2 第二章 结构钢材及其性能ppt课件

1、2-1结构钢在一次拉伸过程中的机械性能2-2结构钢的机械性能2-3结构钢的脆性破坏2-4钢的类型和规格，第2章结构钢及其性能，1。目前我国建筑钢结构中常用的钢材：1 .碳结构钢Q2352.低合金和高强度结构钢Q345、Q390和Q420第二，结构钢的标准静态拉伸试验方法，根据GB228-87，将钢加工成标准试件，在室温20的拉伸试验机上进行静态拉伸试验，将试件断裂，得到应力-应变关系曲线，该曲线可以显示结构钢在一次拉伸过程中的工作性能，进而得到钢的力学性能。2-1结构钢在一次拉伸下的力学性能；3.关系曲线；1.在弹性阶段(OA阶段)，钢的变形很小，卸载后可以完全恢复，应力应变符合胡克定律。2.

2、弹塑性阶段的应力应该是非线性的。当应力增加时，增加的应变包括弹性应变和塑性应变。在此阶段的卸载过程中，弹性应变立即恢复，但塑性应变不能恢复。在塑性阶段(CF阶段)，应力-应变关系是一个水平线段，通常称为屈服平台(即塑性流动阶段)。钢表现出完全塑性，该阶段结束时的应变可达2%3%。4.在强化阶段，应力应变关系是非线性的。当应力达到最高点时，试件的某一部分会颈缩，承载力会降低，最终试件会断裂。弹性应变恢复后，残余塑性应变可达200%。3。关系曲线(续)，2。点C是较低的屈服点，相对稳定，记录为钢的屈服强度fy。3。B点是钢的抗拉强度fu。规范以钢的屈服点f y作为强度和承载力的极限。1.点a是比例

3、极限fp，通常用作弹性阶段的终点；钢的弹性模量记录为E，E=tan=/。钢的应变可达2%3%，而结构或构件不适合继续承受荷载。4.理想弹塑性体5。塑性破坏钢的塑性破坏特征：破坏前出现容易被人们注意到的变形，破坏后仍有较大的残余变形，持续时间长，不是突然的。1.单轴应力下的静态力学性能指标1。屈服点fy钢的强度承载力受屈服点的限制，屈服点称为钢的抗拉(抗压和抗弯)强度标准值，强度设计值为f=fy/r。选择屈服点作为结构钢静强度承载力极限的依据是什么？屈服点是钢开始塑性加工的特征点。从屈服到钢材失效，整个塑性工作区比弹性工作区大200倍左右，抗拉强度与屈服点之比(强屈服点比)fu/fy=1.31.

4、8，是钢结构的最大储备强度，因此钢结构不会发生真正的塑性失效，安全可靠。2-2结构钢的机械性能，1。单轴应力下的静态力学性能指数。抗拉强度fu是衡量钢材抗拉断裂的性能指标，它直接反映了钢材的内部结构，是钢结构的强度储备。注：1 .为了保证钢材有足够的安全储备，要求屈强比(fu/fy)不低于1.21.3。2.屈强比越大，强度储备越小，结构越不安全。3.延伸率是衡量钢的塑性的一个指标。它反映了钢在大变形时抵抗断裂的能力。4.弹性模量E弹性模量是超静定结构变形计算和内力分析的必要钢材性能指标。E=2.06105N牛顿/平方毫米。3，伸长率(续)原始标准节距和原始标准节距之间长度的伸长率值的百分比。式

5、中：l0试样的原始规格长度；L1是样本断裂后标准距离之间的长度。D0试样的规格长度内的直径；因为试样破坏时颈缩部分的长度是一样的钢的单调拉应力-应变曲线可以提供重要的力学性能指标：屈服点fy、抗拉强度fu、延伸率和弹性模量e屈服点fy是钢结构设计中的最大许用应力限值；抗拉强度fu反映了钢在张力下能够承受的极限应力；延伸率是衡量钢材断裂前塑性变形能力的指标，其对应的延伸率分别表示为5或10；弹性模量E是超静定结构变形计算和内力分析的必要钢材性能指标。1.单轴应力下的静态力学性能指标。冷弯180-180试验是严格表达钢材塑性变形能力的综合指标，直接反映材料的质量。6.当Z收缩钢板厚度较大时，非金属

6、夹杂物缺陷较多，焊缝越厚，焊接应力和变形越大。z向钢是一种在某种等级结构钢(称为母钢)的基础上经过特殊冶炼和处理的钢。其硫含量小于普通钢的1/5，断面收缩率大于15%。国产Z向钢板的标志是在母材钢种后面加上Z向钢板等级标志Z15、Z25和Z30，Z后面的数字是断面收缩率(%)。在试验中，根据材料的原始厚度通过表面加工成条状。根据试件的厚度a和规定的弯曲中心直径d，用冷弯冲头压制试件，将试件弯曲180度，并检查试件弯曲的外观和侧面，合格为无裂纹、无分层。弯曲中心直径d的规定：Q235钢d=1.5aQ345钢、Q390钢和Q420钢，d=2a2.钢在多轴应力下的屈服条件在多轴应力条件下，对于接近理

7、想弹塑性体的结构钢，材料力学中的能量强度理论最适合确定钢在多轴应力条件下的屈服条件。能量强度理论1。当材料从弹性状态转变为塑性状态时，材料的综合强度指标用变形过程中单位体积内累积的能量来表示；2.当复杂应力状态下的变形能等于单轴应力状态下的变形能时，钢将从弹性状态变为塑性状态，但材料的体积保持不变。结论钢处于多轴应力下：1 .当处于同一应力场中时，钢容易产生脆性破坏；2.当钢材处于不同的应力场中时，会发生塑性破坏。1.当1、2、3为相同的应力，且其值相近时，从eq和fy的关系来看，钢很难进入塑性状态，材料的破坏是脆性破坏。注：当钢材处于三维应力状态时，强度极限状态是转换应力达到屈服点，即当转换

8、应力方程式fy时，钢材进入塑性阶段。2.当1、2和3是不同的应力，且数值相差很大时，当最大应力还没有达到fy，但减小的应力方程已经达到fy时，钢的破坏表现出塑性。1.对于一般应力状态，如实心腹板梁的腹板，y=z=0，则为：2.当钢材处于纯剪切状态时，法向应力均为0，那么，钢材的剪切模量与弹性模量之间的关系为：这表明当钢材处于三维应力状态时，强度极限状态是转换应力达到屈服点，即当转换应力方程为fy时，钢材进入塑性状态。钢的韧性指标冲击韧性是评价标准缺口试样在冲击载荷下抵抗脆性破坏能力的指标，即截面断裂吸收的能量。试验结论：钢的材料越好，破坏试样所消耗的功越大，表明钢的韧性越好，不容易发生脆性断裂

9、；相反，这表明钢抗脆性断裂的能力差，即韧性差。钢结构设计规范冲击韧性试验装置对钢冲击韧性的AKV值有常温和负温度要求，例如：1。对于Q235B级钢，常温下的AKV值不得低于27J；2、Q345B级钢，常温AKV值不得低于34J；3、Q345D级钢，AKV值在-20时不得低于34J；4.疲劳强度3.恒定振幅循环载荷当所有应力循环中的应力振幅保持恒定时。钢材疲劳失效的原因是什么？1、缺陷(不均匀杂质、轧制形成的微裂纹、开槽、加工造成的孔洞和裂纹等。)2 .微裂纹(在交变应力中拉伸应力的反复作用下，微裂纹会出现在拉伸应力的峰值处)3。宏观裂纹(在循环荷载作用下，裂纹不断发展，有效截面面积不断减小)当

10、循环荷载达到一定次数，危险截面减小到一定程度时，危险截面处会发生脆性断裂，钢材会发生疲劳损伤。1、钢材疲劳失效的特点和原因，钢材在连续恒幅循环载荷的作用下，当循环次数达到一定值时，钢材出现损伤现象，称为钢材疲劳失效。1.钢的疲劳破坏属于突然脆性断裂；2.当钢发生疲劳破坏时，应力远小于材料的静态强度；钢疲劳失效的先决条件是裂纹的形成。钢的疲劳破坏过程就是裂纹发展的过程。当钢经受变化的压缩应力而没有拉伸应力时，通常不会发生疲劳破坏。钢的疲劳强度由试验确定；影响疲劳强度的因素：结构条件(包括应力集中和残余应力)、外加应力幅值和循环载荷n的重复次数与钢的静强度没有明显关系。疲劳破坏钢的断面断裂一般有两

11、个区域：光滑区和粗糙区。光滑部分反映了裂纹扩展和闭合的过程，是由裂纹的逐渐扩展引起的，表明疲劳破坏经历了一定的过程；粗糙部分表明钢的最终断裂在瞬间具有脆性断裂特性，这与拉伸试样的断裂非常相似。钢结构设计规范规定最小疲劳寿命为5104倍。(即，当构件的应力变化周期数为n 5104时，应计算疲劳强度。)，对应于n个循环的容许应力幅值；对于焊接零件，应力振幅=最大-最小；对于非焊接零件，转换后的应力幅最大值为0.7分钟；2.恒幅疲劳计算，公式显示：1 .疲劳计算中使用载荷的标准值；2.由于试验已经考虑了动力效应，所以计算中不需要考虑动力系数；3.在应力幅中没有出现拉应力的位置，不需要进行疲劳验算；对

12、应于n个循环的容许应力幅值；对于焊接零件，应力振幅=最大-最小；对于非焊接零件，转换后的应力幅最大值为0.7分钟；根据帕尔默-迈纳线性累积损伤定律，将变幅疲劳转化为恒幅疲劳进行计算：3 .变幅疲劳计算，吊车梁上的循环荷载属于变幅循环荷载，钢结构设计规范提供了以下计算公式：4。吊车梁的疲劳计算(许用应力法)；1.碳是钢(低合金钢除外)中含量最高的元素，它直接影响钢2的强度和强度。随着碳含量的增加，钢的强度逐渐增加，而塑性、韧性、焊接性和耐蚀性逐渐降低。3.当碳含量超过0.3%时，钢的抗拉强度增加很多，但失去了明显的屈服点，塑性很小。当碳含量小于0.1%时，塑性很好，强度很低，没有明显的屈服点；5

13、.化学成分、轧制工艺与钢材性能的关系。钢结构设计规范推荐用钢：含碳量一般不超过0.22%，属于低碳钢。1.硫会引起钢的“热脆性”(即当钢的温度达到8001200时，硫会形成硫化铁并熔化，这将使钢变脆，因此在焊接或热加工过程中可能引起热裂纹)。2.硫会降低钢的冲击韧性、疲劳强度、焊接性和耐腐蚀性。磷可以提高钢的强度和耐蚀性，但会严重降低钢的塑性、冷弯性能、冲击韧性和焊接性。2.磷会引起钢的“冷脆性”，即钢容易产生脆性2.适量的硅可以提高钢的强度，但对塑性、韧性和焊接性的不利影响不显著；锰是一种弱脱氧剂；2.锰可以在不明显影响塑性的情况下提高钢的强度，同时可以消除硫引起的钢的热脆性，改善钢的冷脆性

14、倾向。锰(有益元素，合金元素)，硅(合金元素)，1。钒能提高钢的强度，细化晶粒，提高硬化能力，并具有时效硬化作用。碳化钒可以提高钢的高温硬度。钒也能改变钢中碳化物的分布。2.在Q345钢的基础上，加入一定量的钒元素，可以提高强度和焊接性，获得Q390钢和Q420钢，适用于制造高、中压容器、桥梁、船舶、起重机等重载焊接结构。氧的作用类似于硫的作用，硫使钢“热脆”。2.氮的作用与磷相似，可显著降低钢的塑性和韧性、冷弯性能和焊接性，使钢产生“冷脆性”。钒(合金元素)、氧、氮(有害元素)、说明：对于没有明显屈服点的钢，以卸载后0.2%残余应变对应的应力作为屈服点，称为条件屈服点或假想屈服点。(一)具有

15、明显屈服点的低碳钢；(二)没有明显屈服点的低碳钢。应力应变曲线和材料与轧制次数有很大关系。轧制次数越多，晶粒越细，钢的质量越好。因此，薄钢的屈服点高于厚钢。在下面的陈述中，()没有把屈服点作为结构钢静强度承载力极限的依据。屈服点是钢开始塑性加工的特征点。b .当钢材达到屈服点时，变形可以恢复，从而保证构件在弹性状态下工作。从屈服到最终失效，钢材需要经历一个长时间的塑性屈服过程，这个过程很容易发现并采取补救措施。钢的抗拉强度通常是屈服强度的1.31.8倍，这保证了钢结构有很大的强度储备。2.在下面的试验中，()能获得钢的伸长率指标吗？一、单轴拉伸试验二、冷弯试验三、冲击试验四、疲劳试验三。在三维

16、应力状态下，钢的塑性状态综合强度指标称为()(2006.04实题)。在下列项目中，不影响钢的疲劳强度的因素是：(1)应力集中和残余应力(2)应力振幅(3)钢的静态强度(4)循环载荷的重复次数(5)。在下列选项中，()可以提高钢的强度和耐腐蚀性，但它会使钢在低温下变脆。明矾锰碳硅磷6。在钢中含有的化学元素中，一组有害的杂质是碳、磷、硅。硫、磷、锰。硫、氧、氮。碳、锰和明矾。在下列应力状态中，结构钢最容易发生脆性破坏(a)大变形(b)长期破坏(c)裂纹(d)很少或没有变形(9)。当结构钢制成的标准试样进行单轴拉伸试验时，其平均应力-应变关系曲线(关系曲线)可分为弹性阶段、和颈缩阶段。10.对于厚度较大的钢材，为了防止材料在焊接或厚度方向拉力的作用下分层撕裂，必须对钢材进行试验。11.我国钢结构设计规范规定，当构件的应力变化循环次数为