2-結構鋼材及其性能

1第二章結構鋼材及其性能

補國斌《鋼結構》2一、學習目的和要求深刻理解結構鋼材一次受拉時的力學性能，各種力學指標的意義和用途，復雜應力狀態(tài)下的屈服條件，以及沖擊指標的意義。理解反復循環(huán)荷載作用下鋼材疲勞強度，掌握設計規(guī)范中的疲勞強度的計算方法。深刻理解鋼材脆性破壞的原因和危險后果，及設計中采用的合理防止措施;了解鋼材種類和規(guī)格，理解如何正確選用鋼材。3二、課程內容2.1

結構鋼材一次拉伸時的力學性能2.2結構鋼材的力學性能指標2.3結構鋼材的脆性破壞2.4鋼材的種類和規(guī)格4三、考核知識點(一) 結構鋼材一次拉伸時的力學性能(二) 鋼材的靜力力學性能指標(三) 鋼材的韌性指標(四) 鋼材的疲勞強度(五) 結構鋼材的塑性破壞和脆性破壞(六)鋼材的牌號、規(guī)格和合理選用 1領會全過程曲線的四個階段(一) 結構鋼材一次拉伸時的力學性能(1)彈性階段：應力應變?yōu)榫€性關系，即胡克定律；比例極限與彈性極限(2)彈塑性階段：應力應變?yōu)榉蔷€性關系；卸載后有殘余變形。屈服點(3)塑性階段：應力應變形成水平線；屈服平臺(4)強化階段：鋼材內部結晶組織重新排列，抵抗外力能力增強，應力應變呈上升的非線性關系。D點極限強度后發(fā)生頸縮現(xiàn)象。塑性破壞的概念和特征：P211識記化學成分和鋼材軋制對工作性能和力學指標的影響(二) 結構鋼材的力學性能指標(1)鋼材力學性能指標：屈服點、抗拉強度、伸長率和彈性模量。①屈服點fy表示鋼材的靜力強度承載力極限，即鋼材的抗拉（壓和彎）強度標準值；②抗拉強度fu是衡量鋼材抵抗拉斷的性能指標，直接反映鋼材內部組織的優(yōu)劣，是結構的強度儲備。③伸長率δ是衡量鋼材塑性性能的一個指標。反映鋼材產生巨大變形時，抵抗斷裂的能力。δ5>δ10④彈性模量E是變形計算和超靜定結構內力分析時必須的鋼材性能指標。其他:冷彎180度；Z向收縮率（P23）1識記化學成分和鋼材軋制對工作性能和力學指標的影響（P29-31及表2.4）(二) 結構鋼材的力學性能指標(2)化學成分：碳素結構鋼由鈍鐵、碳及雜質元素組成，其中純鐵約占99％，碳及雜質元素約占1％。碳（C）碳是碳素結構鋼中僅次于鐵的主要元素，是影響鋼材強度的主要因素，隨著含碳量的增加，強度提高，而塑性和韌性降低、尤其是低溫沖擊韌性下降，同時可焊性、抗腐蝕性、冷彎性能明顯降低。因此結構用鋼的含碳量一般不應超過0.22%，對焊接結構應低于0.2%。硫（S）有害元素，降低鋼材的塑性、韌性、可焊性、抗銹蝕性等，在高溫時使鋼材熱脆。鋼材中硫的含量不得超過0.05%，在焊接結構中不超過0.045%。磷(P)有害元素，它在低溫下使鋼冷脆?？垢g能力略提高，可焊性降低。含量不得超過0.045%。2領會鋼材以屈服點為強度設計指標的依據(jù)（P22）(二) 結構鋼材的力學性能指標3領會鋼材彈性模量大，彈性變形?。≒22）4領會彈塑性范圍不大，塑性階段變形很大，因而結構接近理想彈性-塑性體（P21）5領會抗層狀撕裂指標用于厚鋼材，又在垂直于厚度方向受拉的情況（P23-6.Z向收縮率）6識記沖擊韌性試驗方法

領會沖擊韌性的意義與相關要求（P25）

衡量抵抗脆性破壞的性能；Akv常溫和負溫要求；

鋼材材質越好，擊斷試件耗功越大，鋼材韌性愈好，不容易發(fā)生脆斷；溫度較低，優(yōu)先選用沖擊韌性好的鋼材。7領會鋼材高溫軟化和低溫脆性的概念（P32）(二) 結構鋼材的力學性能指標(1)高溫軟化：鋼材在高溫下，強度將降為0。(2)低溫冷脆：溫度低于常溫時，隨著溫度降低鋼材的脆性傾向將逐漸增加，負溫下發(fā)生的脆性斷裂稱為低溫冷脆。8識記循環(huán)荷載的種類，領會疲勞破壞（P25）(1)常幅循環(huán)荷載；(2)變幅循環(huán)荷載疲勞破壞的概念，性質：脆性破壞；疲勞強度的影響因素（P26，選擇或填空）9簡單應用常幅和變幅疲勞（吊車梁）計算方法（P29式2.9和2.13）對疲勞計算仍然沿用容許應力設計法10領會采用能量強度理論確定多軸應力下的屈服條件（P23）(二) 結構鋼材的力學性能指標(1)能量強度理論（第四強度理論）：材料由彈性轉為塑性狀態(tài)時，綜合強度指標要用變形時單位體積中積聚的能量來衡量。(2)折算應力：應用于鋼材時的簡化見P24式2.5與2.6。鋼材在多軸應力狀態(tài)下，當處于同號應力場時，產生脆性破壞；異號應力場時，發(fā)生塑性破壞。原理見教材P24.1領會鋼材的兩種可能破壞形式，區(qū)別和后果(三) 結構鋼材的脆性破壞(1)塑性破壞：破壞前變形大，持續(xù)時間長，破壞時平均應力高。有預兆，危險性低。(2)脆性破壞：破壞前變形小，持續(xù)時間短，破壞時平均應力低。無預兆，危險性高。脆性破壞的原因（P32共4點）2領會應力集中現(xiàn)象，原因、后果與設計措施(P34)(三) 結構鋼材的脆性破壞(1)應力集中：當試件表面不平，有缺口時，在軸心拉力下，截面上應力分布不均，缺口附近應力特別大。（P34圖2.17）(2)原因：表面不平或構件中有裂紋、空洞、槽口、凹角等缺陷或厚度、寬度和截面有形狀改變。(3)后果：直接導致脆性破壞(4)設計措施：盡量避免截面突變、做成圓滑過渡型、必要時表面加工3領會冶金缺陷和溫度變化引起的脆性破壞(P32)(三) 結構鋼材的脆性破壞冶金缺陷使鋼材變脆：常見冶金缺陷：偏析；非金屬夾雜；裂紋溫度變化：高溫軟化和低溫冷脆；藍脆4領會時效硬化與冷作硬化的現(xiàn)象和原因(P33)(三) 結構鋼材的脆性破壞冷作硬化：當鋼材受荷載作用進入彈塑性階段及以后時，間接重復加載使彈性變形范圍擴大的現(xiàn)象。時效硬化：鋼材隨時間增長強度提高而塑性和韌性大大降低，屬于物理化學現(xiàn)象。相同點：擴大了彈性工作范圍，減少了鋼材塑性不同點：時效硬化還提高了鋼材抗拉強度。1識記建筑結構中采用的鋼材牌號和用途(四)

鋼材種類和規(guī)格鋼材牌號的表示方法對于碳素鋼由字母Q、屈服點數(shù)值、質量等級符號和脫氧方法符號4個部分按順序組成。如Q235AF，Q是屈服強度中屈字漢語拼音的字首，235表示以N/mm2為單位屈服強度的大小，A、B、C或D等表示按質量劃分的級別。最后還有一個表示脫氧方法的符號如F（沸騰鋼）,Z（鎮(zhèn)靜鋼）或bZ（半鎮(zhèn)靜鋼）、TZ（特殊鎮(zhèn)靜鋼）。用途對于重要構件或工作較繁重時，尤其是在負溫下工作的焊接結構應采用鎮(zhèn)靜鋼或半鎮(zhèn)靜鋼，其他情況可采用沸騰鋼。特種鎮(zhèn)靜鋼對碳、硫、磷的含量限制跟嚴，屬D級，用于特殊需要高質量的焊接結構中。2識記各種鋼材的規(guī)格和特性(四)

鋼材種類和規(guī)格鋼材有熱軋成型和冷軋成型兩大類。熱軋成型又有鋼板和型鋼兩種。（1）熱軋鋼板：表示方法為厚×寬×長（2）熱軋型鋼：2識記各種鋼材的規(guī)格和特性(四)

鋼材種類和規(guī)格（2）熱軋型鋼：角鋼——有等邊和不等邊兩種。等邊角鋼，以邊寬和厚度表示，如L100x10為肢寬100mm、厚10mm的等邊角鋼。不等邊角鋼，則以兩邊寬度和厚度表示，如L100x80x10等。槽鋼——我國槽鋼有兩種尺寸系列，即熱軋普通槽鋼與熱軋輕型槽鋼。前者的表示法如［30a，指槽鋼外廓高度為30cm且腹板厚度為最薄的一種；后者的表示法例如［25Q，表示外廓高度為25cm,Q是漢語拼音“輕”的拼音字首。同樣號數(shù)時，輕型者由于腹板薄及翼緣寬而薄，因而截面積小但回轉半徑大，能節(jié)約鋼材減少自重。不過輕型系列的實際產品較少。2識記各種鋼材的規(guī)格和特性(四)

鋼材種類和規(guī)格（2）熱軋型鋼：工字鋼——與槽鋼相同，也分成上述的兩個尺寸系列：普通型和輕型。與槽鋼一樣，工字鋼外輪廓高度的厘米數(shù)即為型號，普通型者當型號較大時腹板厚度分a、b及c三種。輕型的由于壁厚已薄故不再按厚度劃分。兩種工字鋼表示法如：I32c,I32Q等。H型鋼——分為寬翼緣H型鋼（HW）、中翼緣H型鋼（HM）和窄翼緣H型鋼（HN）。H型鋼型號的表示方法是先用符號HW、HM和HN表示H型鋼的類別，后面加“高度（毫米）x寬度（毫米）”,例如HW300x300，即為截面高度為300mm，翼緣寬度為300mm的寬翼緣H型鋼。兩者差別？3領會據(jù)使用要求、條件和受力狀況等合理選用鋼材(四)

鋼材種類和規(guī)格選擇鋼材的目的是要做到結構安全可靠，同時用材經(jīng)濟合理。為此，在選擇鋼材時應考慮下列各因素：1.結構或構件的重要性；2.荷載性質（靜載或動載）;3.連接方法（焊接、鉚接或螺栓連接）;4.工作條件（溫度及腐蝕介質）。對于重要結構、直接承受動載的結構、處于低溫條件下的結構及焊接結構，應選用質量較高的鋼材。P37（記牢）承重結構、焊接承重結構及重要的非焊接承重結構、需驗算疲勞的焊接結構、需驗算疲勞的非承重結構的要求；不應采用Q235F的情況2011.7試題7.沖擊韌性值較高的鋼材(

)A.設計強度值較高B.彈性模量值較高C.抗脆性破壞的能力較強D.可焊性較好2008.7試題3．鋼材的伸長率可以通過下列哪項試驗來獲得？（）A．冷彎180°試驗 B．單向一次拉伸試驗C．疲勞試驗 D．沖擊試驗2009.7試題22．鋼材承受動力荷載作用時，抵抗脆性破壞的性能用______指標來衡量。2008.7試題5．影響鋼材疲勞強度的主要因素不包括（）A．構造狀況 B．應力幅C．循環(huán)荷載重復的次數(shù) D．鋼材的靜力強度2008.7試題4．建筑鋼材的抗剪屈服點和抗拉屈服點之間的關系是（

）A．fyv=fy B．fyv=fyC．fyv=3fy D．fyv=fy/2012.7試題24．在三向應力狀態(tài)下，鋼材轉入塑性狀態(tài)的綜合強度指標稱為_________。2010.7試題4.按設計規(guī)范直接受動荷載作用的構件，鋼材應保證的指標為()A.fu、fy、E、冷彎180°和AKV

B.δ5、fy、E、冷彎180°和AKVC.fu、δ5

、E、冷彎180°和AKV

D.fu、δ5、fy、冷彎180°和AKV2009.7試題2．已知某鋼材的屈服強度標準值為250N／mm2，抗拉強度最小值為390N／mm2，材料分項系數(shù)為1.087，則鋼材的強度設計值應為（

）A．360N／mm2 B．270N／mm2C．