第2章-钢结构材料

2.1钢结构对钢材性能的要求钢材的种类很多，性能差别很大，用作钢结构的钢材必须符合下要求。2.1.1较高的强度较高的抗拉强fu和屈服强度fy。fu是衡量钢材经过较大变形后的抗拉能力，它直接反映钢材内部组织的优劣，fu高可以增加结构的安全储备。fy是衡量结构承载能力的指标，fy高则可减轻结构自重，节约钢材和降低造价。2.1.2足够的变形能力即塑性和韧性性能好。塑性好，结构在静载和动载作用下有足够的应变能力，可减轻结构出现脆性破坏的倾向，又能通过较大的塑性变形调整局部高峰应力。韧性好，结构具有较好的抵抗重复荷载作用的能力。•2.1.3良好的工艺性能良好的工艺性能包括冷加工、热加工和可焊性能。具有良好的工艺性能的钢材不但易于加工成各种形式的结构，而且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。此外，根据结构的具体工作条件，有时还要求钢材具有适应低温、高温、腐蚀性环境以及重复荷载作用等的性能。在符合上述性能的条件下，钢材也应该容易生产，价格便宜。2.2钢材的破坏形式•钢材有两种破坏形式，即塑性破坏和脆性破坏。–塑性破坏:•变形大，变形持续的时间较长，可采取补救措施。断裂后的断口呈纤维状，色泽发暗。另外，塑性变形后出现内力重分布，使结构中原先受力不等的部分应力趋于均匀，因而提高了结构的承载能力。•脆性破坏:–塑性变形很小，甚至没有塑性变形，计算应力可能小于钢材的屈服点fy，断裂从应力集中处开始。冶金和机械加工过程中产生的缺陷，特别是缺口和裂纹，常是断裂的发源地。破坏前没有任何预兆，破坏是突然发生的，断口平直并呈有光泽的晶粒状。由于脆性破坏前没有明显的预兆，无法及时察觉和采取补救措施，而且个别构件的断裂常会引起整体结构塌毁，后果严重，损失较大。因此，在设计、施工和使用过程中，应特别注意防止钢结构的脆性破坏。2.3钢材的主要性能•2.3.1单向均匀拉伸时的性能从这条曲线中可以看出钢材的单向受拉过程中有下列几个阶段：•弹性阶段（曲线的OA段）•弹塑性阶段（曲线的AB段）•屈服阶段（曲线的BC段）•应变硬化阶段（曲线的CD段）•颈缩阶段（曲线的DE段）–钢材标准试件在常温、静载情况下，单向一次均匀受拉试验时的应力—应变曲线，如图2.1所示。εδABCDEσ0tan-1Eεfyfufpfe图2.1低碳钢拉伸曲线示意图•钢材的拉伸试验所得屈服点fy、抗拉强度fu和伸长率δ，是钢材机械性能的三项重要指标。•钢结构设计中，将钢材屈服点fy作为钢材的标准强度。同时抗拉强度fu又比屈服点应力高，可以使钢结构有相当大的强度储备。•设计时还将曲线简化为如图2.2所示的理想弹塑性的模型。根据这条曲线，认为钢材应力小于fy时是完全弹性的，应力超过后fy则是完全塑性的。0σεfyyfσ00.2%残余应变ε图2.2理想弹塑性材料的σ-ε曲线图2.3钢材的条件屈服点图2.2理想弹塑性材料的σ-ε曲线•钢材的伸长率δ是反映钢材塑性（或延性）的指标之一。其值愈大，钢材破坏时吸收的应变能愈多，塑性愈好。建筑用的钢材不仅要求强度高，还要求塑性好，以便调整局部高峰应力，提高结构抗脆断的能力。%100)(010AAA截面收缩率标志着钢材颈缩区在三向拉应力状态下的最大塑性变形能力。ψ值愈大，塑性愈好．对于抗层状撕裂的Z向钢，要求ψ值不得过低。•反映钢材塑性（或延性）的另一个指标是截面收缩率ψ，其值为试件发生颈缩拉断后，断口处横截面积（即颈缩处最小横截面积）A1与原横截面积A0的缩减百分比，即•建筑中有时也使用强度很高的钢材，例如用于制造高强度螺栓的经过热处理的钢材。这类钢材没有明显的屈服台阶（见图2.3），伸长率也相对较小。对于这类钢材，取卸荷后残余应变为0.2%时所对应的应力作为屈服点，又称为条件屈服点（或屈服强度）。0σεfyyfσ00.2%残余应变ε图2.2理想图2.3钢材的条件屈服点图2.3钢材的条件屈服点2.3.2冷弯性能•冷弯性能由冷弯试验来确定（图2.4）。试验时按照规定的弯心直径在试验机上用冲头加压，使试件弯成1800，如试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或塑性性能。还能暴露钢材内部的冶金缺陷，如硫、磷偏析和硫化物与氧化物的掺杂情况，这些都将降低钢材的冷弯性能。•冷弯性能合格是判别钢材的塑性性能和钢材质量的综合指标。add+2.1aα图2.4钢材冷弯试验示意图2.3.3冲击韧性•冲击韧性试验可获得钢材的动力性能。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（包括弹性和非弹性能）来量度，其值为图2.1中σ－ε曲线与横坐标所包围的总面积，总面积愈大韧性愈高，故韧性是钢材强度和塑性的综合指标。通常是钢材强度提高，韧性降低，表示钢材趋于脆性。•拉力试验所表现的钢材性能，如强度和塑性，是静力性能．•钢材的冲击韧性数值随试件缺口形式和使用试验机不同而异。现行国家标准规定采用夏比（Charpy）V形缺口试件在夏比试验机上进行[图2.5(a)]，折断试件所消耗的功用Cv表示，单位为J。•过去我国长期以来采用梅氏试件(U形缺口试件)在梅氏试验机上进行[图2.5(b)]，所得结果以单位截面积上所消耗的冲击功表示，单位为J/cm2。由于夏比试件比梅氏试件具有更为尖锐的缺口，更接近构件中可能出现的严重缺陷，近年来用Cv来表示钢材冲击韧性的方法日趋普遍。图２－５冲击韧性(a)夏比试件试验；(b)梅氏试30°R2.5□10×104055r=1.02r=0.25(a)(b)90°22.3.4可焊性•可焊性是指采用一般的焊接工艺就可完成合格的焊缝的性能。•钢材的可焊性受含碳量和合金元素含量的影响。–含碳量在0.1%~0.2%范围的碳素钢可焊性最好，可焊性良好的钢材，用普通的焊接方法焊接后焊缝金属及其附近的热影响区金属不产生裂纹，并且它们的机械性能不低于母材的机械性能。•钢材的可焊性与钢材的品种、焊缝构造及所采取的焊接工艺规程有关。2.4影响钢材性能的主要因素•2.4.1化学成分的影响钢是由各种化学成分组成的，化学成分及其含量对钢的性能特别是力学性能有着重要的影响。基本成份Fe:钢中含量占99％C:含C↑使强度↑塑性、韧性、可焊性↓，应控制在≤0.22%，焊接结构应控≤0.20%。Si:含Si适量使强度↑其它影响不大，有益,应控制杂质元素在≤0.1~0.3%Mn:含Mn适量使强度↑降低S、O的热脆影响,改善热加工性能，对其它性能影响不大,有益。S:含量↑使强度↑塑性、韧性、性能冷弯、可焊性↓;高温时使钢材变脆－热脆现象有害元素P:低温时使钢材变脆－冷脆现象；其它同SN、O:O同S；N同P，控制含量≤0.008%2.4.2冶炼、浇注、轧制过程及热处理的影响•建筑用的轧制钢材，是将炼钢炉炼出的钢液注入盛钢桶中，再由盛钢桶送入浇注车间，浇注成钢锭，一般钢锭冷却至常温放置，需要时再将钢锭加热切割，送入轧钢机中反复碾压轧制成各种型号的钢材。•钢材在冶炼、轧制过程中常常出现的缺陷有:偏析、夹杂、气泡、分层及裂纹等。•为保证钢材质量，需要在钢液中加入脱氧剂进行脱氧。–根据脱氧程度不同，钢材分为:•沸腾钢•半镇静钢•镇静钢•特殊镇静钢。•轧制钢材的结晶晶粒细密均匀，钢材内部的气泡、裂纹可以得到压合。因此轧制钢材的性能比铸钢优越。轧制次数多的钢材比轧制次数少的性能改善程度要好些，一般薄的钢材的强度及冲击韧性优于厚的钢材。此外钢材性能与轧制方向也有关，一般钢材顺轧制方向的强度和冲击韧性比横方向的要好。•对于某些特殊用途的钢材，在轧制后还常经过热处理进行调质，以改善钢材性能。常见的热处理方式有淬火调质（淬火后高温回火），使其强度提高，正火、回火、退火等等。用作高强度螺栓的合金钢，如20MnTiB(20锰钛硼)就要进行热处理同时又保持良好的塑性和韧性。2.4.3钢材的硬化•图2.6(a)示出低碳钢试件单向拉伸的σ-ε曲线。由σ-ε曲线的变化，可看出钢材受荷超过弹性范围以后，若重复地卸载、加载，将使钢材弹性极限提高，塑性降低。这种现象称为应变硬化或冷作硬化。•如果钢材经过冷加工产生过塑性变形，后又将钢材加热（例如加热到100℃左右），其时效过程就更加迅速（图2.6(b)）。这种处理称为人工时效。•轧制钢材放置一段时间后，其机械性能也会发生变化。钢材的曲线会由原来图2.6(a)中的实线变成虚线所示的曲线。比较实线和虚线，可以看出钢材放置一段时间后，强度提高，塑性降低。这种现象称为时效硬化。σεOABCDE1234σOε时效前时效后冷作硬化及时效后时效前(a)(b)图2.6钢的冷作硬化与时效硬化(示意图)2.4.4温度影响•钢材性能随温度变动而有所变化，总的趋势是：温度升高，钢材强度降低，应变增大；反之，温度降低，钢材强度会略有增加，塑性和韧性却会降低而变脆（图2.7）。•温度升高，约在200℃以内钢材性能没有很大变化，430℃~540℃之间强度急剧下降，600℃时强度很低不能承担荷载。但在250℃左右，钢材的强度反应而略有提高，同时塑性和韧性均下降，材料有转脆的倾向，钢材表面氧化膜呈蓝色，称为蓝脆现象。钢材应避免在蓝脆温度范围内进行热加工。当温度在260℃~320℃时，在应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形，此种现象称为徐变现象。fuEfy160×103170×103180×103190×103200×103210×103220×103100200300400500600204060800200400600800fu(N/mm2)fyδ%E(N/mm2)t(°C)•当温度从常温开始下降，特别是在负温度范围内时，钢材强度虽有提高，但其塑性和韧性降低，材料逐渐变脆，这种性质称为低温冷脆。•图2.8是钢材冲击韧性与温度的关系曲线。由图可见，随着温度的降低,Cv值迅速下降，材料将由塑性破坏转变为脆性破坏，同时可见这一转变是在一个温度区间内T1T2完成的，此温度区称为钢材的脆性转变温度区，在此区内曲线的反弯点（最陡点）所对应的温度T0称为转变温度。不同钢材的脆性转变温度需要由大量试验资料统计分析确定。在结构设计中要求避免完全脆性破坏，所以结构所处的温度应大于T1。试验温度T°脆性破坏转变过渡区段塑性破坏冲击断裂功CvCT1T0T2图2.8冲击韧性与温度的关系曲2.4.5应力集中的影响•高峰区的最大应力与净截面的平均应力之比称为应力集中系数。•研究表明，应力集中区域总是存在双向或三向同号应力，钢材有变脆的趋势。应力集中系数愈大，变脆的倾向亦愈严重。•钢结构的构件中有时存在着孔洞、槽口、凹角、缺陷以及截面突然改变时，构件中的应力分布将不再保持均匀，而是在缺陷以及截面突然改变处附近，出现应力线曲折、密集、产生高峰应力的现象称为应力集中现象（图2.9）。图2.9孔洞及槽孔σσxσyyσxσσ1111•对于受静荷载作用的构件在常温下工作时，在计算中可不考虑应力集中的影响。但在负温下或动力荷载作用下工作的结构，应力集中的不利影响将十分突出，往往是引起脆性破坏的根源，故在设计中应采取措施避免或减小应力集中，并选用质量优良的钢材。2.4.6重复荷载作用的影响•钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。根据试验，钢材在直接的、连续反复的动力荷载作用下，钢材的强度将降低，即低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的极限强度fu，甚至低于屈服强度,这种破坏现象称为钢材的疲劳。•疲劳破坏是累积损伤的结果。•防止钢材的脆性破坏措施:–合理的设计–正确的制造–正确的使用•对设计工作来说，不仅要注意适当选择材料和正确处理细部构造设计，对制造工艺的影响也不能忽视。对使用也应提出在使用期中应注意的主要问题。•在复杂应力如双向或三向应力作用下（图2-10）钢材由弹性状态转入塑性状态的条件是按能量强度理论（或第四强度理论）计算的折算应力与单向应力作用下的屈服点相比较来判断。2.4.7复杂应力作用下钢材的屈服条件•在单向拉力试验中，单向应力达到屈服点时，钢材即进入塑性状态。rcd0yztxztxytyxtyztzxtzyxyzxσσσ图2.1