钢结构教学课件PPT钢结构材料

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第二章钢结构材料 本章内容2.1钢材的力学性能2.2钢材的破坏形态2.3影响钢材性能的因素2.4钢材的分类2.5钢材的选用2.6钢材的规格 2.1钢材的力学性能2.1.1钢材的强度强度是钢材的一项主要机械性能，可通过单向拉伸实验确定。图2.1钢材的应力-应变关系 2.1钢材的力学性能2.1.1钢材的强度1.比例极限P这是应力-应变图中直线段的最大应力值。严格地说，比P略高处还有弹性极限，但弹性极限与P极其接近，所以通常略去弹性极限的点，把P看做是弹性极限。2.屈服点y应变在P之后不再与应力成正比，而是渐渐加大，应力-应变间成曲线关系，一直到屈服点。3.抗拉强度u屈服平台之后，应变增长时又需有应力的增长，但相对地说·应变增加得快，呈现曲线关系直到最高点。 2.1钢材的力学性能2.1.1钢材的强度1.比例极限P这是应力-应变图中直线段的最大应力值。严格地说，比P略高处还有弹性极限，但弹性极限与P极其接近，所以通常略去弹性极限的点，把P看做是弹性极限。2.屈服点y应变在P之后不再与应力成正比，而是渐渐加大，应力-应变间成曲线关系，一直到屈服点。3.抗拉强度u屈服平台之后，应变增长时又需有应力的增长，但相对地说·应变增加得快，呈现曲线关系直到最高点。 2.1钢材的力学性能2.1.2钢材的塑性钢材的塑性一般是钢材破坏前产生塑性变形的能力。衡量钢材塑性的好坏的主要指标是伸长率δ和截面收缩率ψ。图2.2拉伸试件 2.1钢材的力学性能2.1.3钢材的冷弯性能钢材的冷弯性能是衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时，抵抗产生裂纹能力的一项指标，由冷弯试验确定。它还是显示钢材内部缺陷状况的一项指标；是鉴定钢材在弯曲状态下塑性应变能力和钢材质量的综合指标。图2.3钢材冷弯试验示意图 2.1钢材的力学性能2.1.4钢材的冲击韧性钢材的冲击韧性是也称作缺口韧性，是衡量钢材在冲击荷载作用下，抵抗脆性断裂能力的一项力学指标，通常采用在材料试验机上对标准试件进行冲击荷载试验来测定。它用材料在断裂时所吸收的总能量来量度（Ak）。韧性是钢材强度和塑性的综合指标。图2.4钢材冲击韧性 2.2钢材的破坏形态钢材的破坏形态：1、塑性破坏：是构件应力超过屈服点fy，并达到抗拉极限强度fu后，构件产生明显的塑性变形而断裂，其断口常为杯形，呈纤维状，色泽发暗。破坏前有明显的变形，且有较长的变形持续时间，便于发现和补救。2、脆性破坏：破坏前无明显变形，平均应力低于抗拉强度fu，甚至是低于屈服强度fy，其断口平直，呈有光泽的晶粒状。破坏系突然，无明显预兆，此破坏危险性极大，应尽量避免。 2.2钢材的破坏形态2.2.1钢材的脆性破坏1、产生原因：裂纹、材料的韧性、钢材化学成分、冶金缺陷、钢板厚度、加载速度、应力性质和大小、最低使用温度、连接方法和应力集中等。2、提高钢材抗脆性断裂性能的主要措施有：1）合理设计2）合理制作3）合理使用 2.2钢材的破坏形态2.2.2钢材的疲劳破坏1、疲劳破坏：钢材或构件在连续反复荷载作用下，在应力远低于极限强度，甚至还低于屈服强度的情况下也会发生破坏，这种破坏称之为疲劳破坏（fatiguefailure）。2、疲劳强度：疲劳破坏时，钢材达到的最大应力称之为疲劳强度。影响疲劳强度的因素：应力的种类（拉应力、压应力、剪应力和复合应力等）、应力循环形式、应力循环次数、应力集中程度和残余应力等。 2.3影响钢材性能的因素2.3.1化学成分1、钢是含碳量小于2%的铁碳合金。钢中基本元素：Fe、C、Si、Mn、S、P、N、O。2、普通碳素钢中，Fe占99%，其余元素占1%。在低合金钢中，除了上述元素外，还有一定合金元素（镍、钒、钛等）（含量低于5%） 2.3影响钢材性能的因素2.3.1化学成分碳C：含量增加，钢材强度提高，而塑性、韧性和疲劳强度低。同时焊接性能和抗腐蚀性恶化。一般在碳素结构钢中不应超过0.22%，在焊接结构中还应低于0.2%。硫S：有害元素，常以硫化铁形式夹杂于钢中。当温度达800—1000℃时，硫化铁会熔化使钢材变脆，因而在进行焊接或热加工时，有可能引发热裂纹，称为热脆。降低钢材的塑性、韧性、可焊性、疲劳强度和抗锈蚀性能。含量应不超过0.055%。 2.3.1化学成分磷P：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在低温时，使钢材变脆，称之为冷脆。含量应不超过0.050%。可以提高强度和抗锈蚀性。(有害成分)锰Mn：含Mn适量使强度↑，降低S、O的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大,有益.在碳素结构钢中锰的含量为0.3%～0.8%，在低合金高强度钢锰的含量可达0.8%～1.8%。硅Si：碳素结构钢中应控制≤0.3%,在低合金高强度钢中硅的含量可达0.55%。 2.3.1化学成分铝Al：强脱氧剂，还能细化晶粒，可提高钢的强度和低温韧性，在要求低温冲击韧性合格保证的低合金钢中，其含量不小于0.015%。氧O：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在高温时，发生热脆。(有害成分)氮N：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在低温时，发生冷脆。(有害成分) 2.3影响钢材性能的因素2.3.2生产工艺影响1、冶炼：电炉钢、平炉钢和氧气转炉钢2、浇铸：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢、特殊镇静钢3、轧制：2.3.3钢材硬化时效硬化：钢材仅随时间增长而变脆的现象称为时效硬化应变硬化：钢材经冷加工（冷拉、冷弯等）而产生塑性变形，卸载后重新加载，可使钢材屈服点得到提高，但钢材塑性和韧性明显降低的现象，称为应变硬化（冷作硬化）应变时效硬化：钢材经应变硬化后，其时效硬化速度将加快，从而在较短时间内钢材又产生显著的时效硬化的现象，称为应变时效硬化 2.3影响钢材性能的因素2.3.4温度影响时，钢材性能变化不大；达250℃附近时，钢材抗拉强度略有提高，而塑性、韧性均下降，此时加工有可能产生裂缝。因钢材表面氧化膜呈蓝色，此现象称“蓝脆现象”；以后，屈服点和极限强度明显下降；时强度几乎等于零。2.3.5应力集中影响当构件截面发生急剧变化，出现几何不连续现象（如：钢结构构件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化、内部缺陷等），使构件截面上的一些区域产生局部高峰应力，此谓应力集中现象。 2.4钢材的分类建筑用钢主要为：1、碳素结构钢2、低合金高强度结构钢3、优质碳素钢4、优质钢丝绳5、建筑结构用钢板6、耐候耐火钢 2.4钢材的分类1、碳素结构钢现行的国家标准《碳素结构钢》（GB700-2006）牌号：Q195、Q215、Q235、Q275质量等级分为A、B、C、D四级A级无冲击功规定，对冷弯试验只在需方有要求时才进行；B级要求提供20°C时冲击功不小于27J；C级要求提供0°C时冲击功不小于27J；D级要求提供-20°C时冲击功不小于27J。同时，B、C、D级还要求提供冷弯试验合格证书。 2.4钢材的分类1、碳素结构钢钢的牌号有四部分组成：1、Q——代表屈服强度的字母；2、屈服点的数值——195、215、235、275；3、质量等级符号——A、B、C、D四个等级(碳素结构钢)A、B、C、D、E五个等级（低合金高强度结构钢）4、脱氧方法符号——F代表沸腾钢、z代表镇静钢、Tz代表特殊镇静钢。 2.4钢材的分类2、低合金高强度结构钢现行的国家标准《低合金高强度结构钢》（GB/T1591-2008）牌号：Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690八种交货时供方应提供力学性能质保书，其内容为：屈服强度（fy）、极限强度（fu）、伸长率（δ5或δ10）和冷弯试验；还要提供化学成分质保书；需要进行疲劳验算的结构钢材，尚应具有冲击韧性合格的要求。 2.4钢材的分类3、优质碳素结构钢含碳量小于0.8的碳素钢现行的国家标准《优质碳素结构钢技术条件》（GB699-1999）分为三类：低碳钢（C≤0.25%）中碳钢（C为0.25-0.6%）高碳钢（C>0.6%）4、优质钢丝绳 2.4钢材的分类5、建筑结构用钢板（GJ钢）现行的国家标准《建筑结构用钢板》（GB/T19879—2005）GJ钢与碳素结构钢、低合金高强度结构钢的主要差异有：规定了屈强比和屈服强度的波动范围；规定了碳当量CE和焊接裂纹敏感性指数Pcm；降低了P、S的含量，提高了冲击功值；降低了强度的厚度效应等。GJ钢牌号：Q345GJCZ25Q—屈服强度数值、GJ—高性能建筑结构用钢、C—质量等级符号（B、C、D、E）、Z—厚度方向性能级别四部分按顺序组成。 2.4钢材的分类6、耐候耐火钢耐候钢（即耐大气腐蚀钢）是介于普通钢和不锈钢之间的低合金钢系列。由普碳钢添加少量铜、镍等耐腐蚀元素而成，它具有耐锈，使构件抗腐蚀延寿、减薄降耗，省工节能等特点。600℃时的屈服强度达到常温规格值的三分之二。 2.5钢材的选用——确定钢材种类及其质量等级：钢材的选用原则1、结构的重要性安全等级不同，所选钢材的质量等级也应不同，重要的结构构件选用质量好的钢材。2、荷载特征荷载为静力或动力荷载，应选用各项性能不同的钢材。3、连接方法焊接应选择可焊性好的钢材；非焊接结构对含碳量可降低要求。 2.5钢材的选用——确定钢材种类及其质量等级：钢材的选用原则4、结构所处的温度和环境处于负温下工作时，选用负温冲击合格的钢材，结构周围有腐蚀介质存在时要选用抗锈性好的钢材。5、结构的受力性质经常承受拉力的构件，应选用质量较好的钢材。6、结构形式与钢材厚度钢材厚度较大的受拉和受弯构件，对材性要求应高一些。 2.6钢材的规格钢结构采用的型材有：热轧成型：钢板、型钢、圆钢、钢管冷弯成型：薄壁型钢、焊接钢管1、热轧钢板“-”宽度×厚度×长度（mm）2、热轧型钢（1）热轧角钢等肢角钢L肢宽×肢厚不等肢角钢L长肢宽×短肢宽×肢厚（2）热轧工字钢普通工字钢“I”和号数(代表截面高度厘米数)轻型工字钢“QI”和号数(代表截面高度厘米数)20号以上的工字钢，按腹板厚度同一号数又分a、b、c三类。 2.6钢材的规格2、热轧型钢（3）热轧槽钢普通槽钢“[”和号数轻型槽钢“Q[”和号数14号以上的槽钢，按腹板厚度同一号数又分a、b、c三类（4）H型钢(高X宽X腹板厚X翼缘厚）部分T型钢宽翼缘H型钢（HW,HM,HN)，用于轴压、压弯构件。H型钢可以剖分为T型钢供应，规格标记同H型钢，只是高度是H型钢的一半。 2.6钢材的规格3、钢管无缝钢管和焊接钢管“ф”外径×厚度4、冷成型型钢用2mm~6mm厚的薄钢板经冷弯或模压而成形。在国外，冷成型钢所用钢板的厚度有加大范围的趋势，如美国可用到1英寸(25.4mm)厚。5、压型钢板是由热轧薄钢板经冷压或冷轧成形，具有较大的宽度及曲折外形，从而增加了惯性矩和刚度。近年来开始使用的薄壁型材，所用钢板厚度为0.4mm~2mm，用作轻型屋面等构件。