第二章材料学习.pptx

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1、两种性质完全不同的破坏形式：塑性破坏（ductilefracture）破坏前有较大变形，有预兆，断裂时断口呈纤维状，色泽发暗脆性破坏（brittlefracture）破坏前无明显变形，无预兆，断裂时断口平齐，呈有光泽的晶粒状2-2 钢材的破坏形式脆性破坏没有任何预兆，破坏速度极快，无法察觉和补救，且一旦发生常引发整个结构的破坏，后果严重，故在钢结构的设计、施工和使用过程中，要特别注意防止发生脆性破坏 第1页/共34页单向均匀拉伸试验2-3 钢材的主要性能n受拉、压、剪时的性能荷载变形（FL）曲线应力应变（）曲线第2页/共34页钢材应力应变（）曲线v强度性能程希望您 学有所用理想弹塑性体应力应变

2、（）曲线第3页/共34页v塑性性能钢材的塑性：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 伸长率伸长率：试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的 百分数根据试件原标距长度 l0与试件中间部分的直径d0 的比值为10或5而分为10或5 断面收缩率：断面收缩率：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 第4页/共34页指钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标n冷弯性能第5页/共34页钢材在塑性变形和断裂的过程中吸收能量的能力，表示钢材抵抗冲击荷载的能力钢材强度与塑性的综合

3、表现n冲击韧性第6页/共34页n化学成分2-4 各种因素对钢材 主要性能的影响 铁：钢的基本元素，普通碳素钢中占99%碳：碳含量增加，提高钢材强度，降低塑性、韧性、耐腐蚀性、疲劳强度和冷弯性能，恶化钢材可焊性硅、锰：脱氧剂，提高钢材强度钒、钛：提高钢的强度和抗腐蚀性 硫、磷：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，分别加剧热脆和冷脆，磷能提高强度和抗锈性氧、氮：分别加剧热脆和冷脆铜：降低可焊性，提高钢的强度和抗腐蚀性第7页/共34页偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹及分层n冶金缺陷冷作硬化：钢结构在冷加工过程中使钢材产生很大塑性变形，引起强度提高，塑性、韧性降低时效硬化（老化）：随着时间的增长，纯铁

4、体中残留的碳、氧固溶物质逐步析出，形成自由的碳化物或氧化物微粒，约束纯铁体的塑性变形，强度提高，塑性、韧性下降应变时效:即应变硬化后又加时效硬化 n钢材硬化第8页/共34页总趋势：温度升高，钢材强度降低，应变增大；温度降低，钢材强度略有增加，塑性和韧性降低而变脆约在200C以内，温度升高，钢材力学性能变化不大250C左右时，钢材抗拉强度提高，塑性、韧性下降，表面氧化膜呈蓝色蓝脆现象260C320C时，应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形徐变现象温度在430C-540C之间，屈服点和极限强度显著下降，达到600C时强度几乎等于零在负温范围内，钢材的冲击韧性突然急剧下降，试件断口属脆性

5、破坏冷脆现象（脆性转变温度区钢材由韧性状态向脆性状态转变的温度区）n温度影响第9页/共34页多向同号应力场作用下，一向的变形受到另一向的限制，钢材强度增加，塑性、韧性下降，异号应力场时则相反钢结构构件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化、内部缺陷等使一些区域产生局部高峰应力应力集中现象n复杂应力与应力集中第10页/共34页第11页/共34页钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能会发生重要变化疲劳（fatigue）：钢材在连续交变荷载作用下，会逐渐累积损伤、产生裂纹及裂纹逐渐扩展，以至断裂的现象强度低于极限强度fu甚至低于屈服强度fy，脆性断裂n反复荷载作用第12页/共34页疲劳破

6、坏特征突然性，破坏前没有明显的宏观塑性变形，属于脆性断裂断口与一般脆性断口不同，可分为三个区域：裂纹源、裂纹扩展区和断裂区对缺陷（包括缺口、裂纹及组织缺陷等）十分敏感2-6 钢材的疲劳 第13页/共34页疲劳的两种类型：常幅疲劳常幅交变荷载引起常幅循环应力（简称循环应力）变幅疲劳变幅交变荷载变幅循环应力（简称变幅应力）第14页/共34页应力循环特征（应力比）按绝对值计算的最小应力和最大应力之比（拉应力取正值，压应力取负值）-1 完全对称循环0 脉冲循环-10 不完全对称循环 （以拉应力为主或以压应力为主）影响扎制钢材与非焊接结构疲劳强度的因素：最大应力、应力比、循环次数、缺口效应n常幅疲劳第1

7、5页/共34页对焊接结构的疲劳强度与非焊接结构存在根本差别的原因：由于焊接加热及随后的冷却，在焊缝及其附近产生残余应力，使该部位形成和发展疲劳裂纹最为敏感的区域焊接结构疲劳强度与名义应力和应力比无关而与应力幅有关第16页/共34页n常幅疲劳验算对焊接结构焊接部位的常幅疲劳验算：（2.10）（2.9）第17页/共34页公式2.9中八类构件和连接形式的N曲线参数、C的确定第18页/共34页对焊接结构非焊接部位 及非焊接结构的常幅疲劳验算：（2.11）取0下限值k由试验数据统计取0.7第19页/共34页Miner线性累积损伤准则（linearcumulativedamagecriteria）设某个构

8、件或连接的设计应力谱由若干个不同应力幅水平i的常幅循环应力组成，各应力幅水平i所对应的循环次数为ni，相对的疲劳寿命为Ni，Miner的线性累积损伤准则为：n变幅疲劳（2.12）第20页/共34页任一级应力幅水平公式（2.14）设有等效应力幅e循环ni次使同一结构发生疲劳破坏，则有：（2.15）（2.16）第21页/共34页吊车梁是钢结构中变幅疲劳工作的典型构件令efmax （f 变幅荷载的欠载效应系数）规范给出了2106循环次数的f 重级工作制硬钩吊车f 1.0重级工作制吊车f 0.8中级工作制吊车f 0.5吊车梁疲劳验算以常幅疲劳方式验算：n吊车梁变幅疲劳验算（2.18）第22页/共34页

9、疲劳验算用容许应力设计方法，疲劳强度按容许应力幅计算，荷载采用标准值，不考虑荷载分项系数和动力系数，应力按弹性工作计算规范中提出的疲劳强度是以试验为依据的，当遇到规范规定的8种以外的连接构造时，应进行专门的研究，套用相近的连接类别或通过相应的疲劳试验确定疲劳强度在应力循环中不出现拉应力的部位可不必疲劳验算疲劳容许应力幅与钢种无关n疲劳强度计算注意事项第23页/共34页按用途分：结构钢（又分为建筑用钢和结构用钢）、工具钢、特殊钢按冶炼方法分：转炉钢、平炉钢按脱氧程度分：沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、镇静钢（Z）、特殊镇静钢（TZ）按成型方法分：轧制钢（冷轧、热轧）、锻钢、铸钢按化学成分分：碳素钢

10、、合金钢（建筑工程中采用碳素结构钢、低合金高强度结构钢、优质碳素结构钢）2-7 钢材的种类和规格 n钢的种类第24页/共34页碳素结构钢：根据化学成分和冲击韧性的不同，由低到高划分为A、B、C、D4个质量等级钢牌号Q（代表屈服点）屈服点数值质量等级符号脱氧方法符号共有Q195、Q215、Q235、Q255和Q27五种牌号，钢结构一般仅用Q235低合金高强度结构钢：含碳量均不大于0.20，强度的提高主要依靠添加少量几种合金元素来达到，合金元素总量低于5共有Q295、Q345、Q390、Q420和Q460五种牌号Q345、Q390和Q420均按化学成分和冲击韧性由低到高划分为A、B、C、D、E共5

11、个质量等级第25页/共34页优质碳素结构钢：碳素结构钢的主要区别在于钢中含杂质元素较少，磷、硫等有害元素的含量均不大于0.035，其它缺陷的限制也较严格，具有较好的综合性能共有两大类：普通含锰量的钢和较高含锰量的钢由于价格较高，钢结构中使用较少，仅用经热处理的优质碳素结构钢冷拔高强钢丝或制作高强螺栓、自攻螺钉等第26页/共34页n钢材的选择总的原则：安全可靠经济合理需考虑因素：结构的重要性荷载情况连接方法结构所处的温度和环境钢材厚度v选用原则第27页/共34页承重结构采用的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量的合格保证焊接结构应保证碳的极限含量焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采

12、用的钢材应具有冷弯试验的合格保证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的冲击韧性合格保证v选用建议第28页/共34页钢结构所用钢材主要有：热轧钢板、热轧型钢、冷轧薄钢板、冷弯薄壁型钢热轧钢板符号“”“宽度厚度”厚钢板：厚度4.560mm，宽度6003000mm，长度412m用做大型实腹式梁柱翼缘、腹板薄钢板：厚度0.354mm，宽度5001500mm，长度0.54m用于制作冷弯薄壁型钢扁钢：厚度460mm，宽度12200mm，长度39m焊接组合梁柱翼缘板，各种连接板、加劲肋等n钢材的规格第29页/共34页热轧型钢角钢：等边角钢不等边角钢等边（等肢）符号“L”“边长厚度”不等边（

13、不等肢）符号“L”“长边宽短边宽厚度”主要用来制作桁架等格构式结构的杆件和支撑等连接杆件第30页/共34页工字钢：工字钢 H型钢及剖分T型钢工字钢符号“I”号数（截面高cm）类别（a、b、c腹板厚度）H型钢符号“HW、HM、HN”“高H宽B腹板厚t1翼缘t2”T型钢符号“TW、TM、TN”“高H宽B腹板厚t1翼缘t2”第31页/共34页槽钢：普通槽钢 轻型槽钢 表示方法符号“”号数（截面高cm）类别（a、b、c腹板厚度）适于作檩条等双向受弯的构件，也可用其组成组合或格构式构件钢管 无缝钢管 焊接钢管表示方法符号“”“外径厚度”常用作桁架、网架、网壳等平面和空间格构式结构的杆件；在钢管混凝土柱中也有广泛的应用 第32页/共34页冷扎薄钢板冷弯薄壁型钢：采用0.41.6mm的薄钢板经辊压成型的压型钢板和采用1.56mm厚的钢板经冷弯和辊压成型的型材，其截面形式和尺寸均可按受力特点合理设计，能充分利用钢材的强度、节约钢材 钢压型钢板 冷弯薄壁型钢广泛地应用于国内外轻钢建筑结构中或用作轻型屋面及墙面等构件第33页/共34页感谢您的观看！第34页/共34页