钢结构设计原理第2章 钢结材料ppt课件

1、 第第 二二 章章 钢钢 结结 构构 材材 料料2.1 对钢构造用材的要求对钢构造用材的要求2.2 钢材的主要性能及其鉴定钢材的主要性能及其鉴定2.3 影响钢材性能的要素影响钢材性能的要素2.4 钢材的延性破坏和非延性破坏钢材的延性破坏和非延性破坏2.5 建筑钢材的类别及钢材的选用建筑钢材的类别及钢材的选用 本章内容：本章内容： 2.1 对钢构造用材的要求对钢构造用材的要求用作钢构造的钢材的性能：用作钢构造的钢材的性能：1、较高的强度、较高的强度 即抗拉强度即抗拉强度fu和屈服点和屈服点fy比较高比较高2、足够的变形才干、足够的变形才干 即塑性和韧性性能好即塑性和韧性性能好3、良好的加工性能、

2、良好的加工性能 适宜冷、热加工，良好的可焊性适宜冷、热加工，良好的可焊性4、顺应低温、有害介质侵蚀、顺应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀包括大气锈蚀)以及以及反复荷载作用等的性能反复荷载作用等的性能5、容易消费，价钱廉价、容易消费，价钱廉价 (GB500172003) 引荐的引荐的 钢材：钢材： 普通碳素构造钢：普通碳素构造钢：Q235钢钢 低合金高强度构造钢：低合金高强度构造钢：Q345、Q390及及Q420 2.1 对钢构造用材的要求对钢构造用材的要求包括拉伸性能、冷弯性能、冲击韧性和可焊性等。包括拉伸性能、冷弯性能、冲击韧性和可焊性等。2.2 钢材的主要性能及其鉴定钢材的主要性能及其鉴定

3、2.2.1 单向拉伸单向拉伸时的任务性能时的任务性能条件：常温、条件：常温、静载条件下一静载条件下一次拉伸次拉伸主要力学目的主要力学目的比例极限P屈服点 y抗拉强度u伸长率 5和10 屈服点屈服点yEEt= 0yEt= 1 % 2 % EEEyEt= 0yyyEs t= 1 2 % Es t钢材计算模型钢材计算模型作为构造计算中资料强度规范，或资料抗力规范。作为构造计算中资料强度规范，或资料抗力规范。理想弹塑性体的模型。理想弹塑性体的模型。名义屈服点名义屈服点0.22.2.2 冷弯性能冷弯性能 根据试样厚度a，按规定的弯心直径(d)将试样弯曲180度，其外表及侧面无裂纹或分层 Q235: 纵向

4、试样 横向试样16 a 60mm d = a d = 1.5a 60 a 100 d = 2a d = 2.5a100 a 150 d = 2.5a d = 3a2.2.3 冲击韧性冲击韧性韧性是钢材断裂时吸收机械能才干的量度韧性是钢材断裂时吸收机械能才干的量度丈量方法丈量方法梅氏梅氏Mesnage U-notch：ak(J/cm2)夏比夏比Charpy V-notch： Akv 或或Cv(J) 钢材质量等级 环境温度 CVN冲击功 -A 不要求 -B 20 27JQ235 -C 027J -D -20 27J -A 不要求 -B 20 34J Q345 -C 0 34J -D -20 34J

5、 -E -40 27J钢材冲击韧性要求钢材冲击韧性要求2.2.4 可焊性可焊性 采用普通焊接工艺就可完成合格的(无裂纹的)焊缝的性能。钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在0.120.20范围内的碳素钢，可焊性最好。碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆。 Q235A为0.14%0.22%，可焊性较差。 合金元素的 影响用碳当量表示。2.2.5 钢材性能的鉴定钢材性能的鉴定 (GB502052001) 检验目的检验目的: 屈服强度屈服强度抗拉强度抗拉强度伸长率伸长率冷弯性能冷弯性能冲击韧性冲击韧性工艺性能工艺性能化学成分化学成分 检查工程检查工程:质量合格证明文件、中文标识、检验报告质量

6、合格证明文件、中文标识、检验报告 对于需求复验的钢材，按国家有关规范执行：对于需求复验的钢材，按国家有关规范执行：H型钢取翼缘部位；型钢取翼缘部位；钢板、钢带拉伸和弯曲取横向试样；钢板、钢带拉伸和弯曲取横向试样；冲击韧性取纵向试样。冲击韧性取纵向试样。2.2.5 钢材性能的鉴定钢材性能的鉴定 包括化学成分、成材过程、其他包括化学成分、成材过程、其他 2.3.1 2.3.1 化学成分化学成分 碳素构造钢由钝铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占碳素构造钢由钝铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占9999，碳及杂质元素约占碳及杂质元素约占1 1。低合金构造钢中，除上述元素外还参与合。低合金构造钢中，除上述

7、元素外还参与合金元素，后者总量通常不超越金元素，后者总量通常不超越3 3。2.3 影响钢材性能的要素影响钢材性能的要素碳碳C 碳是碳素构造钢中仅次于铁的主要元素，是影响钢碳是碳素构造钢中仅次于铁的主要元素，是影响钢材强度的主要要素，随着含碳量的添加，钢材强度提高，而材强度的主要要素，随着含碳量的添加，钢材强度提高，而塑性和韧性、尤其是低温冲击韧性下降，同时可焊性、抗腐塑性和韧性、尤其是低温冲击韧性下降，同时可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能明显降低。因此构造用钢的含碳量普通不应蚀性、冷弯性能明显降低。因此构造用钢的含碳量普通不应超越超越0.22%，对焊接构造应低于，对焊接构造应低于0.2%。锰锰Mn锰

8、是一种弱脱氧剂，适量的锰含量可以有效地提锰是一种弱脱氧剂，适量的锰含量可以有效地提高钢材的强度，又能消除硫、氧对钢材的热脆影响，而不显高钢材的强度，又能消除硫、氧对钢材的热脆影响，而不显著降低钢材的塑性和韧性。锰在碳素构造钢中的含量为著降低钢材的塑性和韧性。锰在碳素构造钢中的含量为0.3%0.8%，在低合金钢中普通为，在低合金钢中普通为1.0%1.7%。化学元素化学元素硅硅Si 硅是一种强脱氧剂，适量的硅可提高钢材的强度，而硅是一种强脱氧剂，适量的硅可提高钢材的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性无明显不良影响，但对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性无明显不良影响，但硅含量过大时，会降低钢材的塑性

9、、韧性、抗锈蚀性和硅含量过大时，会降低钢材的塑性、韧性、抗锈蚀性和可焊性。可焊性。钒钒(V)、铌、铌(Nb)、钛、钛(Ti) 钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢都钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢都含有这三种元素，作为锰以外的合金元素，既可提高钢含有这三种元素，作为锰以外的合金元素，既可提高钢材强度，又坚持良好的塑性、韧性。材强度，又坚持良好的塑性、韧性。化学元素化学元素铝铝(Al)、铬、铬(Cr)、镍、镍(Ni) 铝是强脱氧剂，用铝进展补充脱氧，不仅进一步减少钢铝是强脱氧剂，用铝进展补充脱氧，不仅进一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。铬和镍是提高钢材强中的有害氧化物

10、，而且能细化晶粒。铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于度的合金元素，用于Q390钢和钢和Q420钢。钢。硫硫S 硫是一种有害元素，降低钢材的塑性、韧性、可焊性、硫是一种有害元素，降低钢材的塑性、韧性、可焊性、抗锈蚀性等，在高温时使钢材变脆，即热脆。因此，钢材抗锈蚀性等，在高温时使钢材变脆，即热脆。因此，钢材中硫的含量不得超越中硫的含量不得超越0.05%，在焊接构造中不超越，在焊接构造中不超越0.045%。化学元素化学元素磷磷(P) 磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷是碳素钢中磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷是碳素钢中的杂质，它在低温下使钢变脆，这种景象称为冷脆。在高的杂质，它在低温下

11、使钢变脆，这种景象称为冷脆。在高温时磷也能使钢减少塑性。但磷能提高钢的强度和抗锈蚀温时磷也能使钢减少塑性。但磷能提高钢的强度和抗锈蚀才干。才干。氧氧(O)、氮、氮(N) 氧和氮也是有害杂质，在金属熔化的形状下可以从空气氧和氮也是有害杂质，在金属熔化的形状下可以从空气中进入。氧能使钢热脆，其作用比硫猛烈，氮能使钢冷脆，中进入。氧能使钢热脆，其作用比硫猛烈，氮能使钢冷脆，与磷类似。与磷类似。化学元素化学元素2.3.2 成材过程的影响成材过程的影响 冶炼冶炼 可分为平炉炼钢、氧气顶吹转炉炼钢、碱性侧吹转炉炼可分为平炉炼钢、氧气顶吹转炉炼钢、碱性侧吹转炉炼钢及电炉炼钢钢及电炉炼钢 浇铸浇铸 一种是浇入

12、铸模做成钢锭，另一种是浇入延续浇铸机做一种是浇入铸模做成钢锭，另一种是浇入延续浇铸机做成钢坯。成钢坯。 按脱氧程度不同，分为镇静钢、半镇静钢与沸腾钢。按脱氧程度不同，分为镇静钢、半镇静钢与沸腾钢。 冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔及裂纹等。冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔及裂纹等。 轧制轧制 钢材的轧制能使金属的晶粒变细，也能使气泡、裂纹钢材的轧制能使金属的晶粒变细，也能使气泡、裂纹等焊合，因此改善了钢材的力学性能。等焊合，因此改善了钢材的力学性能。 热处置热处置 热处置的目的在于获得高强度的同时可以坚持良好的热处置的目的在于获得高强度的同时可以坚持良好的塑性和韧性。塑性和韧性。正火正火850

13、900 回火回火650淬火淬火900 调质处置淬火加回火调质处置淬火加回火2.3.2 成材过程的影响成材过程的影响2.3.3 影响钢材性能的其他要素影响钢材性能的其他要素冷加工冷加工 硬化硬化(应变硬化应变硬化) 2.3.3 影响钢材性能的其他要素影响钢材性能的其他要素 温度的影响温度的影响 正温范围正温范围 正温范围总的趋势是随着温度的升高，正温范围总的趋势是随着温度的升高， 钢材强度降低，变形增大。钢材强度降低，变形增大。250 有兰脆景象有兰脆景象260320 有徐变景象有徐变景象 fy与与fu都增高都增高但塑性变形能但塑性变形能力减小，因此力减小，因此资料转脆，对资料转脆，对冲击韧性的

14、影冲击韧性的影响非常突出。响非常突出。温度转变区温度转变区负温范围负温范围 在缺陷或截面在缺陷或截面变化处附近，应变化处附近，应力线曲折、密集、力线曲折、密集、出现顶峰应力的出现顶峰应力的景象称为应力集景象称为应力集中。中。应力集中应力集中孔洞、缺口处孔洞、缺口处 的应力集中的应力集中2.4 钢材的延性破坏和非延性破坏钢材的延性破坏和非延性破坏 循环加载和快速加载的效应循环加载和快速加载的效应2.4.1 延性破坏和非延性破坏延性破坏和非延性破坏塑性资料与脆性资料塑性资料与脆性资料 有屈服景象有屈服景象 没有明显屈服景象而能发生较大塑性变形没有明显屈服景象而能发生较大塑性变形 资料原始性能以及在

15、常温、静载并一次加荷的任资料原始性能以及在常温、静载并一次加荷的任务条件之下能在破坏前发生较大塑性变形，与所处任务条件之下能在破坏前发生较大塑性变形，与所处任务条件有关务条件有关塑性破坏：超越屈服点塑性破坏：超越屈服点 fy即有明显的塑性变形产生，到达抗拉强度即有明显的塑性变形产生，到达抗拉强度 fu时时将在很大变形情况下断裂将在很大变形情况下断裂;脆性破坏：没有塑性变形或在塑性变形很小时即发生破坏。脆性破坏：没有塑性变形或在塑性变形很小时即发生破坏。塑性破坏与脆性破坏塑性破坏与脆性破坏疲劳断裂的概念疲劳断裂的概念 疲劳断裂是微观裂痕在延续反复荷载作用下不疲劳断裂是微观裂痕在延续反复荷载作用下

16、不断扩展直至断裂的脆性破坏。断扩展直至断裂的脆性破坏。裂纹的构成裂纹的构成缓慢扩展缓慢扩展迅速扩展迅速扩展2.4.2 循环荷载效应循环荷载效应应力比应力比应力幅应力幅平均应力平均应力关于循环荷载的几个概念关于循环荷载的几个概念一个循环一个循环: : 延续反复荷载之下应力往复变化一周延续反复荷载之下应力往复变化一周maxmin=minmax()2/+=minmaxm完全对称循环完全对称循环( (-1)-1)静荷载作用静荷载作用( (+1)+1)脉冲循环脉冲循环( (0)0)普通应力循环普通应力循环(-1(-1 +1) +1) - n 曲线曲线 根据实验数据可以画出构件或衔接的应力幅 与相应的致损

17、循环次数 n 的关系曲线 - n 曲线曲线疲劳验算及允许应力幅疲劳验算及允许应力幅n5104允许应力方法允许应力方法反复可变荷载，规范值，不乘动力系数反复可变荷载，规范值，不乘动力系数 对焊接构造为应力幅对焊接构造为应力幅 max- min； 对非焊接部位为计算应力幅对非焊接部位为计算应力幅 max-0.7 min 常幅疲劳的允许应力幅。与构造细部和疲劳常幅疲劳的允许应力幅。与构造细部和疲劳 寿命有关，和钢材种类无关。寿命有关，和钢材种类无关。常幅疲劳常幅疲劳: : 变幅疲劳变幅疲劳线性累积损伤准那么线性累积损伤准那么 6102f f 中、重级吊车荷载折算成中、重级吊车荷载折算成2 106时的

18、欠载时的欠载效应等效系数，根据对国内吊车荷载谱的效应等效系数，根据对国内吊车荷载谱的调查统计结果，重级任务制硬勾吊车为调查统计结果，重级任务制硬勾吊车为1.0，重级任务制软勾吊车为重级任务制软勾吊车为0.8，中级任务制吊，中级任务制吊车为车为0.5。 2.4.3 快速加荷效应快速加荷效应 快速加荷使钢材fy、fu偏高。影响能量吸收的才干，随着加荷速率的减小，曲线向温度较低的方向挪动。 缓慢加荷：缓慢加荷： = 10-5s-1 中速加荷：中速加荷： = 10-3s-1 动力加荷：动力加荷： = 10s-1 除遭遇剧烈地震外，建筑构造通常为静态的构造，即思索荷载动力系数后除遭遇剧烈地震外，建筑构造

19、通常为静态的构造，即思索荷载动力系数后按静态构造对待，但接受多次循环荷载时要验算疲劳。按静态构造对待，但接受多次循环荷载时要验算疲劳。按应变速率按应变速率 = d / dt 把加荷速率分把加荷速率分3级：级：2.5 建筑钢材的类别及钢材的选用建筑钢材的类别及钢材的选用钢种：碳素构造钢、低合金高强度构造钢钢种：碳素构造钢、低合金高强度构造钢钢号：钢号：Q+屈服强度屈服强度+质量等级质量等级+脱氧程度脱氧程度 1、碳素构造钢、碳素构造钢 (GB700) Q195、 Q215 A及及B，Q235 A、B、C及及D， Q255 A及及B、Q275等等质量等级：质量等级：AD质量等级由低质量等级由低高，

20、高， 区别：冲击韧性区别：冲击韧性CVN、冷弯性能。、冷弯性能。2.5.1 建筑钢材的类别建筑钢材的类别 冲击冲击 韧性韧性CVN：Q235A：不要求：不要求Q235B：常温：常温205 27JQ235C：0 27JQ235D：-2027J 冷弯性能：冷弯性能： A级不要求；级不要求；B、C和和D级钢均要求冷弯性能合级钢均要求冷弯性能合格。格。 脱氧程度：脱氧程度：Z、b、F和和TZ A、B：Z、b、F C：Z D：TZ 1、碳素构造钢 (GB700) 阐明以下钢号代表的意义：阐明以下钢号代表的意义： Q235AQ235AbQ235AFQ235BbQ235BFQ235CQ235DQ295、Q3

21、45、Q390、Q420、Q460等等质量等级：质量等级：AE质量等级由低质量等级由低高，高，区别：冲击韧性区别：冲击韧性CVN。A：不要求：不要求 B：常温：常温2050C34JC：00C 34J D：-200C 34JE：-400C 27J2、低合金高强度构造钢、低合金高强度构造钢(GB/T1591)脱氧程度：脱氧程度：Z和和TZ A、B：Z C、D和和E：TZ种类：平行钢丝束、钢绞线和钢丝绳种类：平行钢丝束、钢绞线和钢丝绳资料：优质碳素钢经过多次冷拔而成，分为光面钢丝和镀锌钢丝资料：优质碳素钢经过多次冷拔而成，分为光面钢丝和镀锌钢丝抗拉强度：抗拉强度：15701700N/mm2特点：松弛

22、特点：松弛3、高强钢丝和钢索资料、高强钢丝和钢索资料平行钢丝束由平行钢丝束由 7 根、根、 19 根、根、 37 根或根或 61 根钢丝组成根钢丝组成钢绞线亦称单股钢丝绳，由多根钢丝捻成。钢绞线亦称单股钢丝绳，由多根钢丝捻成。钢丝绳多由钢丝绳多由 7 股钢绞线捻成，以一股钢绞线为中心，股钢绞线捻成，以一股钢绞线为中心，外层的外层的6 股钢绞线沿同一方向缠绕。股钢绞线沿同一方向缠绕。原那么：平安可靠、经济合理原那么：平安可靠、经济合理思索要素：思索要素：构造或构件的重要性；构造或构件的重要性；荷载性质静载或动载荷载性质静载或动载 ; 衔接方法焊接、铆接或螺栓衔接衔接方法焊接、铆接或螺栓衔接 ; 任务条件温度及腐蚀介质。任务条件温度及腐蚀介质。 对于重要构造、直接接受动载的构造、处于低温条件下的构造及焊对于重要构造、直接接受动载的构造、处于低温条件下的构造及焊接构造，选用质量较高的钢材。接构造，选用质量较高的钢材。2.5.2 钢材的选择钢材的选择 构件钢材构件钢材Q235A：不直接接受动荷载、非焊接：不直接接受动荷载、非焊接Q235(345)B、C、D：需求验算疲劳的适用温度：需求验算疲劳的适用温度 Q390(420)B、C、D、E：需求验算疲劳的适用温度：需求验算疲劳的适用温度脱氧方法脱氧方法衔接钢材衔接钢材 与主体金属强度相顺应：与主