《钢结构材料》PPT课件

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(4学时)主要内容2.1钢结构用材的要求2.2钢材的主要性能及其鉴定2.3影响钢材性能的因素2.4钢材疲劳2.5建筑用钢种类及选用重点：钢材的主要性能及其影响因素第2章钢结构材料(4学时） 本次课程内容◆钢结构用材的要求◆钢材的主要性能及其鉴定◆影响钢材性能的因素重点：钢材的主要性能影响钢材性能的因素 虽然钢材有几百种，符合钢结构性能要求的只有碳素钢及合金钢中的少数几种。钢结构的钢材必须具备下列性能：◆较高的强度。即抗拉强度和屈服点比较高。◆足够的变形能力。即塑性韧性性能好。◆良好的加工性能。即适合冷、热加工。◆良好的可焊性。◆还应具有适应低温、有害介质侵蚀、重复荷载作用。2.1钢结构用材的要求 《钢结构设计规范》（GB50017－2002）推荐的承重钢结构用钢：碳素结构钢(carbonstructuralsteels)Q235钢低合金高强度结构钢（highstrengthlowalloystructuralsteels)Q345、Q390、Q420钢钢材有两种破坏形式2.2钢材的主要性能及其鉴定2.2.1钢材的破坏形式 塑性破坏（ductilefracture)◆破坏前具有较大的塑性变形；◆破坏后断口呈纤维状，色泽发暗；◆应力达到抗拉强度后才会发生破坏；◆破坏过程较长，容易被发现和抢修加固，不致发生严重后果。钢材塑性破坏前的较大塑性变形能力，可以实现构件和结构中的内力重分布，钢结构的塑性设计就是建立在这种足够的塑性变形能力上。 脆性破坏（brittlefracture)◆破坏前塑性变形很小，甚至没有。◆破坏后断口平直，呈有光泽的晶粒状。◆破坏时应力低于抗拉强度，甚至低于屈服强度◆破坏速度极快，无法察觉和补救，一旦发生破坏后果非常严重。钢结构在设计、施工和使用过程重，要特别注意防止脆性破坏发生。 钢材拉伸试验可获得三个重要的力学性能指标：抗拉强度(tensilestrength)：反映钢材受拉时所能承受的极限应力。伸长率(elongation)：衡量钢材断裂前所具有的塑性变形能力的指标。屈服强度(yieldstrength)：衡量钢材在单向应力作用下屈服的标志。是钢结构设计中应力允许达到的最大限值。2.2.2钢材在单向一次拉伸下的工作性能 拉伸试验Steel 根据试样厚度，按规定的弯心直径将试样弯曲180度，表面及侧面无裂纹或分层则为“冷弯合格”，图2-1。冷弯性能是衡量钢材在常温下冷加工弯曲时产生塑性变形的能力，及判别钢材图2-1冷弯试验内部缺陷和可焊性的综合指标。重要结构需要有良好的冷热加工的工艺性能时，应有冷弯合格保证。2.2.3冷弯性能（cold-bendingbehavior) Steel冷弯试验 冲击韧性衡量钢材断裂时吸收机械能量的能力，是强度与塑性的综合指标。现行国家标准《碳素结构钢》(GB700-88)规定采用国际上通用的夏比试验法，夏比缺口韧性用表示，其值为试件折断所需要的功，单位为焦耳，图2-2。对重要结构要根据相应的环境温度对应提出常温(+20℃)冲击韧性、0℃冲击韧性或负温(负温-20℃、-40℃)冲击韧性的合格保证。2.2.4冲击韧性(notchtoughness) 图2-3夏比V型缺口冲击试验1-摆锤；2-试件；3-试验机台座；4-刻度盘；5-指针 冲击韧性试验 可焊性是指采用一般焊接工艺就可以完成合格的焊缝的性能。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。含碳量再高可使焊缝和热影响区变脆。一般Q235A通常不能用于焊接构件，而Q235B、Q235C、Q235D适合焊接使用。高强度低合金钢中，合金元素对可焊性由不利影响。2.2.5可焊性 我国行业标准《建筑钢结构焊接技术规程》JGJ81-2002，推荐使用碳当量来衡量低合金钢可焊性，公式如下：(2-1)当碳当量不超过0.38%时钢材可焊性很好；当在0.38%～0.45%时施焊时需要控制焊接工艺和预热措施；大于0.45%时，需要严格控制焊接工艺和预热措施。 钢材质量性能指标有：抗拉强度、伸长率、屈服强度、冷弯性能、冲击韧性。工艺性能和化学成分也是反映钢材性能的重要因素。根据《钢结构工程施工质量验收规范》(GB50205-2001)的规定，对于进入施工现场的钢材需进行进场验收，即检查钢材的质量合格证明文件、中文标识及验收报告，确认钢材的品种、规格、性能是否符合现行国家标准和设计要求。钢材质量的抽样检验应由有相应资质的质检单位进行。2.2.6钢材性能的鉴定 课间休息2 2.3.1化学成分的影响钢材化学成分有铁(Fe)，占99%左右，此外是碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、硫(S)、磷(P)、氧(0)、氮(N)、钒(V)等。◆碳是形成钢材强度的重要成分，随着含碳量的提高，钢材强度逐渐增高，而塑性和韧性下降，冷弯性能、焊接性能和抗锈蚀性能也变劣。2.3影响钢材性能的因素 低碳钢——含碳量小于0.25%的钢材；中碳钢——含碳量介于0.25%和0.6%之间的钢材；高碳钢——含碳量大于0.6%的钢材。钢结构所用钢材中碳含量≤0.22%，对于焊接结构严格控制在0.2%以内。◆锰是有益元素，是一种弱脱氧剂，可提高钢材的强度，改善钢的冷脆倾向，但却降低焊接性能，应控制含量，在低合金钢中含量为1.2%～1.6%。 ◆硅是强脱氧剂，可使钢材粒度变细，提高强度且不影响其他性能。在普通碳素钢中(Si)含量在0.12%～0.3%,在低合金钢中含量0.2%～0.55%。过量硅会恶化焊接性能和抗腐蚀性能。◆硫是有害元素，能生成易于熔化的硫化硫化铁。温度达800～1000℃时，出现裂纹，称为热脆，还会降低钢的冲击韧性，影响疲劳性能和抗锈蚀性能，故对硫的质量分数应严格控制在0.05%以内。 ◆磷也是有害元素，在低温下会使普通碳素钢变脆，称为冷脆；高温时则使钢的塑性降低，故含量应限制在0.045%以内。◆氧也是有害元素，氧能使钢热脆。◆氮也是有害元素，使钢冷脆，故含量应严加控制。◆钒、铌、钛适量可提高钢的强度、韧性和抗锈蚀能力，而不显著降低塑性。◆铝是强脱氧剂，提高钢的强度、低温韧性含量不小于0.015%。 ◆冶炼方法——炉种的影响；◆浇铸脱氧——因脱氧程度的不同，形成镇静钢、半镇静钢、沸腾钢；◆冶金缺陷——偏析、非金属夹杂、气泡、裂纹等；◆轧制——使金属的晶粒变细，使气泡、裂纹等焊合，改善了力学性能，钢板越薄强度越高；2.3.2成材过程的影响 ◆热处理——是指金属在固态夏通过改变温度、保温和随后调整至室温，实现改变金属组织，获得所需性能的工艺方法。目的在于取得高强度的同时保持良好的塑性和韧性。其工艺分为退火、正火、淬火、回火。◆时效硬化钢材中的氮和碳，随时间的增长从固体中析出，从而使钢材的强度提高，塑性韧性降低，脆性增大。这种现象称为时效硬化，也称老化。如图2-3所示。2.3.3硬化的影响 图2-3硬化对钢材性能的影响◆冷作硬化(应变硬化）钢结构不考虑此种方法提高强度的，因为它容易引起裂缝。◆应变时效硬化钢材经冷加工硬化后又经时效而硬化变脆的现象。 在截面形状改变处,如孔眼、切口、加粗等，会出现应力集中现象，图2-4。图2-5应力集中2.3.4应力集中的影响 图2-5应力集中对钢材性能的影响 在正温度范围内，总的趋势是随着温度的升高，钢材的强度降低，塑性增大。在250℃左右时，钢材的强度略有提高，而塑性降低，钢材呈脆性，此现象称为蓝脆现象。在250～350℃时，钢材会产生徐变现象。在600℃时钢材的强度很低不能承担荷载，如图2-6。《钢结构规范》规定在超过150℃时结构表面需要加设隔热保护层。2.3.5温度的影响 在负温范围内，随着温度降低，钢材的脆性倾向逐渐增加，钢材的冲击韧性下降。当冬季计算温度等于或低于－20℃时，不同不同钢种，特别是受动力荷载的结构，要有负温冲击韧性的保证。图2-6低碳钢在高温下性能 荷载可分为静力荷载和动力荷载两大类。静力荷载中的永久荷载属于一次加载，可变荷载看作重复加载。动力荷载中的冲击荷载属于一次快速加载，吊车梁所受的吊车荷载及建筑结构所承受的地震作用则属于连续交变荷载，或称循环荷载。加荷速度的影响由图2-7看出，随着加荷速率的减小，曲线向温度低侧移动。在温度较高和较低两侧，三条曲线趋于接近，应变速率的影响不十分明显，2.3.6荷载类型的影响 当在常温范围内加荷速率越高，缺口试件断裂时吸收的能量越低，变得越脆。因此在钢结构防止低温脆性破坏设计中应考虑图2-6不同应变速率下钢材断裂吸收加荷速度影响。能量随温度的变 请同学们预习下次课内容钢材的疲劳：疲劳的定义；疲劳破坏的特征；疲劳验算。建筑用钢的种类及选用：钢材种类规格钢材的选择 下次课再见 本次课的内容疲劳的定义◆钢材的疲劳疲劳破坏的特征疲劳验算钢材种类规格◆建筑用钢的种类及选用钢材的选择重点：疲劳破坏的特征难点：疲劳验算 钢材在连续交变荷载作用下，逐渐积累损伤、产生裂纹及裂纹逐渐扩展，直到最后突然破坏的现象称为疲劳(fatigue)。按照断裂寿命和应力高低的不同，疲劳分为高周疲劳和低周疲劳两类。高周疲劳的断裂寿命长，断裂前的应力循环次数大于等于50000，断裂应力水平较低，应力小于屈服应力，因此也称为低应力疲劳或疲劳，一般常见的疲劳多属于这种疲劳。2.4钢材的疲劳2.4.1疲劳的定义 低周疲劳的断裂寿命较短，断裂前的应力循环次数常在100－50000，断裂应力较高，应力大于等于屈服应力，伴有塑性应变发生，因此也称为应变疲劳或高应力疲劳。引起疲劳破坏的交变荷载由两种类型：一种为常幅交变荷载，引起的应力称为常幅循环应力；一种为变幅交变荷载，引起的应力称为变幅循环应力，图2-8。由这两种荷载引起的疲劳破坏分别称为常幅疲劳和变幅疲劳。2.4.2疲劳破坏的特征 图2-7常幅循环应力和变幅循环应力(a)常幅循环应力(b)变幅循环应力◆疲劳破坏具有突然性，破坏前没有明显的宏观塑性变形，属于脆性断裂。但于一般脆断的瞬间断裂不同，疲劳是在名义应力低于屈服点的低应力循环下，经历了长期的积累损伤过程后才突然发生的。 其破坏过程经历三个阶段，即裂纹的萌生、裂纹的缓慢扩展和最后迅速断裂。◆疲劳破坏的断口与一般脆性断口不同，可分为三个区域：裂纹源、裂纹扩展区和断裂区，图2-9。◆疲劳对缺陷十分敏感。缺陷部位应力集中严重，会加快疲劳破坏的裂纹萌生和发展。图2-8疲劳破坏断口特征 1.基本概念一次循环：连续重复荷载之下应力往复变化一周（图2-10).常幅应力循环：一次应力循环中应力幅为常数。应力比：等于按绝对值计算的最小图2-9循环应力谱2.4.3常幅疲劳 最小应力和最大应力之比，即（拉为正，压为负）。图2-9(a)为完全对称循环,（c）脉冲循环，（d）相当于静荷载作用。应力幅：应力变化的幅度。试验表明：疲劳强度除与主体金属和连接类型有关外，还与循环应力的应力比和循环次数有关。2.疲劳验算直接承受动力荷载重复作用的钢结构构件及连接，当应力循环次数时应进行疲劳验算。 （2-1)式中(2-2)表2.1系数 将变幅应力幅折算为常幅等效应力幅，然后按常幅疲劳进行验算，公式(2-3)式中2.4.4变幅疲劳验算 课间休息3 2.5.1建筑用钢的种类我国的建筑用钢主要为碳素结构钢和低合金高强度钢两种。1.碳素结构钢按国家标准GB/700-1998生产的钢材共有Q195、Q215、Q235、Q255、Q275等5种。其中Q235含碳量在0.22%以下，属于低碳钢，强度适中，塑性、韧性均好。根据化学成分和冲击韧性的不同划分为A、B、C、D共4个质量等级，按字母顺序由A到D，表示质量等级由低到高。2.5建筑用钢的种类及选用 碳素结构钢的钢号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号四个部分组成。F-沸腾钢，b-半镇静钢，Z-镇静钢，TZ-特种镇静钢。Z、TZ可省略。2.低合金高强度钢按国家标准GB/T1591-1994生产的钢材共有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等5种。按化学成分和冲击韧性划分为A、B、C、D、E共5个质量等级。Q345、Q390、Q420有较高的强度和塑性、韧性、焊接性能。 钢板有厚钢板、薄钢板、扁钢。表示方法为在符号“－”后加“宽度×厚度”。厚钢板：厚度4.5∼60mm，宽度600∼3000mm，长度4m∼12m；热轧型钢常用有角钢、工字钢、槽钢等，图2-10a∼f。冷弯薄壁型钢采用1.5∼6mm厚的钢板冷弯和辊压成型的型材图2-10g；采用0.4∼1.6mm的薄钢板经辊压成型的压型钢板图2-10h。2.5.2钢材规格 图2-10热轧型钢及冷弯薄壁型钢 选用原则保证结构安全可靠，符合使用要求，尽可能地节省钢材和降低工程造价。具体应考虑下列因素：（1)结构的重要性。（2）荷载特征。（3)连接方式。（4）结构的工作环境。（5）钢材厚度。2.5.3钢材的选择 1.钢材有哪两种破坏形式?2.衡量钢材性能的好坏常用哪些指标?3.影响钢材性能的主要化学成分有哪些?4.碳、硫磷对钢材的性能有那些影响？5.影响钢材性能的主要因素有那些?6.钢材在温度作用下的力学性能如何?7.硬化是如何影响钢材性能的?8.疲劳破坏的特征是什么?9.哪些因素可使钢材变脆?10.钢材的选用主要考虑那些因素?思考题 请同学们预习下次课内容钢结构连接形式：焊接连接；铆钉和螺栓连接；轻钢结构的紧固连接。对接焊缝设计：对接焊缝的构造对接焊缝的计算 下次课再见