第二章 钢结构材料.doc

本文由bzhzhg123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。 第2章 钢结构材料 2-1 概述 2-2 钢材的生产 2-3 钢材的主要性能 2-4 各种因素对钢材性能的影响 2-5 钢材的疲劳 2-6 建筑用钢的种类、规格和选用 建筑用钢的种类、 第2章 钢结构材料 2-1 概述 1）有较高的强度，屈强比满足要求，保证安全储备 ）有较高的强度，屈强比满足要求， 2）有足够的变形能力 ） 塑性破坏前有预兆，能内力重分布 塑性 破坏前有预兆， 破坏前有预兆 韧性在动载下破坏能吸收较大能量 韧性 在动载下破坏能吸收较大能量 3）有良好的加工性能，适应冷热加工，有良好的可焊性 ）有良好的加工性能，适应冷热加工， 4）适应低温、有害介质侵蚀及承受疲劳荷载，这方面能力 ）适应低温、有害介质侵蚀及承受疲劳荷载， 视具体结构而定； 视具体结构而定； 5）易生产、价格便宜。 ）易生产、价格便宜。 钢结构设计规范（GB50017-2002)推荐的普通碳素 钢结构设计规范 推荐的普通碳素 结构钢Q235钢和低合金高强度结构钢 钢和低合金高强度结构钢Q345、Q390及Q420是 结构钢 钢和低合金高强度结构钢 、 及 是 符合上述要求。 符合上述要求。 2-1 概述 2-2 钢材的生产 钢材的生产分为炼铁、 钢材的生产分为炼铁、炼钢和轧制 2.2.1 钢材的冶炼 一. 炼铁 二. 炼钢 碳素钢 低合金高强度结构钢 常用的炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。 常用的炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。 电炉炼钢炼成的钢质量好。 电炉炼钢炼成的钢质量好。 耗电量大，成本高。 耗电量大，成本高。 转炉炼钢是利用高压空气或氧气 氧气顶吹转炉冶炼的钢中有害元素和杂质少， 氧气顶吹转炉冶炼的钢中有害元素和杂质少 ， 生产周 期短，效率高、质量好、成本低。 期短，效率高、质量好、成本低。 2-2 钢材的生产 2-2 钢材的生产 2-2 钢材的生产 平炉炼钢，平炉的原料广泛，容积大， 平炉炼钢，平炉的原料广泛，容积大，产量 冶炼工艺简单，化学成分易于控制， 高，冶炼工艺简单，化学成分易于控制，炼 出的钢质量优良。 出的钢质量优良。 平炉炼钢周期长，效率低，成本高。 平炉炼钢周期长，效率低，成本高。 2-2 钢材的生产 三. 钢材的浇注和脱氧 按脱氧的方法和程度的不同， 按脱氧的方法和程度的不同，碳素结构钢可分为 沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢4 沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢4类。 沸腾钢采用脱氧能力较弱的 作脱氧剂，脱氧不完全。 采用脱氧能力较弱的锰 沸腾钢采用脱氧能力较弱的锰作脱氧剂，脱氧不完全。 钢材中留有较多的氧化铁夹杂和气孔。钢的质量较差。 钢材中留有较多的氧化铁夹杂和气孔。钢的质量较差。 镇静钢采用锰加硅作脱氧剂 脱氧较完全， 采用锰加硅作脱氧剂， 镇静钢采用锰加硅作脱氧剂，脱氧较完全，硅在还原氧 化铁的过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢， 化铁的过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢，使气体充分 逸出，浇注时不会出现沸腾现象。这种钢质量好，但成本高。 逸出，浇注时不会出现沸腾现象。这种钢质量好，但成本高。 半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间 的脱氧程度介于上述二者之间。 半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间。 特殊镇静钢是在锰硅脱氧后 再用铝补充脱氧， 是在锰硅脱氧后， 特殊镇静钢是在锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧，其脱氧 程度高于镇静钢。低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。 程度高于镇静钢。低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。 2-2 钢材的生产 代表屈服点； 以“Q”代表屈服点；屈服点数值共分 代表屈服点 屈服点数值共分195、215、235、 、 、 、 255和275(MPa)5种； 和 种 质量等级按有害成分硫、磷含量由多到少的规律， 质量等级按有害成分硫、磷含量由多到少的规律，分别 符号表示； 由A、B、C、D符号表示； 、 、 、 符号表示 脱氧方法以F表示沸腾钢 表示沸腾钢， 表示半镇静钢 表示半镇静钢， 表示镇静 脱氧方法以 表示沸腾钢，b表示半镇静钢，Z表示镇静 表示特殊镇静钢。 和 在钢的牌号中予以省略 在钢的牌号中予以省略。 级 钢，TZ表示特殊镇静钢。Z和TZ在钢的牌号中予以省略。C级 表示特殊镇静钢 只能是Z，D级只能是 。 只能是 ， 级只能是TZ。 级只能是 例如： 表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢。 级沸腾钢。 例如：Q235AF表示屈服点为 表示屈服点为 的 级沸腾钢 Q215B，表示屈服点为 级镇静钢。 ，表示屈服点为215MPa的B级镇静钢。而Q215Bb表示 的 级镇静钢 表示 屈服点为215MPa的B级半镇静钢。 级半镇静钢。 屈服点为 的 级半镇静钢 2-2 钢材的生产 2.2.2 钢材的组织构造和缺陷 一. 钢材的组织构造 碳素结构钢是在纯铁中加适量的碳来提高强度 碳素结构钢是在纯铁中加适量的碳来提高强度 铁素体是碳溶入体心立方晶体的铁中的固溶体 是碳溶入体心立方晶体的铁中的固溶体， 铁素体 是碳溶入体心立方晶体的铁中的固溶体 ， 与纯铁 的显微组织没有明显的区别，其强度、硬度较低，而塑性、 的显微组织没有明显的区别 ， 其强度 、 硬度较低 ， 而塑性 、 韧性良好。 韧性良好。 渗碳体是铁碳化合物 其熔点高， 硬度大， 是铁碳化合物， 渗碳体 是铁碳化合物 ， 其熔点高 ， 硬度大 ， 几乎没有塑 在钢中其与铁素体晶粒形成机械混合物珠光体， 填 珠光体， 性 ， 在钢中其与铁素体晶粒形成机械混合物 珠光体 充在铁素体晶粒的空隙中， 形成网状间层。 充在铁素体晶粒的空隙中 ， 形成网状间层 。 珠光体强度很高 坚硬而富于弹性。 ，坚硬而富于弹性。 低合金结构钢是在低碳钢中加入少量的合金元素 是在低碳钢中加入少量的合金元素。 低合金结构钢 是在低碳钢中加入少量的合金元素 。 合金 元素及其化合物溶解于铁素体和珠光体中， 元素及其化合物溶解于铁素体和珠光体中 ， 使钢材的强度得 到提高，而塑性、韧性和焊接性能并不降低。 到提高，而塑性、韧性和焊接性能并不降低。 2-2 钢材的生产 二. 钢材的铸造缺陷 铸模浇注钢锭时，冷却速度不同，形成不同结晶带， 铸模浇注钢锭时，冷却速度不同，形成不同结晶带， 不同 会给钢材的性能带来差异。 会给钢材的性能带来差异。 冶金缺陷，如偏析、非金属夹杂、气孔、缩孔和裂纹等。 冶金缺陷，如偏析、非金属夹杂、气孔、缩孔和裂纹等。 2.2.3 钢材的加工 热加工、冷加工和热处理三种。 热加工、冷加工和热处理三种。 三种 将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状, 将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状,产生 出各种厚度的钢板和型钢，称为热加工。 出各种厚度的钢板和型钢，称为热加工。 在常温下对钢材进行加工称为冷加工。 在常温下对钢材进行加工称为冷加工。 通过加热、 保温、 冷却的操作方法， 通过加热 、 保温 、 冷却的操作方法 ， 使钢的组织结 构发生变化，称为热处理。 构发生变化，称为热处理。 2-2 钢材的生产 一. 热加工 开轧和锻压温度控制在11501300。 开轧和锻压温度控制在 钢材轧制成钢板或型钢，使金属的晶粒变细，压合钢坯中 钢材轧制成钢板或型钢，使金属的晶粒变细， 的气孔、裂纹等缺陷，改善钢材的力学性能。 的气孔、裂纹等缺陷，改善钢材的力学性能。 热轧薄板和壁厚较薄的热轧型钢，因辊轧次数较多， 热轧薄板和壁厚较薄的热轧型钢，因辊轧次数较多，钢材 优于厚板 的性能改善明显，其强度、塑性、韧性和焊接性能均优于 的性能改善明显，其强度、塑性、韧性和焊接性能均优于厚板 和厚壁型钢。 和厚壁型钢。 钢材强度按板厚分组。 钢材强度按板厚分组。 2-2 钢材的生产 钢材沿轧制方向（纵向） 钢材沿轧制方向（纵向） 的性能优于垂直轧制方向（ 的性能优于垂直轧制方向（横 的性能， 向）的性能，即使其各向异性 增大。 增大。因此对于钢板部件应沿 其横向切取试件进行拉伸和冷 弯试验。 弯试验。 钢中的硫化物和氧化物等 非金属夹杂， 非金属夹杂，经轧制之后被压 会出现分层现象。 成薄片 会出现分层现象。分 层使钢板沿厚度方向受拉的性 能恶化。 能恶化。 2-2 钢材的生产 二. 冷加工 冷轧卷板和冷轧钢板 冷弯薄壁型钢和压型钢板 高强钢丝。 高强钢丝。 由带钢或钢板经过 冷加工形成的型材制作的 结构称为冷弯薄壁型钢结 构 2-2 钢材的生产 2-2 钢材的生产 三. 热处理 包括退火、正火、 包括退火、正火、淬火和回火 退火和正火改善组织以提高钢的机械性能。 退火和正火改善组织以提高钢的机械性能。 其操作方法为：在炉中将钢材加热保温一段时间后， 其操作方法为：在炉中将钢材加热保温一段时间后，若 随炉温冷却至500 以下 ， 再放至空气中冷却的工艺称为完 随炉温冷却至 以下， 全退火； 全退火； 若保温后从炉中取出在空气中冷却的工艺称为正火。 若保温后从炉中取出在空气中冷却的工艺称为正火。正 火的冷却速度比退火快，强度和硬度有所提高。 火的冷却速度比退火快，强度和硬度有所提高。 低温退火，主要用来消除铸件、热轧件、锻件、 低温退火，主要用来消除铸件、热轧件、锻件、焊接件 和冷加工件中的残余应力。 和冷加工件中的残余应力。 2-2 钢材的生产 淬火工艺是将钢件加热到 淬火工艺是将钢件加热到900以上，保温后快速在 工艺是将钢件加热到 以上， 水中或油中冷却。增加了钢材的强度和硬度， 水中或油中冷却 。 增加了钢材的强度和硬度 ， 同时使塑 性和韧性降低。 性和韧性降低。 回火工艺是将淬火后的钢材加热到某一温度进行保 回火 工艺是将淬火后的钢材加热到某一温度进行保 而后在空气中冷却。 其目的是消除残余应力， 温 ， 而后在空气中冷却 。 其目的是消除残余应力 ， 调整 强度和硬度， 减少脆性，增加塑性和韧性， 强度和硬度 ， 减少脆性 ， 增加塑性和韧性 ， 形成较稳定 的组织。 的组织。 通常称淬火加高温回火的工艺为调质处理。 通常称淬火加高温回火的工艺为调质处理 。 强度较 高的钢材， 中的C、 、 级钢和高强度螺栓的钢 高的钢材，如Q420中的 、D、E级钢和高强度螺栓的钢 中的 材都要经过调质处理。 材都要经过调质处理。 2-2 钢材的生产 2-3 钢材的主要性能 2.3.1 钢材的破坏形式 钢材有两种完全不同的破坏形式： 钢材有两种完全不同的破坏形式： 塑性破坏 脆性破坏 塑性破坏的主要特征是，破坏前具有较大的塑性变形， 塑性破坏的主要特征是，破坏前具有较大的塑性变形， 常在钢材表面出现明显的相互垂直交错的锈迹剥落线。 常在钢材表面出现明显的相互垂直交错的锈迹剥落线。破坏 后的断口呈纤维状，色泽发暗。 后的断口呈纤维状，色泽发暗。 脆性破坏的主要特征是，破坏前塑性变形很小， 脆性破坏的主要特征是，破坏前塑性变形很小，或根本 没有塑性变形，而突然迅速断裂。破坏后的断口平直， 没有塑性变形，而突然迅速断裂。破坏后的断口平直，呈有 光泽的晶粒状或有人字纹。 光泽的晶粒状或有人字纹。 2-3 钢材的主要性能 2.3.2 钢材在单向一次拉伸下工作性能 钢材的多项性能指标可通过单向拉伸试验获得。 钢材的多项性能指标可通过单向拉伸试验获得。 给出相应钢材的单调拉伸应力 应变曲线。 由试验 给出相应钢材的单调拉伸应力 应变曲线 。 曲线看出， 比例极限 以前钢材的工作是弹性的； 曲线看出，在比例极限 p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 屈服点f 极限以后，进入了弹塑性阶段；达到了屈服点 y后，塑性 平台；出现强化阶段，产生颈缩而破坏。 平台；出现强化阶段，产生颈缩而破坏。 2-3 钢材的主要性能 一. 四个工作阶段： 四个工作阶段： 1）弹性阶段： ）弹性阶段： 比例极限f 应力由 0 比例极限 p 比例极限 2）弹塑性阶段： ）弹塑性阶段： 应力由 fp 屈服点 fy屈服点 3）塑性阶段： 3）塑性阶段： 应力保持 fy 不变，应变由 不变， (0.10.2)% (23)%; 4）强化阶段： ）强化阶段： 应力由 fy 抗拉强度 fu 抗拉强度 fu fy fp 钢结构设计以钢材的屈 服点 f y 作为静力强度的承载 力极限。 力极限。 2-3 钢材的主要性能 二. 理想弹塑性体 fy 如果没有残余应力， 如果没有残余应力，比例 极限与屈服应力合为一点， 极限与屈服应力合为一点，弹塑 性阶段消失，为简化计算， 性阶段消失，为简化计算，将应 力应变关系简化为如图。 力应变关系简化为如图。 三. 钢材的机械性能 理想弹塑性体应力应变关系 理想弹塑性体应力应变关系 1强度 设计时以钢材的屈服强度为基础，抗拉强度 设计时以钢材的屈服强度为基础，抗拉强度 u是钢材破 坏前所随承受的最大应力， 坏前所随承受的最大应力，此时的结构因塑性变形很大而失 去使用性能， 值的大小， 去使用性能，uy值的大小，可以看作钢材强度储备的参 数。 2-3 钢材的主要性能 2塑性 衡量钢材塑性变形能力的主要指标是伸长率和断面收 衡量钢材塑性变形能力的主要指标是伸长率 和断面收 缩率。 缩率 。 原标距间长度的伸长值与原标距比值的百分率。 原标距间长度的伸长值与原标距比值的百分率。一般 以l0d0=5为标准试件。此时的伸长率5按下式计算： 为标准试件。此时的伸长率 按下式计算： 为标准试件 式中： 试件原标距长度； 式中：l0试件原标距长度； 试件原标距长度 d0试件标距长度内的直径； 试件标距长度内的直径； 试件标距长度内的直径 l1 试件拉断后标距间的长度。 试件拉断后标距间的长度。 试件拉断后标距间的长度 l1 ? l0 5 = 100% l0 2-3 钢材的主要性能 断面的颈缩率是指试件拉断后，颈缩的断面面积缩小值 断面的颈缩率是指试件拉断后， 与原截面积比值的百分率式计算： 与原截面积比值的百分率式计算： A ?A = 0 1 100% A 0 式中： 试件标准断面的面积； 式中：A0试件标准断面的面积； 试件标准断面的面积 A1试件拉断后颈缩区的断面积。 试件拉断后颈缩区的断面积。 试件拉断后颈缩区的断面积 钢材单调拉伸应力 钢材单调拉伸应力应变曲线提供了三个重要的力学性 能指标：抗拉强度f 伸长率和屈服点 和屈服点f 能指标：抗拉强度 u、伸长率 和屈服点 y。 抗拉强度f 是钢材一项重要强度指标， 抗拉强度 u是钢材一项重要强度指标，反映钢材受拉时 能承受的极限应力。 能承受的极限应力。 伸长率是衡量钢材断裂前所具有的塑性变形能力的指 伸长率 是衡量钢材断裂前所具有的塑性变形能力的指 其相应伸长率分别用 表示。 标，其相应伸长率分别用 5或10表示。 屈服点f 屈服点 y是钢结构设计中应力允许达到的最大限值。 2-3 钢材的主要性能 2.3.3 钢材的其它性能 一. 冷弯性能 钢材的冷弯性能由冷弯试验确定。 试验时， 钢材的冷弯性能由冷弯试验确定 。 试验时 ， 根据钢材 的牌号和不同的板厚， 按国家相关标准规定的弯心直径， 的牌号和不同的板厚 ， 按国家相关标准规定的弯心直径 ， 在试验机上把试件弯曲180 180 在试验机上把试件弯曲180 以试件表面和侧面不出现裂纹和分层 为合格。 裂纹和分层为合格 以试件表面和侧面不出现 裂纹和分层 为合格 。 冷弯试 验不仅能检验材料承受规定的弯曲变形能力的大小， 验不仅能检验材料承受规定的弯曲变形能力的大小 ， 还能 显示其内部的冶金缺陷， 是判断钢材塑性变形能力和冶金 显示其内部的冶金缺陷 ， 是判断 钢材塑性变形能力和冶金 质量的综合指标。 质量的综合指标。 2-3 钢材的主要性能 冷弯性能试验方法是用图示具有一定弯心直径d的冲头 冷弯性能试验方法是用图示具有一定弯心直径 的冲头 ，对标准试件中部施加荷载使之弯曲，或者要求把试件冷 对标准试件中部施加荷载使之弯曲， 弯到规定的角度而不出现裂纹或分层等， 弯到规定的角度而不出现裂纹或分层等，以判断钢材的冷 弯性能。 弯性能。 冷弯性能试验 2-3 钢材的主要性能 二. 冲击韧性 由单调拉伸试验获得的韧性没有考虑应力集中和动荷 作用的影响， 作用的影响 ， 只能用来比较不同钢材在正常情况下的韧性 好坏。 好坏。 冲击韧性是评定带有缺口的钢材在冲击荷载作用下抵 冲击韧性是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， 抗脆性破坏能力的指标， 通常用带有夏比V 通常用带有夏比V型缺口的标准试件 冲击韧性值随温度的降低而降低，但不同牌号和质量等 冲击韧性值随温度的降低而降低， 级钢材的降低规律又有很大的不同。因此， 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， 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 对钢材提出相当温度下的冲击韧性指标的要求， 相当温度下的冲击韧性指标的要求 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。 性破坏发生。 2-3 钢材的主要性能 钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷裁作用下， 钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷裁作用下，断裂过程中 吸收机械动能的一种能力，是衡量钢材抵抗冲击荷裁作用， 吸收机械动能的一种能力，是衡量钢材抵抗冲击荷裁作用，可 能因低温、应力集中，而导致脆性断裂的一项机械性能。 能因低温、应力集中，而导致脆性断裂的一项机械性能。一般 通过标准试件的冲击试验来获得钢材的冲击韧性指标。 通过标准试件的冲击试验来获得钢材的冲击韧性指标。我国以 前曾采用梅氏试件(U形缺口 作冲击韧性试验。 形缺口)作冲击韧性试验 前曾采用梅氏试件 形缺口 作冲击韧性试验。 2-3 钢材的主要性能 2.3.4钢材在复杂应力状态下的屈服条件 2.3.4钢材在复杂应力状态下的屈服条件 多轴应力下， 多轴应力下，材料的综合强度指标要用变形时单位体积 中积聚的能量来衡量。 中积聚的能量来衡量。 形状改变比能理论： 形状改变比能理论： 三向应力下，形状改变比能等于单向拉伸下积聚的比能时， 三向应力下，形状改变比能等于单向拉伸下积聚的比能时， 钢材由弹性转入塑性状态（屈服）。 钢材由弹性转入塑性状态（屈服）。 以主应力表示为： 以主应力表示为： zs = 1 ? ( 1 ? 2 ) 2 + ( 2 ? 3 ) 2 + ( 3 ? 1 ) 2 ? = f y ? 2? zS为折算应力，f y 为单向应力作用下的屈服应力 为折算应力， zs f y 时，为塑性状态； zs f y 时，为弹性状态 为塑性状态； 2-3 钢材的主要性能 正应力与剪应力表示： 正应力与剪应力表示： 2 2 2 2 z = x2 + y +z2 ? (x y + yz +zx ) + 3( xy + yz + zx ) = f y 对塑性材料，同号应力状态易发生脆断， 对塑性材料，同号应力状态易发生脆断，钢材在异号应 力状态时容易发生塑性破坏。 力状态时容易发生塑性破坏。 2-3 钢材的主要性能 当1、2、3为同 号应力且数值接近时， 号应力且数值接近时， 即使它们各自都远大于 fy，折算应力zs仍小于fy， f 折算应力 仍小于 y 说明钢材很难进入塑性 状态。 状态。 破坏表现为脆性。 破坏表现为脆性。 双轴同号受力 单轴拉伸 双轴异号受力 2-3 钢材的主要性能 平面应力状态下 2 2 2 z = x + y ? x y + 3 xy = f y 在实腹梁的腹板中： 在实腹梁的腹板中： z = 2 + 3 2 = f y 当纯剪时： 当纯剪时： z = 3 2 = f y fvy = f y 3 = 0.58 f y 钢材的抗剪设计强度为： 钢材的抗剪设计强度为： fv = 0.58fy 2-3 钢材的主要性能 2-4 各种因素对钢材性能的影响 2.4.1 化学成分的影响 碳，钢中合碳量，对钢的性 钢中合碳量， 能有影响。含碳量低者， 能有影响。含碳量低者，钢的强 度不高但塑性大 度不高但塑性大伸长率和冲 击韧性高，钢质柔软， 击韧性高，钢质柔软，易于冷加 切削和焊接； 工、切削和焊接；含碳量较高者 钢的强度高，但塑性小， ，钢的强度高，但塑性小，硬度 性脆，不易加工。 大，性脆，不易加工。钢材机械 性能与含碳量的关系。 性能与含碳量的关系。 2-4 各种因素对钢材性能的影响 锰元素(Mn)是一种弱脱氧剂 元素 是一种弱脱氧剂 锰还可以提高钢材的屈服强度和抗拉强度， 锰还可以提高钢材的屈服强度和抗拉强度，显著改善钢 材的冷脆倾向，降低硫、氧对钢材的热脆影响， 材的冷脆倾向，降低硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢材的 热加工性能，同时不显著降低塑性和冲击韧性。 热加工性能，同时不显著降低塑性和冲击韧性。 在普通碳素钢中，锰含量限制在0.30.8，在低合金钢 ，在低合金钢 在普通碳素钢中，锰含量限制在 ， 含量限制在1.21. 6之间，锰合金过多会使钢材变硬变 中，含量限制在 之间， 并降低钢材的耐腐蚀和可焊性。 脆并降低钢材的耐腐蚀和可焊性。 是一种较强的脱氧剂。 硅元素(Si)是一种较强的脱氧剂。 元素 是一种较强的脱氧剂 适量的硅可有效地提高钢材的强度而对其塑性、 适量的硅可有效地提高钢材的强度而对其塑性、冷弯性 冲击性能、可焊性能无明显的不良影响。 能、冲击性能、可焊性能无明显的不良影响。 在碳素钢中含量不超过0.3，低合金钢中含量限制在0.6 ，低合金钢中含量限制在 在碳素钢中含量不超过 ，低合金钢中含量限制在 以内。过高硅含量将降低钢材的塑性、韧性、 以内。过高硅含量将降低钢材的塑性、韧性、抗锈性和可 焊性。 焊性。 2-4 各种因素对钢材性能的影响 是低合金钢中的一种合金元素。 钒元素(V)是低合金钢中的一种合金元素。可以细化钢材 元素 是低合金钢中的一种合金元素 晶粒结构而提高钢材的屈服强度和抗拉强度。 晶粒结构而提高钢材的屈服强度和抗拉强度。钒的化合物稳 使钢的高温硬度提高， 钢是在16Mn钢基础上加入 定，使钢的高温硬度提高，15MnV钢是在 钢是在 钢基础上加入 适量的钒(0.040.12)而熔炼成强度较高的低合金钢。 而熔炼成强度较高的低合金钢。 适量的钒 而熔炼成强度较高的低合金钢 是一种有害元素。 硫元素(S)是一种有害元素。硫与铁的化合成硫化铁 元素 是一种有害元素 硫与铁的化合成硫化铁(FeS) 散布在纯铁体的层间中，当温度在8001200时熔化而使钢 散布在纯铁体的层间中，当温度在 材出现热裂纹，且易脆断。称为热脆现象。 材出现热裂纹，且易脆断。称为热脆现象。使钢材的焊接性能 和热加工性能变坏，降低钢材的塑性和冲击韧性。 和热加工性能变坏，降低钢材的塑性和冲击韧性。 也是一种有害元素。 磷元素(P)也是一种有害元素。 元素 也是一种有害元素 磷的存在可提高钢材的强度和抗锈蚀性， 磷的存在可提高钢材的强度和抗锈蚀性，但严重降低钢 材的塑性、冷弯性能、冲击韧性和可焊性。特别是在低温下 材的塑性、冷弯性能、冲击韧性和可焊性。 钢材易产生低温脆断,称为冷脆现象 称为冷脆现象。 ，钢材易产生低温脆断 称为冷脆现象。 2-4 各种因素对钢材性能的影响 氧、氮都是有害元素，因容易从铁液中逸出，故含量甚 都是有害元素，因容易从铁液中逸出， 氧的作用与硫类似，增大钢的热脆性。 少。氧的作用与硫类似，增大钢的热脆性。氮的作用同磷类 能显著降低钢材的塑性和冲击韧性。 似，能显著降低钢材的塑性和冲击韧性。冷弯性能和焊接性 能，特别是增大钢材的冷脆性 2-4 各种因素对钢材性能的影响 2.4.2钢材的焊接性能 钢材的焊接性能受含碳量和合金元素含量的影响 含碳量超过时， 含碳量超过时，焊缝及热影响区容易变脆 一般Q235A的含碳量较高 ， 因此这一牌号通常不能用于 的含碳量较高， 一般 的含碳量较高 焊接构件。 焊接构件 。而Q235B、C、 D的含碳量控制在上述的适宜范围 的含碳量控制在上述的适宜范围 之内，是适合焊接使用的普通碳素钢牌号。 之内，是适合焊接使用的普通碳素钢牌号。 在高强度低合金钢中， 在高强度低合金钢中， 低合金元素大多对可焊性有不利 影响， 建筑钢结构焊接技术规程使用碳当量来衡量低合 影响， 建筑钢结构焊接技术规程 金钢的可焊性，其的计算公式如下： 金钢的可焊性，其的计算公式如下： Mn Cr + Mo + V Ni + Cu CE = C + + + 6 5 15 2-4 各种因素对钢材性能的影响 其中C、 、 、 、 、 、 分别为分别为碳 分别为分别为碳、 其中 、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu分别为分别为碳、 镍和铜的百分含量。 锰、铬、钼、钒、镍和铜的百分含量。 钢材焊接性能的优劣除了与钢材的碳当量有直接关系之 还与母材厚度、焊接方法、 外，还与母材厚度、焊接方法、焊接工艺参数以及结构形式 等条件有关。 等条件有关。 当CE在0.380.45范围内时，钢材呈现淬硬倾向， 范围内时，钢材呈现淬硬倾向， 施焊时需要控制焊接工艺、 施焊时需要控制焊接工艺 、 采用预热措施并使热影响区缓 慢冷却，以免发生淬硬开裂； 大于0.45时，钢材的淬 慢冷却，以免发生淬硬开裂；当CE大于 硬倾向更加明显， 硬倾向更加明显 ， 需严格控制焊接工艺和预热温度才能获 得合格的焊缝。 得合格的焊缝。 2-4 各种因素对钢材性能的影响 2.4.3钢材的硬化 钢材的硬化有三种情况： 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。 时效硬化、冷作硬化（或应变硬化）和应变时效硬化。 在高温时溶于铁中的少量氮和碳， 在高温时溶于铁中的少量氮和碳，随着时间的增长逐渐 由固溶体中析出，生成氮化物和碳化物， 由固溶体中析出，生成氮化物和碳化物，散存在铁素体晶粒 的滑动界面上，对晶粒的塑性滑移起到遏制作用，从而使钢 的滑动界面上，对晶粒的塑性滑移起到遏制作用， 材的强度提高，塑性和韧性下降。这种现象称为时效硬化。 材的强度提高，塑性和韧性下降。这种现象称为时效硬化。 在冷加工使钢材产生较大的塑性变形的情况下， 在冷加工使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸荷后 再重新加载，钢材的屈服点提高， 再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象称 为冷作硬化。 为冷作硬化。 2-4 各种因素对钢材性能的影响 钢材经冷拉、冷拔、冷轧等冷加工后， 钢材经冷拉、冷拔、冷轧等冷加工后，性能会发生显 著改变，表现为强度提高，塑性减小，变硬，变脆 著改变，表现为强度提高，塑性减小，变硬，变脆这种 现象称为“冷加工硬化” 现象称为“冷加工硬化”。 冷加工后应力应变关系变化 2-4 各种因素对钢材性能的影响 应力应变曲线将循 应力 应变曲线将循 图中EDHK进行，屈服点 进行， 图中 进行 由D点提高到 点、恢复 点提高到H点 点提高到 一水平的塑性区段后在更 高的应力水平上出现一个 新的应变硬化区。 新的应变硬化区。曲线恢 复了原来的形状， 复了原来的形状，但塑性 区和应变硬化区的范围则 大大缩小。 大大缩小。这也是一个对 钢结构的不利因素。 钢结构的不利因素。 2-4 各种因素对钢材性能的影响 时效过程可长达几年， 时效过程可长达几年，但如在塑性变形后对钢材加热到 200300 C，可使时效在几小时内完成，这称为人工时效。 ，可使时效在几小时内完成，这称为人工时效。 有些重要结构常需进行人工时效，然后再测定其冲击韧性， 有些重要结构常需进行人工时效，然后再测定其冲击韧性， 以保证钢材长期具有较好的韧性。 以保证钢材长期具有较好的韧性。 2-4 各种因素对钢材性能的影响 2.4.4 应力集中的影响 当截面有裂纹(内部的或表面的 当截面有裂纹 内部的或表面的 )、孔洞、刻槽、凹角时以及截面厚 、孔洞、刻槽、 度或宽度突然改变时， 度或宽度突然改变时，构件中的应 力分布将变得很不均匀。 力分布将变得很不均匀。在缺陷或 截面变化处附近，应力线曲折、 截面变化处附近，应力线曲折、密 集、出现高峰应力的现象称为应力 集中。 集中。 当为数值相等三向拉应力时， 当为数值相等三向拉应力时， 直到材料断裂也不屈服。所以， 直到材料断裂也不屈服。所以，在 三向应力的应力状态材料容易脆性 破坏。 破坏。 2-4 各种因素对钢材性能的影响 应力集中现象还可能由内应力产生。 其在浇注、 应力集中现象还可能由内应力产生 。 其在浇注 、 轧制和 焊接加工过程中，因不同部位钢材的冷却速度不同产生。 焊接加工过程中，因不同部位钢材的冷却速度不同产生。 焊接残余应力 在焊缝附近的残余拉应力常达到屈服点， 在焊缝附近的残余拉应力常达到屈服点，而且在焊缝交叉 处经常出现双向、甚至三向残余拉应力场，使钢材局部变脆。 处经常出现双向、甚至三向残余拉应力场，使钢材局部变脆。 当外力引起的应力与内应力处于不利组合时，会引发脆性破坏。 当外力引起的应力与内应力处于不利组合时，会引发脆性破坏。 因此，在进行钢结构设计时， 因此，在进行钢结构设计时，应尽量使构件和连接节点的 形状和构造合理，防止截面的突然改变。 形状和构造合理，防止截面的突然改变。在进行钢结构的焊接 构造设计和施工时，应尽量减少焊接残余应力。 构造设计和施工时，应尽量减少焊接残余应力。 2-4 各种因素对钢材性能的影响 2.4.5 荷载类型的影响 荷载可分为静力的和动力的两大类。 荷载可分为静力的和动力的两大类。 快速加载 动力荷载中的冲击荷载 连续交变荷载，循环荷载。 连续交变荷载，循环荷载。吊车梁 地震 一. 加载速度的影响 在冲击荷载作用下，加载速度很高， 在冲击荷载作用下 ， 加载速度很高 ， 由于钢材的塑性滑 移在加载瞬间跟不上应变速率， 移在加载瞬间跟不上应变速率 ， 因而反映出屈服点提高的倾 但是， 试验研究表明， 向 。 但是 ， 试验研究表明 ， 在 20 左右的室温环境下 ， 虽然 左右的室温环境下， 钢材的屈服点和抗拉强度随应变速率的增加而提高， 钢材的屈服点和抗拉强度随应变速率的增加而提高 ， 塑性变 形能力却没有下降， 反而有所提高， 形能力却没有下降 ， 反而有所提高 ， 即处于常温下的钢材在 冲击荷载作用下仍保持良好的强度和塑性变形能力。 冲击荷载作用下仍保持良好的强度和塑性变形能力。 2-4 各种因素对钢材性能的影响 二. 循环荷载的影响 钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤、 钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤、产生裂 纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏，这种现象称为疲劳。 纹及裂纹逐渐扩展，直到最后破坏，这种现象称为疲劳。 疲劳可分为高周疲劳和低周疲劳两类。 疲劳可分为高周疲劳和低周疲劳两类。 试验研究发现，当钢材承受拉力至产生塑性变形， 试验研究发现，当钢材承受拉力至产生塑性变形，卸载 再使其受拉，其受拉的屈服强度将提高至卸载点（ 后，再使其受拉，其受拉的屈服强度将提高至卸载点（冷作 硬化现象） 而当卸载后使其受压， 硬化现象）；而当卸载后使其受压，其受压的屈服强度将低 于一次受压时所获得的值。这种经预拉后抗拉强度提高， 于一次受压时所获得的值。这种经预拉后抗拉强度提高，抗 压强度降低的现象称为包辛格效应。 压强度降低的现象称为包辛格效应。 2-4 各种因素对钢材性能的影响 2.4.6 温度的影响 在150以内，钢材的强度、弹性模量和塑性均与常温 以内，钢材的强度、 相近。 相近。 在250左右，抗拉强度有局部性提高，伸长率和断面 左右，抗拉强度有局部性提高， 收缩率均降至最低，出现了所谓的蓝脆现象（ 收缩率均降至最低，出现了所谓的蓝脆现象（钢材表面氧化 膜呈蓝色）。显然钢材的热加工应避开这一温度区段。 ）。显然钢材的热加工应避开这一温度区段 膜呈蓝色）。显然钢材的热加工应避开这一温度区段。 在300以后，强度和弹性模量均开始显著下降，塑性 以后，强度和弹性模量均开始显著下降， 显著上升。 显著上升。 达到600时，强度几乎为零，塑性急剧上升，钢材处 强度几乎为零，塑性急剧上升， 达到 于热塑性状态。 于热塑性状态。 2-4 各种因素对钢材性能的影响 当温度低于常温时，随着温度的降低，钢材的强度提高 当温度低于常温时，随着温度的降低， 而塑性和韧性降低，逐渐变脆，称为钢材的低温冷脆。 ，而塑性和韧性降低，逐渐变脆，称为钢材的低温冷脆。 在直接承受动力作用的钢结构设计中， 在直接承受动力作用的钢结构设计中，为了防止脆性破 冲击试验并进行统计分析才能得到。 坏，冲击试验并进行统计分析才能得到。 我国有关标准对不同牌号和等级的钢材， 我国有关标准对不同牌号和等级的钢材，规定了在不同 温度下的冲击韧性指标 级不要求外， 对Q235钢，除A级不要求外，其它各级钢均取 钢 级不要求外 其它各级钢均取CV=27J 对低合金高强度钢， 级不要求外， 级钢采用 对低合金高强度钢，除A级不要求外，E级钢采用 级不要求外 CV=27J 2-4 各种因素对钢材性能的影响 转变区内曲线最陡处的温度t 称为转变温度。 转变区内曲线最陡处的温度 0称为转变温度。在结构设 计中要求避免脆性破坏。结构所处温度应大于t 计中要求避免脆性破坏。结构所处温度应大于 1。对寒冷 地区直接承受较大动力荷载的钢结构， 地区直接承受较大动力荷载的钢结构，除应有常温冲击韧性 的保证外，尚应视钢材的类别而定，使其具有-20 的保证外，尚应视钢材的类别而定，使其具有 或-40 的冲击韧性保证。 的冲击韧性保证。 2-4 各种因素对钢材性能的影响 2.4.7 防止脆性断裂的方法 影响因素：钢材的化学成分、组织构造和缺陷等； 影响因素：钢材的化学成分、组织构造和缺陷等；构造 缺陷和焊接加工引起的应力集中、低温影响、动荷作用、 缺陷和焊接加工引起的应力集中、低温影响、动荷作用、冷 作硬化和应变时效硬化等。 作硬化和应变时效硬化等。 防止脆性破坏的发生： 防止脆性破坏的发生： (1) 合理设计。 合理设计。 (2) 正确制造。 正确制造。 (3) 合理使用。 合理使用。 2-4 各种因素对钢材性能的影响 2-5 钢材的疲劳 2.5.1 疲劳破坏的特征 1. 疲劳的概念 钢材料在循环荷载作用下，当循环数达到某一定值时， 钢材料在循环荷载作用下，当循环数达到某一定值时， 钢材发生破坏的现象叫做钢材的疲劳；疲劳属于脆性破坏。 钢材发生破坏的现象叫做钢材的疲劳；疲劳属于脆性破坏。 产生疲劳的原因： 产生疲劳的原因： 内部缺陷应力集中 产生微裂纹微裂纹在循环 应力集中产生微裂纹 内部缺陷 应力集中 产生微裂纹 微裂纹在循环 荷载下扩展截面削弱 宏观裂纹失稳扩展断裂 截面削弱宏观裂纹失稳扩展 荷载下扩展 截面削弱 宏观裂纹失稳扩展 断裂 引起疲劳破坏的交变荷载有两种类型 常幅交变荷载 常幅疲劳 变幅交变荷载 变幅疲劳 常幅疲劳破坏， 转动的机械零件 常幅疲劳破坏， 吊车桥、 变幅疲劳破坏。 吊车桥、钢桥 变幅疲劳破坏。 2-5 钢材的疲劳 1) 低周疲劳 高周疲劳 2) a b 特征 突然性 疲劳破坏的断口与一般脆性断口不同，三个区域： 疲劳破坏的断口与一般脆性断口不同，三个区域： 裂纹源、裂纹扩展区和断裂区。扩展区表面较光滑， 裂纹源、裂纹扩展区和断裂区。扩展区表面较光滑， 可见放射和年轮状花纹， 可见放射和年轮状花纹，是疲劳断裂的主要断口特 征。 c 疲劳对缺陷敏感。 疲劳对缺陷敏感。 缺口 裂纹 组织缺陷 2-5 钢材的疲劳 max 0, 异号应力循环 t min = max 应力辐： 应力辐： = max ? min 循环应力和变幅应力 2-5 钢材的疲劳 t 2 影响疲劳的主要因素： 影响疲劳的主要因素： 1）有无缺陷、缺陷的尺寸，有无残余应力。 ）有无缺陷、缺陷的尺寸，有无残余应力。 2）应力水平 ） S= max f 对弹性材料， 对弹性材料，这一因 素影响不象对弹塑性材料 那样大。 那样大。 3）应力辐 ） = max ? min = C 时，称常幅循环 4）应力比 ） min = max = ?1时, 疲劳强度最小 2-5 钢材的疲劳 长期以来， 长期以来，曾经以最大应力和应力比作为疲劳验算的主 要依据，但现在多数国家转为用应力辐进行验算。 要依据，但现在多数国家转为用应力辐进行验算。 a是裂纹长度，N是循环次数，K是应力强度因子 是裂纹长度， 是循环次数 是循环次数， 是应力强度因子 是裂纹长度 da dN K 门 槛 值 da = C (?K ) n dN K a 2-5 钢材的疲劳 疲劳极限（或称持久极限） 疲劳极限（或称持久极限）定义为标准试件在规定的循环 基数下不发生疲劳破坏的最大应力值，对于钢材， 基数下不发生疲劳破坏的最大应力值，对于钢材，一般循环基 数取为两百万到一千万次。 数取为两百万到一千万次。 2-5 钢材的疲劳 2.5.2 常幅疲劳 一. 非焊接结构的疲劳 疲劳强度 与主体金属 连接类型有关 与循环应力的应力比 与循环应力的应力比 循环次数n有关。 循环次数 有关。 有关 = min max n2106次，TJ17-74曾根据试验得到的简化疲劳曲线， 曾根据试验得到的简化疲劳曲线， 曾根据试验得到的简化疲劳曲线 验算以拉应力为主的疲劳计算公式如下： 验算以拉应力为主的疲劳计算公式如下： max p = 1 ? k p p 0 2-5 钢材的疲劳 max p = 1 ? k p p 0 max 验算部位最大拉应力； 验算部位最大拉应力； p 以拉应力为主的疲劳容许强度； 以拉应力为主的疲劳容许强度； =0时的疲劳容许强度，试验定； 时的疲劳容许强度，试验定； 时的疲劳容许强度 构造形式有关的系数，试验定。 构造形式有关的系数，试验定。 p 0 k 以应力为准则的疲劳验算方法不适用于焊接结构 2-5 钢材的疲劳 二. 焊接结构的疲劳 焊接结构疲劳寿命主要的因素 构件和连接的构造类型 和应力幅， 和应力幅，而与应力比无关 焊接残余应力的影响 + fy fy ?= max-min 焊缝附近的真是循环应力 max fy-? t min (a) (b) (c) 2-5 钢材的疲劳 当名义循环应力为拉时， 当名义循环应力为拉时 ， 焊缝附近的残余拉应力已 达屈服点不再增加，实际拉应力保持f 不变； 达屈服点不再增加，实际拉应力保持 y不变；当名义循环 应力减小到最小时， 应力减小到最小时，焊缝附近的实际应力将降至 f y ? ? = f y ? ( max ? min ) 显然， 显然，焊缝附近的真实应力比为 = f y ? ? fy 只要应力幅为常数， 只要应力幅为常数，