第二章材料.

1/127第二章钢结构的材料和计算方法2/127结构在满足使用要求的前提下，在设计荷载作用下和在预定使用期间内能安全可靠地工作。设计人员应充分了解材料的性能，防止结构发生破坏。结构设计的目的3/1272.1钢材的主要性能一、钢材的破坏形式1、塑性破坏破坏前应力较高，发生较大的塑性变形，有先兆现象，断口呈纤维状态。2、脆性破坏破坏前应力较低，没有先兆现象，破坏速度极快，断口呈平直状态。4/127颈缩断裂塑性拉伸断裂脆性破坏断口5/127二、钢材的主要性能1、力学性能（1）抗拉性能（2）硬度（3）冲击韧性（4）耐疲劳性2、工艺性能（1）冷弯性能（2）焊接性能满足要求的主要有碳素结构钢与低合金钢，最常用的如Q235和Q3456/1271、钢材的抗拉性能单向静力拉伸试验：用规定形状和尺寸的标准件，在常温下以规定的加载速度施加荷载，试验结果用应力—应变曲线表示。纵坐标为名义应力σ=F/A0，横坐标为应变ε=△l/l0。L0/d0=5、107/127O应力应变CDABfyfufp钢材受拉变形曲线8/127OfuAfyfpB应力应变CD（1）弹性阶段（OA段）试件发生弹性变形，应力—应变呈线性关系，直线斜率为弹性模量E=σ/ε此阶段，完全符合虎克定律E=σ/εＡ点相对应的应力为弹性级限fp9/127弹性模量是产生单位弹性应变时所需的应力大小，反映了钢材抵抗变形的能力。常用低碳钢的弹性模量E=2.06×105Mpa，弹性极限fp=180～200MPa。弹性变形在卸载后可以完全恢复。10/127（2）屈服阶段（AB段）应力超过fp时，应变增加的速度大于应力增长速度，应力与应变不再成比例，开始产生塑性变形。到达屈服点B后，应力发生很小的波动，应变却急剧增长，形成屈服台阶，发生塑性流动现象。OfuAfyfpB应力应变CD11/127以较稳定的屈服下限值作为屈服极限值fy。常用低碳钢的fy为185～235MPa。某些材质较硬的钢材没有明显的屈服台阶，取卸载后有0.2%残余应变所对应的应力为名义屈服极限值σ0.20.2%应变0.2应力12/127钢材受力达屈服点后，变形为弹塑性变形（塑性变形在卸载后不能完全恢复，还留存有残余变形），且迅速发展，尽管尚未破坏，但变形值较大已不能满足使用要求。13/127OGF应变fufyfpCBAE应力D残余应变钢材受拉变形、卸载曲线14/127设计中一般以屈服点fy作为强度取值依据，此时应变较小，εy≈0.15%。此外，由于fp与fy比较接近，通常将弹性阶段提高到屈服点，将fy作为弹性计算时材料强度的标准值。常用钢材：Q345低合金钢、Q235碳素钢设计值=标准值×系数15/127fy0.15%εσ建筑钢材可近似为理想弹塑性体，因此钢结构按塑性理论进行设计。16/127（3）强化阶段（BC段）超过屈服点以后，试件内部组织结构发生变化，抵抗变形能力又重新提高。C点对应的应力称为抗拉极限强度fu。常用低碳钢的fu为375～500MPa。OfuAfyfpB应力应变CD17/127fy为强度计算依据,fu为结构的安全储备fy/fu称为屈强比。屈强比越小，钢材在受力超过屈服点工作时的可靠性越大，结构愈安全；但如果屈强比过小，则钢材有效利用率太低，造成浪费。常用碳素钢的屈强比为0.85～0.63，合金钢的屈强比为0.65～0.75。18/127（4）颈缩阶段（CD段）钢材强化达到最高点后，在试件薄弱处的截面将显著缩小，产生“颈缩现象”。由于试件断面急剧缩小，塑性变形迅速增加，拉力也就随着下降，最后发生断裂。OfuAfyfpB应力应变CDl0d0l119/127（5）伸长率δ伸长率是试件拉断后，标距长度的伸长量△l与原标距长度l0的比值。试件l0=5d0，记为δ5伸长率是衡量钢材塑性的重要技术指标，伸长率愈大，塑性就越好。1000100%lllll20/127结构钢的三项基本力学性能（1）钢材的屈服强度fy（2）抗拉强度fu（3）伸长率δ21/127与单向拉伸的性能相近，屈服点大小相当钢材受压时的性能采用短试件l0/d0=3,屈服点同单向拉伸的屈服点钢材受弯时的性能钢材受剪时的性能抗剪强度低于抗拉强度，y=0.58fy22/1272、硬度硬度是指其表面抵抗硬物压入产生局部变形的能力。建筑钢材常用硬度指标为布氏硬度值，其代号为HB。布氏硬度是压力与压头压痕面积的比值。hOPbadD22210HB()PDDDd＝23/127布氏硬度在450以下时，用钢球压头，标记为HBS；布氏硬度在650以下时，用硬质合金钢球压头，标记为HBW。布氏硬度除了可判断材质软硬外，还可以定性判断钢材的抗拉强度、耐磨性和热处理效果。24/1273、冷弯性能冷弯性能是指在常温下承受弯曲变形的能力。是衡量塑性的重要技术指标，并能检验内部组织均匀程度和存在内应力及缺陷的情况。冷弯试验：用标准规定的弯头压弯试件到规定的角度（180°或90°）时，检查弯曲处有无裂纹、断裂及起层等现象。25/127冷弯试验26/1274、冲击韧性冲击韧性是衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、冲击荷载等作用下发生脆性断裂的能力。冲击韧性是强度和塑性的综合表现。冲击试验：重摆从一定高度自由下落，将中间开有缺口试件冲断，以试件吸收的冲击功AkV表示，单位为J。27/127冲击试验＝（－）kAPHh28/127（1）冲击韧性与温度有关，寒冷地区承受动载的结构要求具有-20℃、-40℃的负温冲击韧性。（2）冲击韧性与钢材的厚度有关，大厚度钢材的冲击韧性在负温下显著降低，因此在负温条件下应尽量采用小厚度的钢材。29/1275、耐疲劳性（1）疲劳破坏钢材在重复荷载的反复作用下，在应力远小于抗拉强度时就发生破坏，破坏时断口较整齐，表面有半椭圆状呈放射线的疲劳纹理，断裂前无预兆，是脆性断裂。30/127（2）疲劳破坏产生的原因构件及连接处存在局部缺陷（夹渣、微裂纹、孔洞、焊缝气孔等），在重复荷载作用下，缺陷处产生应力集中，出现微裂纹，当循环次数达到一定程度，则扩展形成宏观裂缝，出现突然断裂。此外，由钢材轧制及焊接时产生的残余应力会增加压力集中程度，加剧疲劳破坏。31/127应力比值：=min/max对称循环：=－1脉冲循环：=0应力幅：△=max－min常幅循环：△=常量变幅循环：△=变量重复荷载的应力循环32/127（3）影响疲劳破坏的因素钢材质量、构件几何尺寸和缺陷、应力循环特征（应力幅、应力比）、循环次数33/127（4）疲劳验算规范规定，疲劳计算采用容许应力幅法疲劳强度：试件在重复应力的作用下，在规定的周期内，试件不发生断裂所能承受的最大应力幅疲劳寿命：在一定应力幅的重复荷载作用下，试件不发生疲劳破坏时的最大循环次数34/127（5）疲劳计算注意事项①直接承受动荷载循环作用的结构，当循环次数n≥5×104次时，必须验算结构的疲劳强度；②钢材的疲劳破坏一般是由拉应力引起的，当荷载变化不大或只承受压应力，而不承受拉应力时，则不会发生疲劳破坏，可不进行疲劳计算；35/127（5）疲劳计算注意事项③疲劳计算时的荷载值为标准值，不需乘分项系数或动力系数进行放大；④容许应力幅与钢材强度无关，即高强度的钢材不能提高构件的疲劳强度。36/1276、焊接性能焊接性能是指在给定的构造型式和焊接工艺条件下，获得符合质量要求的焊缝的性能。对于重要或承受动荷的焊接结构，需用带焊缝的试件进行试验，测试其钢材焊接性能。钢材的焊接性与钢材的含碳量、化学成分、钢材的塑性和冲击韧性密切有关，焊接性可间接地用冲击韧性AkV来检验。37/1277、抗蚀性和防腐措施（1）腐蚀的原因①化学锈蚀：钢材直接与周围介质发生化学反应而产生的锈蚀。②电化学锈蚀：钢材与电解质溶液接触而产生电流，形成微电池而引起的锈蚀，是建筑钢材发生锈蚀的主要形式。38/127AKe-e-O2OH-Fe2+CurrentFe(OH)2Fe(OH)3Steelgate阳极（电极高）Fe→Fe2++2e阴极（电极低）O2+4e→2O2–O2–+H2O→2OH–电化学反应Fe2++2OH-→Fe(OH)24Fe(OH)2+O2+2H2O→4Fe(OH)339/127（2）腐蚀的危害降低结构的承载能力：①削弱有效截面②产生局部锈坑，引起应力集中③易产生疲劳现象，发生脆性断裂40/127（3）防腐措施①选用抗蚀性好的钢材低合金钢、合金钢、耐候钢低合金钢Q345比碳素钢Q235的腐蚀速度慢20%~38%41/127②保护膜法搪瓷、防腐涂料、油漆、耐腐蚀金属、塑料涂料防护喷涂防护42/127③电化学保护法牺牲阳极（镁、锌）保护法、外加电流保护法Ke-SteelgateZne-AKMgKe-SteelgateZne-AK43/1272.2影响钢材力学性能的主要因素一、化学成分1、碳（C）2、硫（S）3、磷（P）4、氧（O）5、氮（N）6、锰（Mn）7、硅（Si）8、钒（V）44/127碳素钢的含碳量（≤0.20/0.22%）①低碳钢：≤0.25%②中碳钢：0.25%～0.60%③高碳钢：0.60%合金钢的合金元素含量①低合金钢：5%②中合金钢：5%～10%③高合金钢：10%45/127高级优质钢含S量0.035%，含P量0.035%优质钢含S量0.045%，含P量0.04%普通钢含S量0.05%，含P量0.045%46/1271、碳（C）碳是决定钢材性能的最重要元素，它对钢材的强度、塑性、韧性、可焊性、时效敏感性、耐大气锈蚀能力等性能都有影响。工程中常用的碳素钢均为低碳钢，含碳量小于0.22%，焊接结构钢材的含碳量应限制在0.20%以下。47/1272、硫（S）硫是钢材的有害元素，呈非金属硫化物夹杂物存在于钢中，使钢材的可焊性、冲击韧性、耐疲劳性和抗腐蚀性等均降低，并使钢材在热加工过程中出现热脆现象。一般要求含硫量应小于0.05%，低合金桥梁钢的含硫量应小于0.045%。48/1273、磷（P）磷是钢材的有害的元素，使钢材塑性、冲击韧性、可焊性显著下降，加大钢材的冷脆性，但磷可提高钢材的强度和耐蚀性，在低合金钢中可配合其他元素作合金元素使用。一般要求含磷量应小于0.045%，低合金桥梁钢的含硫量应小于0.04%。49/1274、氧（O）氧是钢材中有害元素，与硫的作用相似，降低钢的机械性能，特别是冲击韧性，并使可焊性变差，引起热脆现象。一般要求含氧量应小于0.03%。50/1275、氮（N）氮对钢材性质的影响与碳、磷相似，使钢材强度提高，塑性、冲击韧性显著下降，并加剧钢材的时效敏感性和冷脆性，降低钢材的可焊性。一般要求中氮含量应小于0.008%。51/1276、锰（Mn）锰是钢的有益元素，炼钢时起脱氧、去硫作用，改善钢材的热加工性，提高钢材的强度和硬度，但使伸长率和可焊性降低。锰是我国低合金结构钢的主加合金元素。如含锰量为11%～14%的高锰钢具有较高的耐磨性。52/1277、硅（Si）硅是钢的有益元素，炼钢时起脱氧作用。硅含量小于1.0%时，能提高钢的机械强度，且对钢的塑性和韧性无明显影响；硅含量大于1.0%时，塑性和韧性显著降低，脆性增加，可焊性变差。硅是我国钢筋的主加合金元素。53/1278、钒（V）钒是弱脱氧剂，可减弱碳和氧的不利影响，能细化晶粒，有效提高强度，增加抗腐蚀性，减小时效敏感性，但有增加焊接时的淬硬倾向。钒是常用的微量合金元素。我国最常用的Q345低合金钢就是在Q235碳素钢基础上添加适量的硅、锰元素54/127二、冶炼、浇注和轧制1、冶炼（1）氧气顶吹转炉炼钢（2）平炉炼钢（3）电弧炉炼钢55/127电弧炉平炉氧气顶吹转炉56/1272、浇注由脱氧程度不同形成（1）沸腾钢F（2）镇静钢Z（3）半镇静钢b（4）特殊镇静钢TZ57/127沸腾钢：塑性、冲击韧性和可焊性较差，易发生时效硬化、材质变脆；但钢锭缩孔小，切头少，成材率高，价格便宜。承受静载的水上结构可选用沸腾钢。镇静钢：组织紧密均匀，强度、冲击韧性、可焊性、抗蚀性等都较高，冷脆性较好；但钢锭缩孔大，价格较贵，适用于低温以及承受动荷载的