《钢结构设计原理》第2章--钢结构的材料

设计原理钢结构第二章钢结构的材料第二章钢结构材料设计原理钢结构第二章钢结构的材料第一节钢结构对钢材性能的要求第二节结构钢材的主要力学性能第三节影响结构钢材力学性能的主要因素第四节复杂应力作用下钢材的屈服条件第五节钢材的破坏形式第六节钢的种类和钢材的规格第七节结构钢的连接材料本章目录设计原理钢结构第二章钢结构的材料基本要求1.了解钢材的破坏形式和主要性能。2.了解影响钢材性能的主要因素。3.了解钢材疲劳破坏及计算方法。4.了解钢材的种类及选用原则要求。设计原理钢结构第二章钢结构的材料第一节钢结构对钢材性能的要求1.概述2.钢结构对材料的基本要求了解钢结构对材料性能的基本要求本节目录基本要求设计原理钢结构第二章钢结构的材料一、概述含碳量小于2％的铁碳合金称作钢，含碳量大于2％时称作铁。钢材种类繁多，性能差别很大，适用于钢结构只是其中一小部分。设计原理钢结构第二章钢结构的材料（1）较高的强度；（2）足够的变形能力；（3）良好的加工性能（冷、热加工，可焊性）；（4）对环境的良好适应性。二、钢结构对钢材性能的要求设计原理钢结构第二章钢结构的材料(1)较高的抗拉强度和屈服点是衡量结构承载能力的指标，高则可减轻结构自重。是衡量钢材经过较大变形后的抗拉能力，反映钢材内部组织的优劣，高可以增加结构的安全保障。(2)足够的变形能力较高的塑性和韧性塑性和韧性好，减轻结构脆性破坏的倾向，通过较大的塑性变形调整局部应力，具有较好的抵抗重复荷载作用的能力。ufufyfyfyfuf设计原理钢结构第二章钢结构的材料(3)良好的工艺性能(包括冷加工、热加工和可焊性能)易于加工成各种形式的结构，不致因加工而对结构的强度、塑性、韧性等造成较大的不利影响。根据具体工作条件，有时还要求具有适应低温、高温和腐蚀性环境的能力。设计原理钢结构第二章钢结构的材料设计规范规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证；焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证；某些承受动力荷载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。设计原理钢结构第二章钢结构的材料第二节结构钢材的主要力学性能1.受拉、受压及受剪时的性能2.冷弯性能3.冲击韧性掌握钢材的主要力学性能要求及含义本节目录基本要求设计原理钢结构第二章钢结构的材料一、强度1、钢材在单向一次拉伸下的工作性能试验条件：标准试件（GB/T228），常温（20±5℃）下缓慢加载，一次完成。含碳量为0.1%－0.3%。标准试件：Lo/d=5或10；Lo--标距；d--直径图2.3.1设计原理钢结构第二章钢结构的材料2、有明显屈服点钢材的σ-ε曲线ufOPfEBCDAGyfH图2.3.22、有明显屈服点钢材的σ-ε曲线设计原理钢结构第二章钢结构的材料可划分为以下五个阶段：(1)弹性阶段(OA段)OA段材料处于纯弹性，即:E弹性模量：E=2.06×105MPa其中，A点应力fp称为比例极限。σ～ε线性关系，变形小，卸载后变形恢复。设计原理钢结构第二章钢结构的材料(2)弹塑性阶段（AB段)该段很短，表现出钢材的非弹性性质，即卸荷留下永久的残余变形。弹性变形变形塑性变形—不可恢复的残余变形弹性模量E由2.06×1050设计原理钢结构第二章钢结构的材料(3)塑性阶段（BC段)该段σ基本保持不变（水平),ε急剧增大,称为屈服台阶。变形模量E=0。设计原理钢结构第二章钢结构的材料（4）强化阶段(CD段)随荷载的增加σ缓慢增大,但ε增加较快。曲线最高点处G点的应力fu称为抗拉强度或极限强度。3、对无明显屈服点的钢材高强度钢材在拉伸过程中没有明显的屈服台阶，塑性变形小，设计中不宜利用它的塑性。设计时取相当于残余变形为0.2%时所对应的应力作为屈服点—称为条件屈服点或名义屈服点fy=f0.20.2%fuεp图2.3.4设计原理钢结构第二章钢结构的材料fu(抗拉强度)：衡量经巨量变形后的抗拉能力；fy（屈服点）：衡量结构承载能力的指标；均为钢材的静力强度指标。注意：fy是材料的标准强度，非设计强度，设计强度为：f=fy／γR式中：γR：材料抗力分项系数通过分析，得出2点结论①由于残余应力的存在，fp≈0.8fy，以fy作弹性、塑性工作的分界点，将σ～ε曲线简化为两段直线组成的理想弹性—塑性体，如此就可用弹性理论进行强度计算。ε22.5%--3%fyε10.15%εσ设计原理钢结构第二章钢结构的材料②以fy作弹性设计时的强度指标依据：a.以fy作弹性、塑性工作的分界点，屈服后，ε＝（2～3）％，易察觉；若ε过大，产生的变形过大，不允许。b.从fy～fu，塑性工作区很大，有足够的变形保证截面上的应力不超过fu，fy～fu作为强度储备fy/fu：屈强比（安全储备）设计原理钢结构第二章钢结构的材料受压、受剪、受弯时的σ～ε关系如何？？？受压、受剪、受弯时的σ～ε关系基本同受拉，受压、受弯的强度指标取受拉时的数值，受剪的强度指标fyv(或τy)=0.58fy(后面讲原因)钢材屈服点fy的高低和钢材晶粒的粗细有关，轧制次数多，钢材就薄，晶粒细，材质好，屈服点就高。设计原理钢结构第二章钢结构的材料4、应力应变曲线的简化设计时将钢材简化为理想弹塑性体钢材在静载作用下：强度计算以fy为依据，fu为结构的安全储备。ε22.5%--3%fyε10.15%εσ图2.3.5设计原理钢结构第二章钢结构的材料二、钢材的塑性钢材的塑性一般是指当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的塑性变形而不立即断裂的性质。它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。设计原理钢结构第二章钢结构的材料（1）伸长率00100%lll当lo/d=5时，用δ5表示当l0/d=10时，用δ10表示（δ5＞δ10）实际工程中以伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形能力，是衡量钢材塑性性质的一项主要指标。试件拉断后的原标距间的伸长量与原标距长度比值的百分比，用δ表示。（2）断面收缩率　是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比，用表示。%100010AAA式中：A0—试件原来的断面面积A1—试件拉断后颈缩区的断面面积图2.3.6设计原理钢结构第二章钢结构的材料三、冲击韧性冲击韧性——钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。韧性指标用冲击韧性值表示，冲击韧性也叫冲击功，用符号Wkv或Cv表示，单位为J。冲击韧性由冲击韧性试验确定。设计原理钢结构第二章钢结构的材料影响冲击韧性的因素：冲击韧性与试件刻槽有关，常用缺口形式为夏氏V型和梅氏U型，近年来，我国冲击试验已用夏氏V型代替梅氏U型。冲击韧性还与试验的温度有关。根据温度不同，我国钢材标准中将试验分为四档，即+20℃,0℃，-20℃和-40℃时的冲击韧性。温度越低，冲击韧性越低。冲击韧性不仅与钢材的质量密切相关，也与钢材的轧制方向有关。现钢材标准规定采用纵向四、冷弯性能冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标鉴定合格指标：通过冷弯冲头加压，当试件弯曲至180°时，检察试件弯曲部分的外面、里面和侧面，如果没有裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。五、可悍性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。钢材的焊接性能受含碳量和合金元素含量的影响。碳素钢：当0.12％C0.20%时，焊接性能好，含碳量超过上述范围，焊缝和热影响区容易变脆。•对低合金钢，我国行业标准《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81）采用下式计算碳当量来衡量低合金钢的可焊性：•计算的CE不超过0.38％时，钢材的可焊性很好;•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并注意控制施焊工艺；•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来获得合格的焊缝。uiornECNVMCMCC151516六、钢材Z向收缩率现象：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。要求板厚方向的Z向收缩率为15%-35%,以防止钢材在焊接时或承受厚度方向的拉力时，发生分层撕裂。产生原因：是在轧制钢板中存在硫化物、氧化物和硅酸盐等低熔点非金属夹杂物，在轧制过程中被延展成片状，分布在与表面平行的各层中，在垂直于厚度方向的应力作用下，夹杂物首先开裂并扩展，以后这种开裂在各层之间相断发生，连成一体，造成层状撕裂的阶梯性。钢板的层状撕裂一般在焊接节点中产生。厚钢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。•2.钢板的Z向性能•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，一般以断面收缩率作为评定指标。•GB5313《厚度方向性能钢板》的规定，适用于厚度15～150mm及屈服点不大于500N／mm2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％。%10001AAAoz设计原理钢结构第二章钢结构的材料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,断面收缩率的级别愈低。板厚≥40mm称为厚板，使用时应考虑其Z向性能，即采用Z向性能钢。Z向断面收缩率大于20％的钢板，其层状撕裂一般可以避免；当Z向断面收缩率小于20％时，则有可能发生层状撕裂。设计原理钢结构第二章钢结构的材料第三节影响结构钢材力学性能的主要因素1.化学成分2.冶金缺陷3.钢材硬化1.了解影响钢材性能的主要因素本节目录基本要求2.了解防止脆性断裂破坏的方法4.温度影响5.应力集中6.荷载的影响一、化学成分普通碳素钢中Fe占99%，C和其他元素仅占1%，但对钢材力学性能有着决定性的影响。普通低合金钢中合金元素小于5%。1.碳(C)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％。设计原理钢结构第二章钢结构的材料含碳量对σ-ε关系的影响σ0%TC0.1%C0.3%设计原理钢结构第二章钢结构的材料•2.锰(Mn)•锰是有益元素，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,但不过多降低塑性和冲击韧性。锰是弱脱氧剂;•我国低合金钢中锰的含量在1.0％～1.7％。但是过量的锰含量会使钢材的可焊性降低，钢材变脆和塑性降低,故含量有限制。设计原理钢结构第二章钢结构的材料•3.硅(Si)•硅是有益元素，有更强的脱氧作用，是强脱氧剂。硅有细化晶粒、提高钢的强度、硬度和弹性的作用；并使钢的塑性、韧性和可焊性不受影响。•硅的含量在碳素镇静钢中为0.12％～0.3％，低合金钢中为0.2％－0.55％，过量时则会恶化可焊性及抗锈蚀性。设计原理钢结构第二章钢结构的材料4.钒（V）、铌（Nb）、钛（Ti）•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。•钒、铌、钛的化合物具有高温稳定性，使钢的高温硬度提高。设计原理钢结构第二章钢结构的材料•5.铝（Al）。铬（Cr）、镍（Ni）•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。•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。•铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390钢和Q420钢。设计原理钢结构第二章钢结构的材料•6.硫(S)•硫是有害元素，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。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1100－1200℃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”。•硫还能