钢结构的材料.ppt
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1、,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,本章主要内容,(1)对钢结构用材的要求,(2)钢材的塑性破坏和脆性破坏,(3)钢材的主要性能,(4)影响钢材性能的因素,(5)钢材的疲劳,第二章 钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure,(6)钢材的种类和规格,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,1、钢结构对材料的要求,(1)较高的抗拉强度fu和屈服点fy,(2)塑性、冲击韧性好,(3)冷加工性能好,(4)可焊性好,(5)耐久性好,第二章 钢结构的材料
2、 Chapter 2 Material of Steel Structure,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,2、钢材的塑性破坏和脆性破坏,2.1 塑性破坏试验:试件采用标准圆棒试件,当试件在拉力试验机上均匀地加荷直到拉断时其破坏呈现塑性特性。,钢材有两种破坏形式:塑性破坏和脆性破坏。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of
3、Steel Structure,实验现象:标准试件当应力达到屈服点fy以后,试件将产生很明显的塑性变形;当应力超过抗拉强度fu时,试件将在出现很大的变形情况下颈缩而破坏。加荷的延续时间长,破坏后断口呈纤维状,色泽发暗,有时还能看到滑移的痕迹,断口与作用力的方向约成45度,此种破坏的塑性特征明显,故称为塑性破坏。由于塑性破坏前有明显的变形且延续的时间长,容易发现而采用措施予以补救,因而不至于引起严重后果。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,2、
4、钢材的塑性破坏和脆性破坏,2.2 脆性破坏试验:试件采用比标准试件加粗但在中部有小槽,其净截面面积仍与标准试件截面面积相同的试件,当试件在拉力试验机上均匀地加荷直到拉断时,其破坏呈现脆性特征。,钢材有两种破坏形式:塑性破坏和脆性破坏。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,实验现象:带小槽的试件在断裂破坏前塑性变形很小,且几乎无任何迹象而突然断裂,其断口平齐,呈有光泽的晶粒状。此种破坏的脆性特征明显,故称脆性破坏。危害:由于脆性破坏时突然发生的,
5、无任何预兆,无法及时察觉和采取措施补救,而且一旦发生还有导致整个结构倒塌的可能,因此比塑性破坏危险得多。如1972年廊坊因一个杆脆断导致屋架倒塌,1999年四川綦江大桥倒塌等。因此,在钢结构的设计、施工和使用过程中,充分考虑各方面因素,避免以其且发生脆性破坏的可能性。变脆的因素:除了上面提到的以外,其他如钢材处于低温(;例如-20)条件下工作,对钢材进行冷加工、焊接、重复荷载作用,处于复杂应力状态等,均可使钢材变脆而变成脆性破坏。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Stee
6、l Structure,2、钢材的塑性破坏和脆性破坏,钢材的破坏形式,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,3.1 单向拉伸时的工作性能,(1)试验条件(a)试件的尺寸要符合国家标准,表面光滑,没有孔洞、刻槽等缺陷。试件的标定长度取其直径的5或10倍。(b)荷载要分级逐次增加,直到试件破坏。(c)试验温度要控制在室温20左右。,3、钢材的主要性能,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢
7、结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,(2)钢材的应力-应变关系,A.有屈服点钢材s-e曲线可以分为四个阶段:,(a)弹性阶段(OB段),单调拉伸应力-应变曲线,OA段:纯弹性阶段s=EeA点对应的应力:sp(比例极限),AB段:有一定的塑性变形,但整个OB段卸载时,e=0B点对应的应力:se(弹性极限),第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,(b)屈服阶段(BCD),塑性变形:卸载后试件不能完全
8、恢复原来的长度。不能恢复的这一部分变形称为塑性变形。,屈服点(屈服强度):屈服阶段曲线波动部分的最低值。,流幅:从屈服阶段的开始到曲线再度上升的应变幅度称为流幅。,特点:应力与应变不再成正比关系,应变增加很快,应力-应变曲线呈锯齿形波动,出现应力不增加而应变仍然在继续发展。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,(c)强化阶段(DE段),随荷载的增加缓慢增大,但增加较快抗拉强度(极限强度)fu 试件所能承受的最大拉应力,(d)颈缩阶段(EF段),
9、截面出现了横向收缩,截面面积开始显著缩小,塑性变形迅速增大,应力不断降低,变形却延续发展,直至F点试件断裂。,F,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,(3)单向拉伸时钢材的机械性能指标,(1)屈服点fy应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力(取屈服阶段波动部分的应力最低值),它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。,(2)抗拉强度fu应力应变曲线最高点对应的应力,它是钢材破坏前所能承受的最大应力。,(3)钢材的塑性当应力超过屈服
10、点后,钢材能产生显著的残余变形(塑性变形)而不立即断裂的性质。塑性好坏可用断面收缩率和伸长率表示,通过静力拉伸试验得到。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,(4)伸长率试件断裂前的永久变形与原标定长度的百比。,l0 原标距长l1 拉断后标距长度d0 试件直径试件有两种标距:l0/d0=5 和 l0/d0=10 相应的伸长率用5和10表示。伸长率,实际工程中以伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形能力。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 M
11、aterial of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,(5)断面收缩率是指试件拉断后,颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分比。,式中:A0 试件原来的断面面积 A1 试件拉断后颈缩区的断面面积,断面收缩率越大,钢材的塑性越好。由于在测量试件的断面面积时容易产生较大的误差,因而钢材塑性指标仍然采用伸长率作为保证要求。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structur
12、e,3.2 钢材的冷弯性能,冷弯性能是判别钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标。,钢材在冷加工(常温下加工)产生塑性变形时,对发生裂缝的抵抗能力。,鉴别指标:通过冷弯冲头加压。当试件弯曲至180时,检查试件弯曲部分的外面、里面和侧面,如果没有裂纹、断裂或分层,即认为试件冷弯性能合格。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,韧性 钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。用断裂时吸收的总能量(弹性和非弹性能)来表示。韧性指标用冲击韧性值表示,冲击韧
13、性也叫冲击功,用符号Wkv或Cv表示,单位为J。,冲击韧性试验 一般采用试件长55mm,截面1010mm2,中间一小槽。在摆锤式冲击试验机上进行试验,冲断试件后,读出摆锤消耗的功。,冲击韧性试验,3.3 钢材的冲击韧性,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,冲击试验试件的缺口形式冲击韧性与试件刻槽(缺口)有关,常用缺口形式为夏氏V型,夏氏钥孔型和梅氏U型,我国国家标准规定:冲击试验缺口采用夏氏V型。,冲击试验试件的缺口形式,冲击韧性还与试验的温度
14、有关。我国钢材标准中将试验分为四档,即+20,0,-20和-40时的冲击韧性。温度越低,冲击韧性越低。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,好的可焊性是指焊接安全、可靠、不发生焊接裂缝,焊接接头和焊缝的冲击韧性以及热影响区的塑性和力学性能都不低于母材。,影响钢材可焊性的因素,钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在0.12%0.20%范围内的碳素钢,可焊性最好(如Q235B)。对于高强度低合金钢中,低合金元素大多对可焊性有不利影响,我
15、国行业标准JGJ81-2002建筑钢结构焊接技术规程推荐使用碳当量来衡量低合金钢的可焊性。当碳当量小于0.38%,钢材的可焊性好(如Q345),可不采取措施直接施焊。,(2-1),3.2钢材的可焊性,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢材的机械性能指标,1、屈服点 fy2、抗拉强度 fu3、伸长率 4、断面收缩率 5、冷弯性能6、冲击韧性 Cv,小 结,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Struct
16、ure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,钢材的机械性能指标鉴定,根据钢结构工程施工质量验收规范(GB50205-2001)的规定,对进入钢结构工程实施现场的主要材料需进行进场验收,即检查钢材的质量合格证明文件、中文标识及检验报告,确认钢材的品种、规格、性能是否符合现行国家标准和设计要求,2.5钢材性能的鉴定,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,4.影响钢材性能的因素,4.1 化学成分的影
17、响,钢材的化学成分直接影响钢的组织构造,从而影响钢材的力学性能。铁(Fe)是钢材的基本元素,普通碳素钢中占99%,此外还有碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)等有益元素,及硫(S)、磷(P)、氧(O)、氮(N)等有害元素,这些总含量不大,约1%,但对钢材力学性能却有很大影响。低合金钢中有5%的合金元素,如铜(Cu)、钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)、铬(Cr)等。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,碳(C):形成钢材强度的主要成分,随其含量增加,
18、强度增加,塑性和韧性降低,可焊性和抗腐蚀性降低。碳素钢按碳含量区分,小于0.25的为低碳钢,介于0.25和0.6之间的为中碳钢,大于0.6的为高碳钢。钢结构用钢中,碳含量一般控制在0.22%以下,当其含量在0.2以下时,可焊性良好。,2.硫(S):钢材中的有害元素,具有热脆性(温度达到800-1000时,硫化铁会熔化使钢材变脆,从而引发热裂纹)。规范规定结构用钢中硫的含量不得超过0.05%。,3.氧(O):有害杂质,与S相似。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel
19、Structure,4.磷(P):磷在一定程度上可提高钢的强度和抗锈蚀的能力。钢材中的有害元素,具有冷脆性(温度较低时促使钢材变脆)。因此,磷的含量也要严格控制,规范中规定不得超过0.045%。,5.氮(N):有害杂质,与P相似。,6.锰(Mn):有益元素。在普通碳素钢中,是一种弱脱氧剂,可提高钢材强度,与S形成MnS,熔点1600,可以消除硫对钢材的热脆影响。,7.硅(Si):有益元素。在普通碳素钢中,是一种强脱氧剂,常与锰共同除氧,生成镇静钢。,8.钒(V):合金元素。细化晶粒,提高强度,其碳化物具有高温稳定性,适用于受荷较大的焊接结构。,9.铜(Cu):提高抗锈蚀性,提高强度,对可焊性有
20、影响。,第二章 钢结构的材料,Chapter 2 Material of Steel Structure,钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure,3.2 成才过程的影响,钢材的生产大致分为冶炼、脱氧和浇铸、加工三道工序。,(1)炼钢,炼钢炉有三种形式:转炉、平炉和电炉。,转炉钢是利用高压空气或氧气使炉内生铁熔液的碳和其它杂物氧化,在高温下使铁液变为钢液。(生产周期短,效率高,质量好,成本低,已经成为国内外发展最快的炼钢方法。),平炉钢是利用煤气和其它燃料供应热能,把废钢、生铁熔液或铸铁块和不同的合金元素等冶炼成各种用途的钢。(生产周期长,效率低
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