钢结构基本原理第二章钢结构的材料

1、第二章 钢结构的材料2.1 对钢结构用材要求具有以下性能：1， 强度高：抗拉强度和屈服点。2， 足够变形能力：塑性和韧性好。3， 良好加工性能：适合冷热加工，良好可焊性。此外具体环境：适应低温、有害介质侵蚀及重复荷载作用。符合上述条件下，还要容易生产，价格便宜。普通Q235，低合金钢，Q345，Q390，Q420等。2.2 钢材主要性能及鉴定2.2.1 钢材主要性能及其鉴定常温、静载条件下性能具有代表性低碳钢、普通低合金钢：弹性阶段，：比例极限，正比，完全弹性，外力撤除变形完全恢复。：弹塑性阶段：出现塑性变形，外力撤除有残余变形。屈服点（屈服时，上下波动，上屈服点受实验条件影响，波动，下屈服点

2、受实验条件影响小，作为抗力标准。的意义：1）时，时，弹性变形终点。0.15-0.25，应力不增加，作为弹性变形终点。2）形成理想弹塑性模型，为发展钢结构计算理论提供基础 前接近理想弹性体，后接近理想塑性体。：塑性阶段，应变增长，应力不变：应变硬化阶段，应变增长，应力增长，发生颈缩现象。 颈缩：后试件出现局部横向收缩变形，随后断裂。 抗拉强度（设计时作为材料抗力）是材料安全储备，塑性设计把钢材看成理想弹塑性，忽略应变硬化有利因素，强屈比。热处理钢材：有很好塑性，但没有明显屈服平台，应力应变曲线成一连续曲线。永久变形0.2应力为屈服点，为屈服强度，对应应力为屈服强度。为统一起见，钢材中，用表示，屈

3、服强度。伸长率：断裂试件永久变形与原标定长度的百分比，材料断裂前具有的塑性能力。此外一次拉伸性能：弹性模量，硬化开始时应变硬化模量。2.2.2 冷弯性能概念：根据试样厚度，按规定的弯心直径将试样弯曲180度，其表面及侧面无裂纹或分层。冷弯实验合格。作用：1. 体现材料塑性变形能力符合要求。2钢材冶金背景符合要求。2.2.3 冲击韧性理论上：钢材一次拉伸静载作用下断裂时所吸收能量，用单位体积吸收能量表示，值等于应力应变曲线下面积。实际在有缺口处断裂，代表性：钢材缺口冲击韧性。简称冲击韧性或冲击功。测试方法：我国梅氏方法（U型缺口，断口处单位面积上冲击韧性）国际通用：夏比试验法（，V型缺口，缺口韧

4、性用试件断裂所需功，测量简单）受温度影响，温度低于某值时将急剧降低。2.2.4 可焊性定义：一般焊接工艺就可完成合格的（无裂纹）焊缝的性能。影响因素：含碳量，合金元素含量。碳素钢碳：0.12%-0.20%可焊性好。低合金钢可焊性： 可焊性好淬硬倾向逐渐明显淬硬倾向明显，需要采用预热施焊工艺。合金元素过多时可焊性不利2.2.5 钢材性能鉴定钢材力学指标：屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯性能及冲击韧性。验收检查：质量合格证明文件，中文标识及检验报告，确定钢材品种、规格、性能是否符合现行国家标准和设计要求。2.3 影响钢材性能因素2.3.1 化学成分的影响铁碳合金：含碳量小于2%钢，大于2%为铸铁碳

5、素钢：铁99%，碳及其他1%低合金钢：其他合金元素不超过3%其它元素对钢的影响：1.碳：C (纯铁柔软；化合物渗碳体Fe3C、珠光体Fe3C+Fe硬)碳含量高，强度高，塑性、韧性、冷弯性能、可焊性及抗锈蚀能力下降。按碳的含量区分，小于 0.25%的为低碳钢，大于0.25%而小于0.6%的为中碳钢，大于0.6%的为高碳钢。钢结构用钢的碳含量一般不大于0.22%，对于焊接结构，为了有良好的可焊性，以不大于0.2%为好。2. 锰(Mn)锰是有益元素,它能显著提高钢材强度但不过多降低塑性和冲击韧性。是弱脱氧剂。锰还能消除硫对钢的热脆影响。碳素钢中锰是有益的杂质；在低合金钢中它是合金元素。我国低合金钢中

6、锰的含量在1.0%1.7%但是锰可使钢材的可焊性降低,故含量有限制。3.硅(Si)硅是有益元素,有更强的脱氧作用,是强脱氧剂。作用：硅能使钢材的粒度变细, 控制适量时可提高强度而不显著影响塑性、韧性、冷弯性能及可焊性。硅的含量 在碳素镇静钢中为0.12%0.3%,低合金钢中为0.2%0.55%,过量时则会恶化可焊性及抗锈蚀性。4.钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti)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,既可提高钢材强度,又保持良好的塑性、韧性。 5.铝(Al)、铬(Cr)、镍(Ni)铝是强脱氧剂,用铝进行补充脱氧,不仅进一步减少钢中的有害氧化物,而且能

7、细化晶粒。低合金钢一般规定铝含量不低于0.015%,以保证 必要的低温韧性。铬和镍是提高钢材强度的合金元素,用于Q390钢和Q420钢。 6.硫(S)硫是有害元素,能生成易于熔化的硫化铁,当高温可能出现裂纹,称为热脆。硫还能降低钢的冲击韧性，同时影响疲劳性能与抗锈蚀性能力。因此含量一般不得超过 0.045%0.05%。7.磷(P)磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷是碳素钢中的杂质，它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。在高温时磷也能使钢减少塑性，其含量应限制在0.045%以内。但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。8.氧(0)、氮(N)氧和氮也是有害杂质,在金属熔化的状态下可以从空气中进入。氧能

8、使钢热脆，其作用比硫剧烈，氮能使钢冷脆，与磷相似。2.3.2 成材过程的影响1. 冶炼冶炼方法如下：1）平炉炼钢：生产效率低；淘汰。2）碱性侧吹转炉炼钢：钢材质量较差；淘汰。3）电炉冶炼：建筑中不用。4）氧气顶吹转炉炼钢：建筑中用，投资少、生产率高、原料适应性大等特点。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，不可避免地存在冶金缺陷，从而确定不同的钢种、钢号及其相应的力学性能。2. 浇铸把熔炼好的钢水浇铸成钢锭或钢坯有两种方法：一种是浇人铸模做成钢锭，再经过初轧才成为钢坯。另一种是浇入连续浇铸机做成钢坯。浇铸和脱氧同时进行。脱氧程度不同：镇静钢（氧气杂质少且晶粒较细，偏析等缺陷

9、不严重）、半镇静钢、沸腾钢。缺陷：偏析（金属结晶后化学成份分布不匀）、非金属夹杂（硫化物）、气孔及裂纹（CO）3.轧制轧制：使金属的晶粒变细，也能使气泡、裂纹等焊合，改善了钢材的力学性能。薄板因轧制次数多，其强度比厚板略高。浇铸时的非金属夹杂物 在轧制后能造成钢材的分层，所以分层是钢材(尤其是厚板)的一种缺陷。设计时应尽量避免拉力垂直于板面的情况,以防止层间撕裂。4.热处理热处理的目的在于取得高强度的同时能够保持良好的塑性和韧性。国标规定。2.3.3 影晌钢材性能的其他因素1. 冷加工硬化(应变硬化) 冷加工：常温下加工（冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切） 钢材产生产生塑性变形后，重新加荷时，提高屈

10、服点，同时降低塑性和韧性(CD)。由于减小了塑性和韧性性能,普通钢结构中不利用硬化现象所提高的强度。重要结构还把钢板因剪切而硬化的边缘部分刨去。 用作冷弯薄壁型钢结构的冷弯型钢结构设计中允许利用因局部冷加工而提高的强度。, 时效硬化：钢材仅随时间的增长而转脆应变时效硬化指应变硬化又加时效硬化。2. 温度影响 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。约在200以内钢材性能没有很大变化,430540之间则强度(、)急剧下降；250附近有兰脆现象（fu有局部性提高,fy也有回升现象,同时塑性有所降低, 材料有转脆倾向）260320时有徐变现象（应力持续不变的情况下钢材以很缓慢

11、的速度继续变形的现象）；600时强度很低不能承担荷载负温范围：、曲线比较平缓。温度带来的变化较小； 间曲线较陡，称作温度转变区：曲线最陡点钢材的转变温度。 3. 应力集中概念：当截面完整性遭到破坏,如有裂纹(内部的或表面的)、孔洞、刻槽、凹角时以及截面的厚度或宽度突然改变时,构件中的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、出现高峰应力的现象。 应力集中系数：，：净截面平均应力。孔边应力高峰处将产生双向或三向的应力。这是因为材料的某一点在x方向伸长的同时,在y方向 (横向)将要收缩,而们的分布很不均匀,最大应力附近的横向收缩将受到阻碍从而引起。当板厚较大时还将引起三向同

12、号应力且各应力数值接近时,材料不易屈服。数值相等三向拉应力时,直到材料断裂也不屈服，厚钢材应该要求更高的韧性。2.4 钢材延性破坏和非延性破坏，循环加载和快速加载效应2.4.1 延性破坏和非延性破坏1. 延性破坏（塑性破坏），非延性破坏（脆性破坏）通俗：塑性材料：有明显屈服强度和较大塑性变形钢材。脆性材料：无明显屈服强度和较小塑性变形钢材。 塑性材料定义：由于材料原始性能以及在常温、静载并一次加荷的工作条件之下能在破坏前发生较大塑性变形的材料。 材料性能受条件限制，不宜分为塑性、脆性材料，而分成易发生脆性（塑性）破坏材料。 塑性破坏：超过屈服点即有明显塑性变形产生的构件，当达到抗拉强度fu时将

13、在很大变形的情况下断裂,也称为延性破坏。断口：常为杯形(晶体在剪切之下相互滑移呈纤维状。) 脆性破坏：当没有塑性变形或只有很小塑性变形时即发生的破坏. 断口：平直（各晶粒往往在一个面断裂而呈光泽的晶粒状）。2.4.2 循环荷载效应1. 疲劳断裂概念：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特点：截面上的应力低于材料的抗拉强度，甚至低于屈服强度。塑性变形极小。疲劳断裂的过程可分为三个阶段：裂纹的形成、裂纹缓慢扩展、最后迅速断裂建筑钢结构：焊缝中经常有微观裂纹或者孔洞、夹渣等缺陷，这些缺陷与微裂纹类似，非焊接结构中在冲孔、剪边、气割等处也存在微观裂纹，类裂纹。断口上面一部分呈现半椭圆

14、形光滑区（微观裂纹随着应力的连续重复作用而扩展，裂纹两边的材料时而相互挤压，时而分离）；其余部分则为粗糙区（裂纹扩展使截面削弱，截面抗力不足，构件突然断裂）。应力谱：应力与时间关系曲线。循环：连续重复荷载之下应力往复变化1周。应力循环特性常用应力比值来表示, 以拉应力为正值应力幅：，应力变化幅度。平均应力：，某种循环下平均应力。任何循环下应力=应力幅为完全对称循环应力与迭加。前均为常幅应力循环（应力幅常值），变幅应力循环。2. 曲线应力幅与相应的致损循环次数n的 关系曲线。n：钢结构采用双对数坐标 疲劳方程： b：n轴上截距； m：直线斜率。 ：标准差，表示离散程度，则可得到足够的保证率。 l

15、ogn呈正态分布时是97%3. 疲劳验算及允许应力幅1) 直接动力荷载，应力循环次数要疲劳验算。2) 永久荷载应力不变，无应力幅，应力幅只由重复作用可变荷载产生，疲劳验算按可变荷载标准值验算。3) 钢结构按允许应力进行计算：常幅疲劳： 焊接结构： 非焊接结构：常幅疲劳允许应力幅，根据疲劳方程及安全因素确定。 致损应力幅：由2-1推出 允许应力幅：由2-2推出 不同类型构件及连接，不同，取决应力集中程度， 规范2.4.3快速加荷效应作用：提高钢材屈服点和抗拉强度，但影响能量吸收能力结论：1.对同一冲击韧性材料，随着荷载速率提高，允许使用最低温度要提高。（图见下页）2.按应变速率，加速荷载分三级（缓慢加荷，中速加荷，动力加荷3.加荷速率对断裂韧性影响：中等加荷时韧性比缓慢加速降低不多，比动力加荷提高很多。 2. 5 建筑钢材类别及钢材选用2.5.1 建筑钢材类别1. 碳素钢 :屈服强度屈字拼音；235：屈服强度大小（195-275） A：钢质量高低，A，B，C，D四级，按冲击韧性和冷弯实验区分； F：脱氧程度（有镇静钢Z、半镇静钢b 与沸腾钢F）2. 合金钢分为：Q295，Q345，Q390，Q420；A，B，C，D，E（按冲击韧性及C，S，AL含量区分）2.5.2 钢材选择结构或构件重要性，荷载性质（动、静），连接方法（焊，铆、螺栓），