2-結(jié)構(gòu)鋼材及其性能

1第二章結(jié)構(gòu)鋼材及其性能

補(bǔ)國斌《鋼結(jié)構(gòu)》2一、學(xué)習(xí)目的和要求深刻理解結(jié)構(gòu)鋼材一次受拉時(shí)的力學(xué)性能，各種力學(xué)指標(biāo)的意義和用途，復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的屈服條件，以及沖擊指標(biāo)的意義。理解反復(fù)循環(huán)荷載作用下鋼材疲勞強(qiáng)度，掌握設(shè)計(jì)規(guī)范中的疲勞強(qiáng)度的計(jì)算方法。深刻理解鋼材脆性破壞的原因和危險(xiǎn)后果，及設(shè)計(jì)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(nèi)容2.1

結(jié)構(gòu)鋼材一次拉伸時(shí)的力學(xué)性能2.2結(jié)構(gòu)鋼材的力學(xué)性能指標(biāo)2.3結(jié)構(gòu)鋼材的脆性破壞2.4鋼材的種類和規(guī)格4三、考核知識(shí)點(diǎn)(一) 結(jié)構(gòu)鋼材一次拉伸時(shí)的力學(xué)性能(二) 鋼材的靜力力學(xué)性能指標(biāo)(三) 鋼材的韌性指標(biāo)(四) 鋼材的疲勞強(qiáng)度(五) 結(jié)構(gòu)鋼材的塑性破壞和脆性破壞(六)鋼材的牌號(hào)、規(guī)格和合理選用 1領(lǐng)會(huì)全過程曲線的四個(gè)階段(一) 結(jié)構(gòu)鋼材一次拉伸時(shí)的力學(xué)性能(1)彈性階段：應(yīng)力應(yīng)變?yōu)榫€性關(guān)系，即胡克定律；比例極限與彈性極限(2)彈塑性階段：應(yīng)力應(yīng)變?yōu)榉蔷€性關(guān)系；卸載后有殘余變形。屈服點(diǎn)(3)塑性階段：應(yīng)力應(yīng)變形成水平線；屈服平臺(tái)(4)強(qiáng)化階段：鋼材內(nèi)部結(jié)晶組織重新排列，抵抗外力能力增強(qiáng)，應(yīng)力應(yīng)變呈上升的非線性關(guān)系。D點(diǎn)極限強(qiáng)度后發(fā)生頸縮現(xiàn)象。塑性破壞的概念和特征：P211識(shí)記化學(xué)成分和鋼材軋制對工作性能和力學(xué)指標(biāo)的影響(二) 結(jié)構(gòu)鋼材的力學(xué)性能指標(biāo)(1)鋼材力學(xué)性能指標(biāo)：屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、伸長率和彈性模量。①屈服點(diǎn)fy表示鋼材的靜力強(qiáng)度承載力極限，即鋼材的抗拉（壓和彎）強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；②抗拉強(qiáng)度fu是衡量鋼材抵抗拉斷的性能指標(biāo)，直接反映鋼材內(nèi)部組織的優(yōu)劣，是結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度儲(chǔ)備。③伸長率δ是衡量鋼材塑性性能的一個(gè)指標(biāo)。反映鋼材產(chǎn)生巨大變形時(shí)，抵抗斷裂的能力。δ5>δ10④彈性模量E是變形計(jì)算和超靜定結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析時(shí)必須的鋼材性能指標(biāo)。其他:冷彎180度；Z向收縮率（P23）1識(shí)記化學(xué)成分和鋼材軋制對工作性能和力學(xué)指標(biāo)的影響（P29-31及表2.4）(二) 結(jié)構(gòu)鋼材的力學(xué)性能指標(biāo)(2)化學(xué)成分：碳素結(jié)構(gòu)鋼由鈍鐵、碳及雜質(zhì)元素組成，其中純鐵約占99％，碳及雜質(zhì)元素約占1％。碳（C）碳是碳素結(jié)構(gòu)鋼中僅次于鐵的主要元素，是影響鋼材強(qiáng)度的主要因素，隨著含碳量的增加，強(qiáng)度提高，而塑性和韌性降低、尤其是低溫沖擊韌性下降，同時(shí)可焊性、抗腐蝕性、冷彎性能明顯降低。因此結(jié)構(gòu)用鋼的含碳量一般不應(yīng)超過0.22%，對焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)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(shí)使鋼材熱脆。鋼材中硫的含量不得超過0.05%，在焊接結(jié)構(gòu)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(lǐng)會(huì)鋼材以屈服點(diǎn)為強(qiáng)度設(shè)計(jì)指標(biāo)的依據(jù)（P22）(二) 結(jié)構(gòu)鋼材的力學(xué)性能指標(biāo)3領(lǐng)會(huì)鋼材彈性模量大，彈性變形?。≒22）4領(lǐng)會(huì)彈塑性范圍不大，塑性階段變形很大，因而結(jié)構(gòu)接近理想彈性-塑性體（P21）5領(lǐng)會(huì)抗層狀撕裂指標(biāo)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(shí)記沖擊韌性試驗(yàn)方法

領(lǐng)會(huì)沖擊韌性的意義與相關(guān)要求（P25）

衡量抵抗脆性破壞的性能；Akv常溫和負(fù)溫要求；

鋼材材質(zhì)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(lǐng)會(huì)鋼材高溫軟化和低溫脆性的概念（P32）(二) 結(jié)構(gòu)鋼材的力學(xué)性能指標(biāo)(1)高溫軟化：鋼材在高溫下，強(qiáng)度將降為0。(2)低溫冷脆：溫度低于常溫時(shí)，隨著溫度降低鋼材的脆性傾向?qū)⒅饾u增加，負(fù)溫下發(fā)生的脆性斷裂稱為低溫冷脆。8識(shí)記循環(huán)荷載的種類，領(lǐng)會(huì)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(zhì)：脆性破壞；疲勞強(qiáng)度的影響因素（P26，選擇或填空）9簡單應(yīng)用常幅和變幅疲勞（吊車梁）計(jì)算方法（P29式2.9和2.13）對疲勞計(jì)算仍然沿用容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法10領(lǐng)會(huì)采用能量強(qiáng)度理論確定多軸應(yīng)力下的屈服條件（P23）(二) 結(jié)構(gòu)鋼材的力學(xué)性能指標(biāo)(1)能量強(qiáng)度理論（第四強(qiáng)度理論）：材料由彈性轉(zhuǎn)為塑性狀態(tài)時(shí)，綜合強(qiáng)度指標(biāo)要用變形時(shí)單位體積中積聚的能量來衡量。(2)折算應(yīng)力：應(yīng)用于鋼材時(shí)的簡化見P24式2.5與2.6。鋼材在多軸應(yīng)力狀態(tài)下，當(dāng)處于同號(hào)應(yīng)力場時(shí)，產(chǎn)生脆性破壞；異號(hào)應(yīng)力場時(shí)，發(fā)生塑性破壞。原理見教材P24.1領(lǐng)會(huì)鋼材的兩種可能破壞形式，區(qū)別和后果(三) 結(jié)構(gòu)鋼材的脆性破壞(1)塑性破壞：破壞前變形大，持續(xù)時(shí)間長，破壞時(shí)平均應(yīng)力高。有預(yù)兆，危險(xiǎn)性低。(2)脆性破壞：破壞前變形小，持續(xù)時(shí)間短，破壞時(shí)平均應(yīng)力低。無預(yù)兆，危險(xiǎn)性高。脆性破壞的原因（P32共4點(diǎn)）2領(lǐng)會(huì)應(yīng)力集中現(xiàn)象，原因、后果與設(shè)計(jì)措施(P34)(三) 結(jié)構(gòu)鋼材的脆性破壞(1)應(yīng)力集中：當(dāng)試件表面不平，有缺口時(shí)，在軸心拉力下，截面上應(yīng)力分布不均，缺口附近應(yīng)力特別大。（P34圖2.17）(2)原因：表面不平或構(gòu)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(dǎo)致脆性破壞(4)設(shè)計(jì)措施：盡量避免截面突變、做成圓滑過渡型、必要時(shí)表面加工3領(lǐng)會(huì)冶金缺陷和溫度變化引起的脆性破壞(P32)(三) 結(jié)構(gòu)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(lán)脆4領(lǐng)會(huì)時(shí)效硬化與冷作硬化的現(xiàn)象和原因(P33)(三) 結(jié)構(gòu)鋼材的脆性破壞冷作硬化：當(dāng)鋼材受荷載作用進(jìn)入彈塑性階段及以后時(shí)，間接重復(fù)加載使彈性變形范圍擴(kuò)大的現(xiàn)象。時(shí)效硬化：鋼材隨時(shí)間增長強(qiáng)度提高而塑性和韌性大大降低，屬于物理化學(xué)現(xiàn)象。相同點(diǎn)：擴(kuò)大了彈性工作范圍，減少了鋼材塑性不同點(diǎn)：時(shí)效硬化還提高了鋼材抗拉強(qiáng)度。1識(shí)記建筑結(jié)構(gòu)中采用的鋼材牌號(hào)和用途(四)

鋼材種類和規(guī)格鋼材牌號(hào)的表示方法對于碳素鋼由字母Q、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)和脫氧方法符號(hào)4個(gè)部分按順序組成。如Q235AF，Q是屈服強(qiáng)度中屈字漢語拼音的字首，235表示以N/mm2為單位屈服強(qiáng)度的大小，A、B、C或D等表示按質(zhì)量劃分的級(jí)別。最后還有一個(gè)表示脫氧方法的符號(hào)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(gòu)件或工作較繁重時(shí)，尤其是在負(fù)溫下工作的焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)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(yán)，屬D級(jí)，用于特殊需要高質(zhì)量的焊接結(jié)構(gòu)中。2識(shí)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(shí)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(hào)數(shù)時(shí)，輕型者由于腹板薄及翼緣寬而薄，因而截面積小但回轉(zhuǎn)半徑大，能節(jié)約鋼材減少自重。不過輕型系列的實(shí)際產(chǎn)品較少。2識(shí)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(gè)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(hào)，普通型者當(dāng)型號(hào)較大時(shí)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(hào)的表示方法是先用符號(hào)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(lǐng)會(huì)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(jié)構(gòu)安全可靠，同時(shí)用材經(jīng)濟(jì)合理。為此，在選擇鋼材時(shí)應(yīng)考慮下列各因素：1.結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要性；2.荷載性質(zhì)（靜載或動(dòng)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(zhì)）。對于重要結(jié)構(gòu)、直接承受動(dòng)載的結(jié)構(gòu)、處于低溫條件下的結(jié)構(gòu)及焊接結(jié)構(gòu)，應(yīng)選用質(zhì)量較高的鋼材。P37（記牢）承重結(jié)構(gòu)、焊接承重結(jié)構(gòu)及重要的非焊接承重結(jié)構(gòu)、需驗(yàn)算疲勞的焊接結(jié)構(gòu)、需驗(yàn)算疲勞的非承重結(jié)構(gòu)的要求；不應(yīng)采用Q235F的情況2011.7試題7.沖擊韌性值較高的鋼材(

)A.設(shè)計(jì)強(qiáng)度值較高B.彈性模量值較高C.抗脆性破壞的能力較強(qiáng)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(xiàng)試驗(yàn)來獲得？（）A．冷彎180°試驗(yàn) B．單向一次拉伸試驗(yàn)C．疲勞試驗(yàn) D．沖擊試驗(yàn)2009.7試題22．鋼材承受動(dòng)力荷載作用時(shí)，抵抗脆性破壞的性能用______指標(biāo)來衡量。2008.7試題5．影響鋼材疲勞強(qiáng)度的主要因素不包括（）A．構(gòu)造狀況 B．應(yīng)力幅C．循環(huán)荷載重復(fù)的次數(shù) D．鋼材的靜力強(qiáng)度2008.7試題4．建筑鋼材的抗剪屈服點(diǎn)和抗拉屈服點(diǎn)之間的關(guān)系是（

）A．fyv=fy B．fyv=fyC．fyv=3fy D．fyv=fy/2012.7試題24．在三向應(yīng)力狀態(tài)下，鋼材轉(zhuǎn)入塑性狀態(tài)的綜合強(qiáng)度指標(biāo)稱為_________。2010.7試題4.按設(shè)計(jì)規(guī)范直接受動(dòng)荷載作用的構(gòu)件，鋼材應(yīng)保證的指標(biāo)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(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為250N／mm2，抗拉強(qiáng)度最小值為390N／mm2，材料分項(xiàng)系數(shù)為1.087，則鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)為（

）A．360N／mm2 B．270N／mm2C．