2-第二章-结构钢材及其性能

§2-1结构钢材一次拉伸时的力学性能§2-2结构钢材的力学性能指标§2-3结构钢材的脆性破坏§2-4钢材种类和规格第2章结构钢材及其性能一、我国目前建筑钢结构中的常用钢材：1、碳素结构钢—Q235钢；2、低合金高强度结构钢—Q345、Q390和Q420钢；二、结构钢材的标准静力拉伸试验方法按照GB228-87的规定将钢材加工制成标准试件，在20℃的室温条件下，在拉伸试验机上进行一次静力拉伸试验，将试件拉断，得到应力应变σ—ε关系曲线，此曲线可显示结构钢材一次拉伸时的工作性能，进而获得钢材的力学性能。§2-1结构钢材一次拉伸时的力学性能三、σ—ε关系曲线1、弹性阶段（OA阶段）此阶段钢材的变形很小，卸荷后变形可完全恢复，应力应变符合胡克定律。2、弹塑性阶段（AC阶段）应力应变成非线性关系。应力增加时，增加的应变包括弹性应变和塑性应变两部分。此阶段卸荷，弹性应变立即恢复，塑性应变不能恢复。3、塑性阶段（CF阶段）应力应变关系成水平线段，通常称为屈服平台（亦即塑性流动阶段），钢材表现出完全塑性，此阶段终了的应变可达2%~3%。4、强化阶段（FB阶段）应力应变呈上升的非线性关系，当应力达到最高点时，试件某一截面发生颈缩现象，承载能力下降，最终试件发生断裂破坏。弹性应变恢复，残余的塑性应变可达20%~30%。三、σ—ε关系曲线（续）2、C点为下屈服点，较为稳定，记为钢材的屈服强度fy。3、B点为钢材的抗拉强度fu。《规范》以钢材的屈服点fy作为强度承载力极限。1、A点为比例极限fp，通常以比例极限作为弹性阶段的终点；钢材的弹性模量记为E，E=tanα=σ/ε。钢材的应变可达2%~3%,结构或构件不适于继续承受荷载。四、理想弹塑性体五、塑性破坏钢材的塑性破坏特征：破坏前出现极易被人们察觉的变形，破坏后保留很大的残余变形，破坏延续时间较长，非突发性。一、单向应力状态下的静力力学性能指标1、屈服点fy钢材的强度承载力是以屈服点为极限的，屈服点fy称为钢材的抗拉（抗压和抗弯）强度标准值，强度设计值f=fy/γR.选择屈服点作为结构钢材静力强度承载力极限的依据有哪些？•屈服点是钢材开始塑性工作的特征点；•从屈服到钢材破坏，整个塑性工作区域比弹性工作区域约大200倍，且抗拉强度和屈服点之比（强屈比）fu/fy=1.3~1.8,是钢结构的极大后备强度，使钢结构不会发生真正的塑性破坏，安全可靠。§2-2结构钢材的力学性能一、单向应力状态下的静力力学性能指标2、抗拉强度fu抗拉强度fu是衡量钢材抵抗拉断的性能指标，直接反映钢材内部组织的优劣，是钢结构的强度储备。注：1、为保证钢材具有足够的安全储备，要求强屈比（fu/fy）不低于1.2~1.3；2、屈强比越大，强度储备越小，结构不够安全。3、伸长率δ伸长率是衡量钢材塑性性能的指标。它反映钢材产生巨大变形时，抵抗断裂的能力。4、弹性模量E弹性模量是变形计算和超静定结构内力分析时必需的钢材性能指标。常取E=2.06105N/mm2。3、伸长率δ（续）原标距间长度的伸长值与原标距比值的百分率。式中：l0——试件原标距长度；l1——试件拉断后标距间的长度。d0——试件标距长度内的直径；100100%lll由于试件破坏时的颈缩部分长度在长试件和短试件中相同，故同一钢材试验所得的δ5（短试件的伸长率）比δ10（长试件的伸长率）大。钢材单调拉伸应力－应变曲线可提供的重要力学性能指标：屈服点fy、抗拉强度fu、伸长率δ和弹性模量E屈服点fy是钢结构设计中应力允许达到的最大限值；抗拉强度fu反映钢材受拉时能承受的极限应力；伸长率δ是衡量钢材断裂前所具有的塑性变形能力的指标，其相应伸长率分别用δ5或δ10表示；弹性模量E是变形计算和超静定结构内力分析时必需的钢材性能指标。一、单向应力状态下的静力力学性能指标5、冷弯180°冷弯180°试验是严格表示钢材塑性变形能力的综合指标，直接反映材质的优劣。6、Z向收缩率钢板厚度较大时，非金属夹杂缺陷越多，焊缝越厚，焊接应力和变形越大。Z向钢是在某一级结构钢（称为母级钢）的基础上，经过特殊冶炼、处理的钢材，含硫量为一般钢材的1/5以下，截面收缩率在15%以上。我国生产的Z向钢板的标志是在母级钢钢号后面加上Z向钢板等级标志Z15、Z25和Z30，Z字后面的数字为截面收缩率的指标（%）。试验时，按材料的原有厚度经表面加工成板条状。根据试件的厚度a，按规定的弯心直径d，在压力机上通过冷弯冲头加压，将试件弯曲180°，检查试件弯曲处的外表和侧面，以不开裂、不起层为合格。弯心直径d的规定：Q235钢d=1.5a；Q345钢、Q390钢和Q420钢，d=2a；冷弯试验二、多轴应力状态下钢材的屈服条件多轴应力状态下，对于接近理想弹性—塑性体的结构钢材，最适合采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。2221231223312221223312222221()12()()()23()3()eqyeqyeqxyzxyyzzxxyyzzxyfff、、、能量强度理论1、材料由弹性状态转入塑性状态时，材料的综合强度指标采用变形时单位体积中积聚的能量来表达；2、当复杂应力状态下的变形能等于单轴受力时的变形能时，钢材即由弹性状态转入塑性状态，但材料的体积不变。2221223311()()()2eqyf结论-钢材在多轴应力状态下：1、当处于同号应力场时，钢材易产生脆性破坏；2、当处于异号应力场时，钢材将发生塑性破坏。1、当σ1、σ2、σ3为同号应力且数值接近时，根据折算应力σeq和fy的关系判断，钢材很难进入塑性状态，材料破坏表现为脆性破坏。说明：钢材处于三向应力状态时，以折算应力达到屈服点作为强度极限状态，即折算应力σeq≥fy时，钢材进入塑性阶段。2、当σ1、σ2、σ3为异号应力且数值相差较大时，当最大应力尚未达到fy，而折算应力σeq已达到fy时，钢材破坏表现为塑性。1、对于一般的应力状态，如实腹梁的腹板，σy=σz=0，则:223zyf2、当钢材处于纯剪状态时，正应力σ均为0，则：yzf2330.58yvyyfff钢材的剪切模量和弹性模量的相互关系：2(1)EG2221223311()()()2eqyf说明：钢材处于三向应力状态时，以折算应力达到屈服点作为强度极限状态，即折算应力σeq≥fy时，钢材进入塑性阶段。三、钢材的韧性指标冲击韧性是评定带缺口的标准试件在冲击荷载作用下抵抗脆性破坏能力的指标，即截面断裂所吸收的能量大小。试验结论：钢材的材质越好，击断试件所耗的功就越大，说明钢材的韧性越好，不容易发生脆断；反之，表明钢材抵抗脆性断裂的能力差，即韧性差。试验装置-冲击韧性《钢结构设计规范》对钢材冲击韧性AKV值有常温和负温的要求，例如：1、Q235B级钢，常温AKV值不得低于27J；2、Q345B级钢，常温AKV值不得低于34J；3、Q345D级钢，-20℃时AKV值不得低于34J；四、钢材的疲劳强度1、循环荷载作用下的应力谱—由循环荷载所引起的构件中的循环应力变化。2、应力幅（△）—每次应力循环中最大拉应力max（取正值）和最小拉应力或压应力min（拉应力取正值，压应力取负值）之差。maxmin3、常幅循环荷载—当所有应力循环中的应力幅保持常量。钢材发生疲劳破坏的原因是什么？1、缺陷（不均匀杂质，轧制形成的微裂纹，加工造成的刻槽、孔洞和裂纹等。）2、微观裂纹（在交变应力中拉应力的反复作用下，在拉应力高峰处会出现微裂纹）3、宏观裂纹（循环荷载作用下，裂缝不断开展，有效截面面积不断减小）当循环荷载达到一定的循环次数，危险截面减小到一定程度时，危险截面处将发生脆性断裂，出现钢材的疲劳破坏。1、钢材疲劳破坏的特征和原因钢材在连续常幅循环荷载的作用下，当循环次数达某一定值时，钢材发生破坏的现象，称为钢材的疲劳破坏。1、钢材的疲劳破坏属于突然发生的脆性断裂；2、钢材发生疲劳破坏时，应力远小于材料的静力强度；钢材发生疲劳破坏的先决条件是形成裂缝。钢材疲劳破坏的过程是裂缝开展的过程，只承受变化压应力而不出现拉应力时，钢材一般不会发生疲劳破坏。钢材的疲劳强度都由试验确定；影响疲劳强度的因素：构造状况（包括应力集中程度和残余应力）、作用的应力幅、循环荷载的重复次数n，和钢材的静力强度并无明显关系。钢材发生疲劳破坏的截面断口，一般具有光滑和粗糙两个区域。•光滑部分反映裂缝扩张和闭合的过程，是裂缝逐渐扩展引起的，说明疲劳破坏经历了一定的过程；•粗糙部分表明钢材最终断裂具有一瞬间的脆性破坏性质，和拉伸试件的破坏断口颇为相似。《钢结构设计规范》规定：疲劳寿命最低值为5×104次。(即当构件所受的应力变化循环次数为n≥5×104时，应进行疲劳强度的计算。)—对应于n次循环的容许应力幅；•对焊接部位为应力幅，=max-min；•对非焊接部位为折算应力幅，=max-0.7min；1/[][]()Cn2、常幅疲劳计算公式说明：1、疲劳计算时采用荷载的标准值；2、由于[]来源于试验，已考虑动力效应，故计算时不必考虑动力系数；3、在应力幅不出现拉应力的位置，可不必进行疲劳验算；—对应于n次循环的容许应力幅；•对焊接部位为应力幅，=max-min；•对非焊接部位为折算应力幅，=max-0.7min；1/[][]()Cn根据Palmyren-Miner的线性累积损伤法则，把变幅疲劳折合成常幅疲劳进行计算：1/[]iieeinn3、变幅疲劳计算吊车梁所受的循环荷载属于变幅循环荷载，《钢结构设计规范》提供采用下列公式计算：4、吊车梁的疲劳计算（容许应力法）6210[]f—欠载效应的等效系数；f[]2×106—循环次数为2×106的容许应力幅；1、碳在钢中（低合金钢除外）是除铁以外含量最多的元素，直接影响钢材的强度、塑性和韧性、可焊性、抗腐蚀性。2、随含碳量的提高，钢材的强度逐渐提高，塑性、韧性、可焊性和抗锈蚀能力等逐渐下降；3、当含碳量超过0.3%时，钢材的抗拉强度提高很多，却失去了明显的屈服点，且塑性很小；当含碳量少于0.1%时，塑性很好而强度很低，也没有明显的屈服点；五、化学成分及轧制工艺与钢材性能的关系《钢结构设计规范》推荐钢材：含碳量一般不超过0.22%，属于低碳钢。碳元素1、硫元素会引起钢材的“热脆现象”（即硫元素在钢材温度达到800～1200℃时将生成硫化铁而熔化，使钢材变脆，因而在焊接或热加工时，可能引起热裂纹现象）。2、硫元素会降低钢材的冲击韧性、疲劳强度、可焊性和抗锈蚀能力等。1、磷元素能够提高钢材的强度和抗锈蚀性，但严重降低钢材的塑性、冷弯性能、冲击韧性和可焊性。2、磷元素会引起钢材的“冷脆现象”，即在低温下，钢材易产生低温脆断。硫元素（有害元素）磷元素（有害元素）1、硅元素是较强的脱氧剂，是制作镇静钢的必要元素。2、适量的硅可提高钢材的强度，而对塑性、韧性和可焊性的不良影响不太显著；1、锰元素是一种弱脱氧剂；2、锰元素可提高钢材的强度却不明显影响塑性，同时还能消除硫引起钢材热脆并改善钢材的冷脆倾向。锰元素（有益元素、合金元素）硅元素（合金元素）1、钒元素可提高钢材的强度，细化晶粒，提高淬硬性，有时效硬化作用，钒的碳化物可提高钢材的高温硬度。钒还能改变碳化物在钢材中的分布状况。2、在Q345钢基础上，加入一些钒元素可提高强度、改善可焊性，得到Q390钢和Q420钢，适用于制造高、中压力容器、桥梁、船舶、起重机和其他荷载大的焊接结构。1、氧的作用与硫类似，使钢产生“热脆”。2、氮的作用同磷类似，能显著降低钢材的塑性和韧性，冷弯性能和焊接性能，使钢材产生“冷脆”。钒元素（合