钢结构材料ppt课件.ppt

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第二章钢结构的材料 本章内容钢结构对钢材有哪些性能方面的要求？如何获得这些性能方面的指标？影响钢材性能的主要因素有哪些？钢材会发生什么样的破坏形式？钢材的疲劳问题；选用钢材依据什么原则？钢材的分类与规格。 本章教学要求掌握钢结构用钢材的主要性能及指标；掌握影响钢材性能的主要因素，特别是导致钢材变脆的主要因素；了解钢材的两种破坏形式（脆性、塑性破坏）；掌握钢材疲劳的概念、影响疲劳强度的主要因素和疲劳计算方法。熟悉钢结构用钢材的种类、牌号、规格；掌握钢材选择的依据，做到正确选择钢材； §2.1钢结构对钢材性能的要求较高的强度较好的塑性较好的冲击韧性良好的冷加工性能良好的可焊性 §2.2钢材性能指标的获得钢材的拉伸试验获得钢材的抗拉强度、屈服极限和塑性钢材的冲击试验获得钢材的冲击韧性钢材的冷弯试验获得钢材的冷弯性能钢材的含碳量决定钢材的可焊性钢材的的化学成分决定钢材的抗腐蚀性能 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、冷弯性能；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）。小节 §2.3钢材的破坏形式两种性质完全不同的破坏形式：塑性破坏（延性破坏)脆性破坏（脆性断裂) §2.4影响钢材性能的一般因素化学成分的影响钢材生产过程的影响硬化的影响温度的影响应力集中的影响板厚、直径的影响残余应力应力状态反复荷载作用（疲劳问题）▼(下一节) 本节课到此结束！ 较高的强度强度是构件或连接在外力作用下抵抗永久变形和断裂的能力钢材的强度是指钢材的抗拉强度和屈服点钢材强度高就是要求抗拉强度和屈服点高屈服点高构件的截面就小，重量就轻，可节约钢材，降低造价。抗拉强度高，可以增加结构的安全储备。▲ 较好的塑性塑性是钢材在力作用下发生变形的能力塑性好，结构破坏前有较明显的变形，可以避免结构发生脆性破坏。塑性好，可以调整局部高峰应力，使应力得到重分布，并提高构件的延性，从而提高结构的抗震能力。▲ 较好的冲击韧性韧性是钢材承受冲击荷载而不发生脆性破坏的能力冲击韧性好可提高结构承受动力荷载的能力，避免发生裂纹和脆性断裂。▲ 良好的冷加工性能冷加工性能好可保证钢材加工过程中不发生裂纹或脆断，不因加工对强度、塑性及韧性带来较大的影响。▲ 良好的可焊性钢材可焊性是指在一定的工艺和构造条件下，钢材经过焊接后能够获得良好性能的性质。可焊性又分施工上的可焊性和使用上的可焊性。施工上的可焊性是指在一定的焊接工艺条件下，焊缝金属和近缝区钢材不产生裂纹。使用上的可焊性是指焊缝和焊接热影响区的力学性能不低于母材的力学性能。▲ 钢材的拉伸试验试验机 拉伸试件标准试件（GB228—63），常温（20℃）下缓慢加载，一次完成。标准试件：Lo/d=5、10；Lo为标距；d为直径d 有屈服点钢材拉伸实验过程d应力-应变曲线 实验各阶段的划分动画 实验各阶段的划分A.有屈服点钢材σ--ε曲线可以分为五个阶段：(1)弹性阶段(OE段)AE段仍具有弹性但非线性,E点的应力称为弹性极限；在此段卸载没有残余变形。E=206×103N/mm2OA段材料处于纯弹性，A点的应力称为比例极限 （2）弹塑性阶段（EC)该段很短,表现出钢材的非弹性性质;此段上限C点的应力称屈服点。在此段卸载将有残余变形。（3）塑性阶段（CF)该段开始σ波动较大，之后逐渐平稳，其最高和最低点分别称屈服上限、屈服下限(屈服点)，此段σ不变，ε急剧增大，形成的水平段称为屈服平台,变形模量E=0流幅：整个屈服平台所对应的应变幅度，流幅越大钢材的塑性越好 （4）强化阶段(FB段)极限抗拉强度fu（5）颈缩阶段(BD段)随荷载的增加σ缓慢增大,但ε增加较快 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 钢材拉伸实验的总结有屈服平台的钢材，例如Q235、Q345、Q390、Q420，塑性变形能力大，是钢结构的主要用钢没有屈服平台的钢材，塑性变形能力小，钢结构不能使用。 Q235～Q420单向均匀受拉时的工作性能弹性阶段比例极限Np≈200N／mm2εp≈0.1％屈服阶段屈服点fy≈235N／mm2流幅εy≈0.15％～2.5％强化和颈缩阶段抗拉强度fu≈370～460N／mm2δ10≈21％弹塑性阶段屈服点fy≈235N／mm2εy≈0.15％ 应力应变曲线的简化1)fy与fP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，在强化阶段前产生明显可见的塑性变形，可及时补救，故断裂破坏几乎不可能发生。O0.15%22%fufyfu-fy 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。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。受弯时的性能受剪时的性能抗剪强度可由折算应力计算公式得到： 钢材的冲击韧性韧性是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，它与钢材的塑性有关而又不同于塑性，是强度与塑性的综合表现。是衡量钢材抗冲击性能的指标。韧性指标用冲击韧性值AkV表示，通过冲击试验获得。它是判断钢材在冲击荷载作用下是否出现脆性破坏的主要指标之一 (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 冲击韧性试验装置动画 影响冲击韧性的因素试件缺口形式，我国采用夏式V型缺口实验温度越低，冲击韧性越低，我国钢材标准中将试验分为四档，即+20℃时AkV、0℃时AkV、-20℃时AkV、-40℃时AkV。▲ 钢材的冷弯性能冷弯性能是指钢材在冷加工(即在常温下加工)产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力。是衡量钢材力学性能的综合指标。冷弯试验一方面检验钢材能否适应构件制作中的冷加工工艺过程；另一方面通过试验还能暴露出钢材的内部缺陷(晶粒组织、结晶情况和非金属夹杂物分布等缺陷)，鉴定钢材的塑性和可焊性。冷弯试验是鉴定钢材质量的一种良好方法，常作为静力拉伸试验和冲击试验等的补充试验。 钢材的冷弯试验 塑性破坏塑性破坏的特征是构件应力超过屈服点(fy)，并达到抗拉极限强度(fu)后，构件产生明显的变形并断裂；塑性破坏的断口常为杯形，呈纤维状，色泽发暗。塑性破坏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。理想弹塑性材料能否发生脆性破坏？ 脆性破坏破坏前无明显变形，平均应力亦小(可能小于屈服点fy)，没有任何预兆，是突然发生的，危险性大，应尽量避免。破坏断口平直和呈有光泽的晶粒状。断裂从应力集中处发生。 化学成分的影响基本元素铁,约占99%其他元素有益元素碳、硅、锰、钒<1.5%有害元素硫、磷、氧、氮<1.0% 碳在普通碳素钢中，碳是除铁以外最主要的元素，它直接影响钢材的强度、塑性、韧性和可焊性等。碳的含量提高，钢材的屈服点和抗拉强度提高，但塑性和韧性、特别是低温冲击韧性下降。同时，钢材的可焊性、耐腐蚀性能、疲劳强度和冷弯性能也明显下降。因此结构用钢的含碳量不宜太高，一般不超过0.22％，在焊接结构中则应低于0.2％。 硅硅是强脱氧剂，用以制成质量较高的镇静钢。适量的硅可以使钢材强度大为提高，而对塑性、冲击韧性、冷弯性能及可焊性均无明显不良影响。一般镇静钢的含硅量为0.10％～0.3％，硅含量过大(达1％左右)，则会降低钢材的塑性、冲击韧性、抗锈性和可焊性。 锰锰是弱脱氧剂。适量的锰含量可以有效地提高钢材强度，消除硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢材的热加工性能，并能改善钢材的冷脆倾向，而又不显著降低钢材的塑性和冲击韧性。锰在普通碳素钢中的含量约为0.3％~0.8％。锰有强化纯铁体和珠光体的双重作用，是一种十分有效的合金成分，但含量过高将使钢材变得脆而硬，并降低钢材的抗锈性和可焊性。因此，锰是我国低合金钢的主要合金元素，含量一般为1.2％～1.6％ 钒钒可提高钢材的强度，细化晶粒，提高淬硬性，但有时有硬化作用。它是添加合金成分，能提高钢材强度和抗锈蚀性能，而不显著降低塑性。 硫有害元素。硫与铁的化合物为硫化铁，散布在纯铁体晶粒间层中，使钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈性等大大降低。高温(800～1200℃)时，硫化铁即熔化而使钢材变脆和发生裂缝，这种现象称为钢材的“热脆”。硫的含量过大不利于进行钢材焊接和热加工。因此，钢材中应严格控制含硫量，一般不超过0.05％，在焊接结构中不超过0.045％。 磷有害元素。磷和纯铁体结成不稳定的固熔体，有增大纯铁体晶粒的害处。磷的存在使钢材的强度和抗锈性提高，但将严重降低钢材的塑性、冲击韧性、冷弯性能等，特别是在低温时能使钢材变得很脆(冷脆)，不利于钢材冷加工。因此，磷的含量也应严格控制，一般不超过0.050％，在焊接结构中不超过0.045％。 氧和氮有害元素。它们容易从铁液中逸出，故含量甚少。氧和氮能使钢材变得极脆。氧的作用与硫类似，使钢材发生热脆，一般要求含氧量小于0.05％。氮和磷作用类似，使钢材发生冷脆，一般应小于0.008％。 钢材生产过程的影响结构用钢需经过冶炼、浇铸、轧制和矫正等工序才能成材，多道工序对钢材的材性都有一定影响。冶金缺陷：偏析、非金属夹杂、裂纹、分层。 冶炼冶炼方法主要有平炉炼钢法和转炉炼钢法；冶炼过程主要是控制钢材的化学成分，从而达到控制钢材性能的目的。 浇铸浇铸就是把钢水转变为钢坯的过程。浇铸时要对钢水进行脱氧，根据脱氧程度的不同，钢可分为:沸腾钢镇静钢半镇静钢。特殊镇静钢 沸腾钢沸腾钢是用锰作为脱氧剂，由于锰的脱氧能力较差，不能充分脱氧。钢液中还含有较多的氧化铁，浇铸时氧化铁和碳相互作用，形成一氧化碳气体逸出，使钢液剧烈沸腾，称为沸腾钢。沸腾钢的塑性、韧性和可焊性较差，容易发生时效和变脆，轧成的钢板和型钢中常有夹层和偏析现象。但沸腾钢生产周期短，消耗脱氧剂少，轧钢时切头很小，成品率高，所以成本较低，在土木建筑工程中仍大量地采用沸腾钢。 镇静钢镇静钢是用硅作为主要脱氧剂，硅的脱氧能力很强，它是锰脱氧能力的5倍。没有沸腾现象，浇铸时钢锭模内液面平静，称为镇静钢。它的晶粒较细，使组织致密，气泡少，偏析度小。镇静钢成品率低，成本较高。镇静钢的屈服点高于沸腾钢，镇静钢与沸腾钢相比，还具有冲击韧性较高，冷弯性能、可焊性和抗锈蚀性较好，时效敏感性较小等优点。 特殊镇静钢特殊镇静钢是在采用锰和硅脱氧之后，再用铝或钛进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中有害氧化物，并把氮化合成非常细小的氮化铝或氮化钛，能明显改善各种力学性能，提高钢材的可焊性。 轧制轧制是将钢锭热轧成钢板和型钢，改善了钢材的内部组织和力学性能。轧制的钢材愈小(愈薄)，其强度愈高，塑性和冲击韧性愈好。轧制钢材，由于其内部非金属夹杂物被压成薄片，在较厚的钢板中会出现分层(夹层)现象。钢材经热轧后，由于不均匀冷却会产生残余应力，一般在冷却较慢处产生拉应力，冷却早的地方产生压应力。残余应力是内部自相平衡的应力。 硬化的形式时效硬化冷作硬化应变时效不管哪一种硬化，都会提高钢材的强度，降低钢材的塑性和韧性，对钢材的使用不利，钢结构不利用硬化提高强度，相反对特殊和重要的结构还需消除硬化的影响。 时效硬化随时间的推移，钢材的性能发生变化的现象称时效。时效使钢材强度(屈服点和抗拉强度)提高，塑性降低，特别是冲击韧性大大降低，钢材变脆。发生时效的过程可以从几天到几十年。时效的原因：纯铁体中碳和氮的固熔物质，从纯铁体中析出，形成自由的碳化物和氮化物微粒，散布在晶粒的滑移面上，起着阻碍滑移的强化作用，约束纯铁体发展塑性变形。 冷作硬化钢结构制造时，在冷(常温)加工过程中引起的钢材硬化现象，通常称为冷作（应变）硬化。冷作硬化会改变钢材力学性能，即强度提高，但是降低了钢材的塑性和冲击韧性，增加出现脆性破坏的可能性，对钢结构是有害的。钢结构的冷加工包括剪、冲、辊、压、折、钻、刨、铲、撑、敲等。 应变时效应变时效是应变硬化和时效硬化的复合作用 温度升高时对钢材的影响在200℃以内性能没有很大变化；430~540℃之间则强度急剧下降；到600℃时强度很低不能承担荷载；250℃附近有兰脆现象约260~320℃时有徐变现象8006004002000N/mm2Efuδfy200400600温度对钢材机械性能的影响20406080δ%220210200190180170160Ex103T(0C) 温度升高时对钢材的影响兰脆现象指温度在250℃左右的区间内，fu和fy升高，塑性降低，材料有转脆倾向。在兰脆区进行热加工，可能引起裂纹。徐变现象指在应力持续不变的情况下钢材以很缓慢的速度继续变形的现象。结合200℃以内材性无大变化的性能看，结构表面所受辐射温度应不超过这一温度。设计时以规定150℃为适宜，超过之后结构表面即需加设隔热保护层。 温度降低时对钢材的影响在负温范围fu与fy都增高但塑性变形能力减小，因而材料转脆，对冲击韧性的影响十分突出。中间部分曲线较陡，破坏时需要的能量随温度而急剧变化，这部分对应的温度用T1，及T2表示，Tl与T2之间称作温度转变区。材料由塑性破坏转到脆性破坏是在这一区间内完成的。曲线最陡点所对应的温度T0该种钢材的转变温度。低能部分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 应力集中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。 构件形状与应力集中构件形状变化愈是急剧，应力集中现象愈严重，钢材的塑性也就降低愈厉害。 应力集中的处理常温静载作用下的构件，只要构造符合规范要求，可不考虑应力集中的影响。受动力荷载的结构，应力集中对疲劳强度影响很大，应采取措施避免产生应力集中。<1:2.5 板厚、直径的影响轧制的钢材板厚愈薄、直径愈小，其强度愈高，塑性和冲击韧性愈好 残余应力