鋼結構材料及性能-影響鋼材性能主要因素

影響鋼材性能主要因素——反復荷載作用一、加荷速度的影響這是加載過程中出現的問題。加荷速度過快，構件來不及變形，得到的屈服點也高，且呈脆性。特別在低溫時對鋼材性能的影響要比常溫下大得多。因此，試驗時需規(guī)定加載速度；靜力加載試驗一般應加載5分鐘后再讀數據。影響鋼材性能主要因素——反復荷載作用二、循環(huán)荷載的影響鋼材在連續(xù)交變荷載作用下，會逐漸累積損傷，產生裂紋及裂紋逐漸擴展，直到最后破壞（疲勞破壞）。事實上，鋼材總是有“缺陷“的、在直接、連續(xù)的反復荷載作用下，先在其缺陷處發(fā)生塑性變形和硬化而生成微觀裂痕，此后這種微觀裂痕逐漸發(fā)展成宏觀裂紋，構件截團削弱并在裂紋尖端出現應力集中現象，使材料處于三向拉伸應力狀態(tài)，塑性變形受到限制，鋼材的微裂紋和內部缺陷將不斷擴展直至斷裂，鋼材的強度將低于一次靜力荷載作用下的拉仲試驗的極限強度，表現為脆性特征的疲勞破壞。影響鋼材性能主要因素——反復荷載作用影響鋼材性能主要因素——鋼材的硬化一、冷作硬化在冷加工或一次加載使鋼材產生較大的塑性變形的情況下，卸載后再重新加載，鋼材的屈服點提高，塑性和韌性降低的現象。影響鋼材性能主要因素——鋼材的硬化二、時效硬化隨著時間的增加，純鐵體中有一些數量極少的碳和氮的固熔物質析出，使鋼材的屈服點和抗拉強度提高，塑性和韌性下降的現象。在交變荷載、重復荷載和溫度變化等情況下，會加速時效硬化的發(fā)展。影響鋼材性能主要因素——鋼材的硬化三、應變時效硬化鋼材產生一定數量的塑性變形后，鐵素體晶體中的固溶碳和氮更容易析出，從而使已經冷作硬化的鋼材又發(fā)生時效硬化現象。在高溫作用下會快速發(fā)展（人工時效）影響鋼材性能主要因素——鋼材的硬化四、硬化的影響影響鋼材性能主要因素——鋼材的硬化

硬化對鋼材性能的影響a)時效硬化及冷作硬化b)應變時效硬化影響鋼材性能主要因素——化學成分的影響鋼材的化學成分直接影響鋼的組織構造，從而影響鋼材的力學性能。鐵（Fe）是鋼材的基本元素，普通碳素鋼中占99%，此外還有碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）等有益元素，及硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等有害元素，這些總含量不大，約1%，但對鋼材力學性能卻有很大影響。低合金鋼中有＜5%的合金元素，如銅(Cu)、釩(V)、鈦(Ti)、鈮(Nb)、鉻(Cr)等。影響鋼材性能主要因素——化學成分的影響1.碳（C）：形成鋼材強度的主要成分，隨其含量增加，強度增加，塑性和韌性降低，可焊性和抗腐蝕性降低。碳素鋼按碳含量區(qū)分，小于0.25％的為低碳鋼，介于0.25％和0.6％之間的為中碳鋼，大于0.6％的為高碳鋼。鋼結構用鋼中，碳含量一般控制在0.22%以下，當其含量在0.2％以下時，可焊性良好。影響鋼材性能主要因素——化學成分的影響2.硫（S）鋼材中的有害元素，具有熱脆性（溫度達到800-1000℃時，硫化鐵會熔化使鋼材變脆，從而引發(fā)熱裂紋）。規(guī)范規(guī)定結構用鋼中硫的含量不得超過0.05%。3.氧（O）有害雜質，與S相似。影響鋼材性能主要因素——化學成分的影響4.磷（P）磷在一定程度上可提高鋼的強度和抗銹蝕的能力。鋼材中的有害元素，具有冷脆性（溫度較低時促使鋼材變脆）。因此，磷的含量也要嚴格控制，規(guī)范中規(guī)定不得超過0.045%。5.氮（N）有害雜質，與P相似。影響鋼材性能主要因素——化學成分的影響6.錳（Mn）有益元素。在普通碳素鋼中，是一種弱脫氧劑，可提高鋼材強度，與S形成MnS，熔點1600℃，可以消除硫對鋼材的熱脆影響。7.硅（Si）有益元素。在普通碳素鋼中，是一種強脫氧劑，常與錳共同除氧，生成鎮(zhèn)靜鋼。影響鋼材性能主要因素——化學成分的影響8.釩（V）合金元素。細化晶粒，提高強度，其碳化物具有高溫穩(wěn)定性，適用于受荷較大的焊接結構。9.銅（Cu）提高抗銹蝕性，提高強度，對可焊性有影響。影響鋼材性能主要因素——化學成分的影響影響鋼材性能主要因素——生產過程的影響一、鋼材的生產鋼材的生產大致分為煉鐵、煉鋼和軋制三道工序。影響鋼材性能主要因素——生產過程的影響1.煉鋼轉爐鋼是利用高壓空氣或氧氣使爐內生鐵熔液的碳和其它雜物氧化，在高溫下使鐵液變?yōu)殇撘?。（生產周期短，效率高，質量好，成本低，已經成為國內外發(fā)展最快的煉鋼方法。）平爐鋼是利用煤氣和其它燃料供應熱能，把廢鋼、生鐵熔液或鑄鐵塊和不同的合金元素等冶煉成各種用途的鋼。（生產周期長，效率低，成本高，現已逐步被轉爐鋼所取代。）電爐鋼是利用電熱原理，在電弧爐內冶煉。（質量好，但耗電量大，成本高，一般只用來冶煉特種用途的鋼材。）影響鋼材性能主要因素——生產過程的影響2.澆注澆注是指把熔煉好的鋼液做成鋼錠或鋼坯。用連續(xù)鑄造法生產鋼坯的工藝和設備，由于機械化、自動化程度高的優(yōu)勢，已經逐漸取代了笨重而復雜的鑄錠工藝和設備。3.脫氧鋼液中殘留的氧，將使鋼材晶粒粗細不均勻并發(fā)生熱脆，降低鋼材的力學性能。按照鋼液在煉鋼爐中進行脫氧的方法和程度不同，碳素結構鋼可分為沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。影響鋼材性能主要因素——生產過程的影響二、冶金缺陷的影響

1.偏析：金屬結晶后化學成分分布不均勻的現象。主要是硫、磷偏析，其后果是偏析區(qū)鋼材的塑性、韌性、可焊性變壞。

2.非金屬夾雜：指鋼材中的非金屬化合物，如硫化物、氧化物，他們使鋼材性能變脆。3.裂紋：鋼材中存在的微觀裂紋。4.氣泡：澆鑄時由FeO和C作用所生成的CO氣體不能充分逸出而滯留在鋼錠那形成的微小空洞。5.分層：澆鑄時的非金屬夾雜在軋制后可能造成鋼材的分層。影響鋼材性能主要因素——生產過程的影響影響鋼材性能主要因素——溫度的影響一、正溫范圍：（1）溫度在150℃以內，鋼材材質變化很小，鋼結構可用于溫度不高于150℃的場合。（2）溫度在250℃左右的區(qū)間內出現藍脆現象，fu有局部性提高，同時塑性降至最低，材料有轉脆傾向。（3）當溫度達到600℃時，鋼材進入熱塑性狀態(tài)，強度下降嚴重，將喪失承載能力。影響鋼材性能主要因素——溫度的影響

溫度對鋼材力學性能的影響℃fufyδE二、負溫范圍隨著溫度的降低，鋼材的強度提高，而塑性和韌性降低，逐漸變脆，稱為鋼材的低溫冷脆。鋼材的沖擊韌性對溫度的降低十分敏感。影響鋼材性能主要因素——溫度的影響

溫度對鋼材力學性能的影響℃fufyδE三、沖擊韌性和溫度關系示意圖（1）沖擊功曲線的反彎點T0稱為轉變溫度。界限溫度T1和T2分別為脆性轉變溫度和全塑性轉變溫度。影響鋼材性能主要因素——溫度的影響沖擊韌性和溫度關系示意圖脆性破壞兩種破壞均有塑性破壞轉變溫度區(qū)沖擊斷裂功試驗溫度T1T0T2三、沖擊韌性和溫度關系示意圖（2）鋼材由塑性破壞轉變?yōu)榇嘈云茐氖窃跍囟葏^(qū)間T1～T2內完成的，此溫度區(qū)間稱為鋼材的脆性轉變溫度區(qū)。影響鋼材性能主要因素——溫度的影響沖擊韌性和溫度關系示意圖脆性破壞兩種破壞均有塑性破壞轉變溫度區(qū)沖擊斷裂功試驗溫度T1T0T2三、沖擊韌性和溫度關系示意圖（3）在脆性轉變溫度以下，鋼材表現為完全的脆性破壞；而在全塑性轉變溫度以上，鋼材則表現為完全的塑性破壞。影響鋼材性能主要因素——溫度的影響沖擊韌性和溫度關系示意圖脆性破壞兩種破壞均有塑性破壞轉變溫度區(qū)沖擊斷裂功試驗溫度T1T0T2三、沖擊韌性和溫度關系示意圖（4）不同牌號和等級的鋼材具有不同的轉變溫度區(qū)和轉變溫度，均應通過試驗來確定。在鋼結構設計中，為了防止脆性破壞，選用鋼材時應使其工作溫度大于T1,接近T0。影響鋼材性能主要因素——溫度的影響沖擊韌性和溫度關系示意圖脆性破壞兩種破壞均有塑性破壞轉變溫度區(qū)沖擊斷裂功試驗溫度T1T0T2影響鋼材性能主要因素——應力集中一、應力集中的影響在鋼結構構件中不可避免的存在著孔洞、槽口、凹角、裂縫、厚度變化、形狀變化和內部缺陷等，此時截面中的應力分布不再保持均勻，而是在一些區(qū)域產生局部高峰應力，形成所謂應力集中現象。影響鋼材性能主要因素——應力集中二、不