钢结构设计原理：第二章钢结构的材料

1、第二章 钢结构的材料,第一节 概述 钢-碳铁合金 主要是铁 C和其它元素 决定 化学性能 ，物理性能 钢材种类多 建筑用钢：Q235 Q345，Q390，Q420 影响钢材性能因素: 1、化学成分、组织构造、冶炼和成型方法 2、荷载类型、结构形式、连接方法、工作环境 本章内容： 钢材生产及组织构造；钢材主要性能及影响因素； 钢材种类、规格及选用原则,第二节 钢材的生产 铁矿 铁 钢 *钢材的冶炼 1、炼铁 原理： 铁的氧化物+（一氧化碳与碳等） 铁 砂质和粘土质杂质+石灰石（溶剂） 熔渣 操作过程： 在鼓入热风的高炉中，铁矿石+焦炭+石灰石+少量锰矿石 熔融的生铁 （C2.06%） 生铁：熔化

2、温度低、流动性好，价格低。常温下质坚而脆,2、炼钢 生铁（通过氧化）去除多余的碳和杂质 碳素钢（C2.06%） 炼钢炉：转炉、平炉和电炉 电炉炼钢：以废钢和生铁为原料，在电炉内冶炼。 易于淸杂质、控制化学成分 质量好、成本高，特种用途钢材。 转炉炼钢：利用高压空气或氧气去除多余的碳和杂质 有害元素和杂质少，质量和加工性能好 可添加不同元素，炼碳素钢和合金钢 生产周期短、效率高、质量好、成本低 平炉炼钢：利用煤气或其它燃料供应热能，废钢、生铁液及铸铁+合金元素 各种用途不同的钢 原料广泛、容积大、产量高、工艺简单、质量好 周期长、效率低、成本高,3、钢材的浇注和脱氧 按脱氧程度分： 1、沸腾钢

3、锰做脱氧剂 有较多的氧化铁夹杂和气孔 2、镇静钢 锰加硅做脱氧剂 3、半镇静钢 4、特殊镇静钢 锰加硅脱氧后，铝补充脱氧 连续铸造法生产钢坯： 钢液注入被水冷却的铜制铸模中，冷却后被切割成半成品。钢坯整体质量均匀，适用于镇静钢,钢材的组织构造和缺陷 1、钢材的组织构造 碳素 结构钢 铁+C(提高强度) 低碳钢（C0.25%） 低合金结构钢 碳素 结构钢+合金元素（5,碳素 结构钢 铁素体（99%） +渗碳体（Fe3C,铁素体 碳溶入体心立方体晶体 铁中的固溶体 C=0.0008% 与纯铁组织结构没有明显区别,渗碳体-碳铁化合物（6.67%） 熔点高、硬度大,渗碳体+铁素体晶粒 珠光体(网状间层

4、,珠光体 强度高、坚硬而富于弹性,少量硅、锰、硫、磷及其化合物溶于珠光体和铁素体,碳素钢力学性能取决于：珠光体和铁素体比例、 晶粒粗细和珠光体分布,低合金结构钢,2、钢材的铸造缺陷,其它冶金缺陷： 偏析 非金属夹杂 气孔 缩孔,钢材的加工 热加工、冷加工和热处理,1、热加工 钢锭或钢坯 加热至一定温度，转变为奥氏体（铁固溶体） 轧制或锻压开始温度不能过高，结束时不能过低 1150度1300度 轧制,锻压,热加工 破坏钢锭的铸造组织 使晶粒变细 压合气孔、裂纹等缺陷，改善钢材力学性能 使晶粒沿变形方向形成纤维组织。此方向性能优 于厚度方向，各向异性增大。 非金属夹杂压成薄片，可能出现分层现象,2

5、、冷加工 冷轧、冷弯及冷拔等延伸性加工 剪、冲、钻、刨等切削性加工,3、热处理 包括：退火、正火、淬火和回火,退火、正火：消除加工硬化、软化钢材、细化晶粒、改善组织提高力学性能，消除残余应力 退火 850900度，保温后，随炉至500度，空气中冷却 正火 850900度，保温后，空气中冷却 控轧 去应力退火（低温退火）：500-600度，随炉至200300度出炉 淬火 加至900度，保温后，在水或油中冷却，转变为马氏体，增加强度、硬度，降低延性和塑性 回火 淬火后，在加至500650度，保温后冷却，称为调质处理,第三节 钢材的主要性能 *钢材的破坏形式 塑性破坏： 脆性破坏,钢材在单向一次拉伸

6、下的工作性能 抗拉强度、伸长率5、 10 、屈服点,断面收缩率 Z15 , Z25 ,Z35 评价韧性： 材料破坏过程中单位体积吸收的能量。包括弹性能和非弹性能,钢材的其它性能 1、冷弯性能 根据钢材牌号和板厚确定弯心直径 以试件表面和侧面不出现裂纹和 分层为合格 判断钢材塑性变形能力和冶金质量 焊接承重结构和重要的非焊接承重结构均要有冷弯合格保证,2、冲击韧性 （缺口韧性） 评定带缺口钢材 在冲击荷载作用 下抵抗脆坏的能 力。 考虑了应力集中 和动载 冲击功Akv，单位（J） 冲击韧性和温度有关，不同牌号和质量等级的钢材冲击韧性变化规律不同。 寒冷地区，受动力荷载的承重结构，根据温度和牌号，

7、提出冲击韧性指标,钢材在复杂应力状态下的屈服条件,钢材平面应力状态下的屈服条件,只有正应力和剪应力 受纯剪时,第四节 各种因素对钢材性能的影响 1、化学成分的影响 碳-重要元素，C 强度 塑性和韧性 冷弯性能、焊接性能、抗锈蚀性能变劣 低碳钢 C0.6% C0.3%，抗拉强度高，没有明显屈服点，塑性很小 C0.2%，焊接性能开始下降 规范规定 C0.22%，焊接结构C0.20,硫-有害元素，以硫化铁夹杂于钢中 热脆：8001000度，融化使钢变脆，热加工或焊接时产生裂纹 降低冲击韧性、疲劳强度、抗锈蚀性能、焊接性能 硫化物引起厚板分层现象 钢材牌号和质量等级 S 0.05% 0.025% 抗层

8、状撕裂厚钢板 S0.01,磷-提高强度、抗锈蚀能力；低温冷脆 降低塑性、韧性、冷弯性能、焊接性能，故要控制 钢材牌号和质量等级 P 0.045% 0.025% 当制造含磷合金钢钢时 P 0.12%0.13,锰-有益元素 在低碳钢，弱脱氧剂，提高强度，消除S的热脆影响 改善冷脆；不显著降低塑性和韧性。 合金钢的主要元素，含量0.8%1.8% 对焊接不利，不宜过多,硅-有益元素 在低碳钢，强脱氧剂，与锰一起脱氧，细化晶粒，提高强度，对塑性、韧性、冷弯性能及焊接性能无显著不良影响 。在镇静钢中0.12%0.3%，低合金钢0.2%0.55%。 过量会恶化焊接性能和抗锈蚀性能,钒、铌、钛-形成微细碳化物

9、，加入适量能细化晶粒，提高强度和韧性，又可保持良好塑性,铝-强脱氧剂，能细化晶粒，提高强度和低温韧性。 在低温冲击韧性要求保证的钢材：0.015,铬、镍-提高强度，Q390以上钢材。 限制含量，以免影响其它性能,铜、铬、镍-在金属表面形成保护层，提高抗锈蚀性。 保持良好焊接性。耐候钢0.2%0.4,镧、铈等稀土元素-提高抗氧化性，在低合金钢0.02%0.2,氧、氮-有害元素，氧和硫一样，引起热脆。氮和磷类似。 严格控制含量。 氮可以生产合金钢，提高强度和耐腐蚀性。含量0.01%0.02%. 九江大桥15MnVN钢,氢-有害元素，产生氢脆。属延迟破坏。破裂面产生氢白点 碳、硫、磷含量少，敏感性低

10、；强度越高，对氢脆越敏感,2、钢材的焊接性能 受含碳量和其它合金含量影响 C 0.12%0.2%时，焊接性能最好，超过时，焊缝及热影响区变脆。Q235A不宜焊接。 高强度低合金钢，合金元素大多对焊接不利。 碳当量度量可焊性： 当CE 0.38%，可焊性好 CE 0.38%0.45%，有淬硬倾向，控制焊接工艺，预热并缓慢冷却。 CE 0.45%,淬硬倾向更明显，严格控制焊接工艺和预热 此外还和母材厚度、焊接方法、工艺及结构形式有关 进行可焊性试验制定重要结构的焊接制度和工艺,3、钢材的硬化(3种) 时效硬化（老化）：氮化物和碳化物对晶粒塑性滑移起抑制作用，增加强度、降低塑性和韧性。 冷作硬化（应

11、变硬化): 应变时效硬化 人工应变时效硬化,4、应力集中的影响 实际结构不可避免存在孔洞、槽口、截面突变及缺陷,5、荷载类型的影响 荷载分静力和动力两大类 静力：永久和可变 动力：冲击荷载，吊车荷载和地震作用 *加载速度的影响,循环荷载的影响,6、温度的影响,T1 T2 脆性转变温度区,对低合金高强度钢，除A级不要求外，Q500,Q550,Q620 和Q690的E级要求冲击韧性不小于31J，其他板厚小于150mm的各级钢均要求冲击韧性不小于34J,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。 Q235钢，除A级不要求外，其他各级钢均取Akv27J,7、防止脆性断裂的方

12、法 内因：化学成分、组织构造和缺陷等 外因：构造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,第五节 钢材的疲劳 1、疲劳破坏的特征 两种荷载类型： 常幅交变荷载 常幅循环应力 常幅疲劳 变幅交变荷载 变幅循环应力 变幅疲劳,疲劳破坏的特征 （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。是有寿命破坏，是延时断裂 破坏经历三阶段：裂纹的萌生；裂纹缓慢扩展；最后迅速断裂 （2）疲劳破坏的断口分为三区域： 裂纹源、裂纹扩展区（较光滑）和断裂区（出现人字纹或晶粒状脆性断口） （3）疲劳对缺陷（缺口、裂纹及组织缺陷等）十分敏感,2、常幅疲劳 *非焊接结构的疲劳 研究始于十九世纪中期 疲劳强度与主体金属、连接类型、应力比及循环次数有关 应力比=min/ max (拉为正) TJ17-1974 以2106为疲劳寿命,焊接结构的疲劳 控制焊接结构疲劳寿命最主要的因素: 1