知識(shí)資料鋼結(jié)構(gòu)(一)(新版)知識(shí)資料

朽木易折，金石可鏤。千里之行，始于足下。第頁(yè)/共頁(yè)需要課件請(qǐng)或第十五章鋼結(jié)構(gòu)第一節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的材料一、鋼的種類(lèi)鋼結(jié)構(gòu)所用的鋼材主要為碳素鋼和低合金鋼二類(lèi)。鋼結(jié)構(gòu)所用鋼種如下：碳素鋼：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、鍋爐用碳素鋼低合金鋼：低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼、焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼、高耐候性結(jié)構(gòu)鋼、橋梁用結(jié)構(gòu)鋼、鍋爐用低合金鋼二、鋼材的力學(xué)性能(一)強(qiáng)度1，鋼材勻稱(chēng)受拉的工作特性(1)彈性階段——OAE段OA段為線(xiàn)彈性工作階段，fp為比例極限；AE段為非線(xiàn)彈性工作階段，fe為彈性極限。(2)彈塑性階段--EC段σ與ε不呈比例，除彈性變形外還有塑性變形，fy為屈服強(qiáng)度，又叫屈服點(diǎn)、流限。(3)屈服階段——CF段鋼材(試件)徹低屈服，σ不增強(qiáng)(保持fy)而ε驟增。(4)強(qiáng)化階段——FB段鋼材內(nèi)部組織滑動(dòng)后，重新羅列和建立了新的平衡，彈性未徹低恢復(fù)故塑性特性顯然。(5)頸縮階段——BD段應(yīng)力超過(guò)fu后，試件浮上“頸縮”而斷裂，人為抗拉強(qiáng)度，又叫極限強(qiáng)度、抗拉極限。2．重要的工作特性：(1)強(qiáng)度指標(biāo)fp、fe、fy很臨近，且在屈服前應(yīng)變很小，對(duì)Q235εp≈0.1％(εy≈0.15％)，可以把三點(diǎn)看作為一點(diǎn)，并以屈服點(diǎn)fy作為代表。(2)應(yīng)力小于fy時(shí)，鋼材處于彈性階段工作，而當(dāng)應(yīng)力達(dá)到fy后，鋼材因屈服而產(chǎn)生很大變形，在構(gòu)件設(shè)計(jì)中普通將fy作為決定鋼材設(shè)計(jì)強(qiáng)度的根據(jù)。(3)應(yīng)力大于fy但小于fu，材料尚未最后破壞，當(dāng)應(yīng)力大于fu則造成破壞。比值fu／fy可以看作是衡量鋼材強(qiáng)度儲(chǔ)備的一個(gè)系數(shù)。(4)鋼材在屈服點(diǎn)前的性質(zhì)臨近理想的彈性體，而屈服點(diǎn)后的流幅現(xiàn)象又臨近理想的塑性體，并且流幅的范圍又是充足大(對(duì)Q235ε=0.15％～2.5％)，故可認(rèn)為鋼材是最理想的彈性—塑性體。注：(1)以上工作特性是由單向勻稱(chēng)受拉靜力實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出。對(duì)于受力情況復(fù)雜的實(shí)際構(gòu)件僅供參考。(2)強(qiáng)度指標(biāo)是重要根據(jù)之一，但單憑這一指標(biāo)不足以徹低判定結(jié)構(gòu)是否安全可靠。(二)塑性塑性：普通指鋼材受力屈服后，能產(chǎn)生顯著的殘余變形(塑性變形)而不趕緊斷裂的性質(zhì)。塑性指標(biāo)：衡量鋼材塑性好壞的主要指標(biāo)是伸長(zhǎng)率δ和斷面收縮率Ψδ=(l1-l0)/l0×100%Ψ=(A0-A1)/A0×100%式中l(wèi)o——試件拉伸前標(biāo)距長(zhǎng)度；11--試件拉斷后原標(biāo)距間長(zhǎng)度；Ao--試件截面面積；Al--拉斷后頸縮區(qū)的截面面積。δ是標(biāo)距l(xiāng)0范圍內(nèi)的平均值(包括頸縮區(qū)和非頸縮區(qū))，不徹低代表頸縮區(qū)的鋼材的最大塑性變形能力，但容易測(cè)量。Ψ是衡量鋼材塑性的一個(gè)比較真切和穩(wěn)定的指標(biāo)，表示復(fù)雜應(yīng)力的頸縮區(qū)的最大塑性變形量，但測(cè)量誤差大。注：(1)因?yàn)閷?shí)際結(jié)構(gòu)承受的復(fù)雜應(yīng)力、沖擊或振動(dòng)應(yīng)力、局部應(yīng)力高峰等，要求鋼材具有良好的塑性才干舉行“塑性?xún)?nèi)力重分配”和避免脆性斷裂。(2)鋼材塑性好壞對(duì)于承受活動(dòng)荷載異常是動(dòng)力荷載的結(jié)構(gòu)是決定結(jié)構(gòu)是否安全的主要因素之一。在這種意義下可以說(shuō)鋼材塑性指標(biāo)比強(qiáng)度指標(biāo)更為重要。(三)韌性韌性：鋼材在塑性變形和斷裂過(guò)程中吸收能量的能力。韌性指標(biāo)：沖擊韌性ak=AK/AN.m／cm2式中:Ax——實(shí)驗(yàn)機(jī)的沖擊功N.m；A——缺口處凈截面面積cm2。注：(1)韌性是反映強(qiáng)度與塑性的綜合表現(xiàn)的指標(biāo)。(2)韌性的顯著特點(diǎn)在于它表示鋼材抵御沖擊荷載的能力。(3)為了使韌性指標(biāo)更有實(shí)用價(jià)值，除了以沖擊實(shí)驗(yàn)代替靜力實(shí)驗(yàn)外，試件做成有缺口的(應(yīng)力擴(kuò)散嚴(yán)重)。(4)目前國(guó)際上有三類(lèi)缺口型式：V形、鑰孔形和U形。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定v形。(5)鋼材的韌性與溫度有關(guān)。(6)鋼材的韌性與軋制方向有關(guān)。(四)冷彎性能冷彎性能：鋼材在冷加工產(chǎn)生塑性變形時(shí)，對(duì)產(chǎn)生裂縫的抵御能力。冷彎性能指標(biāo)：冷彎實(shí)驗(yàn)通過(guò)冷彎沖頭加壓(d=1a:2a)當(dāng)試件彎曲至某一規(guī)定角度。時(shí)(普通a=1800)（如圖15－1－7），檢查彎曲部分的外面、里面、側(cè)面，如無(wú)裂紋、裂斷、分層等即合格。冷彎實(shí)驗(yàn)一方面是檢驗(yàn)鋼材能否適應(yīng)構(gòu)件制作中的冷加工工藝過(guò)程，另一方面通過(guò)試驗(yàn)還能裸露出鋼材的內(nèi)部缺陷(顆粒組織、結(jié)晶情況和非金屬夾雜物分布等缺陷)，鑒定鋼材的塑性和可焊性。(五)沿板厚方向性能在焊接承重結(jié)構(gòu)中，對(duì)沿厚度方向受拉的接頭，必須防止鋼材的層狀撕裂。對(duì)于板厚大于40mm的鋼板需舉行沿板厚方向性能實(shí)驗(yàn)。試件應(yīng)取沿板厚方向，檢查斷面收縮率Ψ是否滿(mǎn)意正方向性能等級(jí)要求，其含硫量比普通結(jié)構(gòu)用鋼的含硫量鄭重，要求不大于0.1％。(六)可焊性可焊性：在一定材料，工藝和結(jié)構(gòu)條件下，鋼材經(jīng)過(guò)焊接后能夠獲得良好的焊接接頭的性能。可焊性又分為施工上的可焊性和使用性能上的可焊性。施工上的可焊性，指(焊接接頭的)焊縫金屬產(chǎn)生裂紋的敏感性，以及因?yàn)楹附蛹訜岬挠绊懀p區(qū)鋼材的硬化和產(chǎn)生裂紋的敏感性，可焊性好就不產(chǎn)生裂紋。使用性能上的可焊性，指焊接接頭和焊縫的缺口沖擊韌性和熱影響區(qū)的延伸性(塑性)，要求焊接結(jié)構(gòu)在施焊后的力學(xué)性能不低于母材的力學(xué)性能。(七)耐久性耐腐蝕性：通過(guò)油漆等表面防護(hù)措施提高鋼材的耐腐蝕能力。耐老化性：隨著時(shí)光的增長(zhǎng)，鋼材浮上所謂“時(shí)效”現(xiàn)象，即“老化”現(xiàn)象。耐持久高溫性：在持久高溫條件下工作的鋼材，其破壞強(qiáng)度比靜力拉伸實(shí)驗(yàn)的強(qiáng)度低得多，應(yīng)另行測(cè)定“持久強(qiáng)度”。耐疲勞性：鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在持久延續(xù)的交變荷載或重復(fù)荷載作用下，雖應(yīng)力低于人也往往會(huì)發(fā)生破壞，叫“疲勞破壞”。三、影響鋼材力學(xué)性能的因素鋼材的兩種破壞形式：(1)塑性破壞——構(gòu)件的應(yīng)力超過(guò)屈服點(diǎn)fy，并達(dá)到fu后，構(gòu)件產(chǎn)生很大的變形和顯然的“頸縮”現(xiàn)象。破壞后的斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗。特點(diǎn)：破壞前有顯然的預(yù)兆，破壞常可以預(yù)防和避免；破壞前有很大塑性變形，導(dǎo)致內(nèi)力重分布，對(duì)構(gòu)件有利。(2)脆性破壞——破壞前構(gòu)件變形很小，平均應(yīng)力亦小(普通都小于屈服點(diǎn)fy)。破壞前沒(méi)有任何預(yù)兆，破壞是驟然發(fā)生的，斷口平直和呈有光澤的晶粒狀。特點(diǎn)：在構(gòu)件的缺口、裂縫處應(yīng)力擴(kuò)散而引起破壞，后果嚴(yán)重，損失較大，應(yīng)努力防止脆性破壞。影響鋼材力學(xué)性能的主要因素有鋼材的化學(xué)成分，鋼材的冶金和軋制過(guò)程，時(shí)效、冷作硬化，工作溫度，復(fù)雜應(yīng)力，加荷速度，焊接影響和制作技術(shù)，應(yīng)力擴(kuò)散和疲勞現(xiàn)象等。(一)化學(xué)成分的影響鋼材的化學(xué)成分直接影響鋼的組織構(gòu)造，從而影響鋼材的力學(xué)性能。結(jié)構(gòu)用鋼的基本元素是鐵(Fe)，約占99％。此外還有其他元素。有益的元素有：碳(C)、硅(Si)、錳(Mn)等，還有合金元素，如鎳Ni、鉻Cr、銅Cu、釩v、鉬Mu、鋁Al、鈦Ti等，其總量不超過(guò)1.5％。有害元素有：硫(S)、磷(P)、氧(O)、氮(N)等，它在冶煉中不易除盡，其總量不超過(guò)0.95％0。1．碳(C)碳是除鐵以外最主要的元素，它直接影響鋼材的強(qiáng)度、塑性、韌性和可焊性等。碳的含量提高，鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉極限強(qiáng)度提高，但塑性和韌性、異常是低溫沖擊韌性下降。鋼材的可焊性、疲勞強(qiáng)度和冷彎性能也會(huì)下降。因此結(jié)構(gòu)用鋼的含碳量不宜太高，普通不超過(guò)0.22％，在焊接結(jié)構(gòu)中則低于0.2％。2．錳(Mn)：弱脫氧劑，錳與鐵、碳的化合物能溶解于純鐵體、滲碳體中，起強(qiáng)化作用。普通含量0.3％--0.8％，含量過(guò)高(達(dá)1.6％以上)會(huì)使鋼材變脆。3．硅(Si)：普通作脫氧劑參加，含量0.10％--0.30％，能使純鐵體結(jié)晶勻稱(chēng)，晶粒細(xì)致，它能使強(qiáng)度提高而塑性、韌性等不降低。含量過(guò)高(達(dá)≥1.0％時(shí))則會(huì)使鋼材變脆。4．硫(S)：有害元素，使鋼材“熱脆”。硫與鐵化合為硫化鐵(FeS)，散布在純鐵體晶粒間層中，含硫量大時(shí)，鋼材的塑性、韌性、疲勞強(qiáng)度等降低，高溫時(shí)(800—12000C)如焊、鉚、熱加工等，硫化鐵即熔化(熔點(diǎn)為9850C)，造成晶界開(kāi)裂，稱(chēng)為“熱脆”，普通結(jié)構(gòu)控制5．磷(P)：有害元素，使鋼材“冷脆”。磷與純鐵體結(jié)成不穩(wěn)定的固溶體，有增大純鐵體晶粒的害處。磷可使鋼的強(qiáng)度提高，但大大降低塑性和韌性，使鋼在低溫時(shí)變得很脆，即“冷脆”，普通含量≤0.050％，焊接結(jié)構(gòu)≤0.045％。6．氧(O)：殘留雜質(zhì)，作用與硫s相似，“熱脆”。7．氮(N)：殘留雜質(zhì)，作用與磷P相似，“冷脆”。硫、磷含量嚴(yán)重影響鋼材質(zhì)量：普通碳素鋼：硫S≤0