钢结构的材料教程ppt课件.ppt

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1、思考题思考题钢结构基本原理钢结构基本原理 材料材料1 1 钢材拉伸试件的应力和强度这两个概念是否同一？钢材拉伸试件的应力和强度这两个概念是否同一？2 2 影响钢材强度和塑性指标的主要因素有哪些？影响钢材强度和塑性指标的主要因素有哪些？3 3 伸长率是如何定义的？伸长率是如何定义的？4 4 为什么钢结构设计规范对钢材有伸长率的要求？为什么钢结构设计规范对钢材有伸长率的要求？5 5 若某一批钢材牌号为若某一批钢材牌号为Q235Q235时，是否钢材的屈服点就是时，是否钢材的屈服点就是235MPa235MPa？ 你知道钢材的屈服点大致分布情况如何？你知道钢材的屈服点大致分布情况如何？6 6 如何理解如

2、何理解“钢材的塑性指标比钢材的强度指标更重要钢材的塑性指标比钢材的强度指标更重要”？7 7 你认为屈强比高的材料（你认为屈强比高的材料（0.90.9左右）和屈强低（左右）和屈强低（0.60.60.70.7）的材）的材 料分别用在哪些场合是合适的？料分别用在哪些场合是合适的？8 8 钢材钢材“怕冷怕冷”，“怕热怕热”的大致范围？的大致范围？ 高温和低温下可否使用钢结构？高温和低温下可否使用钢结构？9 9 一块平板，经过冷加工成为圆管，再用一条焊缝将其焊起来，在一块平板，经过冷加工成为圆管，再用一条焊缝将其焊起来，在 焊接之前钢材经历了什么变化？在焊接之后钢材又经历了什么变焊接之前钢材经历了什么变

3、化？在焊接之后钢材又经历了什么变 化？化？10 10 假如平板经冷加工成为方管，是否能回答与上面相同的问题？假如平板经冷加工成为方管，是否能回答与上面相同的问题？课堂提问课堂提问1 1 什么是塑性？什么是塑性？2 2 为什么对钢材要求塑性的要求？为什么对钢材要求塑性的要求？3 3 钢材的塑性和韧性有何差别？钢材的塑性和韧性有何差别？4 4 哪些因素对钢材性能有影响？哪些因素对钢材性能有影响？5 5 分别有哪些影响？分别有哪些影响？化学成分化学成分生产过程生产过程温度温度加荷速度加荷速度应力应变历史应力应变历史所有性能（详述）所有性能（详述）冶炼冶炼化学成分化学成分；冷却；冷却残余应力残余应力表

4、观屈服点；表观屈服点；脱氧脱氧缺陷与宏观强度；缺陷与宏观强度；轧制轧制板的屈服强度板的屈服强度强度，塑性强度，塑性高温高温强度；强度；低温低温韧性，可焊性韧性，可焊性塑性破坏与脆性破坏的定义？塑性破坏与脆性破坏的定义？课堂提问课堂提问3 3 在疲劳破坏中应力集中起了什么作用？在疲劳破坏中应力集中起了什么作用？4 4 钢材的塑性性能对减缓疲劳断裂是否有作用？钢材的塑性性能对减缓疲劳断裂是否有作用？5 5 你认为对钢材进行疲劳计算时，材料的抗力应采用什么指标？你认为对钢材进行疲劳计算时，材料的抗力应采用什么指标？1 1 右图哪一种是理想弹塑性模型？右图哪一种是理想弹塑性模型？ 为什么钢材可以采用理

5、想弹塑性模型？为什么钢材可以采用理想弹塑性模型？2 2 各平板端部沿竖向均匀受拉时，何者应各平板端部沿竖向均匀受拉时，何者应 力集中程度最严重？力集中程度最严重？yfyfyfyf钢结构材料钢结构材料Material of Steel Structures第1节 结构钢对材料基本性能的要求 第2节 影响钢材性能的一般因素第3节 复杂应力与应力集中 第4节 钢材疲劳破坏第5节 钢材分类、规格和选用第6节 结构钢材的新发展 一、一、钢结构对钢材性能的要求钢结构对钢材性能的要求第第1 1节节 结构钢对材料基本性能的要求结构钢对材料基本性能的要求较高的强度较高的强度较好的塑性和韧性较好的塑性和韧性良好的

6、加工和可焊性能良好的加工和可焊性能专用的特种性能（耐候、耐火）专用的特种性能（耐候、耐火）一、单向拉伸试验一、单向拉伸试验第第1 1节节 结构钢对材料基本性能的要求结构钢对材料基本性能的要求试验条件试验条件 ：标准试件：标准试件标准加载方式标准加载方式标准温度标准温度试验曲线试验曲线弹性、屈服、强化、颈缩弹性、屈服、强化、颈缩弹性、强化、颈缩弹性、强化、颈缩：低碳钢与低合金钢：低碳钢与低合金钢：高强度钢：高强度钢屈服荷载与极限荷载屈服荷载与极限荷载二、基本性能要求和指标二、基本性能要求和指标第第1 1节节 结构钢对材料基本性能的要求结构钢对材料基本性能的要求1.强度强度2.塑性塑性5.可焊性可

7、焊性3.韧性韧性6.耐久性耐久性比例极限、屈服点、极限强度、屈强比比例极限、屈服点、极限强度、屈强比4.冷加工性冷加工性静力韧性、冲击韧性静力韧性、冲击韧性伸长率、面缩率伸长率、面缩率冷弯实验冷弯实验施工可焊性、使用可焊性施工可焊性、使用可焊性抗腐蚀能力、抗疲劳能力抗腐蚀能力、抗疲劳能力影响钢材性能的一般因素影响钢材性能的一般因素第第2节节 影响钢材性能的一般因素影响钢材性能的一般因素1.化学成分化学成分2.生产过程生产过程3.时效时效Fe, C, Si, Mn, V, S(O), P(N), 其他其他时间时间硬化硬化冶炼方法、浇铸过程、轧制工艺冶炼方法、浇铸过程、轧制工艺不均匀温度场引起的残

8、余应力不均匀温度场引起的残余应力 随着时间增长冶炼中留在纯铁中的少量氮和碳的固溶体，随着时间增长冶炼中留在纯铁中的少量氮和碳的固溶体，随着时间的增长将逐渐析出，并形成氮化物和碳化物，使得随着时间的增长将逐渐析出，并形成氮化物和碳化物，使得钢材的抗拉强度提高，塑性和韧性降低。钢材的抗拉强度提高，塑性和韧性降低。影响钢材性能的一般因素影响钢材性能的一般因素第第2节节 影响钢材性能的一般因素影响钢材性能的一般因素5.温度温度6.加荷速度加荷速度4.应力应变历史应力应变历史超屈服加载超屈服加载硬化、硬化、残余应变与塑性变形引起的残余应力残余应变与塑性变形引起的残余应力低温：冲击韧性的温度转变区低温：冲

9、击韧性的温度转变区高温：高温：300C蓝脆、蓝脆、600C软化软化 钢材在弹塑性阶段卸载后，在重复加载时，其屈服点将提钢材在弹塑性阶段卸载后，在重复加载时，其屈服点将提高，而塑性和韧性降低称为冷作硬化。高，而塑性和韧性降低称为冷作硬化。 当温度下降到负温度某一个区间，其冲击韧性急剧下降，当温度下降到负温度某一个区间，其冲击韧性急剧下降，破坏由塑性转为脆性破坏。破坏由塑性转为脆性破坏。 当温度上升到当温度上升到300度左右强度提高，塑性和韧性下降，出度左右强度提高，塑性和韧性下降，出现脆性破坏特征。现脆性破坏特征。一、复杂应力与屈服条件一、复杂应力与屈服条件第第3节节 复杂应力与应力集中复杂应力

10、与应力集中折算应力折算应力Mises屈服条件屈服条件弹性弹性多轴应力场对屈服条件的影响多轴应力场对屈服条件的影响yxyyxyxzsf22若应力同号则屈服时若应力同号则屈服时yzsf纯剪状态纯剪状态yyyff58. 03/)(3222222zxyzxyxzzyyxzyxzsyzsf塑性塑性 理想弹塑性模型理想弹塑性模型考虑两向应力状态且考虑两向应力状态且yxfyxf反之反之二、应力集中二、应力集中第第3节节 复杂应力与应力集中复杂应力与应力集中定义：定义： 因钢材缺陷或制作引起的几何改变，造成因钢材缺陷或制作引起的几何改变，造成各点钢材应力不均匀的状况称为应力集中各点钢材应力不均匀的状况称为应力

11、集中应力集中与同号应力场：应力集中与同号应力场：应力集中系数：应力集中系数：应力集中程度与缺陷几何的关系应力集中程度与缺陷几何的关系(变化越剧烈峰值应变化越剧烈峰值应力增加剧烈，塑性也下降力增加剧烈，塑性也下降)几何变化不均匀几何变化不均匀泊凇比泊凇比正交方向的同号应力正交方向的同号应力钢材塑性与应力集中程度的缓解钢材塑性与应力集中程度的缓解om/塑性好，应力不均匀现象会趋于平缓，有些情况不会影响塑性好，应力不均匀现象会趋于平缓，有些情况不会影响极限承载能力。极限承载能力。二、应力集中二、应力集中第第3节节 复杂应力与应力集中复杂应力与应力集中塑性好，应力不均匀现象不趋于平缓，尤其一些复杂应力

12、塑性好，应力不均匀现象不趋于平缓，尤其一些复杂应力趋于，有些情况也会影响极限承载能力。趋于，有些情况也会影响极限承载能力。三、超屈服作用（低周疲劳）三、超屈服作用（低周疲劳）第第3节节 复杂应力与应力集中复杂应力与应力集中材料滞回曲线材料滞回曲线鲍辛格效应鲍辛格效应应力强化应力强化塑性能量消耗塑性能量消耗在重复荷载作用下，钢材的破坏强度低于静力作用下的在重复荷载作用下，钢材的破坏强度低于静力作用下的抗拉强度，且呈现突发性的脆性破坏特征，称为疲劳破抗拉强度，且呈现突发性的脆性破坏特征，称为疲劳破坏。坏。三、超屈服作用（低周疲劳）三、超屈服作用（低周疲劳）第第3节节 复杂应力与应力集中复杂应力与应

13、力集中滞回曲线滞回曲线一、钢材牌号一、钢材牌号 第第5 5节节 钢材规格与选用钢材规格与选用普通碳素钢普通碳素钢低合金钢低合金钢Q235AF,b,(z) 无冲击韧性无冲击韧性(旧称旧称3号钢号钢)Q235BF,b,(z) 常温常温20度下度下Ak要求要求 Q235C (z) 0度度Ak要求要求Q235D (TZ) -20度度Ak要求要求Q345A, B, C, D, E：Ak 34J（E为为27J）Q390A, B, C, D, EQ420A, B, C, D, E优质碳素结构钢优质碳素结构钢经调质（精炼去除杂质）、热处理经调质（精炼去除杂质）、热处理优质钢丝绳优质钢丝绳fy=235MPa,

14、fu=400MPafvy=?fy=345MPafu=?(范围值范围值)E=?E=?二、钢材规格二、钢材规格 第第5 5节节 钢材规格与选用钢材规格与选用钢板钢板热轧型钢及标注热轧型钢及标注薄板薄板 60mm建筑钢材的种类及钢材的选用 1、碳素结构钢Q195，Q215A、B，Q235A、B、C、D，Q255A、B，Q275Q为屈服强度汉语拼音的字首，后面数字为屈服强度值，而A、B、C、D表示质量等级，钢号由低到高代表了含碳量由低到高。Q195、Q215强度较低，而Q255、Q275含碳量超量，所以碳素结构钢主要应用Q235这一钢号。 Q235A屈服强度为235N/mm，A级，镇静钢 Q235A.

15、b屈服强度为235N/mm，A级，半镇静钢 Q235A. F屈服强度为235N/mm，A级，沸腾钢 Q235B屈服强度为235N/mm，B级，镇静钢 Q235B.b屈服强度为235N/mm，B级，半镇静钢 Q235B.F屈服强度为235N/mm，B级，沸腾钢 Q235C屈服强度为235N/mm，C级，镇静钢 Q235D屈服强度为235N/mm，D级，特殊镇静钢 注意钢材质量由A到D为提高，主要由冲击韧性性能而定，A级无要求，B级在20C，C级在0C， D级在-20C，AKV 不小于27J 当然，在化学元素的含量上，冶炼过程要求上也有所不同。 2、低合金高强度结构钢（GB/T151994） 在冶

16、炼过程中加入少量几种合金元素（5%），使钢的强度明显提高。 合金钢分Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五种，每种有A、B、C、D、E五个等级，A无冲击功要求， B级在20C，C级在0C， D级在-20C ， AKV 不小于34J ，E级在-40C， AKV 不小于27J 。 A、B级属镇静钢，C、D、E级属特殊镇静钢。 3、高强度钢丝和钢索材料 在张拉结构中的钢索，由高强平行钢丝束、钢铰线和钢丝绳作成。一般而言，其强度高15701700N/mm，伸长率最小46%。在实际应用中有松弛效应。钢材的选用 选材考虑的因素： 结构或构件的重要性 荷载性质（静荷或动荷） 连接方式（焊接、铆接

17、或栓接；加工成形） 工作环境（温度、介质，如海洋、石化、高寒）对于重要结构、直接承受动力荷载的结构、处于低温条件下的结构以及焊接结构，要选用质量比较高的钢材。 主要在今后工作中体验，选用合适钢材。型钢规格 钢结构构件一般宜直接选用型钢：工作量少，费用较低。对于一些大构件，当型钢选用不合适时，可用板材和型材进行组合。钢材热轧钢板厚、薄板热轧型钢角钢、槽钢、工字钢、H型钢、T型钢冷弯薄壁型钢厚26mm板材表示：厚宽长，如-108006000型材表示：808、80506；25a; I32aHW400 400、 HM500 300、 HN300 150；TW200 400、TM300 300、TN30

18、0 200；C120 50 3，C120 50 20 3型钢规格 钢结构构件一般宜直接选用型钢：工作量少，费用较低。对于一些大构件，当型钢选用不合适时，可用板材和型材进行组合。钢材热轧钢板厚、薄板热轧型钢角钢、槽钢、工字钢、H型钢、T型钢冷弯薄壁型钢厚26mm板材表示：厚宽长，如-108006000型材表示：808、80506；25a; I32aHW400 400、 HM500 300、 HN300 150；TW200 400、TM300 300、TN300 200；C120 50 3，C120 50 20 3三、钢材强度设计指标三、钢材强度设计指标 第第5 5节节 钢材规格与选用钢材规格与选

19、用强度设计指标的形式强度设计指标的形式钢结构设计中需要的强度设计值钢结构设计中需要的强度设计值容许应力设计法容许应力设计法(ASD)Kf /y分项系数表达的极限状态分项系数表达的极限状态设计法（设计法（LRFD）Ry/ff 钢板和型钢：依钢材牌号（屈服点）、厚度确定强度钢板和型钢：依钢材牌号（屈服点）、厚度确定强度铸钢：铸钢：焊缝：不同焊缝的依据不同焊缝：不同焊缝的依据不同螺栓和其他连接件：极限强度为依据螺栓和其他连接件：极限强度为依据强度设计值的确定强度设计值的确定近似概率方法近似概率方法四、钢材选用的一般原则四、钢材选用的一般原则 第第5 5节节 钢材规格与选用钢材规格与选用结构类型及重要

20、性结构类型及重要性荷载性质：静力、动力荷载性质：静力、动力连接方法：焊接、非焊接连接方法：焊接、非焊接工作温度：常温、低温工作温度：常温、低温应力条件：拉、压应力条件：拉、压新型结构钢新型结构钢 第第6 6节节 结构钢材的新发展结构钢材的新发展耐火钢耐火钢耐候钢耐候钢高强度钢：高强可焊（高强度钢：高强可焊（Ceq）、）、Z向性能钢向性能钢极低屈服点钢极低屈服点钢结构用铸钢结构用铸钢高摩擦系数钢板：高摩擦系数钢板：0.30.45 0.9作业作业 钢结构材料钢结构材料1.1.书面作业：书面作业： p.56 E2.1, E2.2, E2.6, E2.72.2.综合思考：综合思考： 钢材的脆性破坏和延

21、性破坏有何区别？钢材的脆性破坏和延性破坏有何区别？( (2.7,2.7,3.3) ) 那些因素可能导致脆性破坏？那些因素可能导致脆性破坏？ 理解结构设计对材料强度和塑性要求的平衡性。理解结构设计对材料强度和塑性要求的平衡性。 检验钢材质量可以采取哪些手段？其中有哪些基本试验方法？检验钢材质量可以采取哪些手段？其中有哪些基本试验方法？ 对不同钢材（钢板、型钢、圆管）怎样作材性试验？对不同钢材（钢板、型钢、圆管）怎样作材性试验？3.3.自学：自学： 碳当量的概念及意义碳当量的概念及意义(2.5) 应力强度因子和断裂韧性（应力强度因子和断裂韧性（2.7, 3.6 ）书面作业书面作业 p.56 钢结构

22、材料钢结构材料E2.1 如图所示钢材在单向拉伸状态下的如图所示钢材在单向拉伸状态下的应力应力- -应变曲线应变曲线, ,写出弹性阶段和非弹性阶写出弹性阶段和非弹性阶段的关系式。段的关系式。yfyf(tg,tg)tEEE2.2 如图所示钢材在单向拉伸状态下的应力如图所示钢材在单向拉伸状态下的应力- -应变应变曲线曲线, ,若试验时分别在若试验时分别在A A、B B、C C点卸载至零，写出卸点卸载至零，写出卸载前应变载前应变 、卸载后应变残余应变、卸载后应变残余应变 及可恢复弹及可恢复弹性应变性应变 各是多少。各是多少。yfrcyFec235MPa,270MPayf5t0.025,2.06 10

23、MPa,1000MPaFEEtEABCE2.6 一两跨连续梁，在外荷载作用下截面上一两跨连续梁，在外荷载作用下截面上A A点正应力为点正应力为 =120MPa=120MPa， =-80MPa=-80MPa，B B点正应力点正应力 =-20MPa=-20MPa， =-120MPa=-120MPa，求该梁，求该梁A A、B B点的应力比点的应力比和应力幅。和应力幅。 E2.7 指出下列符号的意义：指出下列符号的意义：（1 1）Q235AFQ235AF，（，（2 2）Q345DQ345D，（，（3 3）Q390EQ390E，（，（4 4）Q235D Q235D 1122单向拉伸曲线单向拉伸曲线第第1

24、 1节节 结构钢对材料基本性能的要求结构钢对材料基本性能的要求/A0/yfyfufuf从单向拉伸曲线得到哪些信息？从单向拉伸曲线得到哪些信息？N0.2%线弹性、弹性、屈服、强化、颈缩、断裂线弹性、弹性、屈服、强化、颈缩、断裂,yuyffE,/,/,/pyutcffEddE,p第第2节节 影响钢材性能的一般因素影响钢材性能的一般因素冶炼和轧制过程冶炼和轧制过程多轴应力对屈服强度的影响多轴应力对屈服强度的影响第第3节节 复杂应力与应力集中复杂应力与应力集中以平面应力场为例，设存在任意以平面应力场为例，设存在任意221212zsyf 证：证：,xyxy经转轴可以化为仅有两个主应力经转轴可以化为仅有两

25、个主应力12,证明满足证明满足Mises屈服条件时屈服条件时试证若试证若121yf2222212121221yzsf 2122 证毕证毕则满足则满足Mises屈服条件时屈服条件时1yf且且120 120 若若11yf单轴应力单轴应力多轴同号应力多轴同号应力多轴异号应力多轴异号应力理想弹塑性模型理想弹塑性模型第第3 3节节 复杂应力与应力集中复杂应力与应力集中yfufGoodman图图第第4 4节节 钢材疲劳破坏钢材疲劳破坏t1tmaxt1ttminmaxmaxminmin110 0011NP疲劳强度极限（门槛值）疲劳强度极限（门槛值）（疲劳强度）（疲劳强度）.Constmaxmin1110yf

26、Pmaxmin011KPmax0minKP0max1 K设计时设计时针对某一特定构造针对某一特定构造N N 为定值为定值maxmin应力比定义中何者是应力比定义中何者是max耐火钢耐火钢 第第5 5节节 钢材规格与选用钢材规格与选用普通结构钢材的缺点：普通结构钢材的缺点：600C时强度跌至时强度跌至1/3耐火钢目标：耐火钢目标： 600C时强度保持时强度保持2/3耐候钢与不锈钢耐候钢与不锈钢 第第6 6节节 结构钢材的新发展结构钢材的新发展添加元素添加元素 Cr，Cu，Mn， RE(稀土稀土)等等美国美国Cro-Ten，耐候性为，耐候性为 普通钢普通钢28倍倍中国宝钢中国宝钢 09CuPTiR

27、E, B490RNQ两种系列，耐候两种系列，耐候性为普通钢性为普通钢 23 倍倍 无明显屈服台阶，按无明显屈服台阶，按2 2法法屈强比为屈强比为0.60.6以下以下伸长率伸长率3535以上以上良好可焊性良好可焊性Z向钢向钢 第第6 6节节 结构钢材的新发展结构钢材的新发展厚度可达厚度可达100mm100mm具有优良韧性具有优良韧性极低屈服钢极低屈服钢 第第6 6节节 结构钢材的新发展结构钢材的新发展低屈服点低屈服点 100 100120120MPaMPa抗拉强度抗拉强度 250 250260260MPaMPa伸长率伸长率 60 60左右左右保证主要承重构件不进入塑性保证主要承重构件不进入塑性结

28、构用铸钢结构用铸钢 第第6 6节节 结构钢材的新发展结构钢材的新发展一、基本性能要求一、基本性能要求第第1 1节节 结构钢对材料基本性能的要求结构钢对材料基本性能的要求1.强度强度定义：定义：材料抵抗外力作用时不致破坏的能力材料抵抗外力作用时不致破坏的能力比例极限比例极限指标：指标：抗拉强度（抗拉极限、极限强度）抗拉强度（抗拉极限、极限强度）高强度钢材屈服点的定义、常用结构钢材屈服点高强度钢材屈服点的定义、常用结构钢材屈服点屈服点（屈服强度）屈服点（屈服强度）承载能力、安全储备、公称强度及统计意义承载能力、安全储备、公称强度及统计意义意义：意义：屈强比：屈强比：与钢材性质的关系与钢材性质的关系二、基本性能指标（二、基本性能指标（2）第第1 1节节 结构钢材料基本性能的要求结构钢材料基本性能的要求2.塑性塑性定义：定义：材料在外力作用下发生的不可恢复的变形材料在外力作用下发生的不可恢复的变形伸长率及其范围伸长率及其范围指标：指标：面缩率面缩率避免突发性破坏；调整峰值应力；延性耗能避免突发性破坏；调整峰值应力；延性耗能意义：意义：