钢结构的材料教学课件PPT.ppt

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1、第二章第二章 钢结构的材料钢结构的材料n钢结构对钢材性能的要求是多方面的，主要有以下几个方钢结构对钢材性能的要求是多方面的，主要有以下几个方面：面：n1.较高的强度。n2.足够的变形能力-塑性、韧性好。n3.良好的加工性能-冷加工性能和可焊性。n4.耐久性好。n2.1钢材在单向均匀受拉时的工作性能钢材在单向均匀受拉时的工作性能n2.1.1钢材的应力一应变曲线钢材的应力一应变曲线n单向拉伸试验可得钢材的应力一应变曲线。从中可得到钢材受力的几个阶段和强度、塑性的几项指标。n由低碳钢-关系曲线可见，结构钢材一次拉伸试验时，历经四个阶段。(1)弹性阶段弹性阶段(OA段)可得比例极限 fP；n(2)弹塑

2、性阶段弹塑性阶段（AB段）可得屈服强度 fY；n(3)塑性阶段塑性阶段（BC段）完成屈服台阶；n(4)强化阶段强化阶段（CD段）可得抗拉强度 fu，获得伸长率。n(5)颈缩阶段（颈缩阶段（DE段）段）截面缩小，应力降低，到E点拉断。2.1.2结构用钢的工作特性结构用钢的工作特性n钢材强度性能的指标有弹性模量弹性模量E、比例极限比例极限fP、屈服强度屈服强度fy、抗拉强度抗拉强度（极限强度）fu等，可以通过单向拉伸的应力-应变曲线得到。n1、强度nfy、fu、是衡量结构钢强度的主要指标。、是衡量结构钢强度的主要指标。n钢结构的钢结构的设计强度设计强度f一般以钢材的一般以钢材的屈服强度屈服强度fy

3、作为作为依据确定依据确定 。n因此对钢结构而言钢结构而言，结构钢可看成理想弹性理想弹性-塑性塑性体体，即在屈服之前为弹性阶段，屈服之后为塑性阶段，屈服强度则为其承载能力的极限。而将抗拉强度作为安全储备。n2、塑性塑性n衡量钢材塑性好坏的主要指标是伸长率（最大应变max）和断面收缩率,可由静力拉伸试验得到。n伸长率伸长率 等于试件拉断后的原标距间的伸长量和原标距比值的百分率：n式中伸长率；nl0试件原标距长度；n l1试件拉断后标距的长度。n伸长率是衡量钢材塑性性质的一项主要指标。伸长率是衡量钢材塑性性质的一项主要指标。n断面收缩率断面收缩率 是试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值

4、的百分率，按下式计算：%100001lll%100010AAA n式中 A0试件原来的断面面积，n A1试件拉断后颈缩区的断面面积。n断面收缩率 标志着钢材在颈缩区的三向同号拉应三向同号拉应力力状态下可能产生的最大塑性变形最大塑性变形能力，是衡量钢材在该拉伸应力状态下发生永久塑性变形而不致断裂的性质的一项重要指标。值愈大，表明塑性性质愈好。nfy、fu、是结构钢的基本力学指标，又称三项保证。是结构钢的基本力学指标，又称三项保证。n2.1.3、冲击韧性、冲击韧性n冲击韧性冲击韧性是指钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的一种能力。n钢材的韧性可通过不同温度下的冲击韧性试验得到。n韧性试验的标准试

5、件的型式有夏比（CharPy）V形缺口试件。此外还有U形缺口试件。n钢材的轧制方向轧制方向和厚度厚度要影响冲击韧性。n2.1.4、冷弯性能、冷弯性能n冷弯性能冷弯性能是指钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。通过冷弯试验来检验。冲击试验钢材冷弯试验示意图fy、fu、冷弯性能、冲击韧性反映了结构钢的机、冷弯性能、冲击韧性反映了结构钢的机械性能，又称五项保证。械性能，又称五项保证。n2.1.5钢材钢材Z向收缩率向收缩率n当钢材厚度较大时(40mm)，在焊接过程中或承受沿板厚方向的拉力作用时，容易发生层状撕裂。n1.层状撕裂的发生 n钢板的层状撕裂一般在焊接节点中产生。厚钢

6、板较易产生层状撕裂，因为钢板越厚，非金属夹杂缺陷越多，且焊缝也越厚，焊接应力和变形也越大。n2.钢板的钢板的Z向性能向性能n钢板沿厚度方向的受力性能（主要为延性性能）称为Z向性能，一般以断面收缩率断面收缩率作为评定指标。nGB5313厚度方向性能钢板的规定，适用于厚度15150mm及屈服点不大于500Nmm2的镇静钢钢板。该标准将钢板Z向断面收缩率分为Z15、Z25、Z35等三个级别，它对应的断面收缩率相应为15、25、35。对这三个级别的钢材还规定含硫量相应地分别小于0.01、0.007，0.005。%10011AAAoz n断面收缩率的级别愈高，其抗层状撕裂的性能愈好;含硫量愈高,断面收缩

7、率的级别愈低。n板厚板厚40mm称为厚板，使用时应考虑其称为厚板，使用时应考虑其Z向性能，即向性能，即采用采用Z向性能钢。向性能钢。nZ向断面收缩率大于大于20的钢板，其层状撕裂一般可其层状撕裂一般可以避免以避免；当Z向断面收缩率小于小于20时，则有可能发有可能发生层状撕裂生层状撕裂。n2.1.6钢材的可焊性可焊性n钢材的可焊性是指在一定的焊按工艺和结构条件下，钢材经过焊接后能够获得良好的焊接接头的性能。n对普通碳素钢，含碳量在0.27%以下，锰含量在0.7%以下，硅含量在0.4%以下，磷、硫含量各低于0.05%以下，可认为可焊性良好。n对低合金钢，我国行业标准建筑钢结构焊接技术规程（JGJ8

8、1）采用下式计算碳当量碳当量来衡量低合金钢低合金钢的可焊性：n计算的CE不超过0.38时，钢材的可焊性很好可焊性很好;n计算的CE大于0.38但未超过 0.45时，钢材淬硬倾向逐渐明显，需要采取适当的预热措施预热措施并注意控制施控制施焊工艺焊工艺；n计算的CE大于0.45时，钢材的淬硬倾向明显，需采用较高的预热温度和严格的工艺措施较高的预热温度和严格的工艺措施来获得合格的焊缝。uiornECNVMCMCC1515162.3钢材在复杂应力作用下的工作性能钢材在复杂应力作用下的工作性能 n钢材受双向或三向复杂应力的作用,用材料力学中的能量强度理论，来确定钢材在多轴应力状态下的屈服条件。n能量强度理

9、论能量强度理论材料多项受力时单位体积的畸变能等于其单向受力屈服时单位体积的畸变能则屈服。n当折算应力折算应力用主应力表示：yeqf21323222121 n由上式可知：钢材在多轴应力状态下，当处于同号应力场时，钢材易产生脆性破坏；而当处于异号应力场时，钢材将发生塑性破坏。n平面应力时，折算应力可简化为：n梁中，只存在正应力与剪应力，上式化为：n当钢梁受纯剪时，=0,极限屈服状态为：n所以钢材的抗剪设计强度抗剪设计强度取为0.58f,f为钢材抗拉强度设计值。fxyyxyxeq2223feq223yyff58.032.4钢材的破坏形式钢材的破坏形式 n钢材有两种破坏形式，一种是塑性破坏塑性破坏，也

10、叫延性破坏；另一种是脆性破坏脆性破坏。疲劳破坏是钢材在多次反复荷载作用下引起的断裂破坏，其性质属于脆性断裂n1、塑性破坏、塑性破坏n钢材晶粒中对角面上的剪应力值超过抵抗能力而引起晶粒相对滑移的结果。断口与作用力方向常成45o，断口呈纤维状，色泽灰暗而不反光，有时还能看到滑移的痕迹。n 2、脆性断裂、脆性断裂 脆性破坏在破坏前无明显变形，平均应力小,按材料力学计算的名义应力往往比屈服点低很多。脆性断裂没有任何预兆，破坏断口平直和呈有光泽的晶粒状。2.4.1钢材的脆性断裂n1.概述概述n一般认为脆性断裂是由裂纹引起的，是在荷载和侵蚀性环境中裂纹明显发展时发生的。n2.影响钢结构脆性断裂的因素影响钢

11、结构脆性断裂的因素 n(1)钢材质量差n(2)结构构件构造不当 n(3)制造安装质量差n(4)结构受有较大动力荷载，或在较低环境温度下工作等。n 3.脆性断裂的防止脆性断裂的防止n从设计、构造、加工和安装等方面来控制。2.4.2钢材的疲劳破坏钢材的疲劳破坏n钢材经过多次循环反复荷载的作用，虽然平均应力低于抗拉强度甚至低于屈服点，也会发生破坏的现象叫疲劳疲劳破坏破坏。n钢材的疲劳破坏是在循环荷载的长期反复作用下，裂纹发展而造成的突然破坏。n顾得曼（Goodman）提出了关于交变应力和平均应力的一些疲劳图。他认为不论非焊接结构和焊接结构，其疲劳强度均与最大应力、应力比和钢材强度级别有关。n大量全尺

12、寸焊接梁试件的疲劳断裂试验证明：影响焊接结构疲劳强度的最重要因素是应力幅（最大应力与最小应力的代数差）、接头细部构造类型，而不是最大应力、应力比。1应力比和应力幅应力比和应力幅n反复荷载引起的应n力循环形式有同号n应力循环和异号应n力循环两种类型。n每次循环中绝对值n最小的应力与绝对n值最大的应力比值n称为应力比（拉n为正，压为负）。n在应力循环中，最大拉应力与最小拉应力（或压应力）的代数差叫应力幅应力幅，即（拉为正压为负）。应力幅总为正值。n在每一次应力循环中，若应力幅为常数，叫常幅应力循常幅应力循环环；若应力幅不是常数而是变数，则叫变幅应力循环变幅应力循环。n对于焊接结构焊接结构，由于残余

13、应力残余应力的存在和影响，其疲劳破坏并不是最大应力重复作用的结果，而是应力幅重复作用的结果，故其疲劳强度疲劳强度主要取决于应力幅应力幅，并且与构与构件或连接的细部构造和作用的循环次数件或连接的细部构造和作用的循环次数有关，而与表示荷载循环特征的应力比及钢材种类应力比及钢材种类无关。对于非焊接结非焊接结构构，疲劳强度与最大应力和应力比最大应力和应力比有关。n2.疲劳强度与应力循环次数（疲劳寿命）的关系疲劳强度与应力循环次数（疲劳寿命）的关系n当应力循环的形式不变，钢材的疲劳强度与应力 循环的次数（疲劳寿命）N有关。n由试验可知，当应力循环无数次时，疲劳强度并不无限变小，而是趋于某一值，此值称为疲

14、劳极限强度。2.4.3损伤累积破坏损伤累积破坏n各种因素都可能造成结构损伤，而随时间的增加，损伤不断积累造成破坏，称为损伤累积破坏。n损伤有塑性损伤、疲劳损伤、材质的变化和蠕变损伤等。n2.5影响结构钢材力学性能的主要因素影响结构钢材力学性能的主要因素n2.5.1化学成分影响化学成分影响n1.碳碳(C)n 碳钢的组织都是由铁素体和渗碳体这两个相组成的。钢的强度来自渗碳体与珠光体(渗碳体与纯铁体的混合物)。n碳含量的增加，钢材的抗拉强度和屈服强度提高；但其塑性、冷弯性能和冲击韧性、特别是低温冲击韧性降低，焊接性也变坏。钢材中碳含量不能过高，通常不超过0.22。n2.锰锰(Mn)n锰是有益元素有益

15、元素，它能增加珠光体相对量，使组织细化。因此,它能显著提高钢材强度显著提高钢材强度,但不过多降低塑性和冲击不过多降低塑性和冲击韧性韧性。锰是弱脱氧剂弱脱氧剂;n我国低合金钢中锰的含量在1.01.7。但是过量过量的锰含量会使钢材的可焊性降低可焊性降低，钢材变脆和塑性降低,故含量有限制。n 3.硅硅(Si)n硅是有益元素，有更强的脱氧作用，是强脱氧剂强脱氧剂。硅有细化晶粒、提高钢的强度、硬度和弹性提高钢的强度、硬度和弹性的作用；并使钢钢的塑性、韧性和可焊性不受影响的塑性、韧性和可焊性不受影响。n硅的含量在碳素镇静钢中为0.120.3，低合金钢中为0.20.55，过量时则会恶化可焊性及抗锈蚀过量时则

16、会恶化可焊性及抗锈蚀性。性。n4.钒（钒（V）、铌（）、铌（Nb）、钛（）、钛（Ti）n钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢都含有这三种元素，可提高钢材强度和细化钢的晶粒。n钒、铌、钛的化合物具有高温稳定性，使钢的高温硬度提高。n5.铝（铝（Al）。铬（）。铬（Cr）、镍（）、镍（Ni）n铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。n低合金钢的C、D及E级都规定铝含量不低于0.015，以保证必要的低温韧性。n铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390钢和Q420钢。n6.硫硫(S)n硫是有害元素有害元素，在钢中主要以FeS的形态存在。FeS塑性差，强度低，所以含S量高的钢，脆性大脆性大。更严重的是，FeS和Fe能形成低熔点（985）的共晶体分布在奥氏体晶界上，当碳钢加热到11001200进行锻、轧等压力加工时，由于低熔点共晶体熔化而使钢在热加工过程中沿着晶界开裂，这种现象称为钢的“热脆热脆”。n硫还能降低钢的冲击韧性降低钢的冲击韧性，同时影响疲劳性能与抗锈蚀影响疲劳性能与抗锈蚀性能性能。n7磷（磷（P）n磷既是有害元素有害元素也是能利用的合