第二课钢结构材料

钢结构基本原理二0一四年九月高层建筑结构概述二0一二年九月fyfu单轴拉伸经历5个阶段：弹性阶段（OE）弹塑性阶段（ES）屈服阶段（SC）强化阶段（CB）颈缩阶段（BD）碳素结构钢的应力-应变关系fp1、均匀受拉时的工作性能A:fp≈200MPa,ep≈0.1%C:fy≈235MPa,ey≈0.15%2.5%B:fu≈370-460MPa,eu≈21%钢材是理想的弹塑性材料钢材的屈强比fy/fp是结构的安全储备钢材的塑性：伸长率d与收缩率y,原尺寸与拉断后尺寸相对比100100100%100%llAAlAdy2、单轴反复应力下的工作性能钢材反复加载曲线：冷作硬化、时效、疲劳、滞回曲线3、复杂应力下的工作性能塑性弹性yzsyzszxyzxyxzzyyxzyxzsff2222223yyyzszsxyyxyxzsfff58.031,3333222222纯剪：受弯梁：平面应力：双拉：屈服点高、伸长率低，拉压：屈服点低、伸长率高，yxyxzsyxyxzsyxfff58.03,，，时4、抗冲击性能和冷弯性能强度和塑性指标——承受静力荷载性能：静力拉伸试验钢材抗冲击性能——承受动力荷载性能：冲击韧性akV型、U型缺口,ak=Ak/An——强度和韧性的综合指标Ak——冲击功[N.m](J),Ak=W(h1-h2),W=摆锤重，h1/h2=冲断前后摆锤高度An——试件缺口处净截面面积钢材的冷弯性能：钢材常温下冷加工产生塑性变形时对发生裂缝的抵抗能力衡量钢材力学性能的综合指标——冷弯试验检验钢材内部缺陷（晶粒、结晶、杂物）拉伸试验和冲击试验的补充韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力，它用材料在断裂时所吸收的总能量来量度（Cv）摆锤h1h2冲击韧性：在动力荷载作用下，材料吸收能量的能力。韧性是钢材强度和塑性的综合指标。冲击韧性试验焊接焊接热影响区和焊接热影响效应焊接应力、塑性韧性等力学指标退化可焊性好：焊缝处及热影响区力学性能不低于母材、无焊接裂缝、安全可靠可焊性取决于钢材化学成分含量：低碳钢：碳0.27%、锰0.7%、硅0.4%、硫磷0.05%低合金钢：碳当量EC%=C+Mn+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15可焊性试验：施工中试验、使用中试验、冲击韧性、裂纹5、可焊性干腐蚀：金属和非金属元素直接结合湿腐蚀：水分多的环境下与非金属元素结合形成腐蚀物提高抗腐蚀性能：涂料底层处理(抛丸除锈等)+底漆+面漆耐侯钢材Cu-P-Ti-Re:09CuPCrNi,16CuCr,12MnCuCrCu-P-Ni-Cr:SMA400AW,AP,SMA490AW6、抗腐蚀性能延性破坏：塑性破坏，应力fyfu，径缩变形断裂，变形时间长剪应力超过晶粒抗剪能力脆性破坏：脆性断裂，应力fy，无明显变形、无预兆，端口平直拉应力超过晶粒抗拉能力。强度理论应力fy破坏？不适用于脆性断裂断裂力学理论！I型裂纹：张开型II型裂纹：滑移型III型裂纹：撕开型7、延性破坏、累积损伤、脆性破坏、疲劳破坏系数裂纹宽度一半应力应力强度因子：临界应力0：裂纹失稳扩展时应力断裂韧性KIC：IKa0ICKaKIKIC稳定，裂纹不扩散KI=KIc临界KIKIC失稳，裂纹扩展弹性断裂力学公式：弹性断裂力学公式(张开位移理论)：2IICyIICaEfdddd稳定不稳定位移临界值ICyICEfKd影响脆性断裂的因素：裂纹尺寸、作用应力、材料韧性提高抗脆断措施：焊接施工管理，避免焊接裂纹、杂质避免焊缝集中、采取措施避免或消除焊接残余应力优化细部构造措施、避免应力集中选择合理钢材，低温动力下工作时选用高等级钢应力腐蚀断裂：S(0.20.5)ICCIKK疲劳破坏：反复荷载下低应力状态突然破坏反复荷载下的脆性破坏疲劳破坏过程：裂纹形成裂纹缓慢扩展裂纹失稳扩展(焊缝)内部缺陷应力集中影响因素：应力循环形式和次数、应力集中、残余应力、缺陷应力比：rmin/max绝对值较小绝对值较大拉(+)压(-)应力幅：由于存在残余应力，r不能代表实际应力变化情况Dmaxmin最大拉应力最小拉应力或压应力拉(+)压(-)疲劳强度曲线：匀质材料疲劳强度与应力比的关系：应力幅与应力循环次数关系：2211ImIm13221132211lglg/lg,1121(3,1)20axinaaaaKKKadadaAKAKdNdNdadaNAAKaaNaAaacaAacNDDDDDDDDDDDDrrKKKKp1,,,0maxmaxmax0minmax0110损伤累积破坏：损伤：荷载+环境+温度+化学缺陷塑性损伤、疲劳损伤、材质变化、蠕变损伤损伤不断积累导致的破坏损伤累积破坏损伤变量D：无损伤0、破坏1，D=(0,1)单调递增、不可逆Nip1nNmipp1nn1211,1piippiDDyyDDEDEfDfeeeeee化学成分的影响Fe-99%,C、Si、Mn、V1.5%，Cr、Ni、Cu、Ti、NbS、P、O、N0.1%C↑:屈服点和抗拉强度↑，塑性/韧性/可焊性/耐腐蚀性/疲劳/冷弯↓适量Si(0.1%-0.3%):强度↑，过量降低塑性/韧性/可焊性/抗锈性适量Mn(0.3%-0.8%)：强度↑,消除热冷脆,过量降低塑性/韧性/可焊性/抗锈性S硫化铁:降低塑性/韧性/疲劳/可焊性/抗锈性，产生热脆，0.045%P：强度/抗锈蚀性↑,严重降低塑性/韧性/冷弯，产生冷脆，0.045%O/N：O产生热脆,0.05%；N产生冷脆,0.008%8、影响钢材性能的一般因素生产过程的影响冶炼浇铸轧制矫正冶炼：方法：碱性平炉炼钢法、顶吹氧气转炉炼钢法、碱性侧吹转炉炼钢法目的：控制化学成分碱性侧吹效果差，已淘汰。平炉/顶吹效果接近，顶吹效率高应用更多。浇铸：钢液钢罐脱氧剂氧化铁脱氧程度:沸腾钢/半镇静钢/镇静钢/特殊镇静钢沸腾钢：Mn为脱氧剂，脱氧程度差，浇铸时氧化铁+碳CO气体，冷却快、成品率高、成本低；材质不均匀、塑性韧性可焊性差。镇静钢：Si为脱氧剂，脱氧能力强，脱氧充分，冷却缓慢无沸腾现象冷却收缩上部缩孔大、切头大、成品率低、成本高，力学性能好半镇静钢：介于沸腾钢与镇静钢间特殊镇静钢：Mn/Si脱氧后，用铝钛补充脱氧，明显改善力学性能轧制：钢锭钢板/型钢高温加压(1200-1300OC)改善内部组织/力学性能轧制钢板薄力学性能好、强度/塑性/韧性好轧制方向材性由于垂直方向，试件沿垂直方向下料较厚钢板中杂质薄片分层Z向性能差(层状撕裂)需进行Z向材性试验时效的影响碳/氮固熔物质随时间增加析出表面散步在晶粒滑移面上，约束塑性变形，提高强度，降低冲击韧性。时效时间从数天到数年。塑性变形后再加热(200-300OC)使时效的发生仅需几小时。冷作硬化的影响：常温下，塑性阶段反复加载会提高钢材的弹性极限，成为冷作硬化效应温度的影响：冷脆：温度下降至T1时，钢材由塑性破坏转化为脆性破坏热脆(蓝脆)：250OC时冲击韧性下降避免蓝脆范围内热加工300-600OC：屈服/抗拉极限/弹性模量下降，600OC时接近零应力集中的影响：杂质、槽口、裂缝、形状突变会产生局部应力高峰，应力高峰处一般存在同号平面或立体应力使材质变脆，低温+应力集中脆性断裂破坏常温静力作用下，应力增大应力重分布，设计时可不考虑动力荷载作用下，易疲劳破坏，采取措施减小应力集中。品种牌号：普通碳素钢、低合金结构钢普通碳素钢：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。(N/mm2)力学性能质保书：fy、fu、d化学成分质保书：C、Mn、Si、S、P质量等级：A、B、C、DA:无冲击功要求;B:20OC时Ak≥27J;C:0OC时Ak≥27J;D:-20OC时Ak≥27J脱氧方式：Z(可不标注)、b、F、TZ(可不标注)A、B～Z、b、F;C～Z;D～TZQ235A、Q235AF、Q235Bb、Q235D、Q235C老标准：甲类钢(A,按力学性能供应)、乙类钢(B,按化学成分供应)、特类钢(C,按力学性能和化学成分供应)1、2、3、4、5、6、7号钢，3号钢——Q235。顶吹——YA3——甲类3号镇静钢；CY3F——特类顶吹3号沸腾钢9、钢材分类低合金钢：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460提供力学性能质保书(fy、fu、d、冷弯试验)化学成分质保书(C、Mn、Si、S、P、V、Nb、Ti)Q345A、Q345B、Q345C、Q345D、Q345EQ390A、Q390B、Q390C、Q390D、Q390EA、B、C、D、E表示质量由低到高A:无冲击功要求;B:20OC时Ak≥34J;C:0OC时Ak≥34J;D:-20OC时Ak≥34J;E:-40OC时Ak≥27J脱氧方式分为镇静钢(A、B)、特殊镇静钢(C、D、E)。Q345B—B级镇静钢,Q390D—D级特殊镇静钢,Q345C—C级特殊镇静钢老牌号：16Mn——Q345，15MnV——Q390优质碳素钢：碳素钢经热处理(调质处理/正火处理)，杂质元素少、P/S0.035%，限制其他缺陷。31个品种，45号优质碳素钢高强度螺栓高强度钢丝：拉杆：合金钢235、345、460、550、650拉索：优质碳素钢经多次冷拔，fu=1570-1770N/mm2LG-abD×L,LG-UU150×6000半平行钢丝束、扭绞钢绞线()5xn;()7xn6x19(Mxn)国外品种牌号：质量等级：A、B、C、D、E等ISO:Fe310/Fe360A(NF)/Fe430D(GF)，MPa(N/mm2)NF—非沸腾钢；GF—铝0.02%,相当于特殊镇静钢英国：40A/40B/50E，ksi(千磅/英寸2)欧洲：意大利接近ISO美国：A36结构钢(MPa)，A242低合金高强度结构钢(ksi)日本：SS400一般结构用轧制钢SS400A、B、C,SM490A、B、C,焊接结构用轧制钢SMA400,SMA490,焊接结构用热轧耐候钢俄罗斯：C235,C245,C275,…,C390(MPa)Q235—美A36,A53/日SS400,SM400,SMA400/俄罗斯C235/英40/法E24/德St37Q345—美A572,A242,A588/日SM490YA,SM490YB,SM520/俄罗斯C345/英50D/法E36/德St52选用钢材的原则(1)结构类型及重要性重要：大跨度屋盖、重级工作制吊车梁一般：普通厂房屋架和梁柱次要：楼梯、平台、栏杆(2)荷载性质静力、动力(满载、欠载)常温静力：B级F；动力：韧性和疲劳好—C级Z(3)连接方法焊接：力学性能和化学指标要求、可焊性好非焊接：力学性能(4)工作环境低温下注意冷脆，选用C、D级Z(5)结构受力受拉构件选用C、D级Z钢板薄钢板：厚0.35-4mm，宽500-1800mm，长0.4-6m厚钢板：厚4.5-60mm(20mm为中厚)，宽700-3000mm，长4-12m特厚板：厚60mm，宽600-3800mm，长4-9m扁钢：厚4-60mm，宽12-200mm，长3-9m型钢热轧普通型钢：角钢、工字钢、槽钢热轧H型钢(H350x250x10x16)和T型钢(T248x199x9x14)热轧无缝钢管、焊接钢管(直缝焊和螺旋焊)，102x5无缝钢管：32-630mm，直缝钢管：19.1-426mm，螺旋钢管：219.1-1420mm9、钢材规格冷弯薄壁型钢壁厚：1.5-12mm，承重构件厚≥2mm、Q235/Q345/Q3901、热轧钢板“-”