单元二--钢结构材料及材料选用PPT课件

单元2钢结构材料及材料选用 知识目标掌握钢结构的力学性能 了解钢结构所用材料 品种 规格 熟悉钢结构材料选用要求 熟悉影响性能的因素和钢材的基本知识 学习目标通过理论教学和技能实训 学生能够了解钢结构所用材料 品种 规格 熟悉钢材材料的力学性能和材料基本知识 一 基础知识 1 黑色金属 钢和有色金属的基本概念2 常用钢材的分类 1 按建筑用途分类根据建筑用途分类 钢材可分为碳素结构钢 焊接结构耐候钢 高耐候性结构钢和桥梁用结构钢等专用结构钢 在建筑结构中 较为常用的是碳素结构钢和桥梁用结构钢 2 按化学成分分类 碳素钢 根据钢材含碳量的不同 可分为三种 低碳钢 碳的质量分数小于0 25 的钢 中碳钢 碳的质量分数在0 25 0 60 之间的钢 高碳钢 碳的质量分数大于0 60 的钢 合金钢 在碳素钢中加入一定量的合金元素以提高钢材能的钢 称为合金钢 可分为 低合金钢 合金元素总的质量分数小于5 的钢 中合金钢 合金元素总的质量分数在5 10 之间的钢 高合金钢 合金元素总的质量分数大于10 的钢 3 按品质分类 普通钢 甲类钢 只保证机械性能的钢 乙类钢 只保证化学成分 但不必保证机械性能的钢 特类钢 既保证化学成分 又保证机械性能的钢 优质钢 在结构钢中 含硫量不超过0 045 含碳量不超过0 040 在工具钢中含硫量不超过0 030 含碳量不超过0 035 对于其他杂质 如铬 镍 铜等的含量都有一定的限制 高级优质钢 属于这一类的一般都是合金钢 钢中含硫量不0 020 含碳量不超过0 030 对其他杂质的含量要求更加严格 4 按钢材外形 可分为型材 板材 管材 金属制品四大类 其中建筑钢结构中使用最多的是型材和板材 钢材性能的分类 二 钢材的力学性能 1 钢材单向拉伸试验 拉伸试验标准试件 8 1 低碳钢单向拉伸的应力 应变关系曲线 8 A点所对应的应力为比例极限 而B点所对应的应力为弹性极限 Q235钢的比例极限 B点对应的应变 标准试件 GB228 63 l0 d 5或10 常温 20 下缓慢加载 一次完成 标准拉伸曲线可以分为四个阶段 弹性阶段 OB段 材料处于纯弹性 卸载后无残余应变 颈缩阶段 EF段 极限强度后 试件出现局部截面横向收缩 塑性变形迅速增大 即颈缩现象 此时 荷载不断降低 变形能继续发展 直至F点试件断裂 屈服阶段 BCD段 应力波动的最低值称为屈服点或屈服强度 屈服阶段从开始 B点 到曲线再度上升 D点 的变形范围较大 相应的应变幅度称为流幅 Q235钢的屈服点 对应的应变 流幅0 15 2 5 强化阶段 DE段 应变的增加快于应力的增加 塑性特性明显 E点的应力为抗拉强度或极限强度 第3章钢结构材料 11 高强度钢材没有明显的屈服台阶 这类钢的屈服点是根据实验分析结果人为规定的 称为条件屈服 用f0 2表示 定义为试件卸载后其残余应变为0 2 时所对应的应力 这类钢材在设计中不宜利用塑性 无屈服点钢材的应力 应变曲线 2 无明显屈服点钢材的单向拉伸的应力 应变关系曲线 1 屈服强度屈服阶段BCD段所对应的强度成为屈服强度 用符号表示 也称屈服点 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 钢材屈服点的意义 作为结构计算中材料强度标准 或材料抗力标准 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 2 钢材的力学性能 注意fy是材料的标准强度 非设计强度 钢材屈服点fy的高低和钢材晶粒的粗细有关 轧制次数多 钢材就薄 晶粒细 材质好 屈服点就高 2 抗拉强度单向拉伸应力 应变曲线中最高点 强化阶段中E点所对应的强度 称为抗拉强度 用符号表示 它是钢材所能承受的最大应力值 是结构的安全储备 从拉伸曲线可以得到 钢材的屈服强度fy与比例极限fp和弹性极限fe很接近 在屈服强度之前 钢材应变很小 而在屈服强度以后 钢材产生很大的塑性变形 常使结构出现了使用上不允许的残余变形 因此认为 屈服强度是设计时钢材可以达到的最大应力 钢材可看作为理想的弹塑性 抗拉强度fu是钢材破坏前能够承受的最大应力 屈强比 fy fu 是衡量钢材强度储备的一个系数 屈强比愈低钢材的安全储备愈大 但屈强比过小时 钢材强度的利用率太低 不够经济 屈强比过大时 安全储备太小而不够安全 屈服强度和抗拉强度是承重结构所用钢材应具有的基本保证项目 对一般非承重结构构件所用钢材只要保证抗拉强度即可 3 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 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 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 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 4 冷弯性能冷弯性能是指钢材在常温下冷加工发生塑性变形时 对产生裂纹的抵抗能力 鉴别指标 如果试件弯曲180 试件表面和侧面无裂纹 断裂或分层 即认为试件冷弯性能合格 钢材的强度 塑性 冲击韧性和冷弯性能称为钢材的力学性能或机械性能 冷弯试验示意图 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 5 冲击韧性 冲击试验 韧性是指钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力 是衡量钢材抵抗动力荷载能力的指标 它是强度和塑性的综合表现 是判断钢材在动力荷载作用下是否出现脆性破坏的重要指标之一 韧性的好坏用冲击韧性值表示 它是对带有夏比V型缺口 Charpy 试件进行冲击试验测得的试件断裂时的冲击功 冲击韧性 J 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 设计处于不同环境温度的重要结构 尤其是受动载作用的结构时 要根据相应的环境温度提出冲击韧性的保证要求 式中 AKV 试验机的冲击功 N m 韧性好表示在动荷载作用下破坏时能吸收比较多的能量 从而提高结构抵抗动力荷载的能力 降低脆性破坏的危险程度 对需要验算疲劳的结构所用钢材应具有在不同试验温度下的冲击韧性的合格保证 对其它重要的受拉或受弯的焊接构件中 厚度大于16mm的钢材应具有常温冲击韧性的合格保证 6 可焊性 施工性能 钢材的焊接性能受含碳量和合金元素含量的影响 碳素钢 当0 12 C 0 20 时 焊接性能好 含碳量超过上述范围 焊缝和热影响区容易变脆 低合金钢 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 碳当量CE越高可焊性越差 好的可焊性是指焊接安全 可靠 不发生焊接裂缝 焊接接头和焊缝的力学性能不低于母材力学性能 CE 0 38 时 焊接性能好 可直接施焊 CE在0 38 0 45 范围内时 钢材呈现淬硬倾向 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 CE大于0 45 时 钢材的淬硬倾向更加明显 需严格控制焊接工艺和预热温度才能获得合格的焊缝 钢材的性能 三 影响钢材性能的因素 碳 C 铁以外最重要的元素 C 强度 塑性 冲击韧性 焊接性能 脆性 低温脆断危险 钢结构采用低碳钢 C 0 22 焊接结构C 0 2 1 化学成分的影响 低碳钢 C0 6 普通碳素钢中Fe占99 其他杂质元素占1 普通低合金钢中合金元素 5 锰 Mn 有益元素 脱氧剂 在合金钢中作为合金元素 锰的含量不太多时 能显著改善钢材的冷脆性能 并提高其强度 而又不过多地降低塑性和韧性 但是过量的锰会使钢材变脆 塑性降低 有益元素 强脱氧剂 使钢材中的粒度变细 适量的硅可提高其强度 而对其塑性和韧性 焊接性无显著的不良影响 但是过量的硅会使钢材的塑性 韧性降低 恶化其抗锈蚀能力和焊接性 硅 Si 钒 V 铌 Nb 钛 Ti 钒 铌 钛都能使钢材晶粒细化 既可提高钢材强度 又保持良好的韧性 塑性 铝是强脱氧剂 用铝进行补充脱氧 铬和镍是提高钢材强度的合金元素 有害元素 800 1000 时 硫化铁熔化使钢材变脆 因此热加工或焊接时 有可能引起热裂纹 称为 热脆 铝 Al 铬 Cr 镍 Ni 硫 S S 冲击韧性 焊接性能 脆性 抗锈蚀性能 磷 P 既是可利用的合金元素也是有害元素 低温下使钢变脆 高温时使钢减少塑性 但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力 有害杂质 氧使钢热脆 氮使钢冷脆 氧 O 和氮 N 冶炼冶炼这一冶金过程形成钢的化学成分与含量 钢的金相组织结构 不可避免的存在冶金缺陷 从而确定不同的钢种 钢号及其相应的力学性能 浇铸钢在浇铸过程中不可避免的产生冶金缺陷 常见的冶金缺陷有偏析 非金属夹杂 气孔及裂纹等 2 生产过程的影响 31 轧制在高温和压力下 将钢锭或钢坯热轧成钢板和型钢 改变钢材的形状及尺寸 使小气泡 裂纹 疏松等缺陷焊合起来 使金属组织更加致密 改善钢材的力学性能 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 1 时效硬化随着时间的增加 纯铁体中有一些数量极少的碳和氮的固熔物质析出 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 在高温作用下会快速发展 人工时效 3 影响钢材性能的其他因素 钢材的硬化 2 冷加工硬化 应变硬化 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 3 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 温度的影响 正温范围 T升高 1 温度在200 以内 钢材材质变化很小 钢结构可用于温度不高于200 的场合 设计时规定不超过150 2 温度在250 左右的区间内 fu有局部性提高 fy有所回升 冲击韧性降低 出现蓝脆现象 3 当温度达到600 时 钢材进入热塑性状态 强度下降严重 将丧失承载能力 应采取隔热措施 负温范围 T下降 随着温度的降低 钢材的强度提高 而塑性和韧性降低 逐渐变脆 称为钢材的低温冷脆 钢材的冲击韧性对温度的降低十分敏感 耐火钢 极大地改善了钢材在高温下的力学性能 应力集中的影响 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 引起截面中的应力分布不均匀 出现局部高峰应力的现象 应力集中现象 应力集中处常产生双向或三向的同号拉应力 使材料沿力作用方向塑性变形的发展受到很大约束 易使钢材开裂时也没有明显的塑性变形 有应力集中的钢材 材性变脆 3 3 1 1 2 2 净截面平均应力 缺口尖端的应力 应力集中系数 残余应力是钢材在热轧 焊接 气割等不均匀冷却和不均匀加热过程中产生的 在先冷却部分常形成压应力 后冷却部分形成拉应力 钢材中残余应力的特点是应力在构件内部自相平衡 而与外力无关 残余应力的存在易使钢材发生脆性破坏 残余应力 钢结构对材料的要求 较高的强度 足够的变形性能 良好的加工性能 对环境的良好适应性 四 钢结构对材料性能的要求 钢结构设计规范 GB50017 2003 规定 承重结构的钢材应具有抗拉强度 伸长率 屈服强度和硫 磷含量的合格保证 对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证 焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有冷弯试验的合格保证 需要验算疲劳的焊接结构的钢材 应具有常温或负温冲击韧性的合格保证 对需要验算疲劳的非焊接结构的钢材应具有常温冲击韧性的合格保证 规范推荐的钢种为Q235 Q345 Q390 Q420 塑性破坏 破坏前有明显的变形 破坏历时时间长 可以采取补救措施 钢结构的破坏形式 脆性破坏 破坏前没有明显的变形 破坏发生突然 没有机会补救 脆性破坏的原因 钢材内部缺陷 焊接缺陷 构造不合理 使用不当等 应尽量发挥材料的塑性避免一切脆性破坏的可能性 1 建筑钢材的类别 五 钢材的种类 选用及规格 碳素结构钢 碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母Q 屈服点数值 质量等级 A B C D 脱氧方法符号 F b Z TZ 分别表示沸腾钢 半镇静钢 镇静钢和特殊镇静钢 四个部分顺序组成 屈服点数值 195 215 235 255 275 低合金高强度结构钢 低合金高强度钢 其牌号按屈服点由小到大排列 有Q295 Q345 Q390 Q420和Q460等五种 牌号意义和碳素结构钢相同 每一级的质量保证项目类似碳素结构钢 E级要保证 40 的AKV 钢结构设计规范规定采用 Q345 Q390 Q420 其质量等级分为A B C D E五级 优质碳素结构钢 优质碳素结构钢是含碳小于0 8 的碳素钢 这种钢中所含的硫 磷及非金属夹杂物比碳素结构钢少 机械性能较为优良 优质碳素结构钢的硫磷含量低于0 035 主要用来制造较为重要的机件 在工程中一般用于生产预应力砼用钢丝 钢绞线 锚具 以及高强度螺栓 重要结构的钢铸件等 钢铰线 钢丝绳 2 钢材的选择 选择钢材的原则 安全可靠 满足使用要求 经济合理 为了保证承重结构的承载能力 防止出现脆性破坏 在选择钢材时应具体考虑以下因素 结构或构件的重要性 荷载特征 连接方式 工作环境 结构的应力状态 钢材的厚度 钢材选择的建议 1 承重结构的钢材宜采用Q235钢 Q345钢 Q390钢和Q420钢 其质量应分别符合国家标准 碳素结构钢 GB T700和 低合金高强度结构钢 GB T1591的规定 当采用其他牌号的钢材时 应符合相应有关标准的规定和要求 2 承重结构的钢材应具有抗拉强度 伸长率 屈服强度和硫 磷含量的合格保证 对焊接结构尚具有含碳量的合格保证 3 对于需要验算疲劳的焊接结构和非焊接结构 应具有冲击韧性的合格保证 4 重要的受拉或受弯的焊接构件中 厚度大于等于16mm的钢材应具有常温冲击韧性合格的保证 5 当焊接结构为防止钢材的层状撕裂而采用Z向钢时 其材质应符合现行国家标准 厚度方向性能钢板 GB T5313的规定 6 对于外露环境 且对大气腐蚀有特殊要求的或在腐蚀性气态和固态介质作用下的承重结构 宜采用耐候钢 其质量要求应符合现行国家标准 焊接耐候钢 GB T4172的规定 3 钢材规格 分为厚钢板 4 5 60mm 薄钢板 0 35 4mm 和扁钢 4 60mm 表示方法 在符号 后加 厚度 宽度 长度 单位为mm 例 12 800 2100 热轧钢板 热轧型钢 1 角钢 分为等边角钢和不等边角钢 长度4 19m 表示方法 长边宽 短边宽 厚度 边宽 厚度 如 100 80 8 如 100 10 等边角钢 不等边角钢 2 工字钢 3 槽钢 编号以截面高度 cm 表示 I32c 普通型根据腹板厚度分为a b c三类 a类腹板较薄 用于受弯经济 c类腹板较厚 不经济 生产较少 工字钢 槽钢 30a I32Q 25Q 4 H型钢和剖分T型钢 H型钢表示方法 代号 高度H 宽度B 腹板厚 翼缘厚 思考 H型钢与普通工字钢的区别 T型钢由对应的H型钢对等剖分而成 表示方法