钢结构的材料.ppt

钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 本章主要内容 1 对钢结构用材的要求 2 钢材的塑性破坏和脆性破坏 3 钢材的主要性能 4 影响钢材性能的因素 5 钢材的疲劳 第二章钢结构的材料chapter2materialofsteelstructure 6 钢材的种类和规格 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 1 钢结构对材料的要求 1 较高的抗拉强度fu和屈服点fy 2 塑性 冲击韧性好 3 冷加工性能好 4 可焊性好 5 耐久性好 第二章钢结构的材料chapter2materialofsteelstructure 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 2 钢材的塑性破坏和脆性破坏 2 1塑性破坏试验 试件采用标准圆棒试件 当试件在拉力试验机上均匀地加荷直到拉断时其破坏呈现塑性特性 钢材有两种破坏形式 塑性破坏和脆性破坏 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 实验现象 标准试件当应力达到屈服点fy以后 试件将产生很明显的塑性变形 当应力超过抗拉强度fu时 试件将在出现很大的变形情况下颈缩而破坏 加荷的延续时间长 破坏后断口呈纤维状 色泽发暗 有时还能看到滑移的痕迹 断口与作用力的方向约成45度 此种破坏的塑性特征明显 故称为塑性破坏 由于塑性破坏前有明显的变形且延续的时间长 容易发现而采用措施予以补救 因而不至于引起严重后果 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 2 钢材的塑性破坏和脆性破坏 2 2脆性破坏试验 试件采用比标准试件加粗但在中部有小槽 其净截面面积仍与标准试件截面面积相同的试件 当试件在拉力试验机上均匀地加荷直到拉断时 其破坏呈现脆性特征 钢材有两种破坏形式 塑性破坏和脆性破坏 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 实验现象 带小槽的试件在断裂破坏前塑性变形很小 且几乎无任何迹象而突然断裂 其断口平齐 呈有光泽的晶粒状 此种破坏的脆性特征明显 故称脆性破坏 危害 由于脆性破坏时突然发生的 无任何预兆 无法及时察觉和采取措施补救 而且一旦发生还有导致整个结构倒塌的可能 因此比塑性破坏危险得多 如1972年廊坊因一个杆脆断导致屋架倒塌 1999年四川綦江大桥倒塌等 因此 在钢结构的设计 施工和使用过程中 充分考虑各方面因素 避免以其且发生脆性破坏的可能性 变脆的因素 除了上面提到的以外 其他如钢材处于低温 例如 20 条件下工作 对钢材进行冷加工 焊接 重复荷载作用 处于复杂应力状态等 均可使钢材变脆而变成脆性破坏 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 2 钢材的塑性破坏和脆性破坏 钢材的破坏形式 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 3 1单向拉伸时的工作性能 1 试验条件 a 试件的尺寸要符合国家标准 表面光滑 没有孔洞 刻槽等缺陷 试件的标定长度取其直径的5或10倍 b 荷载要分级逐次增加 直到试件破坏 c 试验温度要控制在室温20 左右 3 钢材的主要性能 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 2 钢材的应力 应变关系 a 有屈服点钢材s e曲线可以分为四个阶段 a 弹性阶段 ob段 单调拉伸应力 应变曲线 oa段 纯弹性阶段s eea点对应的应力 sp 比例极限 ab段 有一定的塑性变形 但整个ob段卸载时 e 0b点对应的应力 se 弹性极限 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure b 屈服阶段 bcd 塑性变形 卸载后试件不能完全恢复原来的长度 不能恢复的这一部分变形称为塑性变形 屈服点 屈服强度 屈服阶段曲线波动部分的最低值 流幅 从屈服阶段的开始到曲线再度上升的应变幅度称为流幅 特点 应力与应变不再成正比关系 应变增加很快 应力 应变曲线呈锯齿形波动 出现应力不增加而应变仍然在继续发展 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure c 强化阶段 de段 随荷载的增加 缓慢增大 但 增加较快抗拉强度 极限强度 fu试件所能承受的最大拉应力 d 颈缩阶段 ef段 截面出现了横向收缩 截面面积开始显著缩小 塑性变形迅速增大 应力不断降低 变形却延续发展 直至f点试件断裂 f 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 3 单向拉伸时钢材的机械性能指标 1 屈服点fy应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力 取屈服阶段波动部分的应力最低值 它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标 2 抗拉强度fu应力应变曲线最高点对应的应力 它是钢材破坏前所能承受的最大应力 3 钢材的塑性当应力超过屈服点后 钢材能产生显著的残余变形 塑性变形 而不立即断裂的性质 塑性好坏可用断面收缩率 和伸长率 表示 通过静力拉伸试验得到 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 4 伸长率 试件断裂前的永久变形与原标定长度的百比 l0 原标距长l1 拉断后标距长度d0 试件直径试件有两种标距 l0 d0 5和l0 d0 10相应的伸长率用 5和 10表示 伸长率 实际工程中以伸长率 代表材料断裂前具有的塑性变形能力 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 5 断面收缩率 是指试件拉断后 颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比 式中 a0 试件原来的断面面积a1 试件拉断后颈缩区的断面面积 断面收缩率 越大 钢材的塑性越好 由于在测量试件的断面面积时容易产生较大的误差 因而钢材塑性指标仍然采用伸长率作为保证要求 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 3 2钢材的冷弯性能 冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标 钢材在冷加工 常温下加工 产生塑性变形时 对发生裂缝的抵抗能力 鉴别指标 通过冷弯冲头加压 当试件弯曲至180 时 检查试件弯曲部分的外面 里面和侧面 如果没有裂纹 断裂或分层 即认为试件冷弯性能合格 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 韧性钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力 用断裂时吸收的总能量 弹性和非弹性能 来表示 韧性指标用冲击韧性值表示 冲击韧性也叫冲击功 用符号wkv或cv表示 单位为j 冲击韧性试验一般采用试件长55mm 截面10 10mm2 中间一小槽 在摆锤式冲击试验机上进行试验 冲断试件后 读出摆锤消耗的功 冲击韧性试验 3 3钢材的冲击韧性 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 冲击试验试件的缺口形式冲击韧性与试件刻槽 缺口 有关 常用缺口形式为夏氏v型 夏氏钥孔型和梅氏u型 我国国家标准规定 冲击试验缺口采用夏氏v型 冲击试验试件的缺口形式 冲击韧性还与试验的温度有关 我国钢材标准中将试验分为四档 即 20 0 20 和 40 时的冲击韧性 温度越低 冲击韧性越低 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 好的可焊性是指焊接安全 可靠 不发生焊接裂缝 焊接接头和焊缝的冲击韧性以及热影响区的塑性和力学性能都不低于母材 影响钢材可焊性的因素 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 12 0 20 范围内的碳素钢 可焊性最好 如q235b 对于高强度低合金钢中 低合金元素大多对可焊性有不利影响 我国行业标准jgj81 2002 建筑钢结构焊接技术规程 推荐使用碳当量来衡量低合金钢的可焊性 当碳当量小于0 38 钢材的可焊性好 如q345 可不采取措施直接施焊 2 1 3 2钢材的可焊性 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 钢材的机械性能指标 1 屈服点fy2 抗拉强度fu3 伸长率 4 断面收缩率 5 冷弯性能6 冲击韧性cv 小结 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 钢材的机械性能指标鉴定 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 2 5钢材性能的鉴定 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 4 影响钢材性能的因素 4 1化学成分的影响 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 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 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 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 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 对可焊性有影响 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 3 2成才过程的影响 钢材的生产大致分为冶炼 脱氧和浇铸 加工三道工序 1 炼钢 炼钢炉有三种形式 转炉 平炉和电炉 转炉钢是利用高压空气或氧气使炉内生铁熔液的碳和其它杂物氧化 在高温下使铁液变为钢液 生产周期短 效率高 质量好 成本低 已经成为国内外发展最快的炼钢方法 平炉钢是利用煤气和其它燃料供应热能 把废钢 生铁熔液或铸铁块和不同的合金元素等冶炼成各种用途的钢 生产周期长 效率低 成本高 现已逐步被转炉钢所取代 电炉钢是利用电热原理 在电弧炉内冶炼 质量好 但耗电量大 成本高 一般只用来冶炼特种用途的钢材 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 浇铸是指把熔炼好的钢液做成钢锭或钢坯 用连续铸造法生产钢坯的工艺和设备 由于机械化 自动化程度高的优势 已经逐渐取代了笨重而复杂的铸锭工艺和设备 钢液中残留的氧 将使钢材晶粒粗细不均匀并发生热脆 降低钢材的力学性能 按照钢液在炼钢炉中进行脱氧的方法和程度不同 碳素结构钢可分为沸腾钢 半镇静钢 镇静钢和特殊镇静钢 2 脱氧和浇铸 1 脱氧 2 浇铸 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 在锰和硅脱氧后 再用铝补充脱氧 其脱氧程度高于镇静钢 沸腾钢 采用的脱氧剂为脱氧能力较弱的锰 因此脱氧不完全 且浇注时会有气体逸出 出现钢液的沸腾现象 由于沸腾钢在铸模中冷却很快 气体逸出不完全 凝固后的钢材中留有较多的杂质和气体 钢的质量较差 镇静钢 采用锰加硅做脱氧剂 脱氧较完全 由于硅在还原的过程中会产生热量 使钢液冷却缓慢 让气体充分逸出 钢的质量好 但成本高 半镇静钢 特殊镇静钢 脱氧程度和钢材质量介于上述二者之间 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 冶炼和浇铸过程中的冶金缺陷 1 偏析金属结晶后化学成分分布不均匀的现象 主要是硫 磷偏析 其后果是偏析区钢材的塑性 韧性 可焊性变坏 3 裂纹钢材中存在的微观裂纹 2 非金属夹杂指钢材中的非金属化合物 如硫化物 氧化物 他们使钢材性能变脆 4 气泡浇铸时由feo和c作用所生成的co气体不能充分逸出而滞留在钢锭那形成的微小空洞 5 分层浇铸时的非金属夹杂在轧制后可能造成钢材的分层 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 3 加工 热加工 冷加工和热处理 热处理指通过加热 保温 冷却的操作方法 使钢材的组织结构发生变化 以获得所需性能的加工工艺 退火 正火 淬火和回火 热加工指将钢坯加热至塑性状态 依靠外力改变其形状 生产出各种厚度的钢板和型钢 热加工的开轧和锻压温度控制在1150 1300 冷加工指在常温下对钢材进行加工 冷作硬化现象 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 在弹性阶段 荷载的间断性重复作用基本上不影响钢材的工作性能 疲劳问题除外 在塑性阶段 重复加载将改变钢材的性能 钢材的应力超过了弹性极限后 除了弹性应变外还出现了塑性应变 此时卸载后弹性应变消除而塑性应变保留 过了一段时间后 重新加上荷载 第二次荷载作用下钢材的弹性极限将会提高接近上次卸载时的应力 在重复荷载作用下 钢材弹性极限有所提高的现象称为硬化 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 4 3钢材的硬化影响 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 时效硬化随着时间的增加 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 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 时效现象纯铁体中有一些数量极少的碳和氮的固熔物质 随着时间增加 这些故熔物质逐渐从纯铁中析出 并形成了自由的碳化物和氮化物微粒 散布在晶体的滑移面上 起着阻碍滑移的强化作用 约束纯铁体发展塑性变形 4 3钢材的硬化影响 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 在正温度范围内 0 以上 温度升高不超过200 时 钢材的性能变化不大 在250 左右 钢材的fu略有提高 但塑性和韧性均下降 此时钢材破坏常呈脆性破坏特征 钢材表面氧化膜呈现蓝色 称为蓝脆 钢材应避免在蓝脆温度范围内进行热加工 当温度超过200 在430 540 之间时 fu及fy急剧下降 到600 时候 强度很低不能继续承载 在负温度范围内 0 以下 随着温度降低 钢材的强度虽有提高 但塑性和韧性降低 材料逐渐变脆 这种性质称力低温冷脆 图2 7是钢材冲击韧性与温度的关系曲线 由图可见 材料由塑性破坏转变为脆性破坏是在一个温度区间t1 t2内完成的 称此温度区间为钢材的脆性转变温度区 设计选用钢材时应使其脆性转变温度区的下限温度t1低于结构工作温度 4 4温度的影响 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 4 5复杂应力和应力集中的影响 当三向受力用主应力 1 2 3表示时 当三向受力用应力分量表示时 当二向受力时 可以简化为 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 4 5复杂应力作用的影响 在一般梁中 只存在正应力 和剪应力 则上式成为 如果受纯剪 0 取 eq fy 结论 钢材受同号复杂应力作用时 强度提高 塑性降低 受异号复杂应力时 相反 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 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 4 6应力集中的影响 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 4 7残余应力的影响 定义 型钢及钢板热轧成型后 一般放置堆场自然冷却 冷却过程中截面各部分散热速度不同 导致冷却不均匀 先冷却的部分恢复弹性较早 它阻止后冷却部分的自由收缩 从而引起后冷却部分受拉 先冷却部分则受后冷却部分收缩的牵制引起受压 作用和反作用导致截面内形成自由平衡的内应力 称为热残余应力 各种钢材的残余应力均不同 焊接钢结构也存在残余应力的影响 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 4 7残余应力的影响 对结构的影响 当外荷载作用于钢结构时候 外荷载产生的应力与残余应力叠加 导致截面某些部分应力增加提前到达屈服点强度进入塑性区 随着外荷载的增加 塑性区会逐渐扩展 直到全截面进入塑性区 故残余应力对结构的极限承载力没有影响 计算中不考虑 由于残余应力使部分截面提前进入塑性区 截面弹性区减少 因而刚度也随之减少 导致构件稳定承载力降低 残余应力与外荷载应力叠加常常产生二向或三向应力 将使钢材抗冲击断裂能力及抗疲劳能力降低 消除措施 退火 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 4 8反复荷载 钢材受重复变化的荷载作用 材料强度降低 产生疲劳破坏 原因 钢材内部微小裂缝在交变应力作用下 裂纹扩展 使钢材突然断裂 影响因素 应力变化情况和循环次数有关 形式 完全对称循环 脉冲循环 不完全对称循环 以上称常幅应力循环 变幅应力循环 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 6钢材的种类和规格 6 1建筑用钢的种类 1 碳素结构钢 gb t700 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 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 2 低合金高强度结构钢 gb t1591 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 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 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 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 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 第二章钢结构的材料 chapter2materialofsteelstructure 钢结构设计原理designprinciplesofsteelstructure 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