鋼結(jié)構(gòu)基本原理課件第二章

2鋼結(jié)構(gòu)的材料

本章內(nèi)容:(1)

鋼結(jié)構(gòu)對(duì)材料的基本要求

(2)

鋼材的破壞形式

(3)

鋼材的主要機(jī)械性能

(4)

影響鋼材性能的主要因素

(5)

鋼的種類和鋼材規(guī)格本章重點(diǎn)：鋼材的主要機(jī)械性能、各種因素對(duì)鋼材性能的影響本章難點(diǎn)：影響鋼材性能的主要因素

2.1鋼結(jié)構(gòu)對(duì)材料的要求1、具有較高的抗拉強(qiáng)度f(wàn)u和屈服點(diǎn)fy(結(jié)構(gòu)的承載力大，所需的截面小，結(jié)構(gòu)的自重輕)2、具有較好的塑性、韌性（塑性好，不易發(fā)生脆性破壞；韌性好，利于承受動(dòng)力荷載）3、良好的工藝性能(包括可焊性、冷加工、熱加工性能)對(duì)鋼材的基本要求：

2.1鋼結(jié)構(gòu)對(duì)材料的要求

規(guī)范規(guī)定（鋼種牌號(hào)約400多種）：

承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、屈服點(diǎn)和碳、硫、磷含量的合格保證；焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有冷彎試驗(yàn)的合格保證；對(duì)某些承受動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)以及重要的受拉或受彎的焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有常溫或負(fù)溫沖擊韌性的合格保證.《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017-2003推薦承重結(jié)構(gòu)用鋼宜采用：碳素結(jié)構(gòu)鋼中的Q235鋼及低合金結(jié)構(gòu)鋼中的Q345、Q390和Q420鋼四種鋼材。2.2鋼材的破壞形式1、塑性破壞：斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗。破壞前有明顯的變形，破壞歷時(shí)時(shí)間長(zhǎng)，可以采取補(bǔ)救措施。2、脆性破壞：破壞前沒有任何預(yù)兆，破壞是突然發(fā)生的，斷口平直并呈有光澤的晶粒狀。鋼材的破壞形式：塑性破壞和脆性破壞。

在設(shè)計(jì)、施工和使用鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，注意防止脆性破壞。鋼材的主要性能是機(jī)械性能，可通過(guò)某些試驗(yàn)（拉伸、冷彎、沖擊）確定。·2.3鋼材的主要性能2.3.1受拉、受壓及受剪時(shí)的性能fyfu單軸拉伸經(jīng)歷5個(gè)階段：彈性階段（OE）彈塑性階段（ES）屈服階段（SC）強(qiáng)化階段（CB）

頸縮階段（BD）圖2.1

碳素結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系fp1.強(qiáng)度性能

設(shè)計(jì)時(shí)，為簡(jiǎn)化，將鋼材視為理想的彈塑性材料

----屈服前為彈性屈服后為塑性fy

fu—抗拉強(qiáng)度最大承載強(qiáng)度，強(qiáng)度儲(chǔ)備。

fy—屈服強(qiáng)度作為強(qiáng)度計(jì)算限值,強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值,設(shè)計(jì)依據(jù).圖2.2

理想彈-塑性體的應(yīng)力-應(yīng)變曲線

高強(qiáng)度鋼的條件屈服點(diǎn)：

卸荷后試件中殘余應(yīng)變?yōu)?.2%所對(duì)應(yīng)的應(yīng)力(f0.2)δ—伸長(zhǎng)率（塑性性能）2.塑性性能斷裂前的變形能力冷加工保證條件反映質(zhì)量缺陷δ5或δ10塑性：在靜力荷載作用下，鋼材吸收變形能的能力。圖2.3高強(qiáng)度鋼的應(yīng)力-應(yīng)變曲線2.3.2冷彎性能

在一定的d/a下彎折180度，外表面不出現(xiàn)裂紋和分層圖2.4鋼材冷彎試驗(yàn)示意圖冷彎性能是檢驗(yàn)鋼材彎曲變形能力或塑性性能，還是顯示鋼材內(nèi)部缺陷狀況的一項(xiàng)指標(biāo)；是鑒定鋼材在彎曲狀態(tài)下塑性應(yīng)變能力和鋼材質(zhì)量的綜合指標(biāo)。2.3.3沖擊韌性

韌性是鋼材抵抗沖擊荷載的能力，它用材料在斷裂時(shí)所吸收的總能量來(lái)量度（Cv）擺錘h1h2沖擊韌性：在動(dòng)力荷載作用下，材料吸收能量的能力。韌性是鋼材強(qiáng)度和塑性的綜合指標(biāo)。圖2.5沖擊韌性試驗(yàn)1、化學(xué)成分2、冶金缺陷3、鋼材硬化4、溫度影響5、應(yīng)力集中6、反復(fù)荷載作用（結(jié)束）2.4各種因素對(duì)鋼材性能的影響

2.4各種因素對(duì)鋼材性能的影響

2.4.1化學(xué)成分

鋼是含碳量小于2%的鐵碳合金。鋼中基本元素：Fe、C、Si、Mn、S、P、N、O。普通碳素鋼中，F(xiàn)e占99%，其余元素占1%。在低合金鋼中，除了上述元素外，還有一定合金元素（鎳、釩、鈦等）（含量低于5%）

各種元素對(duì)鋼材機(jī)械性能的影響如下。碳C：含量增加，鋼材強(qiáng)度提高，而塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度低。同時(shí)焊接性能和抗腐蝕性惡化。一般在碳素結(jié)構(gòu)鋼中不應(yīng)超過(guò)0.22%；在焊接結(jié)構(gòu)中還應(yīng)低于0.2%。硅Si：含Si適量使強(qiáng)度提高,其它影響不大，有益元素，

碳素結(jié)構(gòu)鋼中應(yīng)控制≤0.3%,在低合金高強(qiáng)度鋼中硅的含量可達(dá)0.55%。錳Mn：含Mn適量使強(qiáng)度提高，降低S、O的熱脆影

響，改善熱加工性能，對(duì)其它性能影響不大,

有益。在碳素結(jié)構(gòu)鋼中錳的含量為0.3%～0.8

%，在低合金高強(qiáng)度鋼中錳的含量可達(dá)1.0

%～1.6%。釩和鈦：是鋼中的合金元素，能提高鋼的強(qiáng)度和抗腐蝕性能，又不顯著降低鋼的塑性。硫S：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強(qiáng)度，在高溫時(shí)，使鋼材變脆，稱之為熱脆。含量

應(yīng)不超過(guò)0.045%。(有害成分)磷P：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強(qiáng)度，在低溫時(shí)，使鋼材變脆，稱之為冷脆。含量應(yīng)不超過(guò)0.045%?？梢蕴岣邚?qiáng)度和抗銹蝕性。

(有害成分)氧O：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強(qiáng)度，在高溫時(shí)，發(fā)生熱脆。含量應(yīng)不超過(guò)0.008%。

(有害成分)氮N：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強(qiáng)度，在低溫時(shí)，發(fā)生冷脆。含量應(yīng)不超過(guò)0.008%。

(有害成分)2.4.2冶金缺陷

在冶煉、軋制過(guò)程中常常出現(xiàn)的缺陷有偏析、分層、非金屬夾雜、氣孔、裂紋。冶煉（脫氧）

沸騰鋼脫氧不充分,澆注時(shí),大量氣體逸出,鋼液表面沸騰,冷卻快,氣體不能充分逸出,偏析嚴(yán)重。鎮(zhèn)靜鋼脫氧充分,澆注時(shí),氣體易逸出,鋼液表面平靜,缺陷少。圖2.6

鋼錠剖面軋制注意：薄鋼板的強(qiáng)度比厚鋼板的強(qiáng)度高圖2.7鋼的軋制使晶粒細(xì)化工字鋼軋輥寬翼緣工字鋼軋輥1、偏析：鋼中化學(xué)成分分布不均勻，主要的偏析是硫、磷，將使偏析區(qū)鋼材的塑性、韌性及可焊性變壞。圖2.8鋼錠中硫的偏析圖2.9型鋼硫的偏析2、非金屬夾雜：鋼材中存在非金屬化合物（硫化物、氧化物），使鋼材性能變脆。3、裂紋、分層：澆注時(shí)的非金屬夾雜物在軋制中可能造成鋼材的分層，影響鋼材的冷彎性能。

4、氣孔：澆注時(shí)氧化鐵和碳作用生成的CO氣體未充分逸出。圖2.10層間撕裂

2.4.3鋼材的硬化

時(shí)效硬化、冷作硬化

由于某種因素的影響使鋼材強(qiáng)度提高，塑性、韌性下降，增加脆性的現(xiàn)象稱為硬化。冷加工時(shí)（常溫進(jìn)行彎折沖剪等），鋼材發(fā)生很大塑性變形，強(qiáng)度↑，塑性和韌性↓，使鋼材變硬的現(xiàn)象冷作(應(yīng)變)硬化。鋼材中的C、N，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)和溫度的變化，而形成碳化物和氮化物，使鋼材變脆的“老化”的現(xiàn)象稱為時(shí)效硬化。2.4.4

溫度影響

溫度升高，鋼材強(qiáng)度是降低、應(yīng)變?cè)龃螅环粗?，溫度降低，鋼材?qiáng)度略有增加，塑性和韌性降低而變脆，見圖2.11。藍(lán)脆：在250度左右時(shí)，強(qiáng)度提高而伸長(zhǎng)率和沖擊韌性降低，鋼材表面氧化膜呈藍(lán)色，此種現(xiàn)象稱為藍(lán)脆現(xiàn)象。徐變：當(dāng)溫度在260—320度時(shí)，在應(yīng)力持續(xù)不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度繼續(xù)變形，此種現(xiàn)象稱為徐變。當(dāng)溫度達(dá)到600度時(shí)強(qiáng)度很低，不能承擔(dān)荷載。圖2.11溫度對(duì)鋼材機(jī)械性能的影響

溫度區(qū)稱為鋼材的脆性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)，在此區(qū)內(nèi)曲線的反彎點(diǎn)(最陡點(diǎn))所對(duì)應(yīng)的溫度稱為轉(zhuǎn)變溫度。如果把低于完全脆性破壞的最高溫度作為鋼材的脆斷設(shè)計(jì)溫度即可保證鋼結(jié)構(gòu)低溫工作的安全。

圖2.12沖擊韌性與溫度的關(guān)系曲線溫度從常溫下降時(shí)，強(qiáng)度提高而塑性和韌性降低,脆性提高，當(dāng)溫度降到某一溫度區(qū)時(shí)，鋼材的沖擊韌性大大降低，容易導(dǎo)致低溫脆斷。2.4.5應(yīng)力集中

構(gòu)件上孔洞、刻槽、凹角、裂紋以及截面厚度或?qū)挾雀淖兊炔课?，在力作用下，該處出現(xiàn)高峰應(yīng)力，而其它部位應(yīng)力較低，截面應(yīng)力分布不均勻現(xiàn)象——應(yīng)力集中。應(yīng)力集中系數(shù)

:應(yīng)力集中是造成構(gòu)件脆性破壞的主要原因之一。應(yīng)力集中系數(shù)越大，變脆的傾向越嚴(yán)重。圖2.13孔洞及槽孔處的應(yīng)力集中2.4.6反復(fù)荷載作用疲勞破壞:

鋼材在直接的反復(fù)的動(dòng)力荷載作用下，鋼材的強(qiáng)度將降低，即低于一次靜力荷載作用下的拉伸試驗(yàn)的極限強(qiáng)度，這種現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞破壞表現(xiàn)為突然發(fā)生的脆性斷裂。

鋼材在反復(fù)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的抗力及性能都會(huì)發(fā)生重要變化，甚至發(fā)生疲勞破壞。為防止脆性破壞，在設(shè)計(jì)、制造及使用中應(yīng)注意:

合理設(shè)計(jì)正確制造正確使用2.5復(fù)雜應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件

在單軸應(yīng)力作用下

時(shí)鋼材屈服，構(gòu)件由彈性工作狀態(tài)轉(zhuǎn)為塑性工作狀態(tài)。在多軸應(yīng)力作用下鋼材的屈服條件不能以某一軸向應(yīng)力超過(guò)某屈服點(diǎn)來(lái)判別，而是按材料力學(xué)的能量強(qiáng)度理論計(jì)算折算應(yīng)力與鋼材在單軸應(yīng)力作用下的屈服點(diǎn)比較判斷。圖2.14復(fù)雜應(yīng)力當(dāng)用應(yīng)力分量表示時(shí)：

當(dāng)用主應(yīng)力表示時(shí)：

在普通梁中，一般只存在正應(yīng)力和剪應(yīng)力：

（1）當(dāng)三個(gè)主應(yīng)力同號(hào)且數(shù)值接近時(shí)，即使很大，但鋼材很難屈服，發(fā)生脆性破壞。（2）有異號(hào)應(yīng)力，且同號(hào)兩個(gè)應(yīng)力差較大，即使，但可能大于，發(fā)生塑性破壞。

純剪：

討論：《規(guī)范》對(duì)鋼材的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取0.58fy。2.7鋼材的種類和規(guī)格

按用途：結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊鋼(如不銹鋼等)。按冶煉方法：轉(zhuǎn)爐鋼、平爐鋼。按脫氧方法：沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼。按成型方法：軋制鋼、鍛鋼、鑄鋼。按化學(xué)成分：碳素鋼、合金鋼。在建筑工程中采用的是：碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。2.7.1鋼材的種類鋼的牌號(hào)有四部分組成：

1、Q——代表屈服強(qiáng)度的字母；

2、屈服點(diǎn)的數(shù)值——195、215、235、275、295、345、390、420、460等；

3、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)——A、B、C、D四個(gè)等級(jí)(碳素結(jié)構(gòu)鋼)A、B、C、D、E五個(gè)等級(jí)（低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼）

4、脫氧方法符號(hào)——F代表沸騰鋼、b代表半鎮(zhèn)靜鋼、z代表鎮(zhèn)靜鋼、Tz代表特殊鎮(zhèn)靜鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

主要用于鋼結(jié)構(gòu)某些節(jié)點(diǎn)或用作連接件。建筑結(jié)構(gòu)用鋼板

高性能建筑結(jié)構(gòu)鋼材(GJ鋼)，牌號(hào)由以下組成：

1、Q——代表屈服強(qiáng)度的字母；

2、屈服點(diǎn)的數(shù)值；

3、代表高性能建筑結(jié)構(gòu)用鋼的漢語(yǔ)拼音字母GJ；

4、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)——B、C、D、E四個(gè)等級(jí)對(duì)于厚度方向性能鋼板，在質(zhì)量等級(jí)后面加上厚度方向性能級(jí)別（Z15、Z25、Z35）。

GJ鋼適用于建造高層建筑結(jié)構(gòu)、大跨度結(jié)構(gòu)及其他重要建筑結(jié)構(gòu)。（結(jié)束）確定鋼材種類及其質(zhì)量等級(jí)。鋼材的選用原則

1、結(jié)構(gòu)的重要性

安全等級(jí)不同，所選鋼材的質(zhì)量等級(jí)也應(yīng)不同，重要的結(jié)構(gòu)構(gòu)件選用質(zhì)量好的鋼材。

2、荷載特征

荷載為靜力或動(dòng)力荷載，應(yīng)選用各項(xiàng)性能不同的鋼材。2.7.2鋼材的選擇

3、連接方法焊接應(yīng)選擇可焊性好的鋼材。非焊接結(jié)構(gòu)對(duì)含碳量可降低要求。

4、結(jié)構(gòu)所處的溫度和環(huán)境

處于負(fù)溫下工作時(shí)，選用負(fù)溫沖擊合格的鋼材，結(jié)構(gòu)周圍有腐蝕介質(zhì)存在時(shí)要選用抗銹性好的鋼材。

5、鋼材的厚度

厚度大焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)采用材質(zhì)較好的鋼材。

承重結(jié)構(gòu)的鋼材應(yīng)具有抗拉強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、屈服點(diǎn)和硫、磷含量的合格保證，對(duì)焊接結(jié)構(gòu)尚應(yīng)具有碳含量的合格保證。焊接承重結(jié)構(gòu)以及重要的非焊接承重結(jié)構(gòu)的鋼材尚應(yīng)具有冷彎試驗(yàn)的合格保證。對(duì)需要驗(yàn)算疲勞以及主要的受拉或受彎的焊接結(jié)構(gòu)的鋼材，應(yīng)具有常溫或負(fù)溫沖擊韌性的合格保證.鋼材