《钢结构》武汉理工大学出版社 第2章 钢结构材料

钢结构基本原理土木工程学院2钢结构的材料本章内容:(1)钢结构对材料的基本要求(2)钢材的破坏形式(3)钢材的主要机械性(4)影响钢材性能的主要因素(5)钢的种类和钢材规格本章重点:钢材的主要机械性能、各种因素对钢材性能的影响本章难点:影响钢材性能的主要因素2.1钢结构对材料的要求对钢材的基本要求：1、具有较高的抗拉强度fu和屈服点fy(结构的承载力大，所需的截面小，结构的自重轻).2、具有较好的塑性、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、良好的工艺性能(包括冷加工、热加工以及焊接性能)规范规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证；焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证；对某些承受动力荷载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构尚应具有常温或负温冲击性的合格保证.据上要求,《钢结构设计规范》GB50017-2003推荐承重结构用钢宜采用：碳素结构钢中的Q235钢及低合金高强结构钢中的Q345、Q390和Q420钢四种钢材。2.2钢材的破坏形式1、塑性破坏：断口呈纤维状，色泽发暗。破坏前有明显的变形，破坏历时时间长，可以采取补救措施。2、脆性破坏：破坏前没有任何预兆，破坏是突然发生的，断口平直并呈有光泽的晶粒状。钢材的破坏形式：塑性破坏和脆性破坏。在设计、施工和使用钢结构时，注意防止脆性破坏。钢材的主要性能是机械性能，可通过某些试验（拉伸、冷弯、冲击）确定。2.3钢材的主要性能fp—比例极限fy—屈服强度(强度标准、设计依据)fu—极限强度(最大承载强度、强度储备)2.3.1受拉、受压及受剪时的性能图2.1碳素结构钢的应力-应变关系条件屈服点：以卸荷后试件中残余应变为0.2%所对应的应力（f0.2)δ—延伸率（塑性性能）%LLL100001塑性：在静力荷载作用下，钢材吸收变形能的能力。图2.2高强度钢的应力-应变曲线2.3.2冷弯性能冷弯性能是检验钢材弯曲变形能力或塑性性能，还是显示钢材内部缺陷状况的一项指标；是鉴定钢材在弯曲状态下塑性应变能力和钢材质量的综合指标。图2.3钢材冷弯试验示意图2.3.3冲击韧性韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力，它用材料在断裂时所吸收的总能量来量度（Cv）。韧性是钢材强度和塑性的综合指标。冲击韧性：在动力荷载作用下，材料吸收能量的能力。图2.4冲击韧性试验2.4各种因素对钢材性能的影响2.4.1化学成分钢是含碳量小于2%的铁碳合金。钢中基本元素：Fe、C、Si、Mn、S、P、N、O。普通碳素钢中，Fe占99%，其余元素占1%。在低合金钢中，除了上述元素外，还有一定合金元素（镍、钒、钛等）（含量低于5%）各种元素对钢材机械性能的影响如下。碳C：含量增加，钢材强度提高，而塑性、韧性和疲劳强度低。同时焊接性能和抗腐蚀性恶化。一般在碳素结构钢中不应超过0.22%；在焊接结构中还应低于0.2%。硅Si：碳素结构钢中应控制≤0.3%,在低合金高强度钢中硅的含量可达0.55%。锰Mn：含Mn适量使强度↑，降低S、O的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大,有益.在碳素结构钢中锰的含量为0.3%～0.8%，在低合金高强度钢中锰的含量可达1.0%～1.6%。硫S：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在高温时，使钢材变脆，称之为热脆。含量应不超过0.045%。(有害成分)磷P：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在低温时，使钢材变脆，称之为冷脆。含量应不超过0.045%。可以提高强度和抗锈蚀性。(有害成分)氧O：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在高温时，发生热脆。(有害成分)氮N：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在低温时，发生冷脆。(有害成分)钒和钛：是钢中的合金元素，能提高钢的强度和抗腐蚀性能，又不显著降低钢的塑性。铜：可显著提高钢的抗腐蚀性能，也可以提高钢的强度，但对焊接性能有不利影响。2.4.2冶金缺陷在冶炼、轧制过程中常常出现的缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹和分层。冶炼（脱氧）图2.5钢锭剖面缩孔保温帽(a)沸腾钢(b)镇静钢注意：薄钢板的强度比厚钢板的强度高。轧制轧棍图2.6钢的轧制使晶粒细化0.035~0.0400.030~0.0350.025~0.0300.0250.025~0.0300.09~0.100.08~0.090.07~0.080.06~0.070.055~0.060.05~0.0550.045~0.050.04~0.0450.035~0.040.03~0.0350.025~0.030.025图2.7钢锭中硫的偏析(a)镇静钢锭(b)沸腾钢锭钢液含硫0.032%钢液含硫0.04%图2.8型钢硫的偏析是硫、磷，将使偏析区钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。1.偏析：钢中化学成分分布不均匀，主要的偏析2、非金属夹杂：钢材中存在非金属化合物（硫化物、氧化物），使钢材性能变脆。3、裂纹、分层：浇注时的非金属夹杂物在轧制中可能造成钢材的分层，影响钢材的冷弯性能。冷作硬化——当加载超过材料比例极限卸载后，出现残余变形，再次加载则屈服点提高，塑性和韧性降低的现象，也称“应变硬化”。时效硬化——随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。应变时效——钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易析出。即冷作硬化的同时可以加速时效硬化，因此也称“人工时效”。2.4.3钢材硬化冷加工机器2.4.4温度影响温度升高，钢材强度是降低、应变增大；反之，温度降低，钢材强度略有增加，塑性和韧性降低而变脆，见图2.9。蓝脆：在250度左右时，强度提高而伸长率和冲击韧性降低，钢材表面氧化膜呈蓝色，此种现象称为蓝脆现象。徐变：当温度在260—320度时，在应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形，此种现象称为徐变。当温度达到600度时强度很低，不能承担荷载。fufyδ(%)Et(℃)图2.9温度对钢材机械性能的影响当温度低于常温时，钢材的脆性倾向随温度降低而增加。T1～T2之间温度转变脆性区，冲击功急剧下降。而且不同的钢材其脆性转变区温度不同，必须通过试验确定。使用温度必须高于T1，但不一定高于T2。图2.10冲击韧性与温度的关系曲线2.4.5应力集中构件上孔洞、刻槽、凹角、裂纹以及截面厚度或宽度改变等部位，在力作用下，该处出现高峰应力，而其它部位应力较低，截面应力分布不均匀现象——应力集中。应力集中系数:maxk应力集中是造成构件脆性破坏的主要原因之一。应力集中系数越大，变脆的倾向越严重。图2.11孔洞及槽孔处的应力集中2.4.6反复荷载作用疲劳破坏:钢材在直接的反复的动力荷载作用下，钢材的强度将降低，即低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的极限强度，这种现象称为疲劳。疲劳破坏表现为突然发生的脆性断裂。钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。为防止脆性破坏，在设计、制造及使用中应注意:合理设计正确制造正确使用2.5复杂应力作用下钢材的屈服条件在单轴应力作用下时钢材屈服，构件由弹性工作状态转为塑性工作状态。在多轴应力作用下钢材的屈服条件不能以某一轴向应力超过某屈服点来判别，而是按材料力学的能量强度理论计算折算应力与钢材在单轴应力作用下的比较判断。yf图2.12复杂应力当用应力分量表示时：)(3)(222222zxyzxyxzzyyxzyxred当用主应力表示时：21323222121red在普通梁中，一般只存在正应力和剪应力：223red（1）当三个主应力同号且数值接近时，即使很大，但钢材很难屈服，发生脆性破坏。（2）有异号应力，且同号两个应力差较大，即使，但可能大于，发生塑性破坏。yfredyf纯剪：23redyyff58.03讨论：2.7钢材的种类和规格按用途：结构钢、工具钢、特殊钢(如不锈钢等)。按冶炼方法：转炉钢、平炉钢。按脱氧方法：沸腾钢、镇静钢、特殊镇静钢。按成型方法：轧制钢、锻钢、铸钢。按化学成分：碳素钢、合金钢。在建筑工程中采用的是：碳素结构钢、低合金高强度结构钢、优质碳素结构钢。2.7.1钢材的种类钢的牌号有四部分组成：1、Q——代表屈服强度的字母；2、屈服点的数值——195、215、235、275、295、345、390、420、460等；3、质量等级符号——A、B、C、D四个等级(碳素结构钢)A、B、C、D、E五个等级（低合金高强度结构钢）4、脱氧方法符号——F代表沸腾钢、b代表半镇静钢、z代表镇静钢、Tz代表特殊镇静钢。优质碳素结构钢主要用于钢结构某些节点或用作连接件。建筑结构用钢板高性能建筑结构钢材(GJ钢)，牌号由以下组成：1、Q——代表屈服强度的字母；2、屈服点的数值；3、代表高性能建筑结构用钢的汉语拼音字母GJ；4、质量等级符号——B、C、D、E四个等级对于厚度方向性能钢板，在质量等级后面加上厚度方向性能级别（Z15、Z25、Z35）。适用于建造高层建筑结构、大跨度结构及其他重要建筑结构。确定钢材种类及其质量等级。钢材的选用原则1、结构的重要性安全等级不同，所选钢材的质量等级也应不同，重要的结构构件选用质量好的钢材。2、荷载特征荷载为静力或动力荷载，应选用各项性能不同的钢材。2.7.2钢材的选择3、连接方法焊接应选择可焊性好的钢材。非焊接结构对含碳量可降低要求。4、结构所处的温度和环境处于负温下工作时，选用负温冲击合格的钢材，结构周围有腐蚀介质存在时要选用抗锈性好的钢材。5、钢材的厚度厚度大焊接结构应采用材质较好的钢材。承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和硫、磷的极限含量。焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构的钢材尚应具有冷弯试验的合格保证。对需要验算疲劳以及主要的受拉或受弯的焊接结构的钢材，应具有常温或负温冲击性的合格保证.钢材选择的建议：钢结构采用的型材有：热轧钢板、热轧型钢、冷弯薄壁型钢。1、热轧钢板“-”宽度×厚度×长度（mm）2、热轧型钢（1）热轧角钢等肢角钢L肢宽×肢厚不等肢角钢L长肢宽×短肢宽×肢厚2.7.2钢材规格（2）热轧工字钢普通工字钢“I”和号数(代表截面高度厘米数)轻型工字钢“QI”和号数(代表截面高度厘米数)20号以上的工字钢，按腹板厚度同一号数又分a、b、c三类。（3）热轧槽钢普通槽钢“[”和号数轻型槽钢“Q[”和号数14号以上的槽钢，按腹板厚度同一号数又分a、b、c三类（4）H型钢(高X宽X腹板厚X翼缘厚）宽翼缘H型钢（HW,HM,HN)，用于轴压、压弯构件。型号以公称高度的毫米数表示，其后标注a、b、c。H型钢可以剖分为T型钢供应，规格标记同H型钢，只是高度是H型钢的一半。3、钢管无缝钢管和焊接钢管“ф”外径×厚度4、薄壁型钢用薄钢板经模压或弯曲而制成。壁厚一般为1.5～5mm。用作轻型屋面及墙面等构件。1、影响钢材性能的因素2、选用钢材的原则小结：