第2章钢结构材料-20120906.ppt

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1、第二章钢结构材料第一节建筑钢结构对材料的要求第二节钢材的主要性能测试第三节影响钢材性能的主要因素第四节复杂应力状态下的屈服条件第五节钢材的疲劳第六节建筑结构用钢的种类及选择第一节建筑钢结构对材料的要求1、较高的强度：结构承载力大，截面小，结构的自重轻；2、较好的塑性及韧性：塑性好，破坏前变形明显，不易发生脆性破坏，同时可以调整局部高峰应力，内力重分布；韧性好，利于承受动力荷载，避免发生裂纹和脆性断裂；3、良好的加工性能：不因加工对结构的强度、塑性、韧性造成较大的不良影响；4、其他性能：具有适应低温、高温和抵抗腐蚀的性能。《钢结构设计规范》GB50017-2003推荐承

2、重结构用钢宜采用：碳素结构钢中的Q235钢及低合金高强结构钢中的Q345、Q390和Q420钢四种钢材。第二节钢材的主要性能测试一、强度1、弹性阶段由零到比例极限，应力应变符合虎克定律，完全卸载时变形变为零，不存在残余变形，直线斜率为弹模曲线五个阶段2、弹塑性阶段应力应变非线性关系，应变包括弹性应变和塑性应变，卸载时塑性应变不能恢复，存在残余变形；内部晶粒发生滑移,相应应力为屈服点；3、塑性阶段应力屈服后，应力保持不变，应变继续增加；相应的应变幅度称为流幅，流幅越大，钢材的塑性越好4、强化阶段屈服后，恢复抵抗外载能力，曲线呈上升的非线性关系，直到抗拉强度（对应极限荷载

3、）5、颈缩阶段到达极限荷载后，在试件质量较差截面发生颈缩，即截面减小，变形增大，承载能力随之下降，试件破坏。1、本构关系(1)屈服点fy；(2)水平直线段用流幅段；2、抗拉强度fu：最大承载强度，安全储备3、弹性模量E几个重要参数塑性破坏：加载后有较大变形，有明显的颈缩现象，因此破坏前有预兆，断裂时断口呈纤维状，色泽发暗；构件断裂发生在应力达到钢材的抗拉强度fu；脆性破坏：加载后，无明显变形，因此破坏前无预兆，断裂时断口平齐，呈有光泽的晶粒状，脆性破坏危险性大；破坏时应力常小于钢材的屈服点fy；钢材的破坏形式二、塑性1、定义：钢材屈服后，产生残余变形（塑变）而不发生脆

4、性断裂的性质2、指标：伸长率δ5（δ10）和断面收缩率3、意义：代表钢材断裂前具有的塑性变形能力；便于内力重分布，吸收能量。思考：相同材料分别采用长试件（10d）和短试件（5d），请问两者哪个大？三、韧性－冲击韧性1、定义：动力性能，钢材在一定温度下塑变及断裂过程中吸收能量的能力，即抵抗冲击荷载的能力；2、计算：断口（单位面积上）的功即为冲击韧性；3、试件类型：夏比（V形）和梅氏（U形）4、温度的影响：温度越低，冲击韧性越低；按常温（20）、零温（0）、负温（-20、-40）四档。四、冷弯性能1、定义：在冷加工过程中产生塑性变形（弯曲变形）时，对产生裂纹（分层）的抵抗

5、能力。2、参数：弯心直径d和弯曲角度180；3、意义：判别钢材塑性变形能力及冶金质量（颗粒结晶及非金属杂质分布）的综合指标。4、对象：对需进行冷加工、尤其是焊接结构焊接变形需要进行调直和调平的构件。五、可焊性1、定义：可焊性是指采用一般焊接工艺就可完成合格的(无裂纹的)焊缝的性能。2、分类：施工上可焊性（焊缝金属和近缝区不出现裂缝）和使用性能上的可焊性（焊接构件在施焊后的力学性能不低于母材的力学性能）；3、所含元素的影响：钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在0.12％~0.20％范围内的碳素钢，可焊性最好。碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆。第三节影响钢材

6、性能的主要因素1、化学成分2、成材（冶金、浇铸及轧制）过程3、钢材缺陷4、钢材硬化5、应力集中6、温度一、化学成份的影响基本成份：铁（Fe)有益元素：碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）有害元素：硫（S）、磷（P）、氮（N）、氧（O）1、碳（C）碳是形成钢材强度的主要成分；C↑强度↑塑性、韧性、可焊性、冷弯性能↓焊接结构应控制在≤0.20%。一、化学成份的影响2、锰（Mn）提高强度，不过多降低塑性和冲击韧性；脱氧作用，但属于弱脱氧剂；消除硫对钢的热脆影响；锰可降低钢材的可焊性，故含量有限制。3、硅（Si）有脱氧作用，是强脱氧剂。使钢材的粒度变细，控制适量时可提高强度而不显

7、著影响塑性、韧性、冷弯性能及可焊性；过量时则会恶化可焊性及抗锈蚀性。4．钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti)使钢材晶粒细化；低合金钢的合金元素；提高钢材强度，又保持良好的塑性、韧性。5、硫(S)生成易于熔化的硫化铁，当热加工及焊接时易出现裂纹，称为热脆。降低钢冲击韧性，同时影响疲劳性能与抗锈蚀性能。一、化学成份的影响6．磷(P)碳素钢中的杂质，在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。在高温时使钢减少塑性。但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。7．氧(O)、氮(N)氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈；氮能使钢冷脆，与磷相似。在浇铸过程中，应根据需要进行不同程度的脱氧处理。