第二章钢结构的材料100303

第二章钢结构的材料2§1基本性能要求和指标本章主要内容§2钢材的破坏形式§3影响钢材性能的一般因素(难点）§4钢材的疲劳(重点）习题§5钢材的种类、规格及选用3§1基本性能要求和指标强度：比例极限、屈服点、极限强度、屈强比塑性：伸长率、断面收缩率冷加工性：冷弯试验抗冲击性能：冲击韧性可焊性：施工可焊性、使用可焊性耐久性：抗腐蚀能力、抗疲劳能力钢材的力学性能：钢材在各种作用下所表现出来的各种特性，包括强度、塑性、韧性、疲劳等方面的内容。基本性能指标：41.强度①单向均匀受拉作用定义：钢材抵抗荷载的能力图2.1软钢的应力－应变曲线fp—比例极限fy––屈服点fu––极限强度（抗拉强度）fe—弹性极限弹性阶段ef屈服阶段yf强化阶段uyff颈缩阶段下降迅速5理想弹塑性体的应力－应变曲线：0fyfy材料为完全弹性体fy材料为完全塑性体fu作为安全储备定义钢材强度的两项重要指标：fy和fufy–––设计强度，结构用钢可达到的最大应力屈强比fy/fu–––钢材强度储备的参数，fy/fu，强度储备6设计时以卸载后试件中残余应变为0.2％所对应的应力作为屈服点——“条件屈服点”或“名义屈服点”fy=f0.20.2%fuεp图2.2硬钢的应力－应变曲线②无明显屈服点的钢材7图2.3复杂应力作用状态③复杂应力作用213232221)()()(21zs折算应力)(3)(222222zxyzxyxzzyyxzyxzs或定义：zsfy弹性状态zsfy塑性状态82112yxyxyxxxyxyy平面应力状态212221zs2223xyyxyxzs或9普通梁中，只有和作用，即x=，xy=和y=0223zsyzsf3纯剪时vyyfff58.03式中：fv–––钢材抗剪强度设计值i=0(i=x,y,z)即钢材的剪切屈服点是拉伸屈服点fy的0.58倍102.塑性定义：钢材破坏前产生塑性变形的能力。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。指标：伸长率：%100001lll式中：l0–––试件原标距长度，l0=5d0或l0=10d0；l1–––试件拉断后标距的长度。断面收缩率：%100010AAA113.冷弯性能定义：衡量钢材在常温下冷加工弯曲产生塑性变形时对裂纹的抵抗能力。弯曲1800，无裂纹、分层、断裂则合格.鉴别指标：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。124.冲击韧性定义：钢材在塑性变形和断裂的过程中吸收能量的能力，它是强度与塑性的综合表现。冲击韧性越好，表明钢材越不易脆断。指标：冲击功Cv图2.5冲击韧性试验13冲击韧性的影响因素：（1）试件的缺口形式：规范采用夏氏V型。（2）温度：温度越低，冲击韧性越低。分为四档，即+20℃,0℃，-20℃和-40℃145.可焊性②焊接接头和焊缝的冲击韧性及近缝区塑性不低于母材性能。(使用性能上的可焊性)①在一定的焊接工艺条件下，焊缝和近缝区均不产生裂纹。(施工上的可焊性)保证参数：含碳量合格（C0.2%)6.耐腐蚀性涂料保护、耐候钢(合金体系)15§2钢材的破坏形式应力状态变形特征断口后果塑性破坏（延性破坏）应力超过屈服点，并且达到抗拉极限强度后，构件产生明显的变形并断裂。常为杯形，呈纤维状，色泽发暗。在破坏前有很明显的变形，并有较长的变形持续时间，便于发现和补救。脆性破坏在破坏前无明显变形，平均应力也小（一般都小于屈服点），没有任何预兆。平直和呈有光泽的晶粒。突然发生的，危险性大，应尽量避免。16§3影响钢材性能的一般因素化学成分：Fe、C、Si、Mn、V、S(O)、P(N)、其他冶金缺陷：偏析、非金属杂质、裂纹、气泡、分层钢材硬化：冷作硬化、时效硬化、应变时效温度影响：蓝脆、高温软化、低温冷脆应力集中：局部高峰应力荷载作用：反复荷载（疲劳）171.化学成分的影响钢的基本元素：Fe(占99%)、C和其它元素(占1%)C：C含量增加使得强度，塑性、韧性，可焊性、耐腐蚀性。Si：强脱氧剂，适量的Si可提高强度，而对塑性、韧性、冷弯性能及可焊性无不良影响。（有益）Mn：弱脱氧剂，适量时可有效提高钢材强度，并提高热脆性能。（有益）18S(O)：有害元素，在高温下(800~1200℃)使钢材变脆，称为热脆。P(N)：有害元素，虽然能提高钢材强度和抗锈蚀能力，但严重降低钢材的塑性、韧性，且在低温时使钢材变脆，称为冷脆。合金元素：铬(Cr)不锈；铜(Cu)耐候；钒(V)、钛(Ti)高强防锈；镍(Ni)防锈；铌(Nb)耐高温192.冶金缺陷的影响(1)偏析硫、磷偏析，偏析区钢材的性能变坏（3）裂纹冷弯性能、韧性降低（2）非金属夹杂硫化物、氧化物使钢材性能变脆（4）气泡FeO+C=Fe+CO，CO气体不能充分逸出（5）分层冷弯性能降低20冷作硬化：钢材在弹塑性阶段或塑性阶段卸荷后再重复加载时，其屈服点将提高，即弹性范围增大，而塑性和韧性降低的现象。3.钢材硬化（应变硬化）21时效硬化：随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。应变时效:冷作硬化的同时可以加速时效化，因此也称“人工时效”。一般不利用硬化所提高强度224.温度的影响温度对钢材力学性能的影响)/(2mmN(%)℃fufyδE蓝脆现象：温度达250C左右时，fu提高，塑性、韧性下降，表面氧化膜呈蓝色低温冷脆：在负温范围，即当温度从常温下降时，塑性、韧性降低，下降到某一温度时冲击韧性突然急剧下降，发生脆性破坏高温软化：无保护措施耐火极限仅15分钟23冲击韧性和温度关系示意图脆性破坏两种破坏均有塑性破坏转变温度区冲击断裂功试验温度T1T0T2245.应力集中的影响原因:组织构造、内部缺陷后果：局部产生高峰应力应力集中现象25不同槽口试件静力拉伸试验的应力——应变曲线应力集中对σ-ε曲线关系的影响截面槽口改变愈急剧，应力集中现象愈厉害，其抗拉强度愈高，但塑性愈差，破坏的脆性倾向愈大。1020300.425100ε%σ(N/mm2)①①②②③③④④φ10测距100φ10φ100600700500400300200100266.荷载类型的影响疲劳破坏：在连续反复（循环）荷载作用下，当应力低于fu甚至低于fy便发生突然脆性断裂的现象。（1）.加荷速度的影响加荷速度过快，构件来不及变形，得到的屈服点也高，且呈脆性。（2）.反复荷载的影响27防止脆性断裂的方法外因钢材在构造和加工工程中引起的应力集中、低温影响、动力荷载的作用、冷作硬化和应变时效硬化等内因钢材的化学成分、组织构造和缺陷等影响钢材出现脆性破坏的因素合理设计正确制造合理使用28定义：在连续反复（循环）荷载作用下，当应力低于fu甚至低于fy便发生突然脆性断裂的现象。破坏过程：裂纹的形成----裂纹的扩展----最后的迅速断裂而破坏§4钢材的疲劳P=P0sint/aPPta产生原因：连续反复荷载、材料局部缺陷（工艺微裂纹、焊缝夹渣等）29影响疲劳强度的因素①构造状态（冶金缺陷，应力集中程度，残余应力）ttminmax②应力幅③应力循环次数N④应力比maxmin0同号循环0异号循环（焊接结构）（非焊接结构）30应力幅与应力循环次数N（疲劳寿命）的关系0NX1051n12n2bfy123456SS0lgnlg............b1lgClglgn1容许应力幅[]1[](2.5.4)CN容许应力幅与钢材的强度无关，这表明不同种类的钢材具有相同的抗疲劳性能。31疲劳计算疲劳计算采用容许应力幅法对只有压应力的循环作用，无需计算变幅疲劳的计算公式常幅疲劳的计算公式6102nf321.钢材的种类2.钢材的牌号3.钢材的选用4.钢材的规格§5钢材的种类、规格及选用331.钢材的种类结构钢：建筑用钢、机械用钢•按用途分工具钢特殊钢平炉钢：生产率低、价格贵顶吹氧气转炉钢：生产率高、价格便宜侧吹转炉钢：钢材质量较差，已被淘汰电炉炼钢法：生产成本高(不用于结构钢）冶炼方法34•按化学成分分：碳素钢、合金钢优质碳素结构钢(高强度螺栓）•建筑结构用钢普通碳素钢低合金结构钢•按脱氧方法分沸腾钢(F)半镇静钢(b)特殊镇静钢(TZ)镇静钢(Z)脱氧程度钢材质量价格352.钢材的牌号Q235A[F,b,(Z)](旧称3号钢，无冲击功规定)Q235B[F,b,(Z)]20℃Cv≥27JQ235C[(Z)]0℃Cv≥27JQ235D[(TZ)]－20℃Cv≥27J普通碳素钢：Q195、Q215、Q235、Q275如：Q235AF，Q235CQ★–脱氧方式：F、b、Z、TZ(通常省略不写)屈服点的“屈”字的首写拼音字母钢材的屈服点A,B,C,D四个质量等级(D级最好)36低合金钢：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460Q345A,B,C,D,E：Cv≥34J[E为27J]Q390A,B,C,D,EQ420A,B,C,D,EQ★A,B,C,D,E五个质量等级(E级最好)Cv≥34J[E为-40℃27J]GB/T1591-94：如：Q345A，Q420C373.钢材的选用(1)结构类型及重要性（主要、一般、次要）(2)荷载性质（静力荷载动力荷载）(3)连接方式（焊接非焊接）(4)工作环境（常温低温、腐蚀介质）(5)应力条件（拉应力压应力）(6)钢材厚度原则：可靠安全、经济合理选择使用钢材时，应考虑的主要因素：38选用条件：(1)焊接结构严格控制S,P,C含量Q235AF不保证Cv指标和C含量，用于非焊接结构(2)受动载结构(吊车梁，桥梁)应提出冲击韧性指标(3)低温环境(室外，露天)应提出低温冲击韧性要求承重钢结构用钢材的保证项目三项保证五项保证六项保证冷弯180°-40℃冲击韧性冲击韧性ufyf5)(10化学成分：C、S、P、Mn、Si、V、Nb、Ti394.钢材的规格(1)钢板表示方法：–宽厚或–宽厚长如：–6003.5–6003.5×3000特厚板：厚度大于60mm厚钢板：厚度4.5~60mm扁钢：厚度4~60mm，宽度两边均为轧制边的钢板型式薄钢板：厚度0.35~4.0mm40(3)热轧型钢工字钢、H型钢、T型钢、槽钢、角钢、圆钢管、方钢管H型钢、T型钢、方钢管、圆钢管、十字型(2)焊接型钢41♣角钢等边：∟bd如：∟906不等边：Bbd如：12580842♣工字钢如I36a如QI50a普通工字钢：I截面高度h的厘米数截面类型(a,b,c三类)轻型工字钢：QI截面类型(a,b两类)43♣H型钢如：HM340×250×9×14热轧H型钢焊接H型钢HHBt1×t2##HBt1×t2中翼缘H型钢(HM)窄翼缘H型钢(HN)H型钢桩(HP)宽翼缘H型钢(HW)如：H350×250×10×1644♣T型钢如：HM600×300×12×20由H型钢剖分而成##HBt1×t2中翼缘T型钢(TM)窄翼缘T型钢(TN)宽翼缘T型钢(TW)剖分成：TM300×300×12×2045♣槽钢截面高度的厘米数截面类型分a,b,c三类截面类型a普通槽钢：如32a轻型槽钢：Q如Q32a46♣钢管热轧无缝钢管焊接钢管dt圆钢管方钢管焊接方钢管冷弯方钢管□hbt如：1025如：□12080447(4)冷弯薄壁型钢B+形状符号+长边宽短边宽卷边宽厚度如：B12050202.548习题1.钢材有哪几项基本性能指标？各项指标可用来衡量钢材哪些方面的性能？2.钢材的化学成分对钢材的性能有哪些影响？3.钢材的疲劳的影响因素？