钢结构材料及其性能

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1、第二章钢结构材料钢结构第2章钢结构的材料Chapter2MaterialofSteelStructure2021/8/29§2.1钢结构对材料的要求（1）较高的强度(2）足够的变形能力——良好塑性和韧性（3）良好的加工性能——适应冷、热加工，可焊性好（4）对环境的良好适应性——耐腐蚀、耐火、耐疲劳钢结构的材料关系到钢结构的计算理论，同时对钢结构的制造、安装、使用、造价、安全等均有直接联系。本章简要介绍钢材的生产过程和组织构成，重点介绍钢材的主要性能以及各种因素对钢材性能的影响；钢材的种类、规格及选择原则。强度——材料抵抗外力作用时不致破坏的能力。2021/8/29Chapter2

2、MaterialofSteelStructure§2.2钢材的生产钢材的生产大致分为炼铁、炼钢和轧制三道工序。电炉钢是利用电热原理，在电弧炉内冶炼。（质量好，但耗电量大，成本高，一般只用来冶炼特种用途的钢材。）炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。转炉钢是利用高压空气或氧气使炉内生铁熔液的碳和其它杂物氧化，在高温下使铁液变为钢液。（生产周期短，效率高，质量好，成本低，已经成为国内外发展最快的炼钢方法。）平炉钢是利用煤气和其它燃料供应热能，把废钢、生铁熔液或铸铁块和不同的合金元素等冶炼成各种用途的钢。（生产周期长，效率低，成本高，现已逐步被转炉钢所取代。）（1）炼钢2021/8/29

3、浇注是指把熔炼好的钢液做成钢锭或钢坯。用连续铸造法生产钢坯的工艺和设备，由于机械化、自动化程度高的优势，已经逐渐取代了笨重而复杂的铸锭工艺和设备。钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不均匀并发生热脆，降低钢材的力学性能。按照钢液在炼钢炉中进行脱氧的方法和程度不同，碳素结构钢可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。（2）浇注（3）脱氧2021/8/292021/8/29（4）加工（热加工、冷加工和热处理）热处理指通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢材的组织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺。（退火、正火、淬火和回火）热加工指将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状，生产出各种厚

4、度的钢板和型钢。（热加工的开轧和锻压温度控制在1150-1300℃）冷加工指在常温下对钢材进行加工。（冷作硬化现象）2021/8/292021/8/29剪板自动钢板切割钻孔2021/8/292021/8/292021/8/29§2.3钢材的主要性能钢材的破坏形式单向拉伸时的工作性能钢材的其它性能在复杂应力作用下钢材的屈服条件2021/8/292.3.1钢材的破坏形式特征断口后果塑性破坏（延性破坏）构件应力超过屈服点，并且达到抗拉极限强度后，构件产生明显的变形并断裂。常为杯形，呈纤维状，色泽发暗。在破坏前有很明显的变形，并有较长的变形持续时间，便于发现和补救。脆性破坏在破坏前无明显

5、变形，平均应力也小（一般都小于屈服点），没有任何预兆。平直和呈有光泽的晶粒。突然发生的，危险性大，应尽量避免。2021/8/292.3.2单向拉伸时的工作性能（1）试验条件（a）试件的尺寸要符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽等缺陷。试件的标定长度取其直径的5或10倍。（b）荷载要分级逐次增加，直到试件破坏。（c）试验温度要控制在室温20℃左右。2021/8/29（2）钢材的应力-应变关系A.有屈服点钢材s---e曲线可以分为四个阶段：(a)弹性阶段(OB段)弹性阶段(OB段)OBCDAE单调拉伸应力-应变曲线OA段：纯弹性阶段s=EeA点对应的应力：sp（比例极限）AB段：有

6、一定的塑性变形,但整个OB段卸载后变形消失,e=0B点对应的应力：se（弹性极限）屈服阶段（BCD)强化阶段(DE段)颈缩阶段(EF段)2021/8/29（b）屈服阶段（BCD)塑性变形：卸载后试件不能完全恢复原来的长度。不能恢复的这一部分变形称为塑性变形。屈服点fy（屈服强度）：屈服阶段曲线波动部分的最低值。流幅：从屈服阶段的开始到曲线再度上升的应变幅度称为流幅。特点：应力与应变进入非线性的弹塑性阶段，不再成正比关系，应变增加很快，应力-应变曲线呈锯齿形波动，出现应力不增加而应变仍然在继续发展。OBCDAE2021/8/29（c）强化阶段(DE段)钢材内部晶粒重新排列，恢复承载

7、能力，随荷载的增加σ缓慢增大,但ε增加较快，最终应力达到最高点E——抗拉强度（极限强度）fu试件所能承受的最大拉应力（d）颈缩阶段(EF段)OBCDAE截面出现了横向收缩，截面面积开始显著缩小，塑性变形迅速增大，应力不断降低，变形却延续发展，直至F点试件断裂。F2021/8/29B.对无明显屈服点的钢材设计时以卸载后试件中残余应变为0.2％所对应的应力作为屈服点——“条件屈服点”或“名义屈服点”fy=f0.20.2%fuεp无屈服点钢材的应力-应变曲线没有明显屈服点的钢材在拉伸过