第2章 钢结构的材料

设计原理钢结构第二章钢结构的材料设计原理钢结构第二章钢结构的材料1.了解钢材的破坏形式和主要性能。2.了解影响钢材性能的主要因素。3.了解钢材疲劳破坏及计算方法。4.了解钢材的种类及选用原则要求。2.1钢结构对材料的要求2.2钢材的破坏形式2.3钢材的主要性能2.4各种因素对钢材主要性能的影响2.5复杂应力作用下钢材的屈服条件2.6钢材的疲劳2.7钢的种类和钢材的规格本章目录基本要求设计原理钢结构第二章钢结构的材料第2.1节钢结构对材料的要求1.概述2.钢结构对材料的基本要求了解钢结构对材料性能的基本要求本节目录基本要求设计原理钢结构第二章钢结构的材料2.1.1概述含碳量小于2％的铁碳合金称作钢，含碳量大于2％时称作铁。钢材种类繁多，性能差别很大，适用于钢结构只是其中一小部分。设计原理钢结构第二章钢结构的材料（1）较高的抗拉强度fu和屈服点fy；fy是衡量结构承载力的指标，fy高则可减轻结构自重，节约钢材和降低造价。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，同时fu高可以增加结构的安全保障。（2）较好的塑性、韧性；（3）良好的工艺性能（冷、热加工，可焊性）；（4）对环境的良好适应性(低温、高温、腐蚀等)。2.1.2钢结构对材料的基本要求设计原理钢结构第二章钢结构的材料第2.2节钢材的破坏形式钢材的两种破坏形式了解钢材的破坏形式和特点本节目录基本要求设计原理钢结构第二章钢结构的材料2.2.1钢材的两种破坏形式破坏形式特征断口后果塑性破坏构件应力超过屈服点，并且达到抗拉极限强度后，构件产生明显的变形并断裂。断裂时断口与作用力方向呈45°，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。断口平直并呈有光泽的晶粒状。突然发生的，危险性大，应尽量避免。设计原理钢结构第二章钢结构的材料第2.3节钢材的主要性能1.受拉、受压及受剪时的性能2.冷弯性能3.冲击韧性掌握钢材的主要力学性能要求及含义本节目录基本要求设计原理钢结构第二章钢结构的材料2.3.1受拉、受压及受剪时的性能1、钢材在单向一次拉伸下的工作性能试验条件：标准试件（GB/T228），常温（20±5℃）下缓慢加载，一次完成。含碳量为0.1%－0.3%。标准试件：Lo/d=5或10；Lo--标距；d--直径图2.3.1设计原理钢结构第二章钢结构的材料2、有明显屈服点钢材的σ-ε曲线ufOPfEBCDAGyfH图2.3.2设计原理钢结构第二章钢结构的材料2、有明显屈服点钢材的σ-ε曲线图2.3.3设计原理钢结构第二章钢结构的材料可划分为以下五个阶段：(1)弹性阶段(OB(OE)段)OA(OP)段材料处于纯弹性，即:EAB(PE)段有一定的塑性变形,但整个OB(OE)段卸载时ε=0弹性模量：E=206×103N/mm2其中，A(P)点应力fp称为比例极限。设计原理钢结构第二章钢结构的材料(2)弹塑性阶段（BC(ES)段)该段很短，表现出钢材的非弹性性质，即卸荷留下永久的残余变形。(3)塑性阶段（CD(SC)段)该段σ基本保持不变（水平),ε急剧增大,称为屈服台阶。变形模量E=0。该段应力最高点和最低点分别称为上屈服点和下屈服点，下屈服点比较稳定，设计中则以下屈服点为依据。fy称为屈服点。设计原理钢结构第二章钢结构的材料（4）强化阶段(DG(CB)段)当应力达到G(B)点时，出现颈缩现象，至H(D)点而断裂。随荷载的增加，σ缓慢增大,但ε增加较快。曲线最高点处G(C)点的应力fu称为抗拉强度或极限强度。（5）颈缩破坏阶段(GH(BD)段)设计原理钢结构第二章钢结构的材料3、应力应变曲线的简化设计时将钢材简化为理想弹塑性体钢材在静载作用下：强度计算以屈服点的应力fy为依据，抗拉强度fu为材料的安全储备。ε22.5%--3%fyε10.15%εσ图2.3.5设计原理钢结构第二章钢结构的材料4、对无明显屈服点的钢材高强度钢材在拉伸过程中没有明显的屈服台阶，塑性变形小，设计中不宜利用它的塑性。设计时取相当于残余变形为0.2%时所对应的应力作为屈服点—称为条件屈服点或名义屈服点f0.2。fy=f0.20.2%fuεp图2.3.4设计原理钢结构第二章钢结构的材料5、单向拉伸时钢材的机械性能指标（1）屈服点fy—应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力，它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。（2）抗拉强度fu—应力应变曲线最高点对应的应力,它是钢材最大的抗拉强度。设计原理钢结构第二章钢结构的材料（3）伸长率00100%lll当lo/d=5时，用δ5表示当l0/d=10时，用δ10表示（δ5＞δ10）实际工程中以伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形能力。钢材的塑性是指：当应力超过屈服点后，钢材能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。试件断裂时的绝对变形值与原标距长度的百分比，用δ表示。设计原理钢结构第二章钢结构的材料（4）断面收缩率是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比，用表示。%100010AAA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图2.3.6设计原理钢结构第二章钢结构的材料采用短试件l0/d=3，屈服点同单向拉伸时的屈服点。6、受压时的性能7、受剪时的性能抗剪强度可由折算应力计算公式得到：3279103vyyNGmmff剪变模量设计原理钢结构第二章钢结构的材料2.3.2冷弯性能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鉴定合格指标：通过冷弯冲头加压，当试件弯曲至180°时，检查试件弯曲部分的外面、里面和侧面，如果没有裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。图2.3.7设计原理钢结构第二章钢结构的材料2.3.3冲击韧性冲击韧性——钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。韧性指标用冲击韧性值表示，冲击韧性也叫冲击功，用符号Wkv或Cv表示，单位为J。冲击韧性由冲击韧性试验确定。图2.3.8设计原理钢结构第二章钢结构的材料图2.3.9冲击韧性演示设计原理钢结构第二章钢结构的材料影响冲击韧性的因素：冲击韧性与试件刻槽有关，常用缺口形式为夏氏V型和梅氏U型，近年来，我国冲击试验已用夏氏V型代替梅氏U型。冲击韧性还与试验的温度有关。根据温度不同，我国钢材标准中将试验分为四档，即+20℃,0℃，-20℃和-40℃时的冲击韧性。温度越低，冲击韧性越低。设计原理钢结构第二章钢结构的材料钢材的机械性能指标屈服点fy抗拉强度fu伸长率δ冷弯试验冲击韧性Cv小结设计原理钢结构第二章钢结构的材料第2.4节各种因素对钢材主要性能的影响1.化学成分2.冶金缺陷3.钢材硬化1.了解影响钢材性能的主要因素本节目录基本要求2.了解防止脆性断裂破坏的方法4.温度影响5.应力集中6.荷载的影响设计原理钢结构第二章钢结构的材料2.4.1化学成分普通碳素钢中Fe占99%，C和其他元素仅占1%，但对钢材力学性能有着决定性的影响。普通低合金钢中合金元素小于5%。(1)碳（C）：钢材强度的主要来源，随其含量增加，强度增加，塑性、韧性和疲劳强度降低，同时恶化钢的焊接性能和抗腐蚀性。钢结构用钢中，碳含量一般控制在0.22%以下，当其含量在0.2％以下时，可焊性良好。设计原理钢结构第二章钢结构的材料图2.4.1含碳量对σ-ε关系的影响σ0%εC0.1%C0.3%设计原理钢结构第二章钢结构的材料(2)硫（S）：有害元素，热脆性。不得超过0.045%。(3)磷（P）：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。不得超过0.045%。(4)锰（Mn）：合金元素,弱脱氧剂。与S形成MnS,熔点1600℃,可以消除一部分S的有害作用。(5)硅（Si）：合金元素。强脱氧剂。设计原理钢结构第二章钢结构的材料(6)钒（V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。(7)氧（O）：有害杂质，与S相似（热脆）。(8)氮（N）：有害杂质，与P相似（冷脆）。(9)铜（Cu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。设计原理钢结构第二章钢结构的材料2.4.2冶金缺陷常见的冶金缺陷有：偏析：钢中化学成分不一致和不均匀性称为偏析。主要是硫和磷的偏析，使钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。非金属夹杂：常见的夹杂物为硫化物和氧化物。硫化物使钢材在800～1200℃高温下变脆，氧化物会降低钢材的力学性能和工艺性能。气孔：浇注时由FeO与C作用所生成的CO气体不能充分逸出而留在钢锭内形成的。裂纹：钢材中已出现的局部破坏分层：指沿厚度方向形成层间并不相互脱离的分层。分层处易被锈蚀,且分层使钢材性能变差。设计原理钢结构第二章钢结构的材料2.4.3钢材硬化冷作硬化在冷加工或一次加载使钢材产生较大的塑性变形的情况下，卸载后再重新加载，钢材的屈服点提高，塑性和韧性降低的现象。时效硬化随着时间的增加，纯铁体中有一些数量极少的碳和氮的固熔物质析出，使钢材的屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性下降的现象。应变时效硬化钢材产生一定数量的塑性变形后，铁素体晶体中的固溶碳和氮更容易析出，从而使已经冷作硬化的钢材又发生时效硬化现象。设计原理钢结构第二章钢结构的材料图2.4.2硬化对钢材性能的影响σ0ε冷作硬化时效硬化冷作硬化后的塑性区2431fyfpε冷加工及时效冷加工及时效后的塑性区fyσ0设计原理钢结构第二章钢结构的材料图2.4.3设计原理钢结构第二章钢结构的材料注意:不管哪一种硬化，都要降低钢材的塑性和韧性，对钢材不利。因此钢结构设计中一般不利用硬化后提高的强度，而且对于直接承受动荷载的结构还应设法消除硬化的影响。例如，经过剪切机剪切的钢板，为了消除剪切边缘的冷作硬化，可采用火焰烧烤使之“退火”或将边缘刨去3～5mm。设计原理钢结构第二章钢结构的材料2.4.4温度影响图2.4.4温度对钢材机械性能的影响8006004002000N/mm2Efuδfy20040060020406080δ%220210200190180170160E（x103N/mm2）t(0C)设计原理钢结构第二章钢结构的材料1．正温范围200℃以内对钢材性能无大影响，该范围内随温度升高总的趋势是强度、弹性模量降低，塑性增大。250℃左右抗拉强度略有提高，塑性降低，脆性增加—蓝脆现象，该温度区段称为“蓝脆区”。260～320℃产生徐变现象。600℃左右弹性模量趋于零，承载能力几乎完全丧失。设计原理钢结构第二章钢结构的材料当温度低于常温时，钢材的脆性倾向随温度降低而增加，材料强度略有提高，但其塑性和韧性降低，该现象称为低温冷脆。2．负温范围脆性破坏转变过渡区段塑性破坏反弯点试验温度T0CT1T2T0图2.4.5冲击韧性与温度的关系曲线设计原理钢结构第二章钢结构的材料2.4.5应力集中1.应力集中的概念在钢结构构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化和内部缺陷等，此时截面中的应力分布不再保持均匀，而是在一些区域产生局部高峰应力，形成所谓应力集中现象。图2.4.6孔洞及槽孔处的应力集中现象yzσyσxσzxσxσyσ0σ011σxσyσ0σ011设计原理钢结构第二章钢结构的材料2.应力集中的影响可以看出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，脆性破坏的倾向愈大。1020300.425100ε%σ(N/mm2)①①②②③③④④φ10测距100φ10φ100600700500400300200100图2.4.7应力集中对σ-ε曲线关系的影响设计原理钢结构第二章钢结构的材料3.减小应力集中现象的措施由于钢材具有良好的塑性性能，在一定程度上能促使应力进行重分配，当承受静力荷载且在常温下工作时，只要符合规范规定的设计要求，可以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