(专科）第2章 建筑金属材料教学ppt课件.ppt

( (专科）第专科）第2 2章章 建筑金属材料教学建筑金属材料教学pptppt课课件件第第2 2章章 建筑金属材料建筑金属材料 本章学习指导 本章共本章共6 6个知识点。本章的教学目标是：个知识点。本章的教学目标是： 了解建筑钢材的微观结构及其与性质的关系；了解建筑钢材的微观结构及其与性质的关系； 熟练掌握建筑钢材的力学性能（包括强度、弹性及塑性熟练掌握建筑钢材的力学性能（包括强度、弹性及塑性变形，耐疲劳性）的意义，测定方法及影响因素；变形，耐疲劳性）的意义，测定方法及影响因素； 熟悉建筑钢材的强化机理及强化方法；熟悉建筑钢材的强化机理及强化方法； 掌握土木工程中常用的建筑钢材的分类及其选用原则。掌握土木工程中常用的建筑钢材的分类及其选用原则。 本章的难点是钢材的塑性、韧性、耐疲劳性，以及微量组分本章的难点是钢材的塑性、韧性、耐疲劳性，以及微量组分对钢材性能的影响。建议在学习中需联系钢材的组成结构分析其对钢材性能的影响。建议在学习中需联系钢材的组成结构分析其性能，来理解其应用。还需说明的是，除钢材外，铝合金近年迅性能，来理解其应用。还需说明的是，除钢材外，铝合金近年迅速发展，对其在土木工程中的应用亦应有所了解。建议课内学时速发展，对其在土木工程中的应用亦应有所了解。建议课内学时数为数为5 5学时学时, ,课外学时课外学时2 2学时。学时。历史回顾历史回顾广州海珠桥的钢材广州海珠桥的钢材 广州海珠桥已经广州海珠桥已经“年逾七旬年逾七旬”，但其使用的钢材预计已有百年历史。但其使用的钢材预计已有百年历史。 20042004年，提供建造海珠桥钢材年，提供建造海珠桥钢材的英国企业向广州市政部门发来传的英国企业向广州市政部门发来传真，提醒有关部门注意，这些钢材真，提醒有关部门注意，这些钢材是从当时英国的一座旧钢桥上拆卸是从当时英国的一座旧钢桥上拆卸下来的，所以就其寿命计算，海珠下来的，所以就其寿命计算，海珠桥使用的钢材预计已有百年历史，桥使用的钢材预计已有百年历史，已经进入疲劳期，继续使用则需进已经进入疲劳期，继续使用则需进行疲劳强度的测试，并根据测试结行疲劳强度的测试，并根据测试结果进行加固等。果进行加固等。 基础知识基础知识 钢与生铁的区分在于含碳量的大小。含碳量小于钢与生铁的区分在于含碳量的大小。含碳量小于2.062.06的铁碳合金称为钢。含碳量大于的铁碳合金称为钢。含碳量大于2.062.06的铁碳的铁碳合金称为生铁。合金称为生铁。2.1.1 2.1.1 按化学成分分类按化学成分分类2.1.2 2.1.2 按品质（杂质含量）分类按品质（杂质含量）分类2.1.3 2.1.3 按冶炼时脱氧程度分类按冶炼时脱氧程度分类 2.1.1 2.1.1 按化学成分分类按化学成分分类 1. 1. 碳素钢碳素钢 低碳钢：含碳量低碳钢：含碳量 0.25 0.60 0.60 2. 2. 合金钢合金钢 低合金钢：合金元素总含量低合金钢：合金元素总含量 5.0 10 10 建筑工程中，钢结构用钢和钢筋混凝土结构用建筑工程中，钢结构用钢和钢筋混凝土结构用钢，主要使用非合金钢中的低碳钢，及低合金钢加钢，主要使用非合金钢中的低碳钢，及低合金钢加工成的产品。合金钢亦有少量应用。工成的产品。合金钢亦有少量应用。2.1.2 2.1.2 按品质（杂质含量）分类按品质（杂质含量）分类1.1.普通钢：含硫量普通钢：含硫量0.0500.050；含磷量；含磷量0.0450.045。2.2.优质钢：含硫量优质钢：含硫量0.0350.035；含磷量；含磷量0.0350.035。3.3.高级优质钢：含硫量高级优质钢：含硫量0.0250.025；含磷量；含磷量0.0250.025。 4.4.特级优质钢：含硫量特级优质钢：含硫量0.0150.015；含磷量含磷量0.0250.025。 2.1.3 2.1.3 按冶炼时脱氧程度分类按冶炼时脱氧程度分类 1. 1. 沸腾钢沸腾钢 炼钢时脱氧不充分，钢液中还有较多金属氧化物，浇铸钢锭炼钢时脱氧不充分，钢液中还有较多金属氧化物，浇铸钢锭后钢液冷却到一定的温度，其中的碳会与金属氧化物发生反应，后钢液冷却到一定的温度，其中的碳会与金属氧化物发生反应，生成大量一氧化碳气体外逸，引起钢液激烈沸腾。这种钢材称为生成大量一氧化碳气体外逸，引起钢液激烈沸腾。这种钢材称为沸腾钢，其代号为沸腾钢，其代号为“F”F”。其冲击韧性和可焊性较差。其冲击韧性和可焊性较差。 2. 2. 镇静钢镇静钢 炼钢时脱氧充分，钢液中金属氧化物很少，在浇铸钢锭时钢炼钢时脱氧充分，钢液中金属氧化物很少，在浇铸钢锭时钢液会平静地冷却凝固，这种钢称为镇静钢，其代号为液会平静地冷却凝固，这种钢称为镇静钢，其代号为 “ “Z”Z”。 3. 3. 半镇静钢半镇静钢 指脱氧程度和性能都介于沸腾钢和镇静钢之间的钢材，其代指脱氧程度和性能都介于沸腾钢和镇静钢之间的钢材，其代号为号为“b”b”。 4. 4. 特殊镇静钢特殊镇静钢 比镇静钢脱氧程度更彻底的钢，故称为特殊镇静钢，代号为比镇静钢脱氧程度更彻底的钢，故称为特殊镇静钢，代号为“TZ”TZ”。特殊镇静钢的质量最好，适用于特别重要的结构工程。特殊镇静钢的质量最好，适用于特别重要的结构工程。 观察与讨论观察与讨论讨论讨论AB 钢材的冶炼脱氧程度与性能钢材的冶炼脱氧程度与性能 下下图为沸腾钢（图图为沸腾钢（图A A）与镇静钢（图）与镇静钢（图B B）两钢锭的纵剖面，）两钢锭的纵剖面，请观察其结构差别，讨论其性能差异。请观察其结构差别，讨论其性能差异。 讨论讨论 从图中可见，沸腾钢的气泡明显多于镇静钢，沸腾钢是从图中可见，沸腾钢的气泡明显多于镇静钢，沸腾钢是脱氧不完全的钢，浇铸后在钢液冷却时有大量一氧化碳气体脱氧不完全的钢，浇铸后在钢液冷却时有大量一氧化碳气体外逸，引起钢液剧烈沸腾。沸腾钢内部杂质和夹杂物多，化外逸，引起钢液剧烈沸腾。沸腾钢内部杂质和夹杂物多，化学成分和力学性能不够均匀、强度低、冲击韧性和可焊性差，学成分和力学性能不够均匀、强度低、冲击韧性和可焊性差，但生产成本低，可用于一般建筑结构。而镇静钢是指在浇铸但生产成本低，可用于一般建筑结构。而镇静钢是指在浇铸时，钢液平静地冷却凝固，时，钢液平静地冷却凝固，基本无一氧化碳气体产生基本无一氧化碳气体产生, ,是脱是脱氧较完全的钢。钢质均匀密实，品质好，但成本高。氧较完全的钢。钢质均匀密实，品质好，但成本高。镇静钢镇静钢可用于承受冲击荷载的重要结构可用于承受冲击荷载的重要结构。 此外，还有比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢，其质此外，还有比镇静钢脱氧程度还要充分彻底的钢，其质量最好，称特殊镇静钢，其使用于特别重要的结构工程。脱量最好，称特殊镇静钢，其使用于特别重要的结构工程。脱氧程度与质量介于镇静钢和沸腾钢之间的钢，称为半镇静钢，氧程度与质量介于镇静钢和沸腾钢之间的钢，称为半镇静钢，其质量较好。其质量较好。 工程实例分析工程实例分析 现象现象原因分析原因分析 某厂的钢结构屋架用中碳钢焊接而成，使用某厂的钢结构屋架用中碳钢焊接而成，使用一段时间后，屋架坍塌。一段时间后，屋架坍塌。原因分析原因分析 首先是因为钢材的选用不当，中碳钢的首先是因为钢材的选用不当，中碳钢的塑性和韧性比低碳钢差；塑性和韧性比低碳钢差；其次是其次是焊接性能较差，焊接性能较差，焊接时钢材局部温度高，形成了热影响区，其焊接时钢材局部温度高，形成了热影响区，其塑性及韧性下降较多，较易产生裂纹。建筑上塑性及韧性下降较多，较易产生裂纹。建筑上常用的主要钢种是普通碳素钢中的低碳钢和合常用的主要钢种是普通碳素钢中的低碳钢和合金钢中的低合金高强度结构钢。金钢中的低合金高强度结构钢。 基础知识基础知识 2.2.1 2.2.1 抗拉性能抗拉性能 2 2.2.2 2.2 冲击韧性冲击韧性2.2.3 2.2.3 耐疲劳性耐疲劳性 2.2.4 2.2.4 工艺性能工艺性能2.2.1 2.2.1 抗拉性能抗拉性能 在外力作用下，材料抵抗在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。变形和断裂的能力称为强度。测定钢材强度的主要方法是拉测定钢材强度的主要方法是拉伸试验，钢材受拉时，在产生伸试验，钢材受拉时，在产生应力的同时，相应地产生应变。应力的同时，相应地产生应变。应力和应变的关系反映钢材的应力和应变的关系反映钢材的主要力学特征主要力学特征。从右图低碳钢从右图低碳钢的应力的应力- -应变关系中可看出，应变关系中可看出，低低碳钢从受拉到被拉断碳钢从受拉到被拉断，经历了，经历了四个阶段：弹性阶段、屈服阶四个阶段：弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段。每段、强化阶段和颈缩阶段。每个阶段的特点详见动画演示。个阶段的特点详见动画演示。2.2.1 2.2.1 抗拉性能抗拉性能 2 2.2.2 2.2 冲击韧性冲击韧性 钢材的冲击韧性是处在简支梁状态的金属试样在钢材的冲击韧性是处在简支梁状态的金属试样在冲击负荷作用下折断时的冲击吸收功冲击负荷作用下折断时的冲击吸收功。钢材的冲击韧。钢材的冲击韧性试验是将标准弯曲试样置于冲击机的支架上，并使性试验是将标准弯曲试样置于冲击机的支架上，并使切槽位于受拉的一侧，在试样中间开切槽位于受拉的一侧，在试样中间开V V形形缺口。缺口。2.2.3 2.2.3 耐疲劳性耐疲劳性 受交变荷载反复作用，钢材在应力低于其屈服强度的情况受交变荷载反复作用，钢材在应力低于其屈服强度的情况下突然发生脆性断裂破坏的现象下突然发生脆性断裂破坏的现象, ,称为疲劳破坏。钢材的疲劳称为疲劳破坏。钢材的疲劳破坏一般是由拉应力引起的，首先在局部开始形成细小裂纹，破坏一般是由拉应力引起的，首先在局部开始形成细小裂纹，随后由于微裂纹尖端的应力集中而使其逐渐扩大，直至突然发随后由于微裂纹尖端的应力集中而使其逐渐扩大，直至突然发生瞬时疲劳断裂。疲劳破坏是在低应力状态下突然发生的，所生瞬时疲劳断裂。疲劳破坏是在低应力状态下突然发生的，所以危害极大，往往造成灾难性的事故。以危害极大，往往造成灾难性的事故。 2.2.4 2.2.4 工艺性能工艺性能1.1. 冷弯性能冷弯性能 冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，以试验冷弯性能是指钢材在常温下承受弯曲变形的能力，以试验时的弯曲角度时的弯曲角度和弯心直径和弯心直径d d为指标表示为指标表示，如下图所示，如下图所示。 2.2. 焊接性能焊接性能 钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件下，在焊缝钢材的焊接性能是指在一定的焊接工艺条件下，在焊缝及其附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材的力学及其附近过热区不产生裂纹及硬脆倾向，焊接后钢材的力学性能，性能，特别是强度应不低于原有钢材的强度特别是强度应不低于原有钢材的强度。观观察察与讨论与讨论 (1)(1)两种钢材的选用两种钢材的选用(2)(2)两种钢材低温冲击韧性的比较两种钢材低温冲击韧性的比较(3)(3)疲劳断裂的特征与原因疲劳断裂的特征与原因(4)(4)钢材的冷弯性能与其内部组织的关系钢材的冷弯性能与其内部组织的关系讨论讨论2.2.1 2.2.1 抗拉性能抗拉性能 (1)(1)两种钢材的选用两种钢材的选用 请观察下图请观察下图中中、两种低碳钢的应力应变曲线的差异。两种低碳钢的应力应变曲线的差异。讨论下述问题：讨论下述问题： 若对于变形要求严格的构件，若对于变形要求严格的构件，、两种低碳钢选用何种更合适两种低碳钢选用何种更合适？ 使用使用、两种钢材，哪一个安全性较高两种钢材，哪一个安全性较高？讨论讨论观察与讨论观察与讨论(1)(1)两种钢材的选用两种钢材的选用 讨论讨论 从从、两条曲线比较可知，低碳钢两条曲线比较可知，低碳钢的弹性模的弹性模量量E E小于低碳钢小于低碳钢，也就是说，低碳钢，也就是说，低碳钢的抗变形能的抗变形能力不如低碳钢力不如低碳钢。对于变形要求严格的构件选用低。对于变形要求严格的构件选用低碳钢碳钢更为合适。更为合适。(1)(1)两种钢材的选用两种钢材的选用 讨论讨论 、两种低碳钢的屈服强度两种低碳钢的屈服强度s s相近，但低碳钢相近，但低碳钢的抗拉强度的抗拉强度b b高于高于。屈服强度与抗拉强度之比称。屈服强度与抗拉强度之比称为屈强比，即为屈强比，即s/s/b b。屈强比越小，反映钢材超过。屈强比越小，反映钢材超过屈服点工作时可靠性越大，结构的安全性越高。当然，屈服点工作时可靠性越大，结构的安全性越高。当然，屈强比过小时，表示钢材强度的利用率偏低，也不合屈强比过小时，表示钢材强度的利用率偏低，也不合理。有时也使用强屈比（理。有时也使用强屈比（b b/ /s s）来评价钢材的可靠）来评价钢材的可靠性。钢材性。钢材的屈强比较低，故其安全性高于钢材的屈强比较低，故其安全性高于钢材。Q2Q23 35 5钢材的屈强比为钢材的屈强比为0.580.580.630.63，普通的合金钢的屈，普通的合金钢的屈强比在强比在0.670.670.750.75之间。之间。 (2)(2)两种钢材低温冲击韧性的比较两种钢材低温冲击韧性的比较 2 2.2.2 2.2 冲击韧性冲击韧性 请观察下图中请观察下图中、两低合金钢曲线，若在东北地区，应两低合金钢曲线，若在东北地区，应选用何种钢更有利？选用何种钢更有利？ 讨论讨论(2)(2)两种钢材低温冲击韧性的比较两种钢材低温冲击韧性的比较讨论讨论 温度对冲击韧性有重大影响，当温度降至一定温度对冲击韧性有重大影响，当温度降至一定程度时，冲击韧性大幅度下降而使钢材呈脆性，此程度时，冲击韧性大幅度下降而使钢材呈脆性，此现象称为冷脆性。曲线中棕色段代表脆性断裂，蓝现象称为冷脆性。曲线中棕色段代表脆性断裂，蓝色段代表脆性转变范围，黑色段代表韧性断裂。从色段代表脆性转变范围，黑色段代表韧性断裂。从上图中可知，低合金钢上图中可知，低合金钢的脆性转变温度低于的脆性转变温度低于，即说明钢材的低温冲击韧性较好。东北地区冬季气即说明钢材的低温冲击韧性较好。东北地区冬季气温低，主要考虑低温冲击韧性问题，选用温低，主要考虑低温冲击韧性问题，选用更有利。更有利。 影响钢材的冲击韧性还有许多因素，例如，钢中磷、影响钢材的冲击韧性还有许多因素，例如，钢中磷、硫含量较高，存在偏析、非金属夹杂物和焊接中形硫含量较高，存在偏析、非金属夹杂物和焊接中形成的微裂纹等都会使冲击韧性显著降低。成的微裂纹等都会使冲击韧性显著降低。 讨论讨论 请观察下图中疲劳断裂的宏观断口特征请观察下图中疲劳断裂的宏观断口特征，并分析讨论，并分析讨论疲劳断裂的特征和原因。疲劳断裂的特征和原因。 疲劳断裂的特征与原因疲劳断裂的特征与原因 2.2.3 2.2.3 耐疲劳性耐疲劳性 A A：疲劳源区；疲劳源区；B B：扩展区；扩展区；C C：终断区终断区疲劳断裂的宏观断口疲劳断裂的宏观断口讨论讨论 疲劳裂纹起源于键槽左边底部的拐角处，无裂纹构件疲疲劳裂纹起源于键槽左边底部的拐角处，无裂纹构件疲劳的宏观断口可分为三个区：劳的宏观断口可分为三个区： 疲劳源区疲劳源区(A(A区区) )；扩展区扩展区( (B B区区) )；终断区终断区( (C C区区) )。 引起钢材疲劳破坏的原因很多，主要是由于拉应力引起引起钢材疲劳破坏的原因很多，主要是由于拉应力引起较大的拉应变，先在某局部形成细小裂纹，然后因受剪切应较大的拉应变，先在某局部形成细小裂纹，然后因受剪切应力而扩展。故钢材的抗拉强度高，疲劳极限也高。钢材表面力而扩展。故钢材的抗拉强度高，疲劳极限也高。钢材表面的加工印痕、焊接接头的卷边和表面微小腐蚀缺陷，都可使的加工印痕、焊接接头的卷边和表面微小腐蚀缺陷，都可使疲劳极限显著降低。零件或构件的几何形状和大小，对疲劳疲劳极限显著降低。零件或构件的几何形状和大小，对疲劳极限有不小的影响，有缺口、极限有不小的影响，有缺口、尖角的零件与无缺口尖角的零件与无缺口、锐角的锐角的零件相比零件相比，疲劳行为有很大差别；构件尺寸越大，则疲劳强，疲劳行为有很大差别；构件尺寸越大，则疲劳强度越低。由于疲劳设计中存在着大量不确定因素，因而选用度越低。由于疲劳设计中存在着大量不确定因素，因而选用材料的安全系数材料的安全系数K K较高（钢材的较高（钢材的K K22），而且在零件实际使用），而且在零件实际使用前必须进行模拟试验校核。前必须进行模拟试验校核。 疲劳断裂的特征与原因疲劳断裂的特征与原因 讨论讨论钢材的冷弯性能与其内部组织的关系钢材的冷弯性能与其内部组织的关系 A A、B B两种钢材两种钢材,A,A钢材钢材5 5及及1010均略大于均略大于B B钢材。钢材。但从下但从下图可知图可知，A A钢材的冷弯性能却不如钢材的冷弯性能却不如B B钢材。请分析原因及钢材。请分析原因及A A与与B B两种钢材内部组织的差异。两种钢材内部组织的差异。 2.2.4 2.2.4 工艺性能工艺性能讨论讨论钢材的冷弯性能与其内部组织的关系钢材的冷弯性能与其内部组织的关系 伸长率反映的是钢材在均匀变形下的塑性。而伸长率反映的是钢材在均匀变形下的塑性。而冷弯性能是钢材处于不利变形条件下的塑性，可揭冷弯性能是钢材处于不利变形条件下的塑性，可揭示钢材内部组织是否均匀，是否存在内应力和夹杂示钢材内部组织是否均匀，是否存在内应力和夹杂物等缺陷。而这些缺陷在拉伸试验中常因塑性变形物等缺陷。而这些缺陷在拉伸试验中常因塑性变形导致应力重分布而得不到反映。导致应力重分布而得不到反映。 工程实例分析工程实例分析 (1)(1)广东某展览厅网架倒塌广东某展览厅网架倒塌 (2)(2)钢贮罐脆性断裂钢贮罐脆性断裂 ( (3 3) )北海油田平台倾覆北海油田平台倾覆(4)(4)某运输廊倒塌分析某运输廊倒塌分析 现象现象原因分析原因分析(1)(1)广东某展览厅网架倒塌广东某展览厅网架倒塌 抗拉性能抗拉性能 广东某国际展览中心包括展厅、会议中心和一栋广东某国际展览中心包括展厅、会议中心和一栋1616层的酒店，总建筑面积层的酒店，总建筑面积42 000 m42 000 m2 2。19891989年建成投入使用。年建成投入使用。19921992年曾降大暴雨年曾降大暴雨，其中，其中4 4号展厅网架倒塌。号展厅网架倒塌。在倒塌现场在倒塌现场发现大量高强度螺栓被拉断或折断发现大量高强度螺栓被拉断或折断，部分杆件有明显压，部分杆件有明显压屈，但未发现杆件拉断及明显颈缩现象，也未发现杆件屈，但未发现杆件拉断及明显颈缩现象，也未发现杆件与锥头焊缝拉开。另外，网架建成后多次发现积水现象，与锥头焊缝拉开。另外，网架建成后多次发现积水现象，事故现场两排水口表面均有堵塞。事故现场两排水口表面均有堵塞。原因分析原因分析 由于由于4 4号展厅除承担本身雨水外，还要承担会号展厅除承担本身雨水外，还要承担会议中心屋面溢流而来的雨水。由于溢流口、雨水斗议中心屋面溢流而来的雨水。由于溢流口、雨水斗设置不合理，未能有效排水导致网架积水超载。设置不合理，未能有效排水导致网架积水超载。 所受拉力超过高强度螺栓的极限承载力而被所受拉力超过高强度螺栓的极限承载力而被拉断拉断，高强度螺栓安全度低于杆件安全度高强度螺栓安全度低于杆件安全度，其安全，其安全度不足。度不足。 抗拉性能抗拉性能 现象现象原因分析原因分析钢贮罐脆性断裂钢贮罐脆性断裂 冲击韧性冲击韧性 19891989年年1 1月月2222日，内蒙古某糖厂一个直径为日，内蒙古某糖厂一个直径为20 m20 m，高，高为为15.76 m15.76 m的刚交工验收不久的废糖蜜钢贮罐发生断裂。的刚交工验收不久的废糖蜜钢贮罐发生断裂。破坏过程呈突发性，没有任何先兆，非常迅速。破坏时破坏过程呈突发性，没有任何先兆，非常迅速。破坏时罐内糖蜜贮量为罐内糖蜜贮量为4027 t4027 t，不仅未达到设计贮量，不仅未达到设计贮量，还还低于低于试用期间曾达到的试用期间曾达到的4559 t4559 t水平，罐体内应力并不太高，水平，罐体内应力并不太高，距钢材屈服强度相差较远，地震和人为破坏及废糖蜜自距钢材屈服强度相差较远，地震和人为破坏及废糖蜜自燃爆炸的因素可排除，请分析钢贮罐发生断裂的原因。燃爆炸的因素可排除，请分析钢贮罐发生断裂的原因。原因分析原因分析 韧性断裂在发生前有明显预兆，而脆性断裂是突发韧性断裂在发生前有明显预兆，而脆性断裂是突发性的。经调查表明，其裂口特征：罐体下部第性的。经调查表明，其裂口特征：罐体下部第1 1、2 2层母材层母材撕裂，断口呈颗粒状，人字形纹尖端朝上，呈脆性断裂。撕裂，断口呈颗粒状，人字形纹尖端朝上，呈脆性断裂。对钢材材质进行复验，发现部分钢板含碳量和含硫量较高，对钢材材质进行复验，发现部分钢板含碳量和含硫量较高，降低了钢材的塑性和可焊性，其常温冲击韧性比规定值偏降低了钢材的塑性和可焊性，其常温冲击韧性比规定值偏低，故该钢材易出现脆性断裂。且焊接质量差，综合分析低，故该钢材易出现脆性断裂。且焊接质量差，综合分析可知，罐体破坏的根源是焊接质量低而导致的低温脆性断可知，罐体破坏的根源是焊接质量低而导致的低温脆性断裂。对接焊缝中大量未焊透部位如同张开型的焊接裂纹，裂。对接焊缝中大量未焊透部位如同张开型的焊接裂纹，在罐壁环向拉力的作用下，能引起严重的应力集中，成为在罐壁环向拉力的作用下，能引起严重的应力集中，成为罐体断裂的引发点。在荷载变化、应力集中、残余应力和罐体断裂的引发点。在荷载变化、应力集中、残余应力和温差应力的作用下，裂纹会缓慢扩展。而钢材的韧性较差，温差应力的作用下，裂纹会缓慢扩展。而钢材的韧性较差，不能阻止裂纹的扩展，最后达到临界值而突然断裂。不能阻止裂纹的扩展，最后达到临界值而突然断裂。 冲击韧性冲击韧性 现象现象原因分析原因分析北海油田平台倾覆北海油田平台倾覆耐疲劳性耐疲劳性 19801980年年3 3月月2727日，北海爱科菲斯科油田的日，北海爱科菲斯科油田的A.L.A.L.基尔兰德号平台突然从水下深部传来一次振动基尔兰德号平台突然从水下深部传来一次振动，紧，紧接着一声巨响，平台立即倾斜，短时间内翻于海中，接着一声巨响，平台立即倾斜，短时间内翻于海中，致使致使2323人丧生，造成巨大的经济损失。人丧生，造成巨大的经济损失。原因分析原因分析 现代海洋钢结构如移动式钻井平台，特别是固定式桩现代海洋钢结构如移动式钻井平台，特别是固定式桩基平台，在恶劣的海洋环境中受风浪和海流的长期反复作用基平台，在恶劣的海洋环境中受风浪和海流的长期反复作用和冲击振动；在严寒海域长期受流冰等随海潮对平台的冲击和冲击振动；在严寒海域长期受流冰等随海潮对平台的冲击碰撞；另外碰撞；另外, ,低温作用以及海水腐蚀介质的作用等都给钢结构低温作用以及海水腐蚀介质的作用等都给钢结构平台带来极为不利的影响。突出问题就是海洋钢结构的脆性平台带来极为不利的影响。突出问题就是海洋钢结构的脆性断裂和疲劳破坏。断裂和疲劳破坏。 上述事故的调查分析显示，事故原因是撑竿中水声器上述事故的调查分析显示，事故原因是撑竿中水声器支座疲劳裂纹萌生、扩展，导致撑竿迅速断裂。由于撑竿断支座疲劳裂纹萌生、扩展，导致撑竿迅速断裂。由于撑竿断裂，使相邻裂，使相邻5 5个支杆过载而破坏，接着所支撑的承重脚柱破坏，个支杆过载而破坏，接着所支撑的承重脚柱破坏，使平台使平台2020minmin内全部倾覆。内全部倾覆。耐疲劳性耐疲劳性现象现象原因分析原因分析某运输廊倒塌分析某运输廊倒塌分析 工艺性能工艺性能 某烧结矿仓库运输廊道于某烧结矿仓库运输廊道于19651965年年1 1月发生倒塌。月发生倒塌。事故发生时室外气温为事故发生时室外气温为3636左右。经现场调查及取左右。经现场调查及取样试验可知所用的沸腾钢含碳样试验可知所用的沸腾钢含碳0.230.230.250.25，含，含硫硫0.060.06，焊接质量差。请分析事故原因。，焊接质量差。请分析事故原因。原因分析原因分析工艺性能工艺性能 原因之一是所使用的钢材不符合标准要求，发原因之一是所使用的钢材不符合标准要求，发生脆性断裂。生脆性断裂。所用钢材含碳量及含硫量均超过用于所用钢材含碳量及含硫量均超过用于焊接结构钢材的要求焊接结构钢材的要求，即含碳不超过，即含碳不超过0.220.22，含硫，含硫量不超过量不超过0.055 0.055 。硫的析出集中点正是弦杆钢发硫的析出集中点正是弦杆钢发生脆性破坏的部位生脆性破坏的部位。 原因之二是断裂处焊缝低劣，以及焊接接缝处原因之二是断裂处焊缝低劣，以及焊接接缝处有应力集中现象，助长了此桁架的断裂破坏。经检有应力集中现象，助长了此桁架的断裂破坏。经检查，多处焊缝明显未焊透，有焊瘤查，多处焊缝明显未焊透，有焊瘤、夹杂缺陷，焊夹杂缺陷，焊接质量差。接质量差。 基础知识基础知识 2.3.1 2.3.1 钢材的晶体结构钢材的晶体结构 2.3.2 2.3.2 钢材的基本晶体组织钢材的基本晶体组织2.3.3 2.3.3 钢材的成分对性能的影响钢材的成分对性能的影响 2.3.1 2.3.1 钢材的晶体结构钢材的晶体结构 钢材和一切金属材料一样，也为晶体结构，它是铁钢材和一切金属材料一样，也为晶体结构，它是铁- -碳合金碳合金晶体，钢的晶格有两种构架，即体心立方晶格和面心立方晶格晶体，钢的晶格有两种构架，即体心立方晶格和面心立方晶格( (见下图见下图) )。其晶体结构中，各个原子以金属键相互结合在一起，。其晶体结构中，各个原子以金属键相互结合在一起，这种结合方式就决定了钢材具有很高的强度和良好的塑性。这种结合方式就决定了钢材具有很高的强度和良好的塑性。钢钢材的晶格并不都是完好无缺地规则排列，而是存在许多缺陷，材的晶格并不都是完好无缺地规则排列，而是存在许多缺陷，它们将显著地影响钢材的性能，这是钢材的实际强度远比理论它们将显著地影响钢材的性能，这是钢材的实际强度远比理论强度小的根本原因。其主要的缺陷有三种：点缺陷、线缺陷和强度小的根本原因。其主要的缺陷有三种：点缺陷、线缺陷和面缺陷。面缺陷。2.3.2 2.3.2 钢材的基本晶体组织钢材的基本晶体组织 钢是以铁（钢是以铁（FeFe）为主的）为主的Fe-CFe-C合金。合金。Fe-CFe-C合金于一合金于一定条件下能形成具有一定形态的聚合体，称为钢的组定条件下能形成具有一定形态的聚合体，称为钢的组织，在显微镜下能观察到它们的微观形貌图织，在显微镜下能观察到它们的微观形貌图像像( (见见下下图图) )，故也称显微组织。主要有铁素体、渗碳体、珠，故也称显微组织。主要有铁素体、渗碳体、珠光体和奥氏体。光体和奥氏体。 片状珠光体（片状珠光体（10001000倍）倍） 2.3.3 2.3.3 钢材的成分对性能的影响钢材的成分对性能的影响 除铁、碳外，钢材在冶炼过程中会从原料、燃除铁、碳外，钢材在冶炼过程中会从原料、燃料中引入一些的其他元素。钢材的成分对性能有重料中引入一些的其他元素。钢材的成分对性能有重要影响。这些成分可分为两类：一类能改善优化钢要影响。这些成分可分为两类：一类能改善优化钢材的性能称为合金元素，主要有材的性能称为合金元素，主要有SiSi、MnMn、TiTi、V V、NbNb等；另一类能劣化钢材的性能，属钢材的杂质，主等；另一类能劣化钢材的性能，属钢材的杂质，主要有氧、硫、氮、磷等。要有氧、硫、氮、磷等。 观察与讨论观察与讨论 (1) (1) 碳素钢中含碳量对其组织和性能的影响碳素钢中含碳量对其组织和性能的影响 (2) (2) 钢材的晶体结构与性能钢材的晶体结构与性能讨论讨论(1) (1) 碳素钢中含碳量对其组织和性能的影响碳素钢中含碳量对其组织和性能的影响 下图是碳素钢基本组织相对含量与含碳量的关系下图是碳素钢基本组织相对含量与含碳量的关系。请分析低碳钢、中碳钢和高碳钢随着含碳量的增加，请分析低碳钢、中碳钢和高碳钢随着含碳量的增加，其基本组织及性能如何变化。其基本组织及性能如何变化。 铁碳合金的含碳量与晶体组织及性能之间的关系铁碳合金的含碳量与晶体组织及性能之间的关系 讨论讨论(1) (1) 碳素钢中含碳量对其组织和性能的影响碳素钢中含碳量对其组织和性能的影响 建筑钢材的含碳量不大于建筑钢材的含碳量不大于0.80.8，即基本组织为即基本组织为铁素体和珠光体。从图可见，随含碳量增加，珠光体铁素体和珠光体。从图可见，随含碳量增加，珠光体含量增加，而铁素体则相应减少。故高碳钢的强度较含量增加，而铁素体则相应减少。故高碳钢的强度较高，而塑性、韧性相应较低。高，而塑性、韧性相应较低。 讨论讨论(2) (2) 钢材的晶体结构与性能钢材的晶体结构与性能 请观察以下晶格缺陷示意动画，讨论钢材的实际请观察以下晶格缺陷示意动画，讨论钢材的实际强度与理论强度的关系。强度与理论强度的关系。 讨论讨论(2) (2) 钢材的晶体结构与性能钢材的晶体结构与性能 钢材晶格中，有些平面上的原子较密集，结合钢材晶格中，有些平面上的原子较密集，结合力较强。而面与面之间，则由于原子间距离较大，结力较强。而面与面之间，则由于原子间距离较大，结合力较弱。在外力作用下，晶格容易沿原子密集面产合力较弱。在外力作用下，晶格容易沿原子密集面产生相对滑移，故建筑钢材塑性变形较大。生相对滑移，故建筑钢材塑性变形较大。 从上面的动画可见，钢材的晶格存在许多缺陷，从上面的动画可见，钢材的晶格存在许多缺陷，如点缺陷、线缺陷及面缺陷，由于这些缺陷的存在，如点缺陷、线缺陷及面缺陷，由于这些缺陷的存在，使晶格受力滑移时，不是理论上的整个滑移面上全部使晶格受力滑移时，不是理论上的整个滑移面上全部原子一起移动，只是缺陷处局部移动，故实际强度低原子一起移动，只是缺陷处局部移动，故实际强度低于理论强度。于理论强度。 工程实例分析工程实例分析 钢结构倒塌钢结构倒塌 现象现象原因分析原因分析 苏联某钢铁厂仓库运输廊道为钢结构，于某日倒苏联某钢铁厂仓库运输廊道为钢结构，于某日倒塌。经检查可知：杆件发生断裂的位置在应力集中处塌。经检查可知：杆件发生断裂的位置在应力集中处节点附近的整块母材上，桁架腹板和弦杆的焊接接头节点附近的整块母材上，桁架腹板和弦杆的焊接接头均未破坏；全部断口和拉断处都很新鲜均未破坏；全部断口和拉断处都很新鲜, ,未发黑、无未发黑、无锈迹。所用钢材为苏联国家标准锈迹。所用钢材为苏联国家标准CTCT3 3号沸腾钢。号沸腾钢。原因分析原因分析 切取母材作化学成分分析可知切取母材作化学成分分析可知：其碳、硫含量均超过苏联其碳、硫含量均超过苏联国家标准焊接结构所用国家标准焊接结构所用CTCT3 3号沸腾钢的碳硫含量规定。其中号沸腾钢的碳硫含量规定。其中5555的沸腾钢中碳平均含量超过的沸腾钢中碳平均含量超过0.220.22的标准规定，破坏发生部的标准规定，破坏发生部位附近含量达位附近含量达0.380.38；3232的试样硫含量超过的试样硫含量超过0.055 0.055 的标准的标准规定，在折断部位达规定，在折断部位达0.10.1。 碳对钢的性能有重要的影响。碳含量增加，钢强度、硬度碳对钢的性能有重要的影响。碳含量增加，钢强度、硬度增高，而塑性和韧性降低，且增大钢的冷脆性，降低可焊性。增高，而塑性和韧性降低，且增大钢的冷脆性，降低可焊性。而硫多数以而硫多数以FeSFeS形成存在，是强度较低、较脆的夹杂物，受力形成存在，是强度较低、较脆的夹杂物，受力易引起应力集中，降低钢的强度及疲劳强度，且对热加工和焊易引起应力集中，降低钢的强度及疲劳强度，且对热加工和焊接不利，偏析亦严重。由于此钢材不宜焊接，且使用的环境温接不利，偏析亦严重。由于此钢材不宜焊接，且使用的环境温度较低度较低，这是导致工程质量事故的主要原因。这是导致工程质量事故的主要原因。 基础知识基础知识 2.4.1 2.4.1 冷加工强化冷加工强化2.4.2 2.4.2 时效处理时效处理2.4.3 2.4.3 热处理热处理2.4.1 2.4.1 冷加工强化冷加工强化 将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧使其产将钢材于常温下进行冷拉、冷拔或冷轧使其产生塑性变形，从而提高屈服强度，降低塑性韧性，生塑性变形，从而提高屈服强度，降低塑性韧性，这个过程称为冷加工强化处理。这个过程称为冷加工强化处理。2.4.2 2.4.2 时效处理时效处理 将冷加工处理后的钢筋，在常温下存放将冷加工处理后的钢筋，在常温下存放151520 20 d d，或加热至，或加热至100100200 200 后保持一定时间（后保持一定时间（2 23 3 h h），其屈服强度进一步提高，且抗拉强度也提高，），其屈服强度进一步提高，且抗拉强度也提高，同时塑性和韧性也进一步降低，弹性模量则基本恢同时塑性和韧性也进一步降低，弹性模量则基本恢复。这个过程称为时效处理。复。这个过程称为时效处理。 时效处理方法有两种：在常温下存放时效处理方法有两种：在常温下存放151520 d20 d，称为自然时效，适合用于低强度钢筋；加热至称为自然时效，适合用于低强度钢筋；加热至100100200 200 后保持一定时间（后保持一定时间（2 23 h3 h），称人工时效，），称人工时效，适合于高强钢筋。适合于高强钢筋。 2.4.3 2.4.3 热处理热处理 热处理是将钢材按规定的温度制度，进行加热、热处理是将钢材按规定的温度制度，进行加热、保温和冷却处理，保温和冷却处理，以改变其晶格组织以改变其晶格组织，得到所需要的，得到所需要的性能的一种工艺。性能的一种工艺。 热处理包括淬火、回火、退火和正火热处理包括淬火、回火、退火和正火，见下图，见下图。 钢的热处理工艺钢的热处理工艺 观察与讨论观察与讨论讨论讨论 冷加工强化与时效处理的机理冷加工强化与时效处理的机理 请观察下图钢筋的应力请观察下图钢筋的应力- - -应变曲线，并讨论冷加工应变曲线，并讨论冷加工强化与时效处理的机理强化与时效处理的机理。 钢筋冷拉时效后应力钢筋冷拉时效后应力- - -应变图的变化应变图的变化 讨论讨论 从上图可见从上图可见，将钢筋冷拉至强化阶段的，将钢筋冷拉至强化阶段的K K点，然点，然后卸荷，则产生塑性变形，若立即受拉，钢筋的应后卸荷，则产生塑性变形，若立即受拉，钢筋的应力力- -应变曲线将沿应变曲线将沿OKCDOKCD发展至破坏。这时，钢筋在发展至破坏。这时，钢筋在原来屈服阶段不再出现屈服现象，屈服点由原来屈服阶段不再出现屈服现象，屈服点由B B点提高点提高到到K K点，但抗拉强度基本不变，塑性和韧性降低，弹点，但抗拉强度基本不变，塑性和韧性降低，弹性模量降低。冷加工强化的原因是冷拉至性模量降低。冷加工强化的原因是冷拉至K K点时，塑点时，塑性变形造成滑移面内晶格歪扭，畸变加剧，阻碍了性变形造成滑移面内晶格歪扭，畸变加剧，阻碍了进一步滑移，提高了抵抗变形的能力。同时，进一步滑移，提高了抵抗变形的能力。同时，由于由于塑性变形中产生的内应力，使钢材弹性模量降低。塑性变形中产生的内应力，使钢材弹性模量降低。工程实例分析工程实例分析 钢结构吊车梁发现裂纹钢结构吊车梁发现裂纹 现象现象原因分析原因分析 某厂气轮车间吊车梁为钢结构，建成后质量检某厂气轮车间吊车梁为钢结构，建成后质量检查发现有许多裂纹。分布于上、下翼缘最多，腹板查发现有许多裂纹。分布于上、下翼缘最多，腹板处较少；加劲筋上无裂纹，加劲板与梁翼或腹板之处较少；加劲筋上无裂纹，加劲板与梁翼或腹板之间的焊缝及附近亦未发现裂纹。裂纹深度经铲后，间的焊缝及附近亦未发现裂纹。裂纹深度经铲后，用深度计复测，大多数的深度为用深度计复测，大多数的深度为1 12 mm2 mm，少量纹深，少量纹深达达3 mm3 mm。此批构件钢材杂质含量远低于国家标准规。此批构件钢材杂质含量远低于国家标准规定；环境温度正常；工程尚未使用；构件运输安装定；环境温度正常；工程尚未使用；构件运输安装过程未被撞击；裂纹部位远离焊接影响区。过程未被撞击；裂纹部位远离焊接影响区。原因分析原因分析 经研究获悉：在生产钢材时，由于片面追求速经研究获悉：在生产钢材时，由于片面追求速度，铸钢时刚浇好的钢锭仅冷却至度，铸钢时刚浇好的钢锭仅冷却至400 400 500 500 就拆模，未检查与清理即送至升温轧钢，轧制时钢就拆模，未检查与清理即送至升温轧钢，轧制时钢板温度还在板温度还在300 300 以上，就送去结构加工厂下料制以上，就送去结构加工厂下料制作，作，钢板冷却