2-第2章-钢结构的材料解析

1第2章钢结构的材料2本章内容第一节钢材的工作性能第二节钢结构对钢材性能的要求第三节影响钢材性能的主要因素第四节钢材的种类、规格和选用原则3钢材的主要强度指标和变形性能根据常温（20±5°）、静载条件下标准试件一次拉伸试验确定。常温静载条件下，图2-1所示低碳钢标准试件单向一次拉伸试验得到的简化光滑应力-应变曲线如图2-2所示，钢材历经五个阶段:第一节钢材的工作性能一、钢材静力单向均匀拉伸时的性能4图2-1静力拉伸试验的标准试件图2-2钢材一次单向拉伸简化应力-应变曲线5(1)阶段Ⅰ：弹性阶段（OA段）比例极限fp:E=2.06×105N/mm2卸除荷载后试件的变形将完全恢复。E(2)阶段Ⅱ：弹塑性阶段（AB段）σ与ε呈非线性关系，应力增加时，相应增加的应变除弹性应变外还有塑性应变，卸载时，其中塑性应变不能恢复，称为残余应变。B点对应应力fy称为屈服点（又称屈服强度），对应的应变约为0.15%。6(3)阶段Ⅲ：塑性阶段（屈服阶段、BC段）屈服点fy:应力达到屈服点fy后，应力-应变关系呈水平线段BC，称为屈服平台，钢材表现为完全塑性，整个屈服平台对应的应变幅称为流幅(约为0.15%~2.5%)，流幅越大，钢材的塑性越好。(4)阶段Ⅳ：应变硬化阶段（强化阶段、CD段）抗拉强度fu：经过屈服阶段后，钢材内部组织重新排列并建立了新的平衡，产生了继续承受增长荷载的能力，此阶段的应力-应变为上升的非线性关系，直至应力达到最大值，称为抗拉强度fu。7(5)阶段Ⅴ：颈缩阶段（DE段）在承载力最弱的截面处，横截面急剧收缩——颈缩，变形也随之剧增，荷载下降，直至断裂。对于没有缺陷和残余应力影响的试件,可认为钢材是图2-3所示理想弹-塑性体，经历两个阶段，即假定钢材应力小于fy时是完全弹性的，应力超过fy后则是完全塑性的。设计时，取fy作为强度限值，而取fu作为材料的强度储备。图2-3理想弹-塑性应力-应变曲线图8高强度钢材没有明显屈服点和屈服平台，这类钢的屈服点是根据实验分析结果人为规定的，称为条件屈服点，用f0.2表示，定义为试件卸载后其残余应变为0.2%对应的应力，如图2-4所示。图2-4高强度钢的应力-应变曲线9名义应力低于屈服点、材料处于弹性阶段，当荷载循环达到一定次数后，钢材会发生突然脆性断裂破坏，疲劳计算方法详见第9章。二、反复荷载作用下钢材的性能(一)高周疲劳破坏(疲劳破坏)(二)低周疲劳破坏反复应力高于屈服强度、材料处于弹塑性阶段，反复荷载会使钢材的残余应变逐渐增长，最后产生突然破坏。10钢材在受拉产生塑性变形后，卸载并反向加载使钢材受压，抗压屈服强度会降低，如图2-5所示，应力—应变曲线形成滞回环（滞回曲线），滞回环所围面积代表荷载循环一次单位体积的钢材所吸收的能量。(三)包辛格（Bauschinger）效应图2-5钢材滞回曲线11钢结构构件中经常存在孔洞、槽口、凹角、截面的厚度和宽度的突然改变及钢材的内部缺陷等。此时，构件中的应力分布变得很不均匀，在缺陷或截面变化处附近将产生局部高峰应力，其余部分应力较低，如图2-6所示，这种现象称为应力集中。应力集中产生的高峰应力区附近总是存在平面或三维应力场，有使钢材变脆的趋势。三、复杂应力状态下钢材的性能12图2-6孔洞的应力集中（a）钢板开圆孔（b）钢板开长圆孔13钢材在单向拉伸时，可借助于实验得到屈服条件，即当σ=fy时，材料开始屈服，进入塑性状态。实际钢结构中，钢材常是在双向或三向复杂应力状态下工作，如图2-7所示，这时钢材的屈服并不取决于某一个方向的应力，从而不能用实验得到普遍适用的表达式，而是应利用材料力学强度理论用折算应力σeq和钢材在单向应力下的屈服点相比较来判别。研究表明，对均匀性和塑性较好的钢材，适合采用第四强度理论即能量强度理论，折算应力σeq按计算如下：14图2-7复杂应力状态15当用主应力表示时])()()[(21213232221eq（2-1）当用应力分量表示时)(3)(222222yzxzxyzyzxyxzyxeq（2-2）当σeqfy时，钢材处于弹性阶段；当σeq≥fy时，钢材处于塑性阶段。三轴拉应力作用下，破坏表现为脆性。有一向为异号应力，且同号两个应力相差又较大，破坏为塑性。16平面应力状态（2-3）普通梁（2-5）受纯剪时212221eq2223xyyxyxeqτσσσσσ（2-4）223τσσeq23τσeqyy.ff5803（2-7）（2-6）17屈服强度是衡量结构承载能力和确定强度设计值的重要指标，屈服点高可以减小截面，从而减轻自重，节约钢材，降低造价；抗拉强度是是衡量钢材抵抗拉断的性能指标，抗拉强度高，可以增加结构的安全保障。屈强比fy/fu是钢材强度储备的系数，屈强比越低，安全储备越大。第二节钢结构对钢材性能的要求一、强度18(一)塑性塑性是材料承受达到屈服点的应力后，能够产生显著的变形而不立即断裂的性能。伸长率δ二、变形能力%100001lll（2-8）%100010AAA（2-9）截面收缩率ψδ和ψ数值越大，表明钢材塑性越好。屈服点、抗拉强度和伸长率，是钢材的三个重要力学性能指标。19图2-8冲击韧性试验（单位：mm）(二)冲击韧性钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的能力，是衡量钢材在冲击荷载作用下抵抗脆性破坏能力的指标。如图2-8，Akv愈大，钢材在断裂时吸收的能量越多，其韧性愈好。20图2-9钢材冷弯试验示意图(三)冷弯性能冷弯性能由冷弯试验来确定。试验时按规定的弯心直径在试验机上用冲头对试件加压，使其弯成180°，如图2-9所示。如试件外表面不出现裂纹和分层即为合格。21钢材应具有良好的冷、热加工，不因制作加工对强度、塑性及韧性带来较大的有害影响，同时还应具有良好的可焊性。钢材的可焊性受含碳量和合金元素含量的影响，含碳量在0.12%~0.20%范围的碳素钢可焊性良好。含碳量再提高会使焊缝和热影响区变脆，从而降低可焊性。提高钢材强度的合金元素大多也对可焊性有不利影响。可焊性与焊接材料、焊接方法、焊接工艺参数及工艺措施都有一定关系。三、加工性能22钢是含碳量小于2％的铁碳合金，碳大于2％时则为铸铁。钢结构所用的钢材主要为碳素钢中的低碳钢和普通低合金钢。碳素结构钢由钝铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占99％，碳及杂质元素约占1%。低合金结构钢中，除上述元素外还加入少量合金元素，后者总量通常不超过3％。碳及其他元素虽然所占比重不大，但对钢材性能却有重要影响。第三节影响钢材性能的主要因素一、化学成分的影响23(一)基本元素（1）铁（Fe）铁是钢材中最基本的元素，钢中铁元素含量一般超过97%。对于碳素钢而言，其铁素体的晶粒越细，钢的性能越好。（2）碳（C）碳的含量提高，则钢材强度提高，但同时钢材的塑性、韧性、冷弯性能、可焊性及抗锈蚀能力下降。按碳的含量区分，小于0.25％的为低碳钢，大于0.25%而小于0.6%的为中碳钢，大于0.6%的为高碳钢。建筑钢结构用的钢材基本上都是低碳钢。24(二)有益元素（1）锰（Mn）锰能显著提高钢材的强度而不过多地降低塑性和冲击韧性。锰有脱氧作用，是弱脱氧剂。锰还能消除硫对钢材的热脆影响。（2）硅（Si）硅是强脱氧剂。硅能使钢材的粒度变细，控制适量时可提高强度而不显著影响塑性、韧性、冷弯性能及可焊性。25(二)有益元素（3）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，既可提高钢材强度，又能保持良好的塑性、韧性。（4）铝(A1)、铬(Cr)、镍(Ni)铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅能进一步减少钢材中的有害氧化物，而且能细化晶粒。26(三)有害元素（1）硫（S）硫能生成硫化铁，能使钢热脆。硫还能降低钢的冲击韧性，影响疲劳性能与抗锈蚀性能。（2）磷（P）磷是有害元素也是能利用的合金元素，能使钢冷脆。（3）氧（O）和氮（N）氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈；氮能使钢冷脆，与磷作用类似。27(一)冶炼钢材的冶炼方法主要有平炉炼钢、氧气顶吹转炉炼钢、碱性侧吹转炉炼钢及电炉炼钢。在建筑钢结构中，主要使用氧气顶吹转炉生产的钢材。冶炼这一冶金过程形成钢的化学成分与含量，并在很大程度上决定钢的金相组织结构，从而确定其钢号及相应的力学性能。二、冶炼和轧制过程的影响28(二)浇铸冶炼好的钢水出炉后，注入模具，浇铸成钢锭或钢坯。浇铸和脱氧同时进行，因脱氧程度不同，分为镇静钢、半镇静钢和沸腾钢。钢在冶炼及浇铸过程中产生冶金缺陷。常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔及裂纹等。29(三)轧制轧制在1200～1300℃高温下进行。钢材轧制能使金属的晶粒变细，也能使气泡、裂纹等焊合，消除显微组织缺陷，因而改善了钢材的力学性能。薄板因辊轧次数多，其强度比厚板略高。浇铸时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层，所以分层是钢材尤其是厚板的一种缺陷。设计时应尽量避免拉力垂直于板面的情况，以防止层间撕裂。30(一)热处理的影响某些高强度钢材在轧制后经过热处理才出厂。（1）正火把钢材加热至850~900℃并保持一段时间后在空气中自然冷却。（2）回火将钢材重新加热至650℃并保温一段时间，然后在空气中自然冷却。（3）淬火把钢材加热至900℃以上，保温一段时间，然后放入水或油中快速冷却。三、制作加工、安装和使用过程的影响31图2-10硬化对钢材性能的影响•（a）时效硬化及冷作硬化（b）应变时效(二)钢材硬化的影响（1）时效硬化（老化）钢材随存放时间延长，其强度提高，塑性和韧性降低现象，称为时效硬化，见图2-10（a）。32(二)钢材硬化的影响（2)冷作硬化（应变硬化）指当钢材冷加工(剪、冲、拉、弯等)超过其弹性极限后卸载，出现残余塑性变形，再次加载时弹性极限或屈服点提高的现象，见图2-10（a）。（3）应变时效在钢材产生一定数量的塑性变形后，已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化的现象，称为应变时效，见图2-10（b）。为了加速时效硬化进程，人工加载让钢材先产生10%左右的塑性变形，然后加热至250℃，并保温一小时后自然冷却，称为人工时效。33(三)温度影响（1）正温范围当温度逐渐升高时，钢材的强度、弹性模量不断降低，变形能力则不断增大。≤200℃性能变化不大。250℃左右蓝脆。260~320℃徐变现象。300℃时，强度、弹性模量显著下降，塑性变形显著增大。400℃强度、弹性模量急剧降低，600℃几乎丧失承载能力。超过150℃之后钢结构表面需加设隔热保护层。34图2-11Akv随温度T的变化(三)温度影响（2）负温范围随着温度下降，钢材强度略有提高，但塑性、韧性降低，钢材的脆性倾向增加，对冲击韧性的影响十分突出。如图2-11所示。35牌号：Q195，Q215A及B，Q235A、B、C及D，Q255A及B以及Q275。含碳量越多，屈服点越高，塑性越低。符号含义见图2-12。第四节钢材的种类、规格和选用原则一、钢材的种类(一)碳素结构钢图2-12碳素结构钢牌号中符号含义36(二)低合金高强度结构钢在钢的冶炼过程中加入通常低于3%的合金元素，使钢的强度明显提高，其牌号按屈服点由小到大排列，有Q295、Q345、Q390、Q420和Q460等五种，牌号意义和碳素结构钢相同。37(三)耐大气腐蚀钢（耐候钢）（1）高耐候结构钢按其化学成分分为：铜磷钢和铜磷铬镍钢两种。其牌号表示方法是由分别代表“屈服点”的拼音首字母Q、屈服点的数值和“高耐候”拼音字母GNH顺序组成。（2）焊接结构用耐候钢表示方法是由分别代表“屈服点”得拼音首字母Q、屈服点的数值和“耐候”的拼音字母NH以及质量等级（C、D、E）顺序组成。38(四)桥梁用结构钢由于桥梁所受荷载性质特殊，桥梁用钢的力学性能、焊接性能等技术要求一般都严于房屋建筑用钢，其牌号表达方式与其他钢材一样，由屈服点拼音首字母Q、屈服点数值、桥梁钢拼音字母q和质量等级（C、D、E）四部分顺序组成。39(五)Z向钢Z向钢主要有Z15、Z25、Z3