钢结构材料课件.ppt
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1、 钢结构的材料 2 钢结构的材料钢结构的材料本章内容本章内容:(1)钢材的破坏形式钢材的破坏形式 (2)钢材的主要机械性钢材的主要机械性 (3)影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素 (4)钢的种类和钢材规格钢的种类和钢材规格本章重点本章重点:钢材的主要机械性能、各种因素对钢材的主要机械性能、各种因素对 钢材性能的影响钢材性能的影响本章难点本章难点:影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求钢结构的材料钢结构的材料钢材钢材对钢材的基本要求:对钢材的基本要求:1、具有较高的抗拉强度具有较高的抗拉强度 fu和屈服点和屈服点 fy(结构的承载结构的承载力
2、大,所需的截面小,结构的自重轻力大,所需的截面小,结构的自重轻).).2、具有较好的塑性、韧性具有较好的塑性、韧性(塑性好,不易发生脆性破塑性好,不易发生脆性破坏;韧性好,利于承受动力荷载坏;韧性好,利于承受动力荷载).).3、良好的工艺性能良好的工艺性能(包括冷加工、热加工以及焊接性包括冷加工、热加工以及焊接性能能)4 4、容易生产,价格便宜。容易生产,价格便宜。钢结构设计规范钢结构设计规范(GB500172002)推荐的普推荐的普通碳素结构钢通碳素结构钢Q235钢和低合金高强度结构钢钢和低合金高强度结构钢Q345、Q390及及Q420是符合上述要求的。是符合上述要求的。选用选用GB5001
3、7规范还未推荐的钢材时,需有可靠依规范还未推荐的钢材时,需有可靠依据。以确保钢结构的质量。据。以确保钢结构的质量。单向拉伸时的工作性能单向拉伸时的工作性能 条件:常温、静载条件下一次拉伸2.2 钢材的主要性能钢材的主要性能 fp比例极限比例极限 fe弹性极限弹性极限 fy屈服强度屈服强度 (强度标准、设计依据强度标准、设计依据)fu抗拉强度抗拉强度(最大承载强度、强度储备最大承载强度、强度储备)一、一、强度强度图图2.1 碳素结构钢的应力碳素结构钢的应力-应变关系应变关系1.1.比例极限比例极限f fP P 这是应力这是应力-应变图中直线段的最大应力值。严格地说,应变图中直线段的最大应力值。严
4、格地说,比比f f P P略高处还有弹性极限,但弹性极限与略高处还有弹性极限,但弹性极限与f fP P极其接近,所极其接近,所以通常略去弹性极限的点,把以通常略去弹性极限的点,把f fP P看做是弹性极限。看做是弹性极限。2.2.屈服点屈服点f fy y 应变应变 在在f fP P之后不再与应力成正比,而是渐渐加大,应之后不再与应力成正比,而是渐渐加大,应力力-应变间成曲线关系,一直到屈服点。应变间成曲线关系,一直到屈服点。3.3.抗拉强度抗拉强度f fu u 屈服平台之后,应变增长时又需有应力的增长,但相屈服平台之后,应变增长时又需有应力的增长,但相对地说对地说 应变增加得快,呈现曲线关系直
5、到最高点。应变增加得快,呈现曲线关系直到最高点。n n屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性,其意义是屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性,其意义是屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性,其意义是屈服点是建筑钢材的一个重要力学特性,其意义是:1 1作为结构计算中材料强度标准,或材料抗力标准。应力达作为结构计算中材料强度标准,或材料抗力标准。应力达到到f fy y时的应变与时的应变与f fP P时的应变较接近,可以认为应力达到时的应变较接近,可以认为应力达到f fy y时时为弹性变形的终点。同时,达到为弹性变形的终点。同时,达到f fy y 后在一个较大的应变范后在一个较大的应变范围内应力不会继续增加,表
6、示结构一时丧失继续承担更大围内应力不会继续增加,表示结构一时丧失继续承担更大荷载的能力,故此以荷载的能力,故此以f fy y作为弹性计算时强度的标准。作为弹性计算时强度的标准。2 2形成理想弹塑性体的模型,为发展钢结构计算理论提供基形成理想弹塑性体的模型,为发展钢结构计算理论提供基础。础。f fy y之前,钢材近于理想弹性体,之前,钢材近于理想弹性体,f fy y之后,塑性应变范围之后,塑性应变范围很大而应力保持不增长,所以接近理想塑性体。因此,可很大而应力保持不增长,所以接近理想塑性体。因此,可以用两根直线的图形作为理想弹塑性体的应力以用两根直线的图形作为理想弹塑性体的应力-应变模型。应变模
7、型。伸长率5和10 伸长率是断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比。取圆形试件直径d的五倍或十倍为标定长度,其相应的伸长率用5和10表示,伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形的能力。结构制造时,这种能力使材料经受剪切、冲压、弯曲及锤击所产生的局部屈服而无明显损坏。屈服点、抗拉强度和伸长率,是钢材的三个重要力学性能指标。钢结构中所采用的钢材都应满足钢结构设计规范对这三项力学性能指标的要求。延伸率(塑性性能)延伸率(塑性性能)二、塑性二、塑性:在:在静力荷载静力荷载作用下,作用下,钢材吸收钢材吸收变形能变形能的能力。的能力。三、三、冷弯性能冷弯性能 冷弯性能冷弯性能是检验钢材弯是检验钢材弯曲变形能
8、力或塑性性能,还曲变形能力或塑性性能,还是显示是显示钢材内部缺陷钢材内部缺陷状况的状况的一项指标;是鉴定钢材在一项指标;是鉴定钢材在弯弯曲状态曲状态下下塑性应变塑性应变能力和钢能力和钢材质量的综合指标。材质量的综合指标。图图2.3 钢材冷弯试验示意图钢材冷弯试验示意图四、四、冲击韧性冲击韧性 韧韧性性是是钢钢材材抵抵抗抗冲冲击击荷荷载载的的能能力力,它它用用材材料料在在断断裂裂时时所所吸吸收收的的总总能能量量来来量量度度(C Cv v)。韧韧性性是是钢钢材材强强度度和和塑塑性性的的综合指标。综合指标。冲击韧性冲击韧性:在:在动力荷动力荷载载作用下,材料吸收作用下,材料吸收能量能量的能力。的能力
9、。图图2.4 冲击韧性试验冲击韧性试验碳碳C C:必须元素,含量增加,钢材强度提高,而塑含量增加,钢材强度提高,而塑 性、韧性和疲劳强度低。同时焊接性能和抗腐蚀性恶化。性、韧性和疲劳强度低。同时焊接性能和抗腐蚀性恶化。一般在碳素结构钢中不应超过一般在碳素结构钢中不应超过0.22%;在焊接结构中还;在焊接结构中还应低于应低于0.2%。硅硅SiSi:是一种强脱氧剂,是一种强脱氧剂,碳素结构钢中应控制碳素结构钢中应控制0.3%,在在低合金高强度钢中硅的含量可达低合金高强度钢中硅的含量可达0.55%。适量的硅可提适量的硅可提高钢材的强度,而对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性无高钢材的强度,而对塑性、韧性、
10、冷弯性能和可焊性无明显不良影响明显不良影响锰锰MnMn:锰是一种弱脱氧剂,锰是一种弱脱氧剂,含含MnMn适量使强度适量使强度,降低,降低S S、O O的热脆影响,改善热加工性能,对其它性能影响不大的热脆影响,改善热加工性能,对其它性能影响不大,有益有益.在碳素结构钢中锰的含量为在碳素结构钢中锰的含量为0.3%0.8%,在低合,在低合金高强度钢中锰的含量可达金高强度钢中锰的含量可达1.0%1.6%。硫硫S S:降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度,降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度,在高温时,使钢材变脆,称之为热脆。含量在高温时,使钢材变脆,称之为热脆。含量 应不超过应不超过0.045%。
11、(有害成分有害成分)磷磷P P:降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度,降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度,在低温时,使钢材变脆,称之为冷脆。含量在低温时,使钢材变脆,称之为冷脆。含量 应不超过应不超过0.045%。可以提高强度和抗锈蚀。可以提高强度和抗锈蚀 性。性。(有害成分有害成分)氧氧O O:降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度,降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度,在高温时,发生热脆。在高温时,发生热脆。(有害成分有害成分)氮氮N N:降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度,降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度,在低温时,发生冷脆。在低温时,发生冷脆。(有害成分有害成分)二、
12、二、冶炼与轧制冶炼与轧制 冶炼(脱氧)冶炼(脱氧)图图2.5 钢锭剖面钢锭剖面缩孔保温帽(a)沸腾钢 (b)镇静钢n n1 1冶炼冶炼n n 钢材的冶炼方法主要有平炉炼钢、氧气顶吹转炉炼钢材的冶炼方法主要有平炉炼钢、氧气顶吹转炉炼钢、碱性侧吹转炉炼钢及电炉炼钢。在建筑钢结构中,主钢、碱性侧吹转炉炼钢及电炉炼钢。在建筑钢结构中,主要使用氧气顶吹转炉生产的钢材。要使用氧气顶吹转炉生产的钢材。n n 冶炼这一冶金过程形成钢的化学成分与含量、钢的冶炼这一冶金过程形成钢的化学成分与含量、钢的金相组织结构,不可避免地存在冶金缺陷,从而确定不同金相组织结构,不可避免地存在冶金缺陷,从而确定不同的钢种、钢号及
13、其相应的力学性能。的钢种、钢号及其相应的力学性能。n n2 2浇铸浇铸n n 把熔炼好的钢水浇铸成钢锭或钢坯有两种方法,一把熔炼好的钢水浇铸成钢锭或钢坯有两种方法,一种是浇入铸模做成钢锭,另一种是浇入连续浇铸机做成钢种是浇入铸模做成钢锭,另一种是浇入连续浇铸机做成钢坯。铸锭过程中因脱氧程度不同,最终成为镇静钢、半镇坯。铸锭过程中因脱氧程度不同,最终成为镇静钢、半镇静钢与沸腾钢。静钢与沸腾钢。n n 钢在冶炼及浇铸过程中会不可避免地产生冶金缺陷。钢在冶炼及浇铸过程中会不可避免地产生冶金缺陷。常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔及裂纹等等。常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔及裂纹等等。这些缺
14、陷都将影响钢的力学性能。这些缺陷都将影响钢的力学性能。偏析:钢中化学成分分布不均匀,主要的偏析是硫、磷,将偏析:钢中化学成分分布不均匀,主要的偏析是硫、磷,将偏析:钢中化学成分分布不均匀,主要的偏析是硫、磷,将偏析:钢中化学成分分布不均匀,主要的偏析是硫、磷,将使偏析区钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。使偏析区钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。使偏析区钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。使偏析区钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。非金属夹杂:非金属夹杂:非金属夹杂:非金属夹杂:钢材中存在非金属化合物(硫化物、氧化物),钢材中存在非金属化合物(硫化物、氧化物),钢材中存在非金属化合物(硫化物、氧化物),钢材中存在非
15、金属化合物(硫化物、氧化物),使钢材性能变脆。使钢材性能变脆。使钢材性能变脆。使钢材性能变脆。裂纹、分层:裂纹、分层:裂纹、分层:裂纹、分层:浇注时的非金属夹杂物在轧制中可能造成钢材浇注时的非金属夹杂物在轧制中可能造成钢材浇注时的非金属夹杂物在轧制中可能造成钢材浇注时的非金属夹杂物在轧制中可能造成钢材的分层,影响钢材的冷弯性能。的分层,影响钢材的冷弯性能。的分层,影响钢材的冷弯性能。的分层,影响钢材的冷弯性能。注意:注意:薄钢板的薄钢板的强度比厚钢板的强度比厚钢板的强度高。强度高。轧棍图图2.6 钢的轧制使晶粒细化钢的轧制使晶粒细化3轧制 钢材的轧制能使金属的晶粒变细,也能使气泡、裂纹等焊合,
16、因而改善了钢材的力学性能。薄板因辊轧次数多,其强度比厚板略高、浇铸时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层,所以分层是钢材(尤其是厚板)的一种缺。设计时应尽量避免拉力垂直于板面的情况,以防止层间撕裂。n n4 4热处理热处理n n 热处理的目的在于取得高强度的同时能够保持良好热处理的目的在于取得高强度的同时能够保持良好的塑性和韧性。的塑性和韧性。n n正火属于最简单的热处理:把钢材加热至正火属于最简单的热处理:把钢材加热至850900 oC850900 oC并并保持一段时间后在空气中自然冷却,即为正火。如果钢材保持一段时间后在空气中自然冷却,即为正火。如果钢材在终止轧制时温度正好控制在上述温度
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