第2章建筑钢材ppt-第2章建筑钢材

1、结合钢结构的性能特点，谈一下钢结构的应用。2、承载能力极限状态和正常使用极限状态的概念。承载能力的极限状态：结构或构件达到最大承载能力或达到不适于继续承载的变形时的极限状态正常使用极限状态：结构或构件达到正常使用的某项限值时的极限状态课前提问：第二章钢结构的材料本章讲述建筑钢材（Q235、Q345、Q390及Q420）的主要机械性能及影响这些性能的主要因素；钢材受力的两种破坏形式及防止脆性破坏的措施；介绍我国目前生产的建筑钢材品种及规格。2.1建筑钢材的基本要求较高的强度较好的塑性及韧性良好的加工性能良好的可焊性较好的抗锈蚀能力现行《钢结构设计规范》（GBJ50017-2003）推荐承重结构的钢材宜采用碳素结构钢中的Q235，及低合金高强度结构钢中的Q345、Q390及Q420钢。2.2建筑钢材的主要机械性能一、强度和塑性——单轴拉伸试验看静力拉伸试验动画看应力s—应变e曲线动画屈服强度(yieldstrength)fy抗拉强度(tensilestrength)fu伸长率(elongation)d断面收缩率弹性模量EE为常量，低碳钢有明显屈服点，fy作为破坏标志，fu/fy为强度储备，伸长率d表示塑性变形能力。图2-1单轴应力fefpfyfu指标:0sefy图2-2为了简化计算，将图2-1所示应力-应变关系简化为图2-2。实际设计中对s—e曲线的简化fy,完全弹性fy,完全塑性fu作为安全储备伸长率d根据试件原标距长度l0与试件中间部分的直径d0的比值为10或5而分为d10或d5，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。式中：l1——为试件拉断后标距间长度。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。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；例如对于一般厚度（t=16mm)的Q235钢，国家标准规定，fy=235n/mm2，ft=375－460n/mm2，＆5=26%.(课本211页附表1二、冷弯(coldbending)试验—冷弯角a加工性能，塑性变性能力，材质均匀性，a=180度合格。指标：将根据试件厚度按规定的弯曲直径将试件弯曲1800，如表面无裂纹或分层则合格.看动画三、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，也是表示钢材抵抗冲击荷载或振动荷载的能力，它是强度与塑性的综合表现。钢材韧性通过冲击试验，测定冲击功(冲击韧性值Akv,单位J或akv单位J/cm2)来表示。钢结构设计规范对钢材的冲击韧性Akv有常温和负温要求的规定。选用钢材时，根据结构的使用情况和要求提出相应温度的冲击韧性指标要求。常温(20℃)和低温(0℃，-20℃，-40℃)试验.用带缺口（V型或U型）的标准试件（下图）进行冲击试验，试件破坏时截面单位面积吸收的能量，称冲击韧性。冲击韧性越好，表明钢材越不易脆断。(a)(b)冲击韧性试件P看动画四、可焊性(weldability)②焊接接头和焊缝的冲击韧性及近缝区塑性不低于母材性能。(使用性能上的可焊性)（1）可焊性好意味着钢材施焊后能获得良好的焊接接头性能。（2）评定可焊性好的标志①在一定的焊接工艺条件下，焊缝和近缝区均不产生裂纹(施工上的可焊性)2.3建筑钢材的两种破坏形式塑性破坏：破坏前有显著的变形，吸收很大的能量，延续时间长，有明显的塑性变形，断裂时断口呈纤维状，色泽发暗。脆性破坏：破坏前无明显变形，破坏突然发生，断裂时断口平齐，呈有光泽的晶粒状。脆性破坏危险性大。2.4影响钢材性能的主要因素一、化学成分的影响(chemicalcompositions)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(Mn、V、Si)，他们含量低于5%。影响钢材主要性能的元素有：C、Si、Mn、S、P、O、N基本有利元素：1、碳（C）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%。2、硅（Si）脱氧剂，适量（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。3、锰（Mn）适量可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。4、钒（V）可提高钢材强度和焊缝性能。15MnV钢可用于船舶、桥梁等荷载大的焊接结构以及高中压容器。1、硫（S）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%。2、磷（P）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%。有害元素：3、氮、氧、氮类似磷，氧类似硫。有害杂质，严格控制。二、冶炼、浇注、轧制过程及热处理的影响3、裂纹钢材中存在的微观裂纹。2、夹层钢材中的夹层是由于钢锭内留有气泡，有时气泡内害有非金属杂质夹渣，当轧制温度及压力不够时，不能使气泡压合，气泡被压扁延伸，形成夹层。（一）冶炼、浇注和轧制的影响沸腾钢、镇静钢、半镇静钢1、偏析金属结晶后化学成分分布不均匀。（二）热处理(heattreatment)——控制降温速度或重新加热，改变晶体结构和材性。淬火(quench)：快速降温，提高强度、降低韧性；退火(anneal)：炉中控制，缓慢降温；回火(temper)：自然降温和控制降温相结合；正火(normalize)：空气中自然降温；4、轧制的影响改善钢材的力学性能三、钢材硬化的影响超过比例极限后卸载，再加载时提高了屈服强度，却牺牲了塑性。这种现象称冷硬。冷硬提高了钢材的弹性范围，被广泛用于提高承载力。但却使钢材变脆，牺牲了塑性，对于承受动力荷载重要构件，不应使用经过冷硬的钢材。1、冷作硬化2、时效硬化钢材中的C和N的化合物以固溶体的形式存在于纯铁的结晶体中。随着时间的增长逐渐析出，进入结晶群之间，对纯铁体的塑性变形起着遏制作用，使fy、fu提高，akv、d降低，这种现象称为时效硬化。人工快速时效：经过冷加工后（10％左右的塑性变形），加热至200～300度，仅需几小时，时效就可以完成。四、复杂应力的影响单向应力作用下σfy,弹性状态σ=fy,塑性状态复杂应力作用下σeqfy弹性状态σeq=fy塑性状态折算应力σeq的计算1、用主应力、、表示时1s2s3s)(133221232221sssssssssseq])()()[(21213232221ssssssseq或σyσyσxσxσzσzσ1σ1σ2σ2σ3σ3τxyτyxτyzτzxτxzσyσyσxσxτxyτxyτyxτyxσ2σ2σ1σ1钢材的多轴应力状态2222223zxyzxyxzzyyxzyxeqssssssssss2、用三向受力应力分量表示3、当两向受力（σ3=0或σz=τzx=τyz=0）时212221ssssseq或2223xyyxyxeqsssss4、在单向受弯梁内（只σ和τ）223sseq纯剪状态下：23seq复杂应力对钢材性能的影响异号复杂应力：强度降低，塑性提高同号复杂应力：强度提高，塑性降低，性能变脆五、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。应力集中动画1、产生原因：（1）外部原因：孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化（2）内部原因：内部缺陷、内结应力2、预防措施：在进行钢结构设计时，应尽量使构件和连接节点的形状和构造合理，防止截面的突然改变，采取圆滑的过渡。在进行钢结构的焊接构造设计和施工时，应尽量减少焊接残余应力。六、残余应力的影响由于不均匀的加热或冷却，使得钢材收缩和膨胀不均匀，先冷却部分与后冷却部分相互牵制，从而在截面内形成自相平衡的内结应力。残余应力：影响：•对静载下的承载能力没有影响•构件部分提前达到塑性，刚度下降，整体稳定承载力下降七、温度的影响对于正温范围（正常温度以上），总的趋势是：随着温度增加，钢材强度下降(下表)，塑性增大。℃20100200300400500600Fy(%)10095826540100温度超过300C以后，屈服点和极限强度显著下降，达到600C时强度几乎等于零。蓝脆现象钢材受温度影响总的趋势是随温度升高，fy、fu、E下降，但温度达250C左右时，钢材抗拉强度提高，塑性、韧性下降，表面氧化膜呈蓝色，即发生蓝脆现象。低温冷脆在负温范围，即当温度从常温下降时，塑性、韧性降低，下降到某一温度时冲击韧性突然变得很降，发生脆性破坏，这就是低温冷脆现象。八、钢材的疲劳P=P0sint/aPPtsa1、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。一、疲劳现象及破坏特征2、产生疲劳破坏的原因（1）连续反复荷载（2）材料局部缺陷（工艺微裂纹、焊缝夹渣等）3、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。（3）宏观裂纹发展，断面削弱，脆性断裂疲劳破坏的形式——脆性破坏4、疲劳强度钢材在某一连续反复荷载作用下，经过n次循环后，出现疲劳破坏，相应的最大应力称为疲劳强度。当循环次数为无限大时的最大应力成为疲劳强度极限(一般取n＝5×106)maxsps5、影响疲劳强度的因素（1）构造状态（冶金缺陷，应力集中程度，残余应力）tstsssssminmaxsss（2）应力幅（3）应力循环次数n（4）应力比maxminss0同号循环0异号循环二、疲劳计算《规范》采用容许应力幅的方法计算疲劳。常幅疲劳①计算公式其中，s—标准荷载下检算部位的设计应力幅[s]—容许应力幅,N/mm2。ss—计算部位每次应力循环中的最大拉应力（取正值）—计算部位每次应力循环中的最小拉应力（取正值）或压应力（取负值）maxsminsσd)tb)σtmaxsminsa)σtmaxsminsσc)tmaxs0mins②设计应力幅s计算焊接部位：非焊接部位：minmaxsssminmax7.0sss③容许应力幅[s]计算根据构件、连接形式类别及预期的循环次数按下式计算此式是对大量试验资料进行统计整理、并考虑安全系数后得出的。式中n—应力循环次数c、—系数。由规范给出，见表2-1。s1nc构件和连接类别12345678C1940×1012861×10123.26×10122.18×10121.47×10120.96×10120.65×10120.41×101244333333参数C、表2-1试验表明：构件无连接处的主体金属不同（轧制工字钢、两边为轧制边或刨边的钢板、两边为自动、半自动切割边钢板等）参数C、不同，连接焊缝性质不同（横向焊缝对接焊缝、纵向对接焊缝、翼缘连接焊缝等）参数C、不同。因此，规范按8种类别给出参数C和。Δσi-1Δσ2Δσ1Δσiσt图变幅荷载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。①情形1——能够测得使用期内应力变幅规律②情形2——不能测得使用期内应力变幅规律设计重级工作制吊车的吊车梁时，应力幅是按满载得出的，实际上常常发生不同程度欠载情况。如果没有对实际应力幅的统计资料，即属本情形。使用欠载效应系数，按常幅疲劳进行计算。fa6102nfssa计算公式fa—欠载效应的等效系数.取值见下表。吊车梁类别af重级工作