钢结构第二章.

第二章结构钢材及其性能第一节结构钢一次拉伸的力学性能第二节钢材的主要机械性能第三节结构钢的脆性破坏第四节钢材的种类及选择第一节结构钢一次拉伸的力学性能●钢材种类繁多，规格、用途也不相同，对建筑结构用钢来说，主要有三方面的要求。1、较高的强度：结构的承载力大，所需的截面小，结构的自重轻；2、较好的塑性及韧性：塑性好，不易发生脆性破坏；韧性好，利于承受动力荷载；3、良好的加工性能与耐久性：包括可焊性、冷弯性能以及耐腐性能；●据上要求,《钢结构设计规范》GB50017-2003推荐承重结构用钢宜采用：炭素结构钢中的Q235钢及低合金高强结构钢中的Q345、Q390和Q420钢四种钢材。根据钢材单向拉伸性能曲线，工程应用中，钢材的性能按理想弹塑性体考虑，fy定为钢材拉、压强度标准值。ABBODAC单向拉伸试验曲线弹性阶段弹塑性阶段塑性阶段强化阶段第二节钢材的主要机械性能钢材材性主要有：强度塑性韧性可焊性冷弯性耐久性Z向伸缩率一、强度强度体现了材料的承载能力，主要指标有屈服点fy和抗拉强度fu，通过静力拉伸试验得到。屈服点：为设计时钢材可达到的最大应力。抗拉强度fu是钢材破坏前能够承受的最大应力。钢材达到fu时，已产生很大塑性变形而失去使用性能，但fu高则可以增加结构的安全保障，故fu/fy的值可看作钢材强度储备系数。二、塑性钢材的塑性为当应力超过屈服点后，能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。塑性好坏可用伸长率和断面收缩率表示。通过静力拉伸试验得到。伸长率伸长率为试件拉断时原标距间长度伸长值与原标距比值的百分率。L1——为试件拉断后标距间长度。断面收缩率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率。A0——试件原来的断面面积；A1——试件拉断后颈缩区的断面面积；结构或构件在受力时（尤其承受动力荷载时）材料塑性好坏往往决定了结构是否安全可靠，因此钢材塑性指标比强度指标更为重要。三、冲击韧性钢材的韧性是钢材在塑性变形和断裂的过程中吸收能量的能力，也是表示钢材抵抗因冲击荷载、应力集中等而致脆性断裂能力的一项机械性能，它是强度与塑性的综合表现。用材料在断裂时所吸收的总能量来量度，其值为图中应力应变曲线与横坐标所包围的总面积，面积越大韧性越高。四、可焊性钢材的可焊性是指在一定工艺和结构条件下，钢材经过焊接能够获得良好的焊接接头的性能。可焊性分为施工上的可焊性和使用性能上的可焊性。施工上的可焊性指对产生裂纹的敏感性，使用性能上的可焊性是指焊接构件在焊接后的力学性能是否低于母材。五、冷弯性能冷弯性能是指钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。冷弯性能用试验方法来检验钢材承受规定弯曲程度的弯曲变形性能，检查试件弯曲部分的外面、里面和侧面是否有裂纹、裂断和分层。六、耐久性耐久性需要考虑的有：耐腐蚀性、“时效”现象、疲劳现象等。时效：随着时间的增长，钢材的力学性能有所改变。疲劳：多次反复荷载作用下，钢材低于屈服点fy发生的破坏。七、钢材Z向收缩率当钢材较厚时，或承受沿厚度方向的拉力时，要求钢材具有板厚方向的收缩率要求，以防厚度方向的分层、撕裂。2.2钢材在多轴应力作用下的工作性能一、折算应力由材料力学能量强度理论知，折算应力Ze为：2222223zxyzxyxzzyyxzyxzeσyσyσxσxσzσzσ1σ1σ2σ2σ3σ3τxyτyxτyzτzxτxzσyσyσxσxτxyτxyτyxτyxσ2σ2σ1σ1图2-5钢材的多轴应力状态2.2建筑钢材在多轴应力作用下的工作性能σyσyσxσxσzσzσ1σ1σ2σ2σ3σ3τxyτyxτyzτzxτxzσyσyσxσxτxyτxyτyxτyxσ2σ2σ1σ1图2-5钢材的多轴应力状态由材料力学能量强度理论知，折算应力Ze为：2222223zxyzxyxzzyyxzyxze用主应力、、表示时，有123)(133221232221ze或])()()[(21213232221ze二、设计公式——由式（19-1）确定，——钢材抗拉（压）设计强度ffzeze由式知，主应力同号时，折算应力小，不容易进入塑性状态，容易发生脆性破坏；异号主应力容易进入塑性状态，容易产生塑性破坏。（a）—单向拉伸（b）—双向拉伸（c）—双向异号应力图2-6双向应力作用下钢材的关系0yfbyfcyfε1σ1(a)(b)(c)])()()[(21213232221zeP=P0sint/aPPta2.3钢材的疲劳强度一、疲劳现象在连续反复（循环）荷载作用下，当应力低于抗拉强度甚至低于屈服强度便发生突然脆性断裂。这种现象称钢材疲劳破坏。二、产生疲劳的原因（1）连续反复荷载（2）材料局部缺陷（工艺微裂纹、焊缝夹渣等）三、疲劳破坏机理（1）形成微裂纹材料已有微裂纹或加载使杂质附近发生应力集中，造成新的微裂纹。（2）反复荷载下微裂纹发展成宏观裂纹反复荷载下微裂纹尖端应力集中、材料硬化，裂纹开展，出现宏观裂纹。图2-1单轴应力ffpfyfu（3）宏观裂纹发展，断面削弱，脆性断裂裂纹尖端应力集中使裂纹开展恶性循环、脆性断裂反复荷载继续作用，裂纹尖端材料进一步硬化，裂纹继续发展，荷载循环一次，裂纹发展一步，当荷载循环到一定次数时，断面极大削弱，导致脆性破坏。加载→裂纹尖端应力集中材料硬化←卸载←裂纹扩大图2-1单轴应力ffpfyfu裂纹尖端应力集中使裂纹开展疲劳破坏由裂缝发展所致。因此，无拉应力，则无疲劳破坏；无拉应力，不检算疲劳。裂缝反复扩张、闭合，使疲劳断口上有半椭园光滑区，其余部分粗糙；有拉应力裂缝张开无拉应力裂缝闭合图2-8四、影响疲劳强度的主要因素1、应力集中程度通过构造手段解决2、应力循环的特征最大、最小应力之间的相互关系，可以用最大、最小应力之差或之比考虑。3、应力循环的次数引起疲劳破坏所需的应力大小，随着循环的次数n增加而减小。应力循环的特征和应力循环的次数的关系n1ninjσ1σiσnσmax(MPa)n次数某应力循环特性情况下的疲劳曲线取循环次数为多少时的最大应力为标准呢？我国建筑钢结构规范以n=5×104作为承受动力荷载重复作用的钢结构构件（如吊车梁，吊车桁架和工作平台梁等）及其连接所具有的最小疲劳极限。因此，当设计要求的应力循环次数n≥5×104时，应进行疲劳检算。五、设计检算原则为保证疲劳寿命，在设计基准期内应力循环次数n应大于规定的疲劳极限，如国际焊接学会（IIW）和国际标准化组织（ISO）建议n=5×106次为疲劳极限，我国建筑及桥梁钢结构规范以n=2×106为疲劳极限。1、疲劳检算原则应力比准则：应力比：循环一周最小、最大应力比ρ=min/max应力幅准则：应力幅：循环一周最大、最小应力差=max-min“常幅疲劳”是指在使用期内交变荷载下每次循环的应力变化幅值相同；否则称“变幅疲劳”，如上图所示。承受吊车荷载的吊车梁属变幅疲劳，因为起吊重量有时满载，有时欠载。t常幅疲劳t变幅疲劳图2-9按照常幅疲劳和变幅疲劳不同情况分别进行计算。应力幅：=max-min2、按应力幅准则的检算方法①验算公式其中，—标准荷载下检算部位的设计应力幅[]—容许应力幅,N/mm2。以n=2×106次疲劳强度为基准，只与构件和连接类别有关。②设计应力幅计算焊接部位：非焊接部位：6102minmaxminmax7.02、按应力幅准则的检算方法（1）常幅疲劳3、检算方法及公式（按应力幅准则）（2）变幅疲劳可将变幅疲劳折算为等效的常幅疲劳，然后按常幅疲劳检算式检算。t常幅疲劳t变幅疲劳2.4各种因素对钢材性能的影响一、化学成份二、冶金和轧制过程2.4各种因素对钢材性能的影响1、碳影响强度、塑性、韧性。提高含碳量，强度提高，塑性和韧性下降，可焊性、抗锈蚀性能变劣。钢结构中，不宜采用含碳量高的钢材，一般不超过0.22%。焊接结构中应限制在0.20%以下。普通碳素钢中含有多种化学成分，其中铁占99%左右，碳、硅、锰、硫、磷、氮、氧等共占1%左右。在低合金钢中还有合金元素，他们含量低于5%。影响钢材主要性能的元素有：一、化学成份2、硫在高温下（800-1000℃）生成硫化铁，使钢材变脆（热脆），因而降低钢材的冲击韧性、疲劳强度、可焊性和抗锈蚀能力。应严格控制钢材中的含硫量，不得超过0.05%，16锰桥钢不超过0.045%。3、磷可提高强度、提高抗锈蚀能力，但严重降低塑性、韧性和可焊性，特别易发生低温脆断（冷脆），应严格控制其含量，一般不超过0.045%，15锰钒钢不超过0.040%。4、锰提高强度而不明显影响塑性，同时可消除热脆和改善冷脆倾向。是低合金钢中的主要合金元素成分。7、氮、氧氧有害杂质，严格控制。氮能使钢材强化，但显著降低钢材塑性、韧性、可焊性和冷弯性能，增加时效倾向和冷脆性。6、钒可提高钢材强度和焊缝性能。15锰钒钢可用于船舶、桥梁等荷载大的焊接结构以及高、中压容器。5、硅含量不超过0.2%时，可提高钢材强度，而对塑性、韧性和可焊性无明显不良影响。二、冶金与轧制的影响•冶金的影响主要为脱氧方法：沸腾钢用Mn为脱氧剂，时间快，价格低，质量差；镇静钢用Si为脱氧剂，时间慢，价格高，质量好。•反复的轧制可以改善钢材的塑性，同时可以使钢材中的气孔、裂纹、疏松等缺陷焊合，使金属晶体组织密实，晶粒细化，消除纤维组织缺陷，使钢材的力学性能提高。第三节结构钢材的脆性破坏两种破坏形式钢材的破坏分塑性破坏和脆性破坏两种。塑性破坏：加载后有较大变形，因此破坏前有预兆，断裂时断口呈纤维状，色泽发暗。脆性破坏：加载后，无明显变形，因此破坏前无预兆，断裂时断口平齐，呈有光泽的晶粒状。脆性破坏危险性大。影响脆性的因素化学成分冶金缺陷（偏析、非金属夹杂、裂纹、起层）温度（热脆、低温冷脆）冷作硬化时效硬化应力集中同号三向主应力状态1、冶金缺陷起层钢材局部有时出现的分层现象裂纹和起层对力学性能有严重影响，应于重视。裂纹钢材中存在的微观裂纹。非金属夹杂指钢材中的非金属化合物，如硫化物、氧化物，他们使钢材性能变脆。偏析杂质元素分布不均匀的现象。主要是硫和磷偏析，其后果是偏析区钢材的塑性、韧性、可焊性变坏。2、温度的影响温度的影响，一般可分正温与负温影响两部分。正温影响•总体影响规律为温度上升，钢材的强度降低，塑性、韧性提高，这一现象称之为热塑现象，温度达600o左右时，钢材的强度几乎降至为零，而塑性、韧性极大，易于进行热加工，此温度称之为热煅温度。•需要说明：钢材在300o左右时，强度提高，塑性、韧性下降，钢材表面呈蓝色，这一反覆现象称之为蓝脆现象。钢材在300o以上时应采取隔热措施。负温影响•随着温度的降低钢材的强度提高，塑性、韧性降低，脆性增大，称之为低温冷脆，当温度降至某一特定温度时钢材的脆性急剧增大，称此温度点为转脆温度。3、冷作硬化与时效硬化•由于某种因素的影响而使钢材强度提高，塑性、韧性下降，增加脆性的现象称之为硬化现象。•冷加工时（常温进行弯折、冲孔剪切等），钢材发生塑性变形从而使钢材变硬的现象称之为冷作硬化。•钢材中的C、N，随着时间的增长和温度的变化，而形成碳化物和氮化物，使钢材变脆的“老化”现象称之为时效硬化。4、复杂应力与应力集中的影响•钢结构构件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化、内部缺陷等使一些区域产生局部高峰应力，此谓应力集中现象。应力集中越严重，钢材塑性越差。•钢材在多向同号应力场作用下，一向的变形受到另一向的限制，而使钢材强度增加，塑性、韧性下降，异号应力场时则相反。•钢构件由于截面的改变以及孔洞、凹槽、裂纹等原因而使构件内产生应力集中，应力集中实际为：局部