钢结构第二章钢结构材料2012.ppt

钢结构的材料,第二章,第二章钢结构的材料,第一节概述(P18),用作钢结构的钢材必须具有下列性能：,1强度高：即屈服点fy、抗拉强度fu比较高。,2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，同时具有良好的可焊性，,钢结构设计规范（GB500172003）规定：普通碳素结构钢(CarbonStructuralSteels)Q235和低合金高强度结构钢(HighStrengthLowAlloyStructuralSteels)Q345、Q390及Q420可作为承重钢结构用钢。,第二节钢材的生产(P18),一、钢材的冶炼(P18),1、炼铁：矿石中氧化物形态铁,CO、C,还原为生铁,2、炼钢：生铁,高温氧化,除去碳、杂质,钢,电炉炼钢钢材质量好，但成本高,转炉炼钢质量好、周期短、效率高、成本低,平炉炼钢质量好、周期长、效率低、成本高,3、钢材的浇注和脱氧,钢液按脱氧程度分：沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢四类。,镇静钢的脱氧程度最高，性能最好，但产量较低，成本较高。杂质少，组织致密，冶金缺陷少，冲击韧性好，但成本较高，成品率较低。Fu基本相同，fy略高。,沸腾钢脱氧程度低，氧、氮和一氧化碳气体从钢液中逸出，形成钢液的沸腾。沸腾钢的时效、韧性、可焊性较差，容易发生时效和变脆，但产量较高、成本较低；,半镇静钢脱氧程度介于两者之间,镇静钢（MnSi甚至Al或Ti）,脱氧剂脱氧能力比较,沸腾钢（Mn）,半镇静钢（Mn少量Si）,Mn：Si：Al1：5：90,低合金高强度结构钢一般都是镇静钢,二、钢材的组织结构和缺陷(P19),1、钢材的组织构造(P19),含碳量：钢2%C0.6%高碳钢,碳素结构钢：Fe99，C杂质元素1,低合金结构钢：Fe95（97），C合金元素杂质5（3）。,钢材中，柔软的纯铁体(占99%)砼砂浆,渗碳体Fe3C,Fe3C纯铁体珠光体,坚硬砼骨料,2、钢材的铸造缺陷(P20),冷却速度不同钢锭形成不同结晶带,其他冶金缺陷偏析、非金属夹杂、气孔、缩孔和裂纹等,三、钢材的加工(P21),1、热加工(P21)轧制和锻压,热加工可破坏钢锭的铸造组织，使金属的晶粒变细，在高温和压力下压合钢坯中的气体、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，因轧制次数较多，轧制压缩比大，钢材的性能改善明显，其强度、塑性、韧性均优于厚板和厚壁型钢钢材强度按板厚分组。,注意分层现象P22,2、冷加工(P22),冷轧、冷弯、冷拔等延伸性加工,剪、冲、钻、刨等切削性加工,冷作硬化变脆,3、热处理,退火、正火、淬火和回火四种工艺,消除残余应力、改变钢材力学性能,第三节、钢材的主要性能(P23),一、钢材的破坏形式,两种性质完全不同的破坏形式：塑性破坏（延性破坏DuctileFracture)脆性破坏（脆性断裂BrittleFracture),二钢材在单向一次拉伸下的工作性能(P24),标准试件在常温、静载（缓慢加载）下一次拉伸试验。,1.条件：标准试件（GB22863），常温（20）下缓慢加载，一次完成。含碳量为0.1%0.3%。标准试件：lo/d=5、10；lo-标距；d-直径,2.阶段划分,有屈服点钢材-曲线可以分为五个阶段：,(1)弹性阶段(OB段),p比例极限ProportionalLimit,e弹性极限ElasticLimit,（2）弹塑性阶段（BC)该段很短,表现出钢材的非弹性性质;B屈服上限;C屈服下限(屈服点)屈服点-YieldPoint,（3）塑性阶段（CD)该段基本保持不变（水平),急剧增大,称为屈服台阶或流幅段,变形模量E=0,（4）强化阶段(DE段),随荷载的增加缓慢增大,但增加较快,（5）颈缩阶段(EF段),极限抗拉强度fu,B.对无明显屈服点的钢材,该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变形小，破坏突然。,设计时取相当于残余变形为0.2%时所对应的应力作为屈服点条件屈服点,3.应力应变曲线的简化,1)钢材在屈服点以前按理想的弹性体工作，屈服点以后按理想的塑性体工作。2)超过fy到屈服台阶终止的变形约为2.5%-3%，足以满足考虑结构的塑性变形发展的要求。,（1）钢材可以简化为理想弹塑性体,（2）钢材在静载作用下：强度计算以fy为依据;fu为结构的安全储备。,（3）断裂时变形约为弹性变形的200倍，在破坏前产生明显可见的塑性变形，可及时补救，故几乎不可能发生。,0.15%,22%,fu,fy,fu-fy,fy屈服强度(YieldStrength）,fu抗拉强度(TensileStrength)。,4.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，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，它是钢材最大的抗拉强度。,（3）伸长率(Elongation),（5）断面收缩率,它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。,当l0/d=5时，用5表示，当l0/d=10时，用10表示。,A0,A1,(4)弹性模量E,1.冷弯试验(Cold-bendingBehavior)表现的性能（P25）,图2.3.4冷弯试验,1。根据试样厚度，按规定的弯心直径将试样弯曲180，其表面及侧面无裂纹或分层则为“冷弯试验合格”。,2。冷弯试验的意义a.表示材料塑性变形能力符合要求，b.表示钢材的冶金质量(颗粒结晶及非金属夹杂分布，甚至在一定程度上包括可焊性)符合要求，因此，冷弯试验是判别钢材塑性变形能力及冶金质量的综合指标。重要结构中需要有良好的冷热加工的工艺性能时，应有冷弯试验合格保证。,三、钢材的其他性能（P25）,2冲击试验表现的性能,冲击韧性也叫缺口韧性，是钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能能力的量度。是衡量钢材抵抗因低温、应力集中及冲击荷载作用等而致脆性断裂的一项机械性能。,图2.3.5冲击试验,冲击试验用带缺口的试件，应力集中脆性断裂。夏比试验法（SharpyVnotchtest），用V形缺口试件冲击功Akv或Cv表示，单位J（1J1N.m）,影响缺口冲击韧性的主要因数：1。材性：合金元素Cv2。温度：tt0(冷脆临界温度，转变温度)Cv3。厚度：厚度，负温冲击韧性Cv4。热处理：Cv,冲击韧性与塑性的区别（1）冲击韧性是塑性和强度的综合表现（2）塑性指标静力荷载作用韧性指标冲击荷载作用（3）塑性指标：表征构件经受变形的能力韧性指标：表征材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。,3可焊性(钢材的焊接性能P28),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。,钢材的可焊性受含碳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。,CE0.38%钢材可焊性很好0.38%0.45%较高预热温度严格工艺措施,可焊性的优劣实际是指钢材在采用一定的焊接方法、焊接材料、焊接工艺参数及一定的结构形式等条件下，获得合格焊缝的难易程度。可焊性稍差的钢材，要求更为严格的工艺措施。,四、钢材性能的鉴定,反映钢材质量的主要力学指标有：屈服点fy；伸长率；抗拉强度fu；冷弯试验；冲击韧性Akv(包括常温冲击韧性、0度时冲击韧性、负温冲击韧性)。此外钢材的工艺性能和化学成分也是反映钢材性能的重要内容。,钢结构工程施工质量验收规范（GB502052001）,金属拉伸试验方法（GB/T228）金属夏比缺口冲击试验方法（GB/T229）金属材料弯曲试验方法（GB/T232）钢及钢产品力学性能试验取样位置及试样制备（GB/T2975）钢的化学分析用试样取样法及化学成分允许偏差（GB/T222）,钢材质量的抽样检验应由具有相应资质的质检单位进行。,）材料由弹性转入塑性是用形状改变能量强度理论来判断的；,五、钢材复杂应力作用下的屈服条件(P26),）复杂应力状态下外荷载使单元体单位体积内所积聚的形状改变能等于单轴受力屈服的形状改变能时，钢材即由弹性转入塑性。,外荷载使单元体产生应变，从而引起形状改变，单元体内积聚了性状改变能。,适用第四强度理论，也称畸变能量强度理论。钢材在复杂应力状态从弹性过渡到塑性的条件也称米塞斯屈服条件（MisesYieldCondition）,复杂应力状态下以应力分量表示的形状改变能为,复杂应力状态下以主应力表示的形状改变能为,单向应力作用下材料屈服时的形状改变能为,材料处于弹性状态,材料处于塑性状态,得：复杂应力状态下材料由弹性进入塑性的条件为,令,讨论,三向同号应力场下，材料不易进入塑性工作，容易产生脆性破坏；有异号应力，绝对值相差较大，材料容易进入塑性状态，表现为塑性破坏。,图示简支梁1-1截面腹板与翼缘交界A点的应力,平面应力状态：z=xz=yz=0,纯剪状态,对于Q235钢，fv=0.58fy=0.58235=136.3N/mm2考虑抗力分项系数后，fv=136.3/1.087=125.39N/mm2规范取fv=125N/mm2。,第四节影响钢材性能的因素(P27),“先天”因素（成因）：化学成分，熔炼和浇注、轧制，以及热处理等，而以化学成分为主。“后天”条件即影响因素：工作温度，荷载条件，制作等。,一化学成分的影响(P27),化学成分原材料、冶炼、浇注、脱氧中形成,几种主要元素对钢材材性的影响,钢结构C0.22%，焊接结构C0.2%,二、影响钢材性能的其他因素,1。冷加工硬化（应变硬化）,图25钢材的硬化,冷作硬化钢结构在冷加工过程中引起的强度提高称为冷作硬化。冷加工包括：剪、冲、辊、压、折、钻、刨、铲、撑、敲等。,时效随着时间的增长，纯铁体中残留的碳、氧固溶物质逐步析出，形成自由的碳化物或氧化物微粒，约束纯铁体的塑性变形，此为时效。时效将提高钢材的强度，降低塑性、韧性。时效的过程可从几天到几十年。,(1)现象P30,当截面完整性遭到破坏（如有裂纹、孔洞、刻槽、凹角）时，以及截面的厚度或宽度突然改变时，构件中应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、密集，出现高峰应力。,图28孔洞、缺口处的应力集中,2、应力集中的影响(P30),(2)产生的原因：,a.构造缺陷：外部缺陷（如有裂纹、孔洞、刻槽、凹角等）内部缺陷（内裂纹、气泡、非金属夹杂）,b.内结应力:如焊接残余应力。（内结应力在截面上是自相平衡。）,(3)应力集中的后果,应力高峰处产生双向或三向同号应力场，使材料塑性发展受到约束，容易产生脆性破坏。,3、温度的影响,正温范围,一般地，t,强度、E，变形,tT2,影响冷脆临界稳度的主要因素a。材质b。受力性质（应力状态）T0拉顺辊轧方向T0）,(1)、加载速度的影响,图215断裂吸收能量随温度的变化,图216加荷速率对断裂韧性的影响,4、荷载类型的影响(P31),使材料变脆，容易发生疲劳破坏。,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。,A、疲劳的概念(P32),(2)、循环荷载的影响(P32),B、疲劳的分类(P32),按照断裂寿命和应力高低不同，疲劳分高周疲劳和低周疲劳两类。,C、包辛格效应和滞回环(P32),应力应变滞回曲线比较丰满而稳定，具有较好的耗散地震能量的性能。,三、防止脆性断裂的方法(P35),1、合理设计,2、正确制造,3、合理使用,5、其它：如板厚较大等。,第五节钢材的疲劳(P35),主要介绍高周疲劳,一、疲劳破坏的特征(P35),常幅疲劳常幅交变荷载产生常幅循环应力(简称循环应力)作用下引起疲劳破坏。,变幅疲劳变幅交变荷载产生变幅循环应力(简称变幅应力)作用下引起疲劳破坏。,疲劳断裂是微观裂缝在连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。,疲劳破坏特征(P36),1、疲劳破坏具有突然性，破坏前没有明显的宏观塑性变形，属于脆性断裂。,疲劳断裂过程的三个阶段裂纹形成、裂纹缓慢扩展、迅速断裂。,2、疲劳断口分裂纹源、裂纹扩展区和断裂区三个区域,3、疲劳对缺陷十分敏感,缺陷部位应力集中严重，会加快疲劳破坏的裂纹萌生及扩展。,二、常幅疲劳(P36),1、非焊接结构的疲劳,疲劳强度除与主体金属和连接类型有关外，还与应力比和循环次数n有关,2、焊接结构的疲劳,名义循环应力,焊缝附近真实应力比,焊接结构的疲劳破坏并不是名义上的最大应力重复作用的结果，而是焊缝处足够大的实际应力幅重复作用的结果。与max及无关。,真实循环应力,可见：焊接部位的疲劳寿命主要与有关,考虑到试验数据离散性，取平均值减去减去2n作为疲劳强度的下限作为疲劳强度的下限值。,或,容许应力幅表达式,3、常幅疲劳验算(P38),对于设计要求的疲劳寿命n，各种构件或连接破坏的应力幅值大小主要取决于构造细部。,影响疲劳强度的因素主要是：构造状况（包括钢材冶金缺陷，它们与应力集中程度及残余应力有关），作用的应力幅和连续反复荷载的循环次数n等三个因素，而与材料的静力强度基本上无关。,不同的细部构造，产生的应力集中程度不一。GB500172003根据构造细部（外形变化，内部缺陷）所引起应力集中的程度，将构件和连接分为8类，由第1类到第8类破坏时应力幅值依次降低（P423425附录七)，第一类是没有应力集中处的主体金属，第8类是应力集中最严重的角焊缝，此分类与钢材种类及强度无关。,（1）什么情况下要验算,直接受到重复荷载作用的构件，如吊车梁、桥梁、输送栈桥和某些工作平台等以及它们的连接，当应力循环次数n105时应进行疲劳验算。在应力循环中，不出现拉应力的部位不必验算疲劳。,（2）怎样验算？,应力幅，对于焊接结构max-min;对于非焊接结构max0.7min,拉（），压（）b.按荷载标准值计算，即不考虑荷载分项系数和动力系数c.按弹性工作计算，因为由试验得来，已经考虑了试验结果中连接本身的应力集中。,C、按P423425附录七查到类别后，从P39表2.5.1查得。,(3)、容许应力幅,图214钢构件的滞回曲线,从随机谱中提出若干个应力谱i并确定和它们相对应的频数ni，然后按照线性累积损伤准则，找出一个等效应力幅e，用以代替(2.5.7)的。线性累积损伤准则(也称Miner规则或Palmgren-Miner规则),三、变幅疲劳(P39),1、变幅疲劳的一般计算方法,(2)、吊车梁的疲劳验算(P41),四、疲劳验算中一些问题(P42),第六节建筑用钢的种类、规格及选用(P42),一建筑钢材的种类,1、碳素结构钢,碳素结构钢的牌号(简称钢号)有Q195，Q215A及B，Q235A，B，C及D，Q255A及B以及Q275。牌号表示法QXXX质量等级脱氧方法其中,Q屈服强度字汉语拼音的字首，XXX以N/mm2为单位屈服强度的大小，质量等级A、B、C或D，质量由低到高，脱氧方法F、b、Z、TZ，Z和TZ在牌号中省略不写。数字较低的钢材，C、fy和fu较低，而、Cv和可焊性较好。Q195及Q215的强度比较低，Q255的含碳量上限和Q275的含碳量都超出低碳钢的范围，所以建筑结构在碳素钢结构这一钢种中主要应用Q235（C-0.120.22,fy、fu、和可焊性适中）。,A、B级分沸腾钢（F）、半镇静钢（b）和镇静钢（Z）C镇静钢（Z）D-特殊镇静钢（TZ）,碳素结构钢交货时保证项目A-保证fu、fy、，P、S含量B-保证fu,fy,冷弯，常温时Cv，P，S，C含量；C-保证fu,fy,冷弯,0oC时Cv，P，S，C含量;D-保证fu,fy,冷弯,-20oC时Cv，P，S，C含量;,Q235A屈服强度为235N/mm2的A级镇静钢，Q235Ab屈服强度为235N/mm2，A级，半镇静钢，Q235AF屈服强度为235N/mm2，A级，沸腾钢，Q235B屈服强度为235N/mm2，B级，镇静钢，Q235Bb一屈服强度为235N/mm2，B级，半镇静钢，Q235BF屈服强度为235N/mm2，B级，沸腾钢，Q235C屈服强度为235N/mm2，C级，镇静钢，Q235D屈服强度为235N/mm2，D级，特殊镇静钢。,2、低合金高强度结构钢合金元素总量5%,低合金高强度结构钢的牌号(简称钢号)有Q295，Q345，Q390，Q420和Q460五种。,牌号表示法同碳素结构钢钢结构设计规范规定采用的低合金结构钢钢种为Q345，Q390和Q420三种，分为A、B、C、D和E五个质量等级。质量等级是按对冲击韧性的要求区分的A无冲击功要求B200C冲击功Cv34J（纵向）C00C冲击功Cv34J（纵向）D-200C冲击功Cv34J（纵向）E-400C冲击功Cv27J（纵向）不同的质量等级对C、S、P、Al等含量的要求也有区别。,C0.2%,3、建筑结构用钢板(P45),4、优质碳素结构钢(P45),5、其他建筑用钢(P45),二、钢材规格,图219热轧型材截面,1热轧钢板,厚板：4.5mm-60mm,间隔2mm即4.5,5,5.5,6,8,10,薄板：0.35-4mm,用作冷弯薄壁型钢,表示方法：厚宽长,2热轧型钢,（1）角钢等肢（等边）角钢：如504不等肢（等边）角钢：如1251006,（2）槽钢普通槽钢，如28a轻型槽钢腹板薄，翼缘宽而薄，如25Q,（3）工字钢普通型，如I30a轻型，如I30Q,（4）H型钢和剖分T型钢H型钢热轧H型钢分为三类，宽翼缘H型钢(HW)，中翼缘H型钢(HM)，窄翼缘H型钢(HN)表示方法HW、HM或HN高度(mm)宽度(mm)HW300300,剖分T型钢剖分T型钢也分为三类，宽翼缘T型钢(TW)，中翼缘T型钢(TM)，窄翼缘T型钢(TN)表示方法TW、TM或TN高度(mm)宽度(mm)TN225200,(5)钢管无缝、焊接外径厚度,3.冷弯薄壁型钢,图220冷弯薄壁型钢的截面形式,用26mm薄钢板经冷弯或模压而成压型钢板用0.42mm薄钢板辊压冷弯成型，用作屋面板、楼板