C19钢结构的材料050326

19-1第19章钢结构的材料19.1钢材的破坏形式钢材存在两种可能的破坏形式，即塑性破坏和脆性破坏。钢结构所用的材料虽然具有较高的塑性和韧性，且一般发生塑性破坏，但在一定条件下，仍然有发生脆性破坏的可能。塑性破坏是由于变形过大，超过了钢材可能的应变能力而产生的，而且仅在钢材的应力超过屈服强度，并达到了钢材的极限抗拉强度uf后才发生。它的主要特征是破坏前构件产生明显的塑性变形，破坏后的断口呈纤维状，色泽发暗。在塑性破坏前，由于有较大的塑性变形发生且变形持续时间较长，容易及时发现而采取措施予以补救。脆性破坏的特点是钢材破坏前的塑性变形很小，甚至没有塑性变形，平均应力一般低于钢材的屈服强度，破坏从应力集中处开始。破坏前没有任何预兆，破坏后的断口平直，呈现出有光泽的晶粒状。脆性破坏是突然发生的，没有明显的预兆，因而无法及时察觉和采取补救措施，一旦发生则可能导致整个结构发生破坏。与塑性破坏相比较，其后果严重，危险性较大。因此，在设计、制作和安装过程中要采取措施防止钢材发生脆性破坏。19.2钢材的主要力学性能钢材的力学性能通常是指钢材试件在标准试验条件下均匀拉伸、冷弯和冲击等单独作用下表现出的各种力学性能。19.2.1钢材在单向均匀受拉时的工作性能钢材的拉伸试验通常是用规定形状和尺寸的标准试件，在常温（20±5）℃下以规定的应力或应变速度施加荷载进行的。钢材拉伸试验的力学性能可以用试件拉伸应力～应变关系曲线来说明，图19-1为低碳结构钢材拉伸试验的典型应力～应变曲线。在整个试验过程中，钢材的受力大致可分为以下四个阶段：eyu(N/mm)2b)（图的局部放大）32.5u400300p1004003000200100y试件u(N/mm)212~y~~0.2(%)201a)100y(%)0图19-1碳素结构钢（Q235钢）静力拉伸曲线a)试件拉伸的应力-应变曲线b)局部放大（1）弹性阶段：钢材拉伸试验的加、卸载过程中，对应于图19-1b）中B点的应力称为弹性极限ef。当应力不超过ef时，试件应力的增或减引起应变的增或减，卸除荷载后试件的变形能完全恢复，没有残余变形，故称OB阶段为弹性阶段。弹性阶段OB又可分为直线OA段和曲线AB段，A点对应的应力称为比例极限pf。在OA段（pf）时，应力与应变呈正比例关系，即E，19-2E为该直线的斜率，称为钢材的弹性模量。钢材的弹性模量随钢种的变化很小，故一般对所有的钢材统一取E=2.1×105MPa。在曲线AB段（epff），钢材仍处于弹性状态，但应力～应变（～）曲线呈非线性关系。钢材的比例极限pf与弹性极限ef一般较为接近。（2）弹塑性阶段：当应力超过弹性极限，即ef以后，曲线进入图19-1b）中BC段，钢材不再是完全弹性，此时钢材的变形包括弹性和塑性变形两部分，其中塑性变形在卸除荷载后不能恢复，因此构件将留有残余变形。弹塑性阶段的变形增长率dd/继续随应力的增加而加快。图19-1中C点为屈服强度yf。（3）屈服阶段：当应力达到屈服强度yf后，曲线进入图19-1b）中CD段，在此阶段，应力基本没有变化，但变形持续增长，应力～应变（～）曲线形成屈服平台（有删除内容）。这时，应变急剧增长，而应力却在很小的范围内波动，变形模量近似为零，这个阶段称为屈服阶段。在屈服阶段钢材的残余应变从y=0.2%一直增长到2.5%的D点。对于碳含量较高的钢或高强度钢，常没有明显的屈服平台，规定用其对应于残余应变y=0.2%的应力2.0作为该钢材的屈服强度。（4）强化阶段：钢材经过屈服阶段较大的塑性变形以后，其内部组织因受力得到了调整，又部分恢复了承受增长荷载的能力。应力～应变（～）曲线又呈上升趋势，进入图19-1a）中的DG段，这个阶段称为钢材的强化阶段，变形增长率比弹性阶段和弹塑性阶段大得多，即其变形模量很低。试件对应于强化阶段最高点的应力就是钢材的抗拉强度uf。（5）颈缩阶段：当钢材应力达到极限强度uf以后，在试件承载能力最弱的截面处，横截面急剧收缩，局部明显变细颈缩现象，曲线进入图19-1a）中GH段。在这个阶段，试件的伸长量l迅速增长，并且应力随之下降，最后在颈缩处断裂。图19-1a）中，试件拉断后标距长度的伸长量l与原标距长度0l的比值（常用百分数表示）称为钢材拉伸的伸长率，即：%100%1000010lllll（19-1）式中的1l为试件拉断后标距部分的长度。伸长率和试件标距的长短有关，当试件长度与试件直径之比为10时，以10表示伸长率；比值为5时，以5表示伸长率。伸长率越大，表示钢材破断前产生的永久塑性变形和吸收能量的能力越强。伸长率大的钢材，对调整构件中局部超屈服应力、结构中塑性内力重分布和减少脆性破坏都有重要的意义。钢材的抗拉强度uf是钢材抗破断能力的极限。钢材屈服强度与极限抗拉强度之比yu/ff称为屈强比，它是钢材设计强度储备的反映。yu/ff越大，强度储备越小，yu/ff越小，强度储备越大。但钢材屈强比过小时其强度利用率低、不经济，因此在要求屈服强度的同时，还应要求钢材具有适当的抗拉强度。一般来讲，钢材的屈强比最好保持在0.60~0.75之间。钢材在弹性阶段应力~应变呈线性正比例关系，其应变或变形很小，钢材具有持续承受荷载的能力。但在非弹性阶段，钢材屈服并暂时失去了继续承受更大荷载作用的能力，钢材应力达到屈服强度时结构将产生很大的塑性变形，故结构的正常使用会得不到保证，因此，在设计时常常控制钢材应力不超过屈服强度yf。显然，钢材的屈服强度yf、抗拉强度uf以及伸长率是桥梁结构用钢材的三项主要力学性能指标。19.2.2钢材的冷弯性能钢材的冷弯性能是衡量钢材在常温下弯曲加工产生塑性变形时对出现裂纹的抵抗能力的一项指标。如图19-2所示，用具有弯心直径d的冲头对标准试件中部施加荷载使之弯曲180°，要求弯曲部位不出现裂纹或分层现象。钢材的冷弯性能取决于钢材的质量和弯心直径d对钢材厚度a的比值。钢材的冷弯试验一方面是检验钢材能否适应构件制作中的冷加工工艺过程；另一方面通过试验还能暴露出钢材的内部冶金和轧制缺陷，而且由于冷弯试验时试件中部受到冲头挤压以及弯曲和剪19-3切的复杂作用，因此冷弯性能也是反映钢材在复杂应力状态下塑性变形能力和质量的一项综合指标。图19-2钢材冷弯试验19.2.3钢材的冲击韧性钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷载作用下吸收机械能的一种能力，是衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、冲击作用而导致脆性断裂的一项力学性能指标。钢材的冲击韧性通常采用有特定缺口的标准试件，在试验机上进行冲击荷载试验使构件断裂来测定（图19-3）。常用标准试件的形式有梅氏（Mesnager）U形缺口试件和夏比（Charpy）V形缺口试件，我国采用后者。V形缺口试件的冲击韧性指标用试件被冲击破坏时断面单位面积上所吸收的能量表示，其单位为J（N·m）。方钢21010×°°b)1.00.252.5a)255403045图19-3钢材冲击韧性试验a）V形缺口试件b）U形缺口试件钢材的冲击韧性与钢材质量、试件缺口、加载速度以及温度有关，尤其是低温的影响较大。当温度低于某一负温值时，冲击韧性将急剧降低。钢材的冲击韧性还与构件的厚度有关，较大厚度钢材的冲击韧性较差。此外，钢结构或构件的脆性断裂常常是从应力集中处开始的。因此钢结构应选用无缺陷，特别是无缺口和裂纹的钢材；在负温条件下使用的钢结构应尽量采用较小厚度的钢材；对在常温或低温下工作的结构用钢材应满足其冲击韧性的要求。19.2.4钢材的可焊性我国《公路桥规》（JTJ025-86）规定结构主体采用的钢材均应具有良好的可焊性。钢材的可焊性，是指在一定的工艺条件下，钢材经过焊接后能够获得良好的焊接接头性能。可焊性可分为施工上的可焊性和使用性能上的可焊性。施工上的可焊性要求在一定的焊接工艺条件下，焊缝金属和近缝区的钢材均不产生裂纹；使用性能上的可焊性则要求焊接构件在施焊后的力学性能应不低于母材的力学性能。钢材的可焊性可以采用钢材焊接接头的冷弯试验获得。19.3影响钢材性能的因素决定钢材性能的主要因素是钢材的化学成分及其微观组织结构，此外，钢材的冶炼、浇注、轧制等生产工艺过程、钢结构的加工、构造、尺寸、受力状态以及工作环境等对钢材的力学性能也有重要的影响。19-419.3.1化学成分的影响钢材的主要化学成分是铁（Fe），约占99%，碳和其他元素仅占1%左右，其他元素包括硅（Si）、锰（Mn）、钒（V）、硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等。碳含量对钢材的强度、塑性、韧性和焊接性能有着决定性的影响。随着碳含量的增加，钢材的屈服强度和抗拉强度提高，但其塑性、冷弯性能和冲击韧性（尤其是低温环境下冲击韧性）降低，可焊性能和抗锈蚀性能等也变差。因此，结构用钢材的碳含量不能过高，一般应不超过0.22%。在碳素结构钢中，碳是除纯铁以外的最主要的元素。硅是作为一种强脱氧剂加入钢材中，使钢材中纯铁体晶粒细小和分布均匀，能加工成质量较高的镇静钢。适量的硅可提高钢材的强度，且对其塑性、冷弯性能、冲击韧性和可焊性能无明显的不良影响，但硅含量过大（1%左右）会降低钢材的塑性、冲击韧性、抗锈蚀性能和可焊性。因此一般镇静钢的含硅量为0.1%～0.3%。锰是作为一种弱脱氧剂加入钢材中，通常的含量为0.3%～0.8%。在低合金锰钢中锰是作为合金元素，如Q345钢（16Mn、16Mnq）和Q390钢（15MnV，15MnVq）中其含量为1.2%～1.6%。适量的锰能显著改善钢材的冷脆性能，并可提高其屈服强度和抗拉强度，且对钢材的塑性和冲击韧性无明显影响。锰还能与钢材中的硫在高温下化合成熔点很高（约1600℃）的硫化锰（MnS），可减少钢材热加工时因为硫而产生裂纹的“热脆”现象。但锰的含量过高将使钢材变脆，降低钢材的塑性、抗锈蚀性能和可焊接性。钒是一种合金元素，可提高钢材的强度、细化晶粒和提高淬硬性。钒的化合物具有高温稳定性，可使钢材的高温硬度提高，Q390钢（15MnV，15MnVq）是在低合金锰钢Q345钢（16Mn、16Mnq）的基础上加入适量（0.04%～0.12%）的钒冶炼而成的强度较高的低合金高强度结构钢。硫是钢材中的有害元素，硫与铁化合生成硫化铁（FeS），散布在纯铁体的间层中，当温度在800～1200℃时熔化而使钢材出现裂纹，称为钢材的“热脆”现象。硫的含量过大不利于钢材的焊接和热加工，还使钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈蚀性能大大降低。因而应严格控制钢材中硫的含量，一般不应超过0.05%，在焊接结构中不超过0.045%。磷也是钢材中的一种有害元素，磷和纯铁体结成不稳定的固熔体，使纯铁晶粒增大。磷的存在将严重地降低钢材的塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性能等，尤其是在低温时使钢材变脆，称为“冷脆”现象，不利于钢材的冷加工。因此对磷的含量要严格控制，一般不应超过0.05%，在焊接结构中不超过0.045%。但磷能提高钢材的强度和抗锈蚀性能。氧和氮也属于钢材中的有害杂质。氧的影响与硫类似，使钢材发生“热脆”，一般要求氧含量小于0.05%，氮的影响与磷相似，使钢材发生“冷脆”，一般要求氮含量小于0.008%。为改善钢材的力学性能，还可以掺入其他含量较低的合金元素，如铬（Cr）、镍（Ni）、铜（Cu）、钛（Ti）、铌（Nb）等，这种钢材称为低合金高强度结构钢。如Q345（16Mn、16Mnq）钢、20MnTiB钢等。19.3.2钢材生产过程的影响钢材的生产需经过冶炼、浇注、轧制和矫正等工序才能完成，多道工序对钢材的力学性能有一定的影响。钢材中常见的冶金缺陷有偏析（钢材中化学成分的不均匀性）、非金属夹杂、裂纹、气孔和分层等，它们都对钢材的力学性能产生不利影响。冶炼方法主要有碱性平炉炼钢法、顶吹氧气转炉炼钢法和碱性侧吹转炉炼钢法。碱性侧吹转炉冶炼的钢材质量较差，目前已经被淘汰。冶炼过程主要是控制钢材的化学成分，平炉钢和顶吹氧气转炉钢对钢材力学性能和碳、硅、锰、硫、磷等元素