第二章钢结构材料

本文由bzhzhg123贡献ppt文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。第2章钢结构材料§2-1概述§2-2钢材的生产§2-3钢材的主要性能§2-4各种因素对钢材性能的影响§2-5钢材的疲劳§2-6建筑用钢的种类、规格和选用建筑用钢的种类、第2章钢结构材料§2-1概述1）有较高的强度，屈强比满足要求，保证安全储备）有较高的强度，屈强比满足要求，2）有足够的变形能力）塑性破坏前有预兆，能内力重分布塑性破坏前有预兆，破坏前有预兆韧性在动载下破坏能吸收较大能量韧性在动载下破坏能吸收较大能量3）有良好的加工性能，适应冷热加工，有良好的可焊性）有良好的加工性能，适应冷热加工，4）适应低温、有害介质侵蚀及承受疲劳荷载，这方面能力）适应低温、有害介质侵蚀及承受疲劳荷载，视具体结构而定；视具体结构而定；5）易生产、价格便宜。）易生产、价格便宜。《钢结构设计规范》（GB50017-2002)推荐的普通碳素钢结构设计规范》推荐的普通碳素结构钢Q235钢和低合金高强度结构钢钢和低合金高强度结构钢Q345、Q390及Q420是结构钢钢和低合金高强度结构钢、及是符合上述要求。符合上述要求。§2-1概述§2-2钢材的生产钢材的生产分为炼铁、钢材的生产分为炼铁、炼钢和轧制2.2.1钢材的冶炼一.炼铁二.炼钢碳素钢低合金高强度结构钢常用的炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。常用的炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。电炉炼钢炼成的钢质量好。电炉炼钢炼成的钢质量好。耗电量大，成本高。耗电量大，成本高。转炉炼钢是利用高压空气或氧气氧气顶吹转炉冶炼的钢中有害元素和杂质少，氧气顶吹转炉冶炼的钢中有害元素和杂质少，生产周期短，效率高、质量好、成本低。期短，效率高、质量好、成本低。§2-2钢材的生产§2-2钢材的生产§2-2钢材的生产平炉炼钢，平炉的原料广泛，容积大，平炉炼钢，平炉的原料广泛，容积大，产量冶炼工艺简单，化学成分易于控制，高，冶炼工艺简单，化学成分易于控制，炼出的钢质量优良。出的钢质量优良。平炉炼钢周期长，效率低，成本高。平炉炼钢周期长，效率低，成本高。§2-2钢材的生产三.钢材的浇注和脱氧按脱氧的方法和程度的不同，按脱氧的方法和程度的不同，碳素结构钢可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢4沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢4类。沸腾钢采用脱氧能力较弱的作脱氧剂，脱氧不完全。采用脱氧能力较弱的锰沸腾钢采用脱氧能力较弱的锰作脱氧剂，脱氧不完全。钢材中留有较多的氧化铁夹杂和气孔。钢的质量较差。钢材中留有较多的氧化铁夹杂和气孔。钢的质量较差。镇静钢采用锰加硅作脱氧剂脱氧较完全，采用锰加硅作脱氧剂，镇静钢采用锰加硅作脱氧剂，脱氧较完全，硅在还原氧化铁的过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢，化铁的过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢，使气体充分逸出，浇注时不会出现沸腾现象。这种钢质量好，但成本高。逸出，浇注时不会出现沸腾现象。这种钢质量好，但成本高。半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间的脱氧程度介于上述二者之间。半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间。特殊镇静钢是在锰硅脱氧后再用铝补充脱氧，是在锰硅脱氧后，特殊镇静钢是在锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧，其脱氧程度高于镇静钢。低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。程度高于镇静钢。低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。§2-2钢材的生产代表屈服点；以“Q”代表屈服点；屈服点数值共分代表屈服点屈服点数值共分195、215、235、、、、255和275(MPa)5种；和种质量等级按有害成分硫、磷含量由多到少的规律，质量等级按有害成分硫、磷含量由多到少的规律，分别符号表示；由A、B、C、D符号表示；、、、符号表示脱氧方法以F表示沸腾钢表示沸腾钢，表示半镇静钢表示半镇静钢，表示镇静脱氧方法以表示沸腾钢，b表示半镇静钢，Z表示镇静表示特殊镇静钢。和在钢的牌号中予以省略在钢的牌号中予以省略。级钢，TZ表示特殊镇静钢。Z和TZ在钢的牌号中予以省略。C级表示特殊镇静钢只能是Z，D级只能是。只能是，级只能是TZ。级只能是例如：表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢。级沸腾钢。例如：Q235A·F表示屈服点为表示屈服点为的级沸腾钢Q215B，表示屈服点为级镇静钢。，表示屈服点为215MPa的B级镇静钢。而Q215B·b表示的级镇静钢表示屈服点为215MPa的B级半镇静钢。级半镇静钢。屈服点为的级半镇静钢§2-2钢材的生产2.2.2钢材的组织构造和缺陷一.钢材的组织构造碳素结构钢是在纯铁中加适量的碳来提高强度碳素结构钢是在纯铁中加适量的碳来提高强度铁素体是碳溶入体心立方晶体的铁中的固溶体是碳溶入体心立方晶体的铁中的固溶体，铁素体是碳溶入体心立方晶体的铁中的固溶体，与纯铁的显微组织没有明显的区别，其强度、硬度较低，而塑性、的显微组织没有明显的区别，其强度、硬度较低，而塑性、韧性良好。韧性良好。渗碳体是铁碳化合物其熔点高，硬度大，是铁碳化合物，渗碳体是铁碳化合物，其熔点高，硬度大，几乎没有塑在钢中其与铁素体晶粒形成机械混合物——珠光体，填珠光体，性，在钢中其与铁素体晶粒形成机械混合物珠光体充在铁素体晶粒的空隙中，形成网状间层。充在铁素体晶粒的空隙中，形成网状间层。珠光体强度很高坚硬而富于弹性。，坚硬而富于弹性。低合金结构钢是在低碳钢中加入少量的合金元素是在低碳钢中加入少量的合金元素。低合金结构钢是在低碳钢中加入少量的合金元素。合金元素及其化合物溶解于铁素体和珠光体中，元素及其化合物溶解于铁素体和珠光体中，使钢材的强度得到提高，而塑性、韧性和焊接性能并不降低。到提高，而塑性、韧性和焊接性能并不降低。§2-2钢材的生产二.钢材的铸造缺陷铸模浇注钢锭时，冷却速度不同，形成不同结晶带，铸模浇注钢锭时，冷却速度不同，形成不同结晶带，不同会给钢材的性能带来差异。会给钢材的性能带来差异。冶金缺陷，如偏析、非金属夹杂、气孔、缩孔和裂纹等。冶金缺陷，如偏析、非金属夹杂、气孔、缩孔和裂纹等。2.2.3钢材的加工热加工、冷加工和热处理三种。热加工、冷加工和热处理三种。三种将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状,将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状,产生出各种厚度的钢板和型钢，称为热加工。出各种厚度的钢板和型钢，称为热加工。在常温下对钢材进行加工称为冷加工。在常温下对钢材进行加工称为冷加工。通过加热、保温、冷却的操作方法，通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢的组织结构发生变化，称为热处理。构发生变化，称为热处理。§2-2钢材的生产一.热加工开轧和锻压温度控制在1150～1300℃。～开轧和锻压温度控制在℃钢材轧制成钢板或型钢，使金属的晶粒变细，压合钢坯中钢材轧制成钢板或型钢，使金属的晶粒变细，的气孔、裂纹等缺陷，改善钢材的力学性能。的气孔、裂纹等缺陷，改善钢材的力学性能。热轧薄板和壁厚较薄的热轧型钢，因辊轧次数较多，热轧薄板和壁厚较薄的热轧型钢，因辊轧次数较多，钢材优于厚板的性能改善明显，其强度、塑性、韧性和焊接性能均优于的性能改善明显，其强度、塑性、韧性和焊接性能均优于厚板和厚壁型钢。和厚壁型钢。钢材强度按板厚分组。钢材强度按板厚分组。§2-2钢材的生产钢材沿轧制方向（纵向）钢材沿轧制方向（纵向）的性能优于垂直轧制方向（的性能优于垂直轧制方向（横的性能，向）的性能，即使其各向异性增大。增大。因此对于钢板部件应沿其横向切取试件进行拉伸和冷弯试验。弯试验。钢中的硫化物和氧化物等非金属夹杂，非金属夹杂，经轧制之后被压会出现分层现象。成薄片会出现分层现象。分层使钢板沿厚度方向受拉的性能恶化。能恶化。§2-2钢材的生产二.冷加工冷轧卷板和冷轧钢板冷弯薄壁型钢和压型钢板高强钢丝。高强钢丝。由带钢或钢板经过冷加工形成的型材制作的结构称为冷弯薄壁型钢结构§2-2钢材的生产§2-2钢材的生产三.热处理包括退火、正火、包括退火、正火、淬火和回火退火和正火改善组织以提高钢的机械性能。退火和正火改善组织以提高钢的机械性能。其操作方法为：在炉中将钢材加热保温一段时间后，其操作方法为：在炉中将钢材加热保温一段时间后，若随炉温冷却至500℃以下，再放至空气中冷却的工艺称为完随炉温冷却至℃以下，全退火；全退火；若保温后从炉中取出在空气中冷却的工艺称为正火。若保温后从炉中取出在空气中冷却的工艺称为正火。正火的冷却速度比退火快，强度和硬度有所提高。火的冷却速度比退火快，强度和硬度有所提高。低温退火，主要用来消除铸件、热轧件、锻件、低温退火，主要用来消除铸件、热轧件、锻件、焊接件和冷加工件中的残余应力。和冷加工件中的残余应力。§2-2钢材的生产淬火工艺是将钢件加热到淬火工艺是将钢件加热到900℃以上，保温后快速在工艺是将钢件加热到℃以上，水中或油中冷却。增加了钢材的强度和硬度，水中或油中冷却。增加了钢材的强度和硬度，同时使塑性和韧性降低。性和韧性降低。回火工艺是将淬火后的钢材加热到某一温度进行保回火工艺是将淬火后的钢材加热到某一温度进行保而后在空气中冷却。其目的是消除残余应力，温，而后在空气中冷却。其目的是消除残余应力，调整强度和硬度，减少脆性，增加塑性和韧性，强度和硬度，减少脆性，增加塑性和韧性，形成较稳定的组织。的组织。通常称淬火加高温回火的工艺为调质处理。通常称淬火加高温回火的工艺为调质处理。强度较高的钢材，中的C、、级钢和高强度螺栓的钢高的钢材，如Q420中的、D、E级钢和高强度螺栓的钢中的材都要经过调质处理。材都要经过调质处理。§2-2钢材的生产§2-3钢材的主要性能2.3.1钢材的破坏形式钢材有两种完全不同的破坏形式：钢材有两种完全不同的破坏形式：塑性破坏脆性破坏塑性破坏的主要特征是，破坏前具有较大的塑性变形，塑性破坏的主要特征是，破坏前具有较大的塑性变形，常在钢材表面出现明显的相互垂直交错的锈迹剥落线。常在钢材表面出现明显的相互垂直交错的锈迹剥落线。破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。后的断口呈纤维状，色泽发暗。脆性破坏的主要特征是，破坏前塑性变形很小，脆性破坏的主要特征是，破坏前塑性变形很小，或根本没有塑性变形，而突然迅速断裂。破坏后的断口平直，没有塑性变形，而突然迅速断裂。破坏后的断口平直，呈有光泽的晶粒状或有人字纹。光泽的晶粒状或有人字纹。§2-3钢材的主要性能2.3.2钢材在单向一次拉伸下工作性能钢材的多项性能指标可通过单向拉伸试验获得。钢材的多项性能指标可通过单向拉伸试验获得。给出相应钢材的单调拉伸应力－应变曲线。由试验给出相应钢材的单调拉伸应力－应变曲线。曲线看出，比例极限σ以前钢材的工作是弹性的；曲线看出，在比例极限p以前钢材的工作是弹性的；比例极限以后，进入了弹塑性阶段；达到了屈服点屈服点f极限以后，进入了弹塑性阶段；达到了屈服点y后，塑性平台；出现强化阶段，产生颈缩而破坏。平台；出现强化阶段，产生颈缩而破坏。§2-3钢材的主要性能一.四个工作阶段：四个工作阶段：1）弹性阶段：）弹性阶段：比例极限f应力由0~比例极限p比例极限2）弹塑性阶段：）弹塑性阶段：应力由fp~屈服点fy屈服点3）塑性阶段：3）塑性阶段：应力保持fy不变，应变由不变，(0.1~0.2)%~(2~3)%;4）强化阶段：）强化阶段：应力由fy~抗拉强度fu抗拉强度σfufyfpε钢结构设计以钢材的屈服点fy作为静力强度的承载力极限。力极限。§2-3钢材的主要性能二.理想弹塑性体σfy如果没有残余应力，如果没有残余应力，比例极限与屈服应力合为一点，极限与屈服应力合为一点，弹塑性阶段消失，为简化计算，性阶段消失，为简化计算，将应力应变关系简化为如图。力应变关系简化为如图。三.钢材的机械性能ε理想弹塑性体应力应变关系理想弹塑性体应力应变关系1．强度．设计时以钢材的屈服强度为基础，抗拉强度σ设计时以钢材的屈服强度为基础，抗拉强度u是钢材破坏前所随承受的最大应力，坏前所随承受的最大应力，此时的结构因塑性变形很大而失去使用性能，值的大小，去使用性能，σu／σy值的大小，可以看作钢材强度储备的参数。§2-3钢材的主要性能2．塑性衡量钢材塑性变形能力的主要指标是伸长率δ和断面收衡量钢