《金属结构设计》概要

1.金属结构材料和性能目录1.金属结构材料和性能§1.1钢材的性能§1.2影响钢材性能的主要因素§1.3钢材的疲劳§1.4钢材的种类、标号、规格及选用1.金属结构材料和性能§1.1钢材的性能§1.1.1钢材在单向均匀拉力作用下的性能§1.1.2钢材在复杂应力状态下的性能§1.1.3钢材的塑性§1.1.4钢材的韧性§1.1.5钢材的可焊性§1.1.6钢材的冷弯性能§1.1.7钢材的耐久性§1.1.8钢材的破坏形式1.金属结构材料和性能钢材在单向均匀拉力作用下的性能常用静力拉伸试验曲线，即应力－应变曲线表示。§1.1.1钢材在单向均匀拉力作用下的性能低碳钢受拉时的应力－应变曲线从图上可看出，整个拉伸过程，钢材经历了如下四个阶段：(1)弹性阶段（OE段）(2)屈服阶段（ECF段）(3)强化阶段（FB段）(4)紧缩阶段（BD段）1.金属结构材料和性能在曲线OE段，钢材处于弹性阶段，即荷载增加时变形也增加，荷载降低到零则变形也降低到零。(1)弹性阶段（OE段）OA段：荷载与伸长成比例（应力与应变成比例），完全符合虎克定律，fp为比例极限。AE段：荷载与伸长不成成比例，fe为弹性极限。低碳钢受拉时的应力－应变曲线1.金属结构材料和性能当荷载超过Ne()后变形与荷载不成正比，变形增加很快，曲线呈锯齿形波动，甚至荷载不增加时，变形继续发展，这就是钢材的屈服。⑵屈服阶段（ECF段）ef低碳钢受拉时的应力－应变曲线屈服阶段曲线上下波动，波动曲线的下限，称为屈服极限或屈服点，用fyE-F点的应变幅度称为流幅，流幅越大钢材的塑性越好。1.金属结构材料和性能屈服阶段后钢材的晶粒重新排列，使之能抵抗更大的荷载，曲线略有上升，达到顶点B，这个阶段称为强化阶段。(3)强化阶段（FB段）低碳钢受拉时的应力－应变曲线对应于B点的荷载Nu是试件所能能承受的最大荷载，叫极限荷载，相应的应力fu称为抗拉强度或极限强度或强度极限。1.金属结构材料和性能(4)紧缩阶段（BD段）低碳钢受拉时的应力－应变曲线当荷载达到极限值时，在试件材料质量较差处的截面出现局部横向收缩，截面面积开始明显缩小，塑性变形迅速增大，这种现象叫颈缩现象。钢材颈缩后，荷载不断减少，变形却继续发展，直到D点试件断裂。1.金属结构材料和性能由钢材受拉时的应力－应变曲线得出的结论①由于比例极限fp、弹性极限fe和屈服极限fy很接近，在计算金属结构时可以认为刚材在屈服极限之前是弹性体。当应力达到屈服极限后，结构将产生很大的、使用上不允许的残余变形，因此，设计时取屈服极限为钢材可达到的最大应力。②钢材在屈服极限之前接近理想的弹性体，屈服极限之后的流幅现象又接近理想的塑性体，因此可认为钢材最符合理想的弹性－塑性材料。③强度极限fu是材料抗拉的最大承载力，但材料破坏时塑性变形太大，故强度极限不能作为计算依据，只能作为强度储备。1.金属结构材料和性能对于接近理想弹塑性体的钢材，采用米塞斯准则较好，该准则认为：材料的形状改变比能达到某一极限值时，材料开始屈服。即所谓第四强度理论。§1.1.2钢材在复杂应力状态下的性能钢材在复杂应力状态下的屈服条件：yzsfyzsf弹性状态塑性状态2222223zxyzxyxzzyyxzyxzs21323222121zs即剪应力达到屈服极限的0.58倍时，钢材进入塑性状态，所以钢材的抗剪强度设计值fv取为0.58f。1.金属结构材料和性能①在同号平面主应力作用下，钢材极限强度和弹性工作范围有所提高，塑性下降。在异号平面主应力作用下，情况正好相反。②在三向主应力作用下，情况同上。前者如裂纹尖端处应力集中，后者如受局部挤压区域。钢材在复杂应力作用下的性能发生的变化1.金属结构材料和性能§1.1.3钢材的塑性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。l1为试件拉断后标距间长度。l0为试件拉断前标距间长度。伸长率%100001lll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。断面收缩率A0——试件原来的断面面积；A1——试件拉断后颈缩区的断面面积%100010AAA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。1.金属结构材料和性能§1.1.4钢材的韧性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的能力，它是强度与塑性的综合表现。它是判断钢材在冲击荷载作用下是否出现脆性破坏的重要指标之一。钢材的韧性指标用冲击韧性ak表示。式中——试验机刻度盘上直接读出的冲击功（单位N·ｍ或J）。——试件缺口处的净截面面积（单位cｍ2）。nkkAAaKAnA新标准GB700－88（碳素结构钢）和GB1591－88（低合金结构钢）规定，冲击试验用夏比V型缺口试件。冲击韧性指标直接用冲击功（J）表示，即kkAa1.金属结构材料和性能§1.1.5钢材的可焊性可焊性：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。施工上的可焊性：指在一定的焊接工艺条件下焊缝金属和焊缝影响区对产生裂纹的敏感性。使用性能上的可焊性：是指焊接接头和焊缝的冲击韧性及近焊区的塑性等力学性能指标不低于母材。可焊性试验得出的结果只有参考意义,因试验条件与实际情况总有一定距离。钢材中含C量增加，将恶化可焊性，故焊接结构所用钢材的含C量不超过0.20％。1.金属结构材料和性能§1.1.6钢材的冷弯性能指钢材在冷加工（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，通过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，判断试件冷弯性能是否合格，并显示其缺陷的程度。冷弯试验示意图1.金属结构材料和性能§1.1.7钢材的耐久性影响钢材使用寿命的因素是多方面的，主要是腐蚀、时效和疲劳的影响。钢材易被腐蚀，对此主要依靠油漆和加强定期维护措施来解决。钢材的“时效”现象，即钢材的力学性能随着时间的增长而改变的现象。这就要根据结构的使用要求和条件，必要时可测定快速应变失效的冲击韧性，以鉴定钢材是否适用。钢结构在长期连续的重复荷载或交变荷载的作用下，可能当应力低于屈服点fy便发生的破坏。所以对某些结构要计算其疲劳强度。1.金属结构材料和性能§1.1.8钢材的破坏形式两种破坏形式：塑性破坏和脆性破坏两种。塑性破坏：因很大的塑性变形而断裂。特点：破坏前有明显的塑性变形，应力很大，断裂时断口呈纤维状，色泽发暗。脆性破坏：脆性断裂。破坏前无预兆，应力较低，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.金属结构材料和性能§1.2影响钢材性能的主要因素§1.2.1化学成分的影响§1.2.2冶金和轧制过程的影响§1.2.3时效的影响§1.2.4温度的影响§1.2.5冷作硬化的影响§1.2.6应力集中的影响§1.2.7残余应力的影响1.金属结构材料和性能§1.2.1化学成分的影响钢的基本元素为铁（Fe），普通碳素钢中占99%，此外还有碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）等杂质元素，及硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等有害元素，这些总含量约1%，但对钢材力学性能却有很大影响。1.金属结构材料和性能碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）杂质元素的影响碳：除铁以外最主要的元素。一般建筑用钢要求含碳量在0.22%以下，焊接结构中应限制在0.20%以下。C钢材强度塑性韧性（特别是低温冲击韧性）恶化钢材可焊性，增加低温脆断的危险性。1.金属结构材料和性能碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）杂质元素的影响硅：作为脱氧剂加入普通碳素钢。一般镇静钢的含硅量为0.10%～0.30%。适量Si塑性冲击韧性冷弯性能可焊性无显著的不良影响。Si过高(达1%)塑性冲击韧性抗锈性可焊性1.金属结构材料和性能碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）杂质元素的影响锰：是一种弱脱氧剂。素钢中锰的含量约为0.3%～0.8%。适量Mn有效提高钢材强度；消除硫、氧对钢材的热脆影响；改善钢材热加工性能和钢材的冷脆倾向；不显著降低钢材的塑性、冲击韧性。Si过高(达1.0%～1.5%以上)脆性硬度抗锈性可焊性1.金属结构材料和性能硫（S）、磷（P）有害元素的影响硫：极为有害元素。硫与铁的化合物为硫化铁（FeS），散布在纯铁体晶粒的间层中。含硫量增加时会降低钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈性等。高温（800～1200℃）时，例如在焊、铆及热加工时，硫化铁即溶化而使钢材变脆（热脆）和发生裂缝。应严格控制钢材中的含硫量，一般应不超过0.055％，在焊接结构中则应不超过0.050％。磷：极为有害元素。引起钢材热脆，降低钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈性等。一般建筑用钢含硫量要求不超0.055%，在焊接结构中应不超过0.050%。1.金属结构材料和性能氧：有害元素。引起热脆。一般要求含量小于0.05%。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。一般要求含量小于0.008%。氧（O）、氮（N）有害元素的影响为改善钢材力学性能，可适量增加锰、硅含量，还可掺入一定数量的铬、镍、铜、钒、钛、铌等合金元素，炼成合金钢。金属结构常用合金钢中合金元素含量较少，称为普通低合金钢。1.金属结构材料和性能§1.2.2冶金和轧制过程的影响按炉种分：对于结构用钢我国主要有三种冶炼方法：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。平炉钢和顶吹转炉钢的力学性能指标较接近。(而碱性侧吹转炉钢的冲击韧性、可焊性、时效性、冷脆性、抗锈性能等都较差，故这种炼钢法已逐步淘汰。)按脱氧程度分为：沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。沸腾钢脱氧程度低，氧、氮和一氧化碳气体从钢液中逸出，形成钢液的沸腾。沸腾钢的时效、韧性、可焊性较差，容易发生时效和变脆，但产量较高、成本较低；半镇静钢脱氧程度较高些，上述性能都略好；而镇静钢的脱氧程度最高，性能最好，但产量较低，成本较高。1.金属结构材料和性能时效：随着时间的增长，纯铁体中残留的碳、氧固溶物质逐步析出，形成自由的碳化物或氮化物微粒，约束纯铁体发展塑性变形。§1.2.3时效的影响时效将提高钢材的强度，降低塑性，特别是冲击韧性大大降低（变脆）。故是不利因素之一。时效的过程从几天到几十年。交变荷载、重复荷载和温度变化等情况下，容易引起时效。杂质多、晶粒粗而不均匀的钢材对时效最敏感。钢材的时效现象1.金属结构材料和性能§1.2.4温度的影响以上所讨论的，都是钢材在常温时的工作性能。当温度升高时，开始是强度和弹性模量基本不变，塑性的变化也不大。但在250℃左右时，钢材的抗拉强度提高而塑性和冲击韧性下降，这种现象叫做蓝脆现象(表面氧化膜呈现蓝色)。应避免钢材在蓝脆温度范围内进行热加工。当温度超过300℃以后，屈服点和极限强度显著下降，达到600℃时强度几乎等于零。温度对钢材力学性能的影响1.金属结构材料和性能钢材温度从常温下降时的情况当钢材的温度从常温下降时，钢材的强度略有提高而塑性和冲击韧性有所降低(变脆)。特别是当温度下降到某一数值时，钢材的冲击韧性突然急剧下降，试件断口属于脆性破坏。这种现象称为低温冷脆现象，钢材由韧性状态向脆性状态转变的温度叫冷脆转变温度(或叫冷脆临界温度)。冲击韧性和温度关系示意图1.金属结构材料和性能§1.2.5冷作硬化的影响εσ0σe间断重复荷载下的拉伸试验曲线在重复荷载作用下，钢材比例极限有所提高的现象称为硬化。金属结构在冷（常温）加工过程中引起的钢材硬化现象称为冷作硬化。在加载σfy后卸载再加载，此时强度（比例极限、屈服极限）提高、塑性和冲击韧性降低。这增加了出现脆性破坏的