童乐为《钢结构基本原理》讲稿第2章材料

第2章钢结构材料主要内容•结构钢对材料性能的基本要求•钢材塑性破坏、脆性破坏、疲劳破坏•影响钢材性能的一般因素•钢材种类、牌号、规格和选用•结构钢材的新发展钢结构对用材的基本要求•较高的强度(Strength)－轻质高强•足够的变形能力(Deformation)－优良的塑性韧性•良好的加工性能(Fabrication)－适应冷、热加工，可焊性好•胜任恶劣环境的耐久性(Endurance)－适应低温、适应腐蚀介质适应重复荷载钢材在单向均匀受力下的性能强度及其指标fyfufefpo结构钢拉伸曲线抗拉强度屈服强度比例极限atga=E=2.06×10MPa弹性模量5弹性极限OAE－弹性阶段ECF－屈服阶段FB－强化阶段BD－颈缩阶段结构钢拉伸试件NN强度－材料抵抗外力作用时不致破坏的能力拉伸过程中各阶段的特性（一）屈服阶段ECF•应力应变进入非线性的弹塑性阶段，有明显的水平状的屈服平台，应力基本保持不变（暂时丧失承载力）应变不断发展。•应力波动的下限fy称为屈服强度。•卸载后弹性变形消失，但仍残留变形－塑性变形。弹性阶段OAE•应力应变成线性比例关系σ=Eε，卸载后变形消失。•该阶段变形很小（Q235的εp＝0.1%），是荷载作用下结构计算采用叠加原理的基础。o拉伸过程中各阶段的特性（二）颈缩阶段BD•超过B点后，试件出现横向收缩，称“颈缩”，随后断裂。强化阶段FB•钢材内部晶粒重新排列，恢复承载能力•应变明显比应力增加得快，最终应力达到最高点fu，称为抗拉强度。钢材强度(Strength)特性的要点1.屈服强度fy用作为钢结构设计的可达到的最大应力，原因：（1）fe、fp、fy非常接近，三者合一，可认为弹性与塑性的分界点；（2）fy以后，塑性变形很大，一旦超载，易被发现加固补救；（3）fy发展到fu，有很大一段区域，可作为强度储备，称fu/fy为强屈比，要求大于1.22.为简化计算，钢结构塑性设计将实际应力应变曲线视作理想弹塑性模型。理想弹塑性模型的σ－ε曲线塑性E＝0弹性Eofyfefpfu实际σ－ε曲线钢材强度设计指标强度设计指标的形式容许应力设计法(ASD)—Kf/][y=σ分项系数的极限状态设计法(LRFD)—Ry/γff=钢结构设计所需的强度设计值钢板和各种型钢：根据钢材牌号、厚度确定强度焊缝连接：根据焊缝形式、连接钢材牌号确定强度螺栓连接：根据螺栓材料确定强度强度设计值的确定近似概率方法塑性(Plasticity)及其指标•塑性－应力超过屈服点fy后，能产生一定的残余变形而不立即断裂的性能。•良好的塑性9使结构破坏前出现明显的变形，减少突然破坏的危险性。9调整局部高峰应力，使应力平缓。•衡量塑性好坏的指标9伸长率（延伸率）δ9断面收缩率ψ•屈强比（fy/fu)越小，反映塑性变形的能力越强。•屈服点fy、抗拉强度fu、伸长率δ、是钢材最基本、最重要的三个力学性能指标，须满足钢结构设计规范对它们的要求。韧性(Toughness)及其指标•韧性－反映钢材抵抗冲击荷载、动力荷载的能力，是钢材在变形和断裂过程中吸收能量的度量。•良好的韧性使结构抗震能力提高•韧性衡量的指标摆锤冲击冲击韧性试验ak=Ak/An(单位J/cm2)Ak－冲击功An－试件缺口截面积梅氏U型缺口（a）夏比V型缺口国际较通用的试验方法，目前我国标准已采用AkV(单位J)（b）冲击韧性试验设备CharpyCharpyVNotchVNotchImpacttestImpacttest(CVN)(CVN)VnotchVnotchImpactImpact对韧性的进一步认识•韧性与塑性有关，但是不同于塑性•韧性是钢材强度和塑性的综合反映•韧性也可用应力－应变曲线的面积来度量•优良的塑性、韧性比强度指标更为重要钢材的冷弯性能•冷弯性能—衡量钢材在冷加工(常温)塑性变形时抵抗裂纹的能力•是衡量钢材力学性能的综合指标：9既反映钢材的塑性好坏9又反映钢材的内部质量•满足冷弯性能比满足fy、fu、δ都困难，一般有特殊要求才进行冷弯试验冷弯试验试样弯曲180度，表面及侧面无裂纹或分层，则为合格钢材的可焊性(Weldability)•可焊性—指采用一般焊接工艺就可达到合格焊缝性能。•具体表现为：9施工上—正常焊接工艺下，焊缝不出现裂纹9使用上－焊缝力学性能不低于母材力学性能•钢材可焊性与碳、合金元素的含量有关，需通过试验来鉴定可焊性的好坏、确定焊接工艺要求钢材的耐久性(Endurance)•耐腐蚀9钢材受各种腐蚀环境影响而慢慢生锈，削弱截面厚度9通过喷涂防腐涂料使钢材耐腐蚀•耐疲劳9钢材长时间受荷载重复作用，达到一定的寿命而破坏。9通过改善材质、构造设计来提高疲劳强度，增加寿命。钢材在复杂应力下的屈服(Yielding)条件折算应力(Stress)计算VonMises屈服条件：弹性yzsfσyzsf=σ塑性2223xyyxyxzsτσσσσσ+−+=(b)两向应力状态折算应力)(3222222zxyzxyxzzyyxzyxzsτττσσσσσσσσσσ+++−−−++=(a)三向应力状态三向应力两向应力塑性(Ductile)破坏、脆性(Brittle)破坏•塑性破坏（延性破坏）9破坏前有明显的塑性变形，持续时间较长。9破坏的断口常为杯形，呈纤维状，色泽发暗。•脆性破坏9破坏前没有或只有很小的塑性变形，突然发生。9破坏断口平直，呈有光泽的晶粒状。•应极力避免钢结构发生危险的脆性破坏•冶炼、加工、使用、环境、设计等多种因素会影响钢结构发生脆性破坏。疲劳断裂(Fatiguefracture)•疲劳—固体力学的一个分支，研究材料和结构在循环荷载作用下的强度问题，研究其应力状态与寿命的关系。•疲劳破坏—在循环荷载重复作用下，经历一定时间的损伤积累，构件和连接部位出现裂纹、最后断裂的现象。•疲劳破坏性质—破坏时塑性变形很小，突然破坏，属于脆性破坏范畴，危险性大。疲劳断裂破坏实例•1967年12月15日下午美国普莱森特角悬索桥因一吊杆断裂而在60秒内倒塌。•46人丧生，37辆各种车辆掉入河中。普莱森特角悬索桥（3跨）疲劳断裂破坏实例（续）吊杆耳环断裂整桥倒塌疲劳分类•高周疲劳（应力疲劳）9工作应力小于fy，没有明显的塑性变形，寿命大于105次以上（本课程讨论对象）。9典型对象：吊车梁、桥梁、海洋平台等在日常荷载下的疲劳破坏•低周疲劳（应变疲劳）9工作应力达到或大于fy，有较大的塑性变形，寿命在105次以内，甚至几百次、几十次。9典型对象：强烈地震下的一般钢结构疲劳破坏。疲劳断裂过程裂纹形成裂纹稳定扩展裂纹失稳扩展断裂非焊接结构三阶段本身存在类似裂纹的缺陷焊接结构二阶段疲劳破坏断口•光滑区—裂纹扩展过程中不断张开闭合，两表面互相碾磨而成。•粗糙区—截面削弱，不能承载而拉断形成。沙滩条纹粗糙区典型疲劳断口显微镜下的疲劳条纹一次应力循环留下一条纹疲劳荷载应力比ρ=σmin/σmaxσ—拉为正，压为负应力幅△σ=σmax-σmin时间△σ一次循环应力循环形式交变循环脉冲循环静载疲劳强度（S－N曲线）常幅疲劳极限NLN疲劳强度对数后的S－N曲线国家规范美、日中国、欧洲英国疲劳极限NL2×1065×106107σ疲劳强度寿命S－N曲线或疲劳极限影响疲劳强度的因素项次因素非焊接结构焊接结构影响方式12345678循环次数N↑有有疲劳强度↓应力集中↑有有疲劳强度↓尺寸、板厚↑有有疲劳强度↓环境质量↓有有疲劳强度↓应力比ρ↓有疲劳强度↓最大应力σmax↑有寿命N↓应力幅△σ↑有寿命N↓钢材静力强度↓有疲劳强度↓钢结构常幅疲劳强度的验算方法验算公式应力循环次数参数我国钢结构规范S－N曲线我国钢结构S－N曲线及分类构造细节分类变幅疲劳荷载应力时间铁路桥梁变幅应力历程时间起重机变幅应力历程变幅疲劳强度的验算方法•Miner定律认为变幅疲劳中的各应力幅所造成的损伤可用ni/Ni来定量表示，且可线性叠加。•当损伤度D＝1时，结构发生疲劳破坏。式中：N△σlg△σMiner线性累积损伤定律钢的种类铁碳合金铸铁(C≥2%)钢(C2%)碳素钢合金钢＝碳素钢＋少量合金元素低碳钢(C0.25%)中碳钢(0.25≤C0.6%)高碳钢(C≥0.6%)低合金钢中合金钢高合金钢普通合金钢优质合金钢高级合金钢or普通碳素钢优质碳素钢碳素工具钢or（注：红色字体－建筑钢结构用材）影响钢材性能的一般因素化学成分的影响钢纯铁Fe(占99%)碳C↑→变脆（强度↑，塑性、韧性、可焊性↓）其它主要元素硅Si适量↑→强度↑，塑性、韧性、可焊性变化不大锰Mn－影响同Si钒V－影响同Si硫S→热脆，可焊性差磷P→冷脆，低温工作性能差氧O－影响同S氮N－影响同P有害元素有益元素钢材生产过程的影响→冶炼→浇铸→轧制→热处理钢材生产过程浇铸法2浇铸法1钢材冶炼（Smelting）方法比较冶炼方法成本质量应用状况平炉钢生产率低成本高好应用减少氧气顶吹转炉钢生产率高成本低接近平炉钢发展方向目前应用主流侧吹(空气)转炉钢同上差淘汰电炉钢耗电成本高最好用于冶炼特种钢材浇铸过程中的脱氧方法•钢材冶炼浇铸过程中产生影响力学性能的杂质－氧化铁•需投入脱氧剂来排除或减少氧化铁含量钢材采用脱氧剂性能成本应用状况沸腾钢Mn脱氧不够充分材质差低要求低的钢结构镇静钢Si脱氧充分材质好，fy比沸腾钢高一些高要求高的钢结构半镇静钢介于沸腾钢和镇静钢之间一般不用常用脱氧剂锰Mn硅Si铝Al(或钛Ti)弱较强强脱氧能力热处理（Heattreatment）•钢材一般以热轧状态供货，某些高强度钢材在轧制后需进行热处理。•热处理的作用使钢材既获得高强度，又保持良好的塑性和韧性。热处理的目的（1）正火－最简单的热处理：把钢材再加热至850～900℃并保持一段时间后在空气中自然冷却，即为正火。（2）回火－是将钢材重新加热至650℃,并保温一段时间，然后在空气中自然冷却。（3）淬火－是把钢材加热至900℃以上，保温一段时间，然后放入水或油中快速冷却。（4）淬火+回火（也称调质处理）－强度很高的钢材，都要经过调质处理。主要的热处理方法热处理电脑控制度热处理生产线轧制（Rolling）的影响（一）•在高温和压力下，将钢锭或钢坯热轧成钢板和型钢；•改变钢材的形状及尺寸；•使小气泡、裂纹、疏松等缺陷焊合起来；•使金属组织更加致密，改善了钢材的力学性能。轧制的作用轧制的影响（二）薄钢板的优点•轧制次数多的薄钢板，缺陷少；•比厚钢板强度高，塑性和冲击韧性好。•钢材轧制后，内部的非金属夹杂物被压成薄片；•较厚的钢板易出现分层(夹层)现象，使钢材沿厚度受拉的性能变差；•对于厚钢板(40mm)需进行Z方向的材性试验。•尽量避免Z向受力，防止层状撕裂。防止厚钢板的层间撕裂冷作硬化（Hardening）的影响当钢材应力超过弹性极限时，以后重新加载会使以前的弹性极限提高，塑性变形减少。硬化钢结构在冷（常温）加工（弯曲、剪切、钻冲等）过程中引起的钢材硬化冷作硬化弹性极限提高使钢材变脆→强度提高，但塑性韧性下降不利影响常将因冷加工引起的硬化部位刨去重要结构措施时效（Aging）的影响钢材纯铁体中存在着碳和氮的固溶物，随着时间增加，它会慢慢析出，分布在钢材晶粒的滑移面上，阻碍纯铁体发展塑性变形。时效钢材强度↑，塑性↓，韧性↓↓时效影响几天～几十年时间不等时效周期温度的影响（一）•T在室温～200℃范围，钢材强度、弹模、塑性、韧性没大的变化；•T在250℃左右时，钢材抗拉强度↑，而冲击韧性↓，称“蓝脆”（表面呈蓝色)，应避免钢材在蓝脆温度范围进行热加工；•T超过300℃后，屈服强度、极限强度↓↓•T达到600℃时，强度已很低，不能承载。温度T升高正温对钢材力学性能的影响钢结构防火（Fireprotection）措施防火板包覆钢梁防火板包覆钢柱防火涂料喷涂钢桁架温度的影响（二）•T从室温下降时，钢材强度略有提高，而塑性和冲击韧性↓(变脆)。•温度下降到某一数值时，钢材的冲击韧性突然急剧↓↓，称低温冷脆。•T1、T2区间为温度转变区，钢材的T1越小越好。•曲线最陡点的温度T0，为低温冷脆临界温度。•钢结构设计应使环境温度