《钢结构的材料》PPT课件

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第二章钢结构的材料 大纲要求:1.了解钢结构的两种破坏形式；2.掌握结构用钢材的主要性能及其机械性能指标；3.理解响钢材性能的主要因素特别是导致钢材变脆的主要因素；4.掌握结构用钢材的种类、牌号、规格；5.理解钢材选择的依据，做到正确选择钢材；6.理解钢材疲劳的概念和疲劳计算方法。 1.较高的抗拉强度fu和屈服点fy；2.较好的塑性、韧性；3.良好的工艺性能（冷、热加工，可焊性）；4.对环境的良好适应性。§2.1钢结构对材料的要求 一、塑性破坏破坏前有明显的塑性变形，破坏过程长，断口发暗，可以采取补救措施。二、脆性破坏坏前没有明显的变形和征兆，破坏时的变形远比材料应有的变形能力小，破坏突然，断口平直、发亮呈晶粒状，无机会补救。§2.2钢材的破坏形式 一、受拉、受压、受弯及受剪时的性能（一）一次拉伸时的性能1.条件：标准试件（GB228—63），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§2.3钢材的主要性能d 2.阶段划分A.有屈服点钢材σ--ε曲线可以分为五个阶段：(1)弹性阶段(OB段)OA段材料处于纯弹性，即:AB段有一定的塑性变形,但整个OB段卸载时，ε=0；E=206×103N/mm2OBCDAE （2）弹塑性阶段（BC)该段很短,表现出钢材的非弹性性质;σB—屈服上限;σC—屈服下限(屈服点)（3）塑性阶段（CD)该段σ基本保持不变（水平),ε急剧增大,称为屈服台阶或流幅段,变形模量E=0OBCDAE （4）强化阶段(DE段)极限抗拉强度fu（5）颈缩阶段(EF段)随荷载的增加σ缓慢增大,但ε增加较快OBCDAE 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’fy=f0.20.2%fuεp 3.应力应变曲线的简化1)fy与fb相差很小；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ε2.5%--3%fyε00.15%ε （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。O0.15%22%fufyfu-fy 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（4）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δ5表示，当l0/d=10时，用δ10表示。A0A1 同单向拉伸时的性能，屈服点也相差不多。（二）受压时的性能采用短试件l0/d=3,屈服点同单向拉伸时的屈服点。（三）受弯时的性能（四）受剪时的性能抗剪强度可由折算应力计算公式得到： 二、冷弯性能衡量钢材塑性性能和质量优劣的综合指标。add+2.1a 三、冲击韧性衡量钢材在动力（冲击）荷载、复杂应力作用下抗脆性破坏能力的指标，用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。 (a)梅氏U型缺口(b)夏比V型缺口由试件断裂吸收的能量Cv来衡钢材的冲击韧性，单位：J。Cv受温度的影响 冲击韧性试验装置 钢材的机械性能指标1、屈服点fy；2、伸长率δ；3、抗拉强度fu；4、冷弯试验；5、冲击韧性Cv(包括常温冲击韧性、0度时冲击韧性负温冲击韧性）。小结 一、化学成分普通碳素钢中Fe占99%，其他杂质元素占1%；普通低合金钢中合金元素＜5%。1.碳（C）：钢材强度的主要来源，随其含量增加，强度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。一般控制在0.22%以下，在0.2％以下时，可焊性良好。§2.4各种因素对钢材性能的影响 2.硫（S）：有害元素，热脆性。不得超过0.05%。3.磷（P）：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。不得超过0.045%。4.锰（Mn）：合金元素。弱脱氧剂。与S形成MnS，熔点1600℃，可以消除一部分S的有害作用。5.硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。6.钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。 7.氧（O）：有害杂质，与S相似。8.氮（N）：有害杂质，与P相似。9.铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。二．冶金缺陷常见的冶金缺陷有：偏析：化学成分分布的不均匀程度；非金属夹杂；气孔；裂纹等。 三、钢材的硬化冷作硬化——当荷载超过材料比例极限卸载后，出现残余变形，再次加载则比例极限（或屈服点）提高的现象，也称“应变硬化”。时效硬化——随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。 四、温度影响1．正温范围200℃以内对钢材性能无大影响，该范围内随温度升高总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大。8006004002000N/mm2Efuδfy200400600温度对钢材机械性能的影响20406080δ%220210200190180170160Ex103T(0C) 250℃左右抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性增加—兰脆现象，该温度区段称为“兰脆区”。260～320℃产生徐变现象。600℃左右弹性模量趋于零，承载能力几乎完全丧失。 当温度低于常温时，钢材的脆性倾向随温度降低而增加，材料强度略有提高，但其塑性和韧性降低，该现象称为低温冷脆。2．负温范围脆性破坏转变过渡区段塑性破坏反弯点试验温度T0C冲击断裂功CvT1T2T0冲击韧性与温度的关系曲线 五、应力集中1.应力集中的概念构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变时，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处有高峰应力—应力集中。 2.应力集中的影响 3.减小应力集中现象的措施<1:2.5由于钢材具有良好的塑性性能，当承受静力荷载且在常温下工作时，只要符合规范规定的设计要求，可以不考虑应力集中的影响。 六、反复荷载作用（疲劳问题）七、板厚、直径的影响 八、焊接残余应力 １）材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积中积聚的能量来表达；§补充复杂应力作用下钢材的屈服条件假定：２）当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能时，钢材即由弹性转入塑性。 oZXY单元体受复杂应力（应力分量）单元体受主应力 1.以应力分量表示2.以主应力表示材料处于弹性状态材料处于塑性状态 讨论：（1）三向受压时(静水压力)————不破坏;（2）三向受拉时——一定破坏;由于三向受拉限制了材料的塑性发展，材料要发生脆性破坏。能量理论所得的公式只适用于塑性材料，因此形式上的不破坏与实际的脆性破坏是不矛盾的，只是实际的脆性破坏不再符合能量理论的基本假定。 图示简支梁1-1截面腹板与翼缘交界A点的应力1-1A对于薄板，厚度方向的应力很小，为平面受力状态。PPMM11AXVY 一般的梁，只存在正应力和剪应力，则：2-2AVM22AYXq 3-3APMVP33YXM3-3截面仅有剪力，弯矩、局部压力均为零，故该截面除剪应力外，正应力均为零，即为纯剪状态。 一、概念1、循环荷载——结构或构件承受的随时间变化的荷载。PP11A1-1A§2.5钢材的疲劳 （1）应力循环（2）应力循环特征—应力比ρ--构件截面应力随时间的变化。（3）应力幅在循环荷载作用下，应力从最大到最小重复一次为一次循环，最大应力与最小应力之差为应力幅:为常量常幅循环：为变量变幅循环：+σ-σt (b)脉冲循环(a)完全对称循环(c)不完全对称循环(d)不完全对称循环 2.钢材的疲劳在循环荷载（连续反复荷载）作用下，经过有限次循环，钢材发生破坏的现象（往往应力低于设计值），称之为疲劳。3.疲劳破坏的机理疲劳破坏是积累损伤的结果。缺陷→微观裂纹→宏观裂纹。4.疲劳破坏的特征属于脆性破坏，截面平均应力小于屈服点。 5.影响钢材疲劳的主要因素（1）构件和连接的分类规范将构件和连接的种类分为8类，第1类为轧制的型钢（残余应力小）疲劳强度最高；第8类为角焊缝应力集中最严重疲劳强度最低。详见钢结构设计规范“疲劳计算的构件和连接分类（附录E）”。 焊缝附近主体金属的应力由：实际应力循环均形成在拉应力范围（2）应力幅（Δσ）和应力循环特征（应力比ρ）A.对于焊接结构： 应力幅对焊接结构的疲劳强度有很大影响，而与名义最大应力σmax和应力比ρ无关。 B.对于非焊接结构和轧制钢材在循环次数N一定的情况下，根据试验资料可以绘出N次循环的疲劳图(σmax和σmin关系曲线)。当ρ=0和ρ=-1时的疲劳强度分别为σ0和σ-1，连接BC并延长至A、D。非焊接结构的疲劳图DA 由上述推导可知，对于非焊接结构和轧制钢材，疲劳强度与最大应力、应力比、循环次数和缺口效应（构造类型的应力集中情况）有关。ABCD直线方程为：DA非焊接结构的疲劳图 （3）应力循环次数N（疲劳寿命）应力循环次数N<5×104，不需要进行疲劳计算。应力幅越低，作用循环次数越多，疲劳寿命越高；应力幅相同，作用的循环次数越多，疲劳寿命越高。0NX105N1N2fy123456 由试验结果，以及上述分析可知钢材的疲劳强度主要与构件和连接分类（内部缺陷、应力集中、残余应力）、应力循环次数和应力幅有关。焊接部位的疲劳强度与钢材的静力强度(屈服点fy)基本无关。对于只有压应力的应力循环作用，由于钢材内部缺陷不易开展，则不会发生疲劳破坏，不必进行疲劳计算。 二、疲劳强度计算（一）常幅疲劳根据试验数据可以绘出构件或连接的应力幅Δσ与相应的致损循环次数N的关系曲线，按试验数据回归的Δσ-N曲线为平均曲线(图a)，取对数坐标(图b)。1.容许应力幅[Δσ]由于现阶段对钢材发生疲劳破坏尚处于进一步研究阶段，按概率极限状态计算疲劳强度还不成熟，故采用容许应力幅的计算方法。 Δσ-N曲线(a)0N式中：β--直线对纵坐标的斜率；b1--直线在横轴坐标上的截距；N--循环次数。(b)0N=5×104N=5X106............b1 考虑试验数据的离散性，取平均值减去2倍lgN的标准差s作为疲劳强度下限，当lgΔσ为正态分布时，保证率为97.7%。下限值的直线方程为：此时的Δσ即为容许应力幅：式中：系数β、c--根据钢结构设计规范“疲劳计算的构件和连接分类”查表得到。2S2S(b)0N=5×104N=5X106............b1 2.疲劳强度计算式中：Δσ--计算部位的应力幅；对于焊接部位:Δσ=σmax-σmin；对于其他部位：Δσ=σmax-0.7σmin(计算应力幅）。σmax、σmin--计算部位每次应力循环中的最大拉应力和最小拉应力或压应力（取负值）。说明：1）计算时用荷载的标准值；2）由于来源于试验，已考虑动力效应，计算时不再考虑动力系数； （二）变幅疲劳和吊车欠载效应系数σσmaxσmin0t—欠载效应系数。重级工作制硬钩吊车1.0；重级工作制软钩吊车0.8；中级工作制吊车0.5。--循环次数N=2X106的容许应力幅。式中：对于吊车梁，按下式计算其疲劳强度： 1、不出现拉应力的部位可不计算疲劳。但对出现拉应力的部位，例如σmax=140N/mm2,σmin=-10N/mm2和σmax=10N/mm2,σmin=-140N/mm2两种应力循环的应力幅都是150N/mm2，疲劳强度相同，显然不合理。2、螺栓受拉时螺纹处的应力集中很大，疲劳强度很低，常有疲劳破坏的实例，但规范没有规定，应予补充。思考: 一、钢的种类1、碳素结构钢（GB/T700-88）---低碳钢牌号Q235--质量等级（A、B、C、D）浇注方法（F、Z、Tz）A--保证fu、fy、δ，P、S含量B--保证fu,fy,δ,冷弯，常温时Cv，P，S，C含量；C--保证fu,fy,δ,冷弯,0oC时Cv，P，S，C含量;D--保证fu,fy,δ,冷弯,-20oC时Cv，P，S，C含量;§2.7钢材的种类和规格 2.低合金钢(GB/T1591-94)GB/T1591-94Q295Q390Q345Q420相应的钢材品种（GB/T1591-94)09Mn、09Mnb、09Mn2、12Mn12MnV、14MnNb、16Mn、18Nb15MnV、15MnTi、16MnNb15MnVN、14MnTi低合金钢的质量等级分A、B、C、D、E，其中E主要是要求-400C的冲击韧性。 二、钢材的选择（一）选择钢材的原则1．结构或构件的重要性； 2．荷载情况（静力荷载，动力荷载）；静力荷载作用下可选择经济性较好的Q235钢材。动力荷载作用下应选择综合性能较好钢材。3．连接方法（焊接连接、螺栓连接）；焊接结构对材质的要求严格，应严格控制C、S、P的极限含量；非焊接结构对C的无硬性规定。4．结构所处的工作条件（环境温度，腐蚀等）；低温下工作的结构应选择低温脆断性能好的镇定钢钢材的厚度。厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材。 （二）钢材选择建议1、承重结构的钢材宜采用Q235钢、Q345钢、Q390钢和Q420钢，其质量应分别符合国家标准《碳素结构钢》GB/T700和《低合金高强度结构钢》GB/T1591的规定。当采用其他牌号的钢材时，尚符合相应有关标准的规定和要求。2、承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证，对焊接结构尚具有含碳量的合格保证。 3、对于需要验算疲劳的焊接结构，应具有常温冲击韧性的合格保证；当结构工作温度等于或低于0℃但高于－20℃时，Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性合格的保证；对于Q390钢和Q420钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证。当结构工作温度等于或低于－20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证；对Q390和Q420钢应具有－40℃冲击韧性的合格保证。 4、对于需要验算疲劳的非焊接结构的钢材亦应具有常温冲击韧性的合格保证，当结构工作温度等于或低于－20℃时，对Q235钢和Q345钢应具有0℃冲击韧性合格的保证；对Q390钢和Q420钢应具有－20℃冲击韧性的合格保证。5、重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于等于16mm的钢材应具有常温冲击韧性合格的保证。6、当焊接结构为防止钢材的层状撕裂而采用Z向钢时，其材质应符合现行国家标准《厚度方向性能钢板》GB/T5313的规定。 8、对于外露环境，且对大气腐蚀有特殊要求的或在腐蚀性气态和固态介质作用下的承重结构，宜采用耐候钢，其质量要求应符合现行国家标准《焊接耐候钢》GB/T4172的规定。7、钢板的抗撕裂性能采用厚度方向的断面收缩率Ψz来评定。该标准将沿厚度方向的断面收缩率分为三个等级，即Z15，Z25，Z35，分别对应其允许值。 三、钢材的规格热轧成型的钢板和型钢，冷弯（或冷压）成型的薄壁型钢。（一）热轧钢板（表示方法—宽×厚度×长度）分为:厚板（厚度4.5-60mm)薄板（厚度0.35-4mm)扁钢：厚度4-60mm，宽度20-200mm。 (二）热轧型钢1.工字钢2.槽钢工字钢根据截面高度h及厚度分类a(或b、c)槽钢根据截面高度h及厚度分类a(或b、c) 3.角钢∠肢宽度×肢厚度等肢角钢∠长肢宽度×短肢宽度×肢厚度不等肢角钢 4.H型钢分为：宽翼缘HW、中翼缘HM、窄翼缘HNbht1t2表示方法：H高度×宽度×腹板厚度×翼缘厚度如：Hh×b×t1×t25.钢管tD表示方法：Φ外径×壁厚分为无缝管和焊接管 （三）冷弯薄壁型钢壁厚1.5~5mm压型钢板壁厚0.4~1.5mm 与Q235钢（fy=235~255n/mm2）相当的国外钢材：（A36）美国，43A、43B（英国），St37（德国），SM41（日本），Fe360（ISO）等。与Q345钢、Q390钢和Q420钢相当的国外钢种为：A242，A440，A441（美国）；50A－D，55C－E（英国）St52，St70（德国）；SM50，SM53，SM58（日本）。