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本文由张明正1990贡献 ppt文档可能在wap端浏览体验不佳。建议您优先选择txt,或下载源文件到本机查看。 黄淮学院 第2 章 钢结构的材料 主要内容: 主要内容: 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 建筑钢材的类别及钢材的选用 重点: 重点: 影响钢材性能的因素 建筑钢材的类别及钢材的选用 难点: 难点: 建筑钢材的类别及钢材的选用 2011-3-23 1 黄淮学院 2.1 钢结构对材料的要求 一、用作钢结构的钢必须符合下列要求: 用作钢结构的钢必须符合下列要求: 1、高的强度。即抗拉强度fu和屈服点 y比较高。 、高的强度。即抗拉强度 和屈服点f 比较高。 2、足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。 、足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。 3、良好的加工性能。即适合冷、热加工,良好的可焊性。 、良好的加工性能。即适合冷、热加工,良好的可焊性。 4、适应低温、有害介质侵蚀 包括大气锈蚀 以及重复荷载作 包括大气锈蚀)以及重复荷载作 、适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀 用等的性能。 用等的性能。 二、钢结构设计规范具体规定: 钢结构设计规范具体规定: 承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、 承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、 磷含量的合格保证; 硫、磷含量的合格保证; 焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证; 焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证; 对某些承受动力荷载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接 结构尚应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。 结构尚应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。 2011-3-23 2 黄淮学院 第二节 钢材的破坏形式 一、钢材有两种性质完全不同的破坏形式 即塑性破坏和脆性破坏 钢结构所用的材料虽然有较高的塑性和韧性, 钢结构所用的材料虽然有较高的塑性和韧性,一般为塑性 破坏,但在一定的条件下,仍然有脆性破坏的可能性。 破坏,但在一定的条件下,仍然有脆性破坏的可能性。 二、塑性破坏 变形大, 变形大,破坏前构件产生较大的塑性变形 三、脆性破坏 脆性破坏前塑性变形很小,破坏前没有明显的预兆甚至没有 脆性破坏前塑性变形很小,破坏前没有明显的预兆甚至没有 没有明显的预兆 塑性变形 2011-3-23 3 2.3 钢材的主要性能及其鉴定 受拉、 2.3.1 受拉、受压及受剪时的性能 2.3.1.1 单向拉伸时的工作性能 条件:常温、 条件:常温、静载条件下一次拉伸 黄淮学院 2011-3-23 钢材的一次拉伸应力 图2.1 钢材的一次拉伸应力应变曲线 4 黄淮学院 fy fy 0 0 0.2%残 余 应 变 图2.2 理想弹塑性材 料的-曲线 料的 曲线 图2.3 钢材的条件 屈服点 2011-3-23 5 黄淮学院 1.比例极限p 比例极限 比例极限 这是应力-应变图中直线段的最大应力值 严格地说, 应变图中直线段的最大应力值。 这是应力 应变图中直线段的最大应力值。严格地说, 略高处还有弹性极限,但弹性极限与 极其接近, 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, 看做是弹性极限。 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 屈服点 屈服点 应变 之后不再与应力成正比,而是渐渐加大, 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。 应变间成曲线关系, 应力 应变间成曲线关系,一直到屈服点。 卸荷后试件中残余应变为0.2 条件屈服点 :卸荷后试件中残余应变为 所对应的应 力 高强度钢没有明显的屈服点和屈服台阶。 高强度钢没有明显的屈服点和屈服台阶。这类钢的屈服 条件是根据试验分析结果而人为规定的, 条件是根据试验分析结果而人为规定的,故称为条件屈 服点(或屈服强度 或屈服强度)。 服点 或屈服强度 。 2011-3-23 6 黄淮学院 3.抗拉强度u 抗拉强度 抗拉强度 屈服平台之后,应变增长时又需有应力的增长, 屈服平台之后,应变增长时又需有应力的增长,但相 最高点。 对地说应变增加得快 呈现曲线关系直到最高点 应变增加得快, 对地说 应变增加得快,呈现曲线关系直到最高点。 2.3.1.2 塑性性能 伸长率 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 取圆形试件直径d的五倍或十倍为标定长度 的五倍或十倍为标定长度, 比。取圆形试件直径 的五倍或十倍为标定长度,其相应的 伸长率用 表示, 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、 变形的能力。结构制造时,这种能力使材料经受剪切、冲 弯曲及锤击所产生的局部屈服而无明显损坏。 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, 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。 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。 这三项力学性能指标的要求。 2011-3-23 7 黄淮学院 屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性, 屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性, 其意义是: 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 作为结构计算中材料强度标准,或材料抗力标准。 力达到y时的应变与p时的应变较接近,可以认为应力 力达到 时的应变与 时的应变较接近, 达到 时为弹性变形的终点。同时,达到 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, 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 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。 度的标准。 2形成理想弹塑性体的模型, 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。 之前,钢材近于理想弹性体, 之后, 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 性应变范围很大而应力保持不增长, 因此, 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, 应变模型。 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, 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。 化的有利作用。 2011-3-23 8 黄淮学院 2.3.2 冷弯性能 根据试样厚度, 根据试样厚度,按规定的 弯心直径将试样弯曲180 弯心直径将试样弯曲 度,其表面及侧无裂纹或 分层则为“ 分层则为“冷弯试验合格 ”。 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。 合指标。 图2.4 钢材的冷弯试验 2011-3-23 9 黄淮学院 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。 与抵抗冲击作用有关的钢材的性能是韧性。韧性是钢 韧性 材断裂时吸收机械能能力的量度。 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,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 钢材在一次拉伸静载作用下断裂时所吸收的能量, 单位体积吸收的能量来表示,其值等于应力-应变曲线下 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。 的面积。 然而,实际工作中, 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, ,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 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 的地方, 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。 的应力状态。 2011-3-23 10 黄淮学院 由于低温对钢材的脆性破坏有显著影响,在寒冷地区建造的 由于低温对钢材的脆性破坏有显著影响,在寒冷地区建造的 结构不但要求钢材具有常温(20)冲击韧 常温(20) 结构不但要求钢材具有常温(20)冲击韧 性指标,还要求具有负温(o (o、 20或一40)冲击韧性 或一40) 性指标,还要求具有负温(o、一20或一40)冲击韧性 指标,以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。 指标,以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力。 图2.5钢材的冲击试验 钢材的冲击试验 2011-3-23 11 黄淮学院 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 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 焊缝的性能。 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。 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 量在 范围内的碳素钢,可焊性最好。 再高可使焊缝和热影响区变脆。 再高可使焊缝和热影响区变脆。 2011-3-23 12 黄淮学院 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 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 的规定, 的规定 现场的主要材料需进行进场验收, 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, 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、 钢材的品种、规格、性能是否符合现行国家标准 和设计要求。 和设计要求。 2011-3-23 13 黄淮学院 2.4 影响钢材性能的因素 2.4.1 化学成分的影响 钢是含碳量小于 的铁碳合金, 大于2 钢是含碳量小于2的铁碳合金,碳大于 小于 时则为铸铁。 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。 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 纯铁约占99 由钝铁、碳及杂质元素组成,其中纯铁约占 碳及杂质元素约占1。 ,碳及杂质元素约占 ,碳及杂质元素约占 。 低合金结构钢中, 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 元素,后者总量通常不超过 。碳及其他元素 虽然所占比重不大, 虽然所占比重不大,但对钢材性能却有重要影 响。 2011-3-23 14 黄淮学院 碳(c) ) 碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素, 仅次于铁的主要元素 碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素,是影 钢材强度的主要因素 的主要因素。 响钢材强度的主要因素。 c,塑性和韧性 、尤其 ,塑性和韧性、 是低温冲击韧性,可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能。 是低温冲击韧性 ,可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能 。 因此结构用钢的含碳量一般不应超过 一般不应超过0.22%,对焊 因此结构用钢的含碳量一般不应超过 , 接结构应低于0.2%。 接结构应低于 。 锰(mn) ) 锰是一种弱脱氧剂, 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、 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。 而不显著降低钢材的塑性和韧性。 2011-3-23 15 黄淮学院 硅(si) ) 硅是一种强脱氧剂 脱氧剂, 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、 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, 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。 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 钛都能使钢材晶粒细化。 低合金钢都含有这三种元素, 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, 金元素,既可提高钢材强度,又保持良好的塑 韧性。 性、韧性。 2011-3-23 16 黄淮学院 铝(al)、铬(cr)、镍(ni) 、 、 铝是强脱氧剂 用铝进行补充脱氧, 强脱氧剂, 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。 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 铬和镍是提高钢材强度的合金元素,用于 钢和q420钢。 钢和 钢 硫(s) ) 硫是一种有害元素 降低钢材的塑性、韧性、 有害元素, 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, 可焊性、抗锈蚀性等,在高温时使钢材变脆即 热脆。 热脆。 2011-3-23 17 黄淮学院 磷(p) 磷既是有害元素也是能利用的合金元素。 有害元素也是能利用的合金元素 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, 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 冷脆。 种现象称为冷脆。在高温时磷也能使钢减少塑 但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。 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, 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, 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。 硫剧烈,氮能使钢冷脆,与磷相似。 2011-3-23 18 黄淮学院 2.4.2冶金缺陷 2.4.2冶金缺陷 常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、 常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔及 偏析 裂纹等等 这些缺陷都将影响钢的力学性能。 等等。 裂纹等等。这些缺陷都将影响钢的力学性能。 偏析是钢中化学成分不一致和不均匀性,特别是硫、 偏析是钢中化学成分不一致和不均匀性,特别是硫、 是钢中化学成分不一致和不均匀性 磷偏析严重恶化钢材的性能。 磷偏析严重恶化钢材的性能。 非金属夹杂是钢中含有硫化物与氧化物等杂质 是钢中含有硫化物与氧化物等杂质。 非金属夹杂是钢中含有硫化物与氧化物等杂质。 气孔是浇注钢锭时 是浇注钢锭时, 气孔是浇注钢锭时,由氧化铁与碳作用所生成的一氧 化碳气体不能充分逸出而形成的。 化碳气体不能充分逸出而形成的。 分层 浇注时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分 会严重降低钢材的冷弯性能。 层,会严重降低钢材的冷弯性能。 2011-3-23 19 黄淮学院 钢材硬化 2.4.3 钢材硬化 1.冷加工硬化 应变硬化 冷加工硬化(应变硬化 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、 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 等加工使钢材产生很大塑性变形, 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, 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。 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。 2011-3-23 20 黄淮学院 此外, 此外,还有性质类似的 时效硬化与应变时效。 时效硬化与应变时效。 时效硬化指钢材仅随时 时效硬化指钢材仅随时 间的增长而转脆。 间的增长而转脆。 应变时效指应变硬化又 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, 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 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。 脆性破坏能力。 2011-3-23 图 钢材的硬化 21 黄淮学院 2.4.4温度影响 温度影响 正温范围总的趋势是随着温度的升高,钢材强度降低, 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。 变形增大。 约在200oc以内钢材性能没有很大变化,430-540oc之间 以内钢材性能没有很大变化, 约在 以内钢材性能没有很大变化 之间 则强度(f 急剧下降; 则强度 y与fu)急剧下降;到600oc时强度很低不能承担荷 急剧下降 时强度很低不能承担荷 此外, 附近有兰脆现象, 附近有兰脆现象 时有徐变 载。此外,250oc附近有兰脆现象,约260-320oc时有徐

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