浅析钢结构的材料.doc

第二章 钢结构的材料2.1概述2.1.1建筑结构用钢的基本要求（重点）钢材种类繁多，规格、用途也不相同，对建筑结构用钢来说，主要有三方面的要求：1强度结构的承载力大，所需的截面小，结构的自重轻；2塑性、韧性塑性好，不易发生脆性破坏；韧性好，利于承受动力荷载；3加工性能可焊性、冷弯性能、耐久性以及耐腐性；据上要求,钢结构设计规范GB50017-2003推荐承重结构用钢宜采用：炭素结构钢中的Q235钢及低合金高强结构钢中的Q345、Q390和Q420钢四种钢材。2.1.2塑性破坏与脆性破坏a. 塑性破坏 破坏前构件产生较大的塑性变形,断裂后的断口呈纤维状,色泽发暗. 破坏前塑性变形大且变形持续时间长，易发现补救。钢材塑性破坏前的较大塑性变形能力，可以实现构件和结构中的内力重分布，钢结构的塑性设计就是建立在这种足够的塑性变形能力上。b. 脆性破坏 （绝对避免）破坏前构件塑性变形很小,甚至没有塑性变形, 断口平直并呈有光泽的晶粒状. 破坏前没有任何征兆,突然发生,无法补救. 在钢结构的设计、施工和使用过程中，要特别注意防止这种破坏的发生。2.2钢结构的机械性能2.2.1强度 一次单向均匀拉伸试验曲线图2.1 低碳钢单向拉伸应力应变曲线 图2.2 理想弹塑性材料应力应变曲线由低碳钢的试验曲线（图2.1）看出，在比例极限以前钢材的工作是弹性的；比例极限以后，进入了弹塑性阶段；达到了屈服点后，出现了一段纯塑性变形，也称为塑性平台；此后强度又有所提高，出现所谓自强阶段，直至产生颈缩而破坏。破坏时的伸长率表示钢材的塑性性能。重要指标： 抗拉强度抗拉强度是钢材一项重要的强度指标，它反映钢材受拉时所能承受的极限应力。 屈服点屈服点是钢结构设计中应力允许达到的最大限值，因为当构件中的应力达到屈服点时，结构会因过度的塑性变形而不适于继续承载。 钢材强度标准值由图2.1可以看到，屈服点以前的应变很小，如把钢材的弹性工作阶段提高到屈服点，且不考虑自强阶段，则可把应力应变曲线简化为图2.2所示的两条直线，称为理想弹塑性体的工作曲线。它表示钢材在屈服点以前应力与应变关系符合虎克定律，接近理想弹性体工作；屈服点以后塑性平台阶段又近似于理想的塑性体工作。这一简化，与实际误差不大，却大大方便了计算，成为钢结构弹性设计和塑性设计的理论基础。因此，钢结构设计时可以屈服点强度值作为承载能力极限状态强度计算的限值，即钢材强度标准值，据此确定强度设计值。 名义屈服点调质处理的低合金钢没有明显的屈服点和塑性平台。这类钢的屈服点是以卸载后试件中残余应变为0.2所对应的应力人为定义的，称为名义（条件）屈服点或。 2.2.2塑性 断面收缩率试样拉断后，颈缩处横断面积的最大缩减量与原始横断面积的百分比，也是单调拉伸试验提供的一个塑性指标。越大，塑性越好。Z向钢 伸长率 伸长率是衡量钢材断裂前所具有的塑性变形能力的指标，以试件破坏后在标定长度内的残余应变表示。取圆试件直径的5倍或10倍为标定长度，其相应伸长率分别用或表示。2.2.3冷弯性能钢材的冷弯性能是衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时对产生裂纹的抵抗能力的一项指标。冷弯性能取决于钢材的质量。.2.2.3韧性（冲击韧性）评定带有缺口的钢材在冲击荷载作用下抵抗脆性破坏能力的指标，以击断试件所消耗的冲击功大小来衡量钢材抵抗脆性破坏的能力。钢材的冲击韧性值随温度的降低而降低，但不同牌号和质量等级钢材的降低规律又有很大的不同。因此，在寒冷地区承受动力作用的重要承重结构，应根据其工作温度和所用钢材牌号，对钢材提出相当温度下的冲击韧性指标的要求，以防脆性破坏发生。2.3影响钢材机械性能的主要因素1化学成份2冶金及轧制3钢材的硬化（冷作硬化与时效硬化）4复杂应力与应力集中5残余应力6温度7. 疲劳2.3.1化学成分的影响 基本成份为Fe，炭钢中含量占99，C、Si、Mn为杂质元素，S、P、N、O为冶炼过程中不易除尽的有害元素。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%。Si：含Si适量使强度 其它影响不大，有益，应控制在0.10.3%Mn：含Si适量使强度 降低S、O的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大，有益。S：含量使强度塑性、韧性、性能冷弯、可焊性；高温时使钢材变脆（热脆现象），严格控制。P：低温时使钢材变脆冷脆现象；其它同SO、N：O同S；N同P，控制含量0.008%2.3.2冶金及轧制影响1. 冶金的影响主要为脱氧方法：沸腾钢用Mn为脱氧剂，时间快，价格低，质量差；镇静钢用Si为脱氧剂，时间慢，价格高，质量好。半镇静钢加入少量强脱氧剂硅（或铝）进行脱氧，质量和价格介于沸腾钢和镇静钢之间。(特殊镇静钢)2. 轧制的影响反复的轧制可以改善钢材的塑性，同时可以使钢材中的气孔、裂纹、疏松等缺陷焊合，使金属晶体组织密实，晶粒细化，消除纤维组织缺陷，使钢材的力学性能提高。2.3.3钢材的硬化1硬化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。钢材的硬化有三种情况：时效硬化、冷作硬化（或应变硬化）和应变时效硬化（人工时效）。2时效硬化钢材中的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。3冷作硬化冷加工时（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。不利用冷作硬化所提高的强度，且比较重要的钢结构，要尽量避免局部冷作硬化现象的发生。4人工时效在钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体晶体中的固溶氮和碳将更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象，称为应变时效硬化。这种硬化在高温作用下会快速发展，人工时效就是据此提出来的，方法是：先使钢材产生10左右的塑性变形，卸载后再加热至250，保温一小时后在空气中冷却。用人工时效后的钢材进行冲击韧性试验，可以判断钢材的应变时效硬化倾向，确保结构具有足够的抗脆性破坏能力。2.3.4 复杂应力与应力集中*1复杂应力作用（复杂应力状态下的屈服条件）单调拉伸试验得到的屈服点是钢材在单向应力作用下的屈服条件，实际结构中，钢材常是在双向或三向的复杂应力状态下工作，这时钢材的屈服并不只取决于某一方向的应力，而是由反映各方向应力综合影响的“应力函数”，即所谓的“屈服条件”来确定。钢在复杂应力状态由弹性到塑性的条件为：（2-1）用主应力表示时，（2-2） 由式(2-1)、(2-2)可以看出，当1、2、3为同号应力且数值接近时，即使它们各自都远大于，折算应力仍小于，说明钢材很难进入塑性状态。当为三向拉应力作用时，甚至直到破坏也没有明显的塑性变形产生，破坏表现为脆性。相反，在异号应力场下，剪应变增大，钢材会较早地进入塑性状态，提高了钢材的塑性性能。受纯剪时，式(2-1)变为，即应力达到的0.58倍时，钢材进入塑性状态。因此，设计规范对钢材的抗剪强度设计值取0.58，为抗拉强度设计值。2应力集中在荷载作用下，在构件截面突然改变的部位（孔洞边缘或缺口尖端等处）将产生局部高峰应力，其余部位应力较低且分布不均匀的现象。应力集中实际是局部应力增大并多为同号应力场。应力集中对低温直接承受动力作用的构件不利，故应避免截面急剧改变等构造措施，以减小应力集中。2.3.5残余应力钢构件在轧制、火焰切割、焊接和冷矫直等冷加工和制造过程中由于不均匀冷却或不均匀塑性变形，使构件内在未受外力时即已存在的应力。残余应力事实上是一种产生在构件内部自相平衡的内力。残余应力虽对构件的强度无影响，但对构件的变形（刚度）、疲劳、应力腐蚀以及稳定承载力（屈曲强度，后续章节中将详细介绍）产生不利影响。因此在钢结构制造过程中应尽量采取措施以减小残余应力。2.3.6温度影响温度的影响，一般可分正温与负温影响两部分。 正温影响总体影响规律为温度上升，钢材的强度降低，塑性、韧性提高，这一现象称之为热塑现象，温度达600摄氏度左右时，钢材的强度几乎降至为零，而塑性、韧性极大，易于进行热加工，此温度称之为热煅温度。需要说明：钢材在300摄氏度左右时，强度提高，塑性、韧性下降，钢材表面呈蓝色，这一反覆现象称之为蓝脆现象。钢材在300摄氏度以上时应采取隔热措施。 负温影响随着温度的降低钢材的强度提高，塑性、韧性降低，脆性增大，称之为低温冷脆，当温度降至某一特定温度时钢材的脆性急剧增大，称此温度点为转脆温度。2.3.7疲劳影响钢材的疲劳指钢材在循环应力多次反复作用下裂纹生成、扩展以致断裂破坏的现象。2.4 建筑结构用钢的种类与选择2.4.1 结构用钢的种类按化学成分分：非合金钢、低合金钢、合金钢我国的建筑用钢主要为碳素结构钢（非合金钢）和低合金高强度结构钢两种2.4.2 结构用钢的牌号钢材牌号由：“Q、屈服点值、质量等级、脱氧方法”四部分组成。Q为“屈”字拼音首位字母，意为“屈服强度”；屈服点值3位数，代表屈服点的单位面积压强值；质量等级分AE五级，字序越高质量越好；脱氧方法F为沸腾钢，Z代表镇静钢（一般省略），b代表半镇静钢，TZ代表特殊镇静钢。例如，Q235B代表屈服点为的B级镇静钢。注：炭素结构钢分：A、B、C、D 四级，含所有脱氧方法；低合金结构钢分：A、B、C、D、E五级，只有镇静钢和特殊镇静钢。建筑结构用钢，宜选炭素结构钢中的Q235及低合金钢中的Q345、Q390、Q420。2.4.3 钢材的选用 选用考虑的因素 结构的重要性 荷载特征 连接方法 工作环境温度 钢材厚度 选用原则 保证结构安全可靠；符合使用要求；尽可能的节约钢材和降低造价。2.4.3 钢材的规格 钢板钢板有厚钢板、薄钢板、扁钢（或带钢）之分。钢板截面的表示方法为在符号“”后加“宽