲劳：钢材在连续反复荷载作用下，虽然应力还低于极限强度，甚至应力还低于屈服点，而发生的断裂。,钢材在疲劳破坏之前，并不出现明显的变形和局部收缩，它和脆性破坏一样，是一种突然发生的断裂。 钢材的疲劳过程可分为裂纹的形成，裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂三个阶段。 疲劳强度与反复荷载引起的应力种类（拉应力、压应力、剪应力和复杂应力等）、应力循环形式、应力循环次数、应力集中程度和残余应力等有关。,对钢结构进行疲劳计算时有如下规定： 1）承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接，当应力变化循环次数n等于或大于5104次时，应进行疲劳计算； 2）在应力循环中不出现拉应力的部位，可不计算疲劳； 3）计算疲劳时，应采用荷载的标准值； 4）对于直接承受动力荷载的结构，计算疲劳时，动力荷载标准值不应乘以动力系数； 5）计算吊车梁或吊车桁架及其制动结构的疲劳时，吊车荷载应按作用在跨间内起重量最大的一台吊车确定。,影响疲劳强度的主要因素 1、微观裂纹和应力集中（三向同号拉应力） 2、应力幅 3、应力比 4、应力循环次数,1、进行疲劳验算时，计算部分的设计应力幅应按_ _。 (A) 标准荷载计算 (B) 设计荷载计算 (C) 考虑动力系数的标准荷载计算 (D) 考虑动力系数的设计荷载计算,Answer： A,课堂练习,2.6 复杂应力作用的影响,复杂应力下，钢材由弹性转入塑性状态的条件： 当只有剪应力时，,由此得,！同号三向主应力状态脆性破坏,2.7 钢的种类和钢材规格 2.7.1 钢结构用钢的种类 1、分类 按用途分：结构钢（建筑用钢、机械用钢）、工具钢和特殊钢。 按冶炼方法：转炉钢、平炉钢（已淘汰）。 按脱氧方法：沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、镇静钢（Z）、特殊镇静钢（TZ）。 按成型方法：轧制钢（热轧、冷轧）、锻钢、铸钢。 按化学成分：碳素钢、合金钢。 建筑工程用钢为：碳素结构钢、低合金高强度钢和优质碳素结构钢。,2.7.2 钢结构用钢的牌号 1、牌号的表示方法 由字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、镇静钢（Z）、特殊镇静钢（TZ）等四个部分组成。如：Q235-B 2、碳素结构钢 推荐用Q235，按质量分为A、B、C、D四级（逐级质量提高）。 3、低合金高强度结构钢 推荐用Q345、Q390、 Q420 ，按质量分为A、B、C、D、E五级（逐级质量提高）。,2.7.3 钢材的选用 选用钢材的原则是:既能使结构安全可靠地满足使用上的要求，又要尽最大可能节约材料，降低造价。 1、结构的重要性 2、荷载情况：承重结构应保证抗拉强度、屈服点、伸长率和S、P极限含量。需验算疲劳及受拉、受弯的焊接结构应具有常温冲击韧性的合格保证。 3、连接方法：焊接结构还应保证碳的极限含量；焊接承重结构及重要的非焊接承重结构应保证冷弯试验合格。 4、结构所处的温度和环境 5、钢材厚度,2.7.4 钢材的规格 型材：热轧钢板和型钢、冷弯（冷压）薄壁型钢。 钢板表示方法：宽度厚度长度 角钢：长边宽短边宽厚度 工字钢：普通工字钢、轻型工字钢、H型钢 用号数（截面高度的厘米数）表示，I30a（a类腹板较薄） H型钢：宽翼缘H型钢（HW）、中翼缘H型钢（HM） 、窄翼缘H型钢 （HN） HW高度宽度腹板厚度翼缘厚度 槽钢：截面高度的厘米数，如30a 钢管：外径厚度 薄壁型钢：壁厚1.55mm。 压型钢板。,课堂讨论,3、塑性和韧性的定义，两者有何区别？冷弯性能和冷作硬化对结构设计的意义是什么？,4、承受动力荷载的重要结构要通过刨边、扩孔等方法清除其冷加工的边缘部分？,1、为什么取屈服点 作为结构钢材静力强度承载力极限的依据？ 2、伸长率 和截面收缩率有何区别？,Question1： （1）它是钢材开始塑性工作的特征点，钢材会暂时丧失承载能力；钢材屈服后，塑性变形很大，不适于继续使用。同时这种变形极易被人们察觉，可及时处理，避免发生破坏。 （2）从屈服到钢材破坏，整个塑性工作区域比弹性工作区域 约大200倍，且抗拉强度和屈服点之比（强屈比） ，是钢结构极大的后备强度，使钢结构不会发生真正的塑性破坏，比较安全可靠。在高层钢结构中，用于八度地震区时，为了保证结构具有良好的抗震性能，要求钢材的强屈比不得低于1.5。,（1）伸长率 是钢材沿长度的均匀变形和颈缩区的集中变形的总和，所以它不能代表钢材的最大塑性变形能力。 （2）断面收缩率是衡量钢材塑性的一个比较真实和稳定的指标，但是在测量时容易产生较大的误差。因而钢材标准中往往只采用伸长率 为塑性保证要求。,Question2：,塑性是指当应力超过屈服点后，能产生显著的残余变形而不立即断裂的性质；韧性是指塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。韧性同塑性有关，但不完全相同，是强度和塑性的综合表现。冷弯性能是指钢材在冷加工产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力，可检验钢材的冷加工工艺和检查钢材的内部缺陷。钢材冷加工过程中引起的钢材硬化称为冷作硬化，冷作硬化可能使材料变脆。,冷加工时会引起钢材的局部冷作硬化，从而使材料强度提高，塑性、韧性下降，使钢材变脆。因此，对承受动力荷载的重要结构要通过刨边、扩孔等方法清除其冷加工的边缘部分，从而防止脆性破坏。,Question3：,Question4：,1、在构件发生断裂破坏前，有明显先兆的情况是 的典型特征。 (A) 脆性破坏 (B)塑性破坏 (C) 强度破坏 (D) 失稳破坏 Answer: B 2、钢材的设计强度是根据 确定的。 (A) 比例极限 (B)弹性极限 (C) 屈服点 (D) 极限强度 Answer: C 3、结构工程中使用钢材的塑性指标，目前最主要用_ _表示。 (A) 流幅 (B)冲击韧性 (C) 可焊性 (D) 伸长率 Answer: D 4、钢材经历了应变硬化（应变强化）之后_ _。 (A) 强度提高 (B)塑性提高 (C) 冷弯性能提高 (D) 可焊性提高 Answer: A 5、下列因素中_ _与钢构件发生脆性破坏无直接关系。 (A) 钢材屈服点的大小 (B) 钢材含碳量 (C) 负温环境 (D) 应力集中 Answer: A,课堂练习,6、在钢结构的构件设计中，认为钢材屈服点是构件可以达到的_ _。 (A) 最大应力 (B) 设计应力 (C) 疲劳应力 (D) 稳定临界应力 Answer: A 7、当温度从常温下降为低温时，钢材的塑性和冲击韧性_ _。 (A) 升高 (B) 下降 (C) 不变 (D) 升高不多 Answer: B 8、钢材的力学性能