第二章 钢结构的材料

第二章钢结构的材料•第一节钢结构对钢材性能的要求•1.较高的强度•2.足够的变形能力•3.良好的加工性能•Q235钢、Q345钢是符合要求的。根据新的实践又推荐了Q390钢、Q420钢。•第二节金属的晶体结构及其对金属性能的影响•电子云•金属晶体就是依靠各正离子和电子云之间的静电引力牢固地结合在一起的。这种共有化的电子和正离子以静电引力结合起来就形成所谓的金属键。•1.晶体结构的基本概念•内部原子呈规则排列的物质称为晶体，如所有固态金属都是晶体；凡内部原子无规则排列的物质称为非晶体。晶体结构是指晶体内部原子排列的方式及特征。•用假想直线将各原子的振动中心连接起来，构成空间格架。这种用以描述原子在晶体中排列形式的空间格架称为晶格。•晶格中原子组成的平面称为晶面，故晶格或晶体可以看成是由层层晶面堆砌而成的结构。•晶格中通过两个以上原子振动中心的直线称为晶相，它能表示晶格或晶体的空间方位。•晶相中最简单、最基本、最典型的空间几何体称为晶胞,它代表着晶格的结构形式。•2.三种典型的金属晶体结构•1）体心立方结构a)原子堆垛模型b）晶格c)晶胞•2）面心立方结构•3）密排六方结构•3.实际金属的晶体结构•金属内所有原子排列的形式和方位都完全一致的结构，称为单晶体。•实际固体金属是由许多小晶体所组成的，称为多晶体。•多晶体金属的性能在各个方向上基本上是一致的。实际金属晶体的结构(1)点缺陷•晶格畸变，其结果使金属屈服点增高，影响金属的许多物理、化学性能。•(2)线缺陷•线缺陷称为位错是金属的一种更重要的缺陷。位错类型有许多种，刃型位错是最简单的一种。•位错的特点是原子易动，对金属的塑性变形、强度、扩散、相变、疲劳腐蚀等物理、化学性能都起重要作用。(3)面缺陷•实际金属是多晶体结构，故有晶界存在。晶界有一定的厚度，晶界的存在就是晶体面缺陷的一种形式。•(4)体缺陷•实际金属的晶体结构中，还会存在非金属氧化物等颗粒状物质，也可能有微细裂纹或孔洞类缺陷，这些可视为晶体的体缺陷。•4.铁碳合金钢铁其基本组元是铁和碳两种元素，故称为铁碳合金1）铁素体•铁素体是碳溶解在-Fe中的固溶体，具有体心立方晶格，用符号F表示。•各项力学指标如下：•抗拉强度b＝180～280MPa；屈服点s＝100～170MPa；•伸长率＝30％～50％；断面收缩率＝70％～80％;•冲击韧度值k＝160～200J/cm2；硬度=50－80HBS。2）渗碳体•渗碳体是铁与碳形成的金属化合物，用Fe3C表示。硬度很高（950－1050HV），而塑性和韧性几乎为零，脆性极大。渗碳体是碳钢中主要的强化相，它的形态与分布对钢的性能有很大影响。•第三节结构钢材的主要力学性能•一、强度•钢材强度性能的指标有弹性模量E、比例极限fP、屈服强度fy、抗拉强度（极限强度）fu。•单向拉伸试验可得钢材的应力一应变曲线。从中可得到钢材受力的几个阶段和强度、塑性的几项指标。•由低碳钢σ-ε关系曲线可见，结构钢材一次拉伸试验时，历经四个阶段。(1)弹性阶段(OA段)——可得比例极限fP；•(2)弹塑性阶段（AB段）——可得屈服强度fY；•(3)塑性阶段（BC段）——完成屈服台阶；•(4)强化阶段（CD段）——可得抗拉强度fu，获得伸长率δ；•(5)颈缩阶段（DE段）——截面缩小，应力降低，到E点拉断。fy、fu、是衡量结构钢强度的主要指标。•钢结构的设计强度一般以钢材的屈服强度作为依据确定。因此对钢结构而言，结构钢可看成理想弹性一塑性体，即在屈服之前为弹性阶段，屈服之后为塑性阶段，屈服强度则为其承载能力的极限。而将抗拉强度•作为安全储备。•二、塑性•衡量钢材塑性好坏的主要指标是伸长率（最大应变max）和断面收缩率,可由静力拉伸试验得到。•伸长率等于试件拉断后的原标距间的伸长量和原标距比值的百分率：•式中——伸长率；•l0——试件原标距长度；•l1——试件拉断后标距的长度。%100001lll伸长率是衡量钢材塑性性质的一项主要指标。•断面收缩率是试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分率，按下式计算：•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。•断面收缩率标志着钢材在颈缩区的三向同号拉应力状态下可能产生的最大塑性变形能力，是衡量钢材在该拉伸应力状态下发生永久塑性变形而不致断裂的性质的一项重要指标。值愈大，表明塑性性质愈好。•fy、fu、δ是结构钢的基本力学指标，又称三项保证。•三、冲击韧性•冲击韧性是指钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的一种能力。%100010AAA•钢材的韧性可通过不同温度下的冲击韧性试验得到。•标准试件的型式有夏比（CharPy）V形缺口试件。•冲击韧性还与钢材的轧制方向和厚度有关。•四、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。通过冷弯试验来检验。•fy、fu、δ、冷弯性能、冲击韧性反映了结构钢的机械性能，又称五项保证。冲击试验钢材冷弯试验示意图五、可焊性•钢材的可焊性是指在一定的焊按工艺和结构条件下，钢材经过焊接后能够获得良好的焊接接头的性能。•我国行业标准《建筑钢结构焊接技术规程》（JGJ81）采用下式计算碳当量来衡量低合金钢的可焊性：•计算的CE不超过0.38％时，钢材的可焊性很好;•计算的CE大于0.38％但未超过0.45％时，钢材淬硬倾向逐渐明显，需要采取适当的预热措施并注意控制施焊工艺；•计算的CE大于0.45％时，钢材的淬硬倾向明显，需采用较高的预热温度和严格的工艺措施来获得合格的焊缝。•六、钢材Z向收缩率•当钢材厚度较大时(40mm)，或承受沿板厚方向的拉力作用时，容易发生层状撕裂。uiornECNVMCMCC1515161.层状撕裂的发生•钢板的层状撕裂一般在焊接节点中产生。厚钢板较易产生层状撕裂，因为钢板越厚，非金属夹杂缺陷越多，且焊缝也越厚，焊接应力和变形也越大。•2.钢板的Z向性能轧制使晶粒细化层状撕裂过程钢板沿厚度方向的受力性能（主要为延性性能）称为Z向性能，一般以断面收缩率作为评定指标。GB5313—85《厚度方向性能钢板》的规定，适用于厚度15～150mm及屈服点不大于500N／mm2的镇静钢钢板。该标准将钢板Z向断面收缩率分为Z15、Z25、Z35等三个级别，它对应的断面收缩率相应为15％、25％、35％。对这三个级别的钢材还规定含硫量相应地分别小于0.01％、0.007％，0.005％。断面收缩率的级别愈高，其抗层状撕裂的性能愈好;含硫量愈高,断面收缩率的级别愈低。板厚≥40mm称为厚板，使用时应考虑其Z向性能，即采用Z向性能钢。Z向断面收缩率大于20％的钢板，其层状撕裂一般可以避免；当Z向断面收缩率小于20％时，则有可能发生层状撕裂。%10011AAAoz第四节影响结构钢材力学性能的主要因素•一、化学成分•1.碳(C)•碳钢的组织都是由铁素体和渗碳体这两个相组成的。钢的强度来自渗碳体与珠光体(渗碳体与纯铁体的混合物)。•碳含量的增加，碳钢中的渗碳体数量也随着增多，因此硬度直线上升。钢材的抗拉强度和屈服强度提高；但其塑性、冷弯性能和冲击韧性、特别是低温冲击韧性降低，焊接性也变坏。碳含量不能过高，通常不超过0.22％。•2.锰(Mn)•锰是有益元素，它能增加珠光体相对量，使组织细化。因此,它能显著提高钢材强度,但不过多降低塑性和冲击韧性。锰是弱脱氧剂;•我国低合金钢中锰的含量在1.0％～1.7％。但是过量的锰含量会使钢材的可焊性降低，钢材变脆和塑性降低,故含量有限制。•3.硅(Si)•硅是有益元素，有更强的脱氧作用，是强脱氧剂。硅有细化晶粒、提高钢的强度、硬度和弹性的作用；并使钢的塑性、韧性和可焊性不受影响。•硅的含量在碳素镇静钢中为0.12％～0.3％，低合金钢中为0.2％－0.55％，过量时则会恶化可焊性及抗锈蚀性。•4.钒（V）、铌（Nb）、钛（Ti）•钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢都含有这三种元素，可提高钢材强度和细化钢的晶粒。•钒、铌、钛的化合物具有高温稳定性，使钢的高温硬度提高。•5.铝（Al）。铬（Cr）、镍（Ni）•铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。低合金钢的C、D及E级都规定铝含量不低于0.015％，以保证必要的低温韧性。•铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390钢和Q420钢。•6.硫(S)•硫是有害元素，在钢中主要以FeS的形态存在。FeS塑性差，强度低，所以含S量高的钢，脆性大。更严重的是，FeS和Fe能形成低熔点（985℃）的共晶体分布在奥氏体晶界上，当碳钢加热到1100－1200℃进行锻、轧等压力加工时，由于低熔点共晶体熔化而使钢在热加工过程中沿着晶界开裂，这种现象称为钢的“热脆”。•硫还能降低钢的冲击韧性，同时影响疲劳性能与抗锈蚀性能。•7．磷（P）•磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷固溶于铁素体中，提高了钢的强度和硬度，但在室温下使钢的塑性、韧性显著下降，并使脆性转变温度升高，使钢变脆。这种脆化现象在低温时更为严重，称为“冷脆”。•磷的存在也使焊接性能变坏。•磷有时也作为有效元素加入或与其他合金元素一起加入，生产出某些特殊性能钢，如耐大气腐蚀钢，尤其钢中含铜时，其抗腐蚀性能更为显著，以及高磷钢等。8.氧（O）、氮（N）、氢(H)氧、氮、氢通常是在钢熔融时从空气或水分子分解等进入钢液，在冷却后余留下来的极其有害的元素。氧的有害作用同硫且更甚，增加钢的脆性；氮的作用类似于磷，能显著降低钢材的塑性、冲击韧性并增大其“冷脆”性；•氢在低温时易使钢呈脆性破坏，产生所谓“氢脆”破坏现象。•二、冶金缺陷•1.偏析•偏析是钢中化学成分不一致和不均匀，特别是硫、磷偏析严重恶化钢材的性能，使塑性、冷弯性能、冲击韧性及可焊性变坏。•2.非金属夹杂•非金属夹杂是指钢中含有硫化物与氧化物等杂质。•硫化物使钢材“热脆”;氧化物则严重地降低钢材的机械性能和工艺性能。•3.裂纹•在冶炼和轧制还是加工和使用过程，钢材若出现裂纹（微观或宏观的），均要使冷弯性能、冲击韧性及疲劳强度大大降低，使钢材抗脆性破坏的能力降低。•4.分层•钢材在厚度方向不密合的情况称为分层。钢材分层缺陷是浇注时的夹碴在轧制后形成的。它将严重降低冷弯性能、冲击韧性、疲劳强和抗脆断能力。•三、钢材的硬化•1.冷作硬化•在常温下加工叫冷加工。冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大塑性变形，产生塑性变形后的钢材在重新加荷时将提高屈服点（图2-12）,同时降低了钢的塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化（或应变硬化）。•2.时效硬化•在高温时熔化于铁中的少量氮和碳，随着时间的增长逐渐从纯铁中析出，形成自由碳化物和氮化物，对纯铁体的塑性变形起遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性、韧性下降。这种现象称为时效硬化。•人工时效•应变时效•四、温度影响•当温度从常温开始下降，特别是在负温度范围内时，钢材强度虽有提高，但其塑性和韧性降低，材料逐渐变脆，这种性质称为低温冷脆。•钢材的韧性也可以根据冷脆转变温度的高低来评价，冷脆转变温度越低钢材韧性越好。•五、应力集中•高峰区的最大应力与净截面的平均应力之比称为应力集中系数。•六、热处理•调质（淬火后高温回火）等，可以显著提高强度，并有良好的塑性与韧性。•第五节复杂应力作用下结构钢材的屈服条件•受双向或三向复杂应力的作用,用材料力学中的能量强度理论，来确定钢材在多轴应力状态下的屈服条件。•能量强度理论——材料多项受力时单位体积的畸变能等于其单向受力屈服时单位体积的畸变能则屈服。•当折算应力用主应力表示：•由上式可知：钢材在多轴应力状态下，当处于同号应力场时，钢材易产生脆性破坏；而当处于异号应力场时，钢材将发生塑性破坏。•平面应力时，折算应力可简化为：•梁中，只存在正应力与剪应力，上式化为：yeqf21323222121fxyyxyxeq2223