河北工業(yè)大學鋼結構第二章材料ppt課件

1、鋼 結 構基 本 原 理 土木工程學院2019年2019年第二學期2 鋼結構的材料鋼結構的材料本章內容本章內容: (1) 鋼結構對材料的基本要求鋼結構對材料的基本要求 (2) 鋼材的破壞形式鋼材的破壞形式 (3) 鋼材的主要機械性鋼材的主要機械性 (4) 影響鋼材性能的主要因素影響鋼材性能的主要因素 (5) 鋼的種類和鋼材規(guī)格鋼的種類和鋼材規(guī)格本章重點本章重點: 鋼材的主要機械性能、各種因素對鋼材的主要機械性能、各種因素對 鋼材性能的影響鋼材性能的影響本章難點本章難點: 影響鋼材性能的主要因素影響鋼材性能的主要因素 2.1 鋼結構對材料的要求鋼結構對材料的要求對鋼材的基本要求：對鋼材的基本要求

2、： 1、具有較高的抗拉強度、具有較高的抗拉強度 fu和屈服點和屈服點 fy (結結構的承載力大，所需的截面小，結構的自重輕構的承載力大，所需的截面小，結構的自重輕). 2、具有較好的塑性、韌性、具有較好的塑性、韌性(塑性好，不易發(fā)塑性好，不易發(fā)生脆性破壞；韌性好，利于承受動力荷載生脆性破壞；韌性好，利于承受動力荷載). 3、良好的工藝性能、良好的工藝性能(包括冷加工、熱加工以包括冷加工、熱加工以及焊接性能及焊接性能) 規(guī)范規(guī)定：承重結構的鋼材應具有抗拉強度、伸長率、屈服點和碳、硫、磷含量的合格保證；焊接結構尚應具有冷彎試驗的合格保證；對某些承受動力荷載的結構以及重要的受拉或受彎的焊接結構尚應具

3、有常溫或負溫沖擊性的合格保證.據上要求,鋼結構設計規(guī)范GB50017-2019推薦承重結構用鋼宜采用：碳素結構鋼中的Q235鋼及低合金高強結構鋼中的Q345、Q390和Q420鋼四種鋼材。2.2 鋼材的破壞形式鋼材的破壞形式1、塑性破壞：斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗。破、塑性破壞：斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗。破 壞前有明顯的變形，破壞歷時壞前有明顯的變形，破壞歷時 時間長，可以采取補救措施。時間長，可以采取補救措施。2、脆性破壞：破壞前沒有任何預兆，破壞是、脆性破壞：破壞前沒有任何預兆，破壞是 突然發(fā)生的，斷口平直并呈有突然發(fā)生的，斷口平直并呈有 光澤的晶粒狀。光澤的晶粒狀。鋼材的破壞形式：塑性破壞和脆

4、性破壞。鋼材的破壞形式：塑性破壞和脆性破壞。 在設計、施工和使用鋼結構時，注意防止脆性破壞。 鋼材的主要性能是機械性能，可通過某些試驗拉伸、冷彎、沖擊確定。2.3 鋼材的主要性能鋼材的主要性能 fp比例極限 fy屈服強度 (強度標準、設計依據) fu極限強度(最大承載強度、強度儲備)2.3.1 受拉、受壓及受剪時的性能受拉、受壓及受剪時的性能圖圖2.1 碳素結構鋼的應力碳素結構鋼的應力-應變關系應變關系條件屈服點：以卸荷后條件屈服點：以卸荷后試件中殘余應變?yōu)樵嚰袣堄鄳優(yōu)?.2 %0.2 %所對應的應力所對應的應力f0.2)f0.2)延伸率塑性性能）延伸率塑性性能）%LLL100001塑性：

5、在靜力荷載作用下，塑性：在靜力荷載作用下， 鋼材吸收變形能的能力。鋼材吸收變形能的能力。圖圖2.2 高強度鋼的應力高強度鋼的應力-應變曲線應變曲線2.3.2 冷彎性能冷彎性能 冷彎性能是檢驗鋼材彎冷彎性能是檢驗鋼材彎曲變形能力或塑性性能，還曲變形能力或塑性性能，還是顯示鋼材內部缺陷狀況的是顯示鋼材內部缺陷狀況的一項指標；是鑒定鋼材在彎一項指標；是鑒定鋼材在彎曲狀態(tài)下塑性應變能力和鋼曲狀態(tài)下塑性應變能力和鋼材質量的綜合指標。材質量的綜合指標。圖圖2.3 鋼材冷彎試驗示意圖鋼材冷彎試驗示意圖2.3.3 沖擊韌性沖擊韌性 韌性是鋼材抵抗沖韌性是鋼材抵抗沖擊荷載的能力，它用材擊荷載的能力，它用材料在斷

6、裂時所吸收的總料在斷裂時所吸收的總能量來量度能量來量度CvCv）。韌）。韌性是鋼材強度和塑性的性是鋼材強度和塑性的綜合指標。綜合指標。 沖擊韌性：在動力荷沖擊韌性：在動力荷載作用下，材料吸收能量載作用下，材料吸收能量的能力。的能力。圖圖2.4 沖擊韌性試沖擊韌性試驗驗2.4 各種因素對鋼材性能的影響各種因素對鋼材性能的影響 2.4.1 化學成分化學成分 鋼是含碳量小于鋼是含碳量小于2%2%的鐵碳合金。鋼中基本元素：的鐵碳合金。鋼中基本元素：FeFe、C C、SiSi、MnMn、S S、P P、N N、O O。 普通碳素鋼中，普通碳素鋼中， FeFe占占99%99%，其余元素占，其余元素占1%1

7、%。在。在低合金鋼中，除了上述元素外，還有一定合金元素低合金鋼中，除了上述元素外，還有一定合金元素鎳、釩、鈦等）（含量低于鎳、釩、鈦等）（含量低于5%5%） 各種元素對鋼材機械性能的影響如下。各種元素對鋼材機械性能的影響如下。碳碳C C ：含量增加，鋼材強度提高，而塑性、韌性和：含量增加，鋼材強度提高，而塑性、韌性和 疲勞強度低。同時焊接性能和抗腐蝕性惡疲勞強度低。同時焊接性能和抗腐蝕性惡 化。一般在碳素結構鋼中不應超過化。一般在碳素結構鋼中不應超過0.22 % 0.22 % ； 在焊接結構中還應低于在焊接結構中還應低于0.2 %0.2 %。硅硅SiSi：碳素結構鋼中應控制：碳素結構鋼中應控制

8、0.3 %, 0.3 %, 在低合金高強在低合金高強 度鋼中硅的含量可達度鋼中硅的含量可達0.55 %0.55 %。錳錳MnMn：含：含MnMn適量使強度適量使強度，降低，降低S S、O O的熱脆影響，的熱脆影響， 改善熱加工性能，對其它性能影響不大改善熱加工性能，對其它性能影響不大, ,有益有益. . 在碳素結構鋼中錳的含量為在碳素結構鋼中錳的含量為0.3 %0.3 %0.8 % 0.8 % ， 在低合金高強度鋼中錳的含量可達在低合金高強度鋼中錳的含量可達 1.0 % 1.0 % 1.6%1.6%。硫硫S S：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，

9、 在高溫時，使鋼材變脆，稱之為熱脆。含量在高溫時，使鋼材變脆，稱之為熱脆。含量 應不超過應不超過0.045%0.045%。( (有害成分有害成分) )磷磷P P：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度， 在低溫時，使鋼材變脆，稱之為冷脆。含量在低溫時，使鋼材變脆，稱之為冷脆。含量 應不超過應不超過0.045%0.045%?？梢蕴岣邚姸群涂逛P蝕?？梢蕴岣邚姸群涂逛P蝕 性。性。 ( (有害成分有害成分) )氧氧O O：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度， 在高溫時，發(fā)生熱脆。在高溫時，發(fā)生熱脆。 ( (有害成分

10、有害成分) )氮氮N N：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度， 在低溫時，發(fā)生冷脆。在低溫時，發(fā)生冷脆。 ( (有害成分有害成分) )釩和鈦：是鋼中的合金元素，能提高鋼的強度和釩和鈦：是鋼中的合金元素，能提高鋼的強度和 抗腐蝕性能，又不顯著降低鋼的塑性?？垢g性能，又不顯著降低鋼的塑性。銅銅 ：可顯著提高鋼的抗腐蝕性能，也可以提：可顯著提高鋼的抗腐蝕性能，也可以提 高鋼的強度，但對焊接性能有不利影響。高鋼的強度，但對焊接性能有不利影響。2.4.2 冶金缺陷冶金缺陷 在冶煉、軋制過程中常常出現的缺陷有偏析、非金屬夾雜、氣孔、裂紋和分層。冶煉脫氧）冶煉

11、脫氧）圖圖2.5 鋼錠剖面鋼錠剖面縮孔保溫帽(a)沸騰鋼 (b)鎮(zhèn)靜鋼注意：薄鋼板的注意：薄鋼板的強度比厚鋼板的強度比厚鋼板的強度高。強度高。軋制軋制軋棍圖圖2.6 鋼的軋制使晶粒細化鋼的軋制使晶粒細化0.0350.0400.0300.0350.0250.0300.0250.0250.0300.090.100.080.090.070.080.060.070.0550.060.050.0550.0450. 050.040.0450.0350.040.030. 0350.0250.030.025圖圖2.7 鋼錠中硫的偏析鋼錠中硫的偏析(a)鎮(zhèn)靜鋼錠(b)沸騰鋼錠鋼液含硫0.032%鋼液含硫0.04

12、%圖圖2.8 型鋼硫的偏析型鋼硫的偏析是硫、磷，將使偏是硫、磷，將使偏析區(qū)鋼材的塑性、析區(qū)鋼材的塑性、韌性及可焊性變壞。韌性及可焊性變壞。1.1.偏析：鋼中化學成分分布不均勻，主要的偏析偏析：鋼中化學成分分布不均勻，主要的偏析 2 2、非金屬夾雜：鋼材中存在非金屬化合物、非金屬夾雜：鋼材中存在非金屬化合物硫化物、氧化物），使鋼材性能變脆。硫化物、氧化物），使鋼材性能變脆。 3 3、裂紋、分層：澆注時的非金屬夾雜物在、裂紋、分層：澆注時的非金屬夾雜物在軋制中可能造成鋼材的分層，影響鋼材的冷彎性軋制中可能造成鋼材的分層，影響鋼材的冷彎性能。能。 冷作硬化冷作硬化當加載超過材料比例極限卸載后，出現殘

13、當加載超過材料比例極限卸載后，出現殘 余變形，再次加載則屈服點提高，塑性和余變形，再次加載則屈服點提高，塑性和 韌性降低的現象，也稱韌性降低的現象，也稱“應變硬化應變硬化”。時效硬化時效硬化隨時間的增長，碳和氮的化合物從晶體中隨時間的增長，碳和氮的化合物從晶體中 析出，使材料硬化的現象。析出，使材料硬化的現象。應變時效應變時效鋼材產生塑性變形時，碳、氮化合物更易鋼材產生塑性變形時，碳、氮化合物更易 析出。即冷作硬化的同時可以加速時效硬析出。即冷作硬化的同時可以加速時效硬 化，因此也稱化，因此也稱“人工時效人工時效”。 2.4.3 鋼材硬化鋼材硬化2.4.4 溫度影響溫度影響 溫度升高，鋼材強度

14、是降低、應變增大；反之，溫度降低，鋼材強度略有增加，塑性和韌性降低而變脆，見圖2.9。 藍脆：在藍脆：在250250度左右時，強度提高而伸長率和度左右時，強度提高而伸長率和沖擊韌性降低，鋼材表面氧化膜呈藍色，此種現象沖擊韌性降低，鋼材表面氧化膜呈藍色，此種現象稱為藍脆現象。稱為藍脆現象。 徐變：當溫度在徐變：當溫度在260320260320度時，在應力持續(xù)不度時，在應力持續(xù)不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度繼續(xù)變形，此種變的情況下，鋼材以很緩慢的速度繼續(xù)變形，此種現象稱為徐變?，F象稱為徐變。當溫度達到當溫度達到600600度時強度很低，不能承擔荷載。度時強度很低，不能承擔荷載。fufy(%) E

15、t ()圖圖2.9 溫度對鋼材機械性能的影響溫度對鋼材機械性能的影響 當溫度低于常溫時，當溫度低于常溫時，鋼材的脆性傾向隨溫度鋼材的脆性傾向隨溫度降低而增加。降低而增加。 T1T1 T2T2之間溫度轉之間溫度轉變脆性區(qū)，沖擊功急劇變脆性區(qū)，沖擊功急劇下降。而且不同的鋼材下降。而且不同的鋼材其脆性轉變區(qū)溫度不同，其脆性轉變區(qū)溫度不同，必須通過試驗確定。使必須通過試驗確定。使用溫度必須高于用溫度必須高于T1T1，但，但不一定高于不一定高于T2T2。圖圖2.10 沖擊韌性與溫度的關系曲沖擊韌性與溫度的關系曲線線2.4.5 應力集中應力集中 構件上孔洞、刻槽、凹角、裂紋以及截面厚度構件上孔洞、刻槽、凹

16、角、裂紋以及截面厚度或寬度改變等部位，在力作用下，該處出現高峰應或寬度改變等部位，在力作用下，該處出現高峰應力，而其它部位應力較低，截面應力分布不均勻現力，而其它部位應力較低，截面應力分布不均勻現象象應力集中。應力集中。應力集中系數應力集中系數 : :maxk 應力集中是造成構件脆性破壞的主要原因之一。應力集中是造成構件脆性破壞的主要原因之一。應力集中系數越大，變脆的傾向越嚴重。應力集中系數越大，變脆的傾向越嚴重。圖圖2.11 孔洞及槽孔處的應力集中孔洞及槽孔處的應力集中2.4.6 反復荷載作用反復荷載作用疲勞破壞疲勞破壞: : 鋼材在直接的反復的動力荷載作用下，鋼材的強鋼材在直接的反復的動力

17、荷載作用下，鋼材的強度將降低，即低于一次靜力荷載作用下的拉伸試驗的度將降低，即低于一次靜力荷載作用下的拉伸試驗的極限強度，這種現象稱為疲勞。疲勞破壞表現為突然極限強度，這種現象稱為疲勞。疲勞破壞表現為突然發(fā)生的脆性斷裂。發(fā)生的脆性斷裂。 鋼材在反復荷載作用下，結構的抗力及性能都會發(fā)生重要變化，甚至發(fā)生疲勞破壞。為防止脆性破壞，在設計、制造及使用中應注意為防止脆性破壞，在設計、制造及使用中應注意: : 合理設計合理設計 正確制造正確制造 正確使用正確使用2.5 復雜應力作用下鋼材的屈服條件 在單軸應力作用下在單軸應力作用下 時時鋼材屈服，構件由彈性工作狀鋼材屈服，構件由彈性工作狀態(tài)轉為塑性工作狀

18、態(tài)。態(tài)轉為塑性工作狀態(tài)。在多軸應力作用下鋼材的屈服在多軸應力作用下鋼材的屈服條件不能以某一軸向應力超過條件不能以某一軸向應力超過某屈服點來判別，而是按材料某屈服點來判別，而是按材料力學的能量強度理論計算折算力學的能量強度理論計算折算應力與鋼材在單軸應力作用下應力與鋼材在單軸應力作用下的比較判斷。的比較判斷。yf圖圖2.12 復雜應復雜應力力當用應力分量表示時：當用應力分量表示時： )( 3)(222222zxyzxyxzzyyxzyxred當用主應力表示時：當用主應力表示時： 21323222121red在普通梁中，一般只存在正應力和剪應力：在普通梁中，一般只存在正應力和剪應力： 223red

19、 （1當三個主應力同號且數值接近時，即使很大，但鋼材很難屈服，發(fā)生脆性破壞。 （2有異號應力，且同號兩個應力差較大，即便 ，但 可能大于 ，發(fā)生塑性破壞。yfredyf 純剪： 23redyyff58. 03討論：討論：2.7 鋼材的種類和規(guī)格鋼材的種類和規(guī)格 按按 用用 途：結構鋼、工具鋼、特殊鋼途：結構鋼、工具鋼、特殊鋼( (如不銹鋼等如不銹鋼等) )。按冶煉方法：轉爐鋼、平爐鋼。按冶煉方法：轉爐鋼、平爐鋼。按脫氧方法：沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼。按脫氧方法：沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼。按成型方法：軋制鋼、鍛鋼、鑄鋼。按成型方法：軋制鋼、鍛鋼、鑄鋼。按化學成分：碳素鋼、合金鋼。按化學成分：

20、碳素鋼、合金鋼。在建筑工程中采用的是：在建筑工程中采用的是：碳素結構鋼、低合金高強度結構鋼、優(yōu)質碳素結構鋼。碳素結構鋼、低合金高強度結構鋼、優(yōu)質碳素結構鋼。2.7.1 鋼材的種類鋼材的種類 鋼的牌號有四部分組成：鋼的牌號有四部分組成： 1 1、QQ代表屈服強度的字母；代表屈服強度的字母； 2 2、屈服點的數值、屈服點的數值195195、215215、235235、275275、295295、345345、390 390 、420420、460460等；等； 3 3、質量等級符號、質量等級符號 A A、B B、C C、D D四個等級四個等級( (碳素結構鋼碳素結構鋼) ) A A、B B、C C

21、、D D、E E五個等級低合金高強度結五個等級低合金高強度結構鋼）構鋼） 4 4、脫氧方法符號、脫氧方法符號FF代表沸騰鋼、代表沸騰鋼、b b代代表半鎮(zhèn)靜鋼、表半鎮(zhèn)靜鋼、z z代表鎮(zhèn)靜鋼、代表鎮(zhèn)靜鋼、TzTz代表特殊鎮(zhèn)靜代表特殊鎮(zhèn)靜鋼。鋼。優(yōu)質碳素結構鋼優(yōu)質碳素結構鋼 主要用于鋼結構某些節(jié)點或用作連接件。主要用于鋼結構某些節(jié)點或用作連接件。建筑結構用鋼板建筑結構用鋼板 高性能建筑結構鋼材高性能建筑結構鋼材(GJ(GJ鋼鋼) )，牌號由以下組成：，牌號由以下組成： 1 1、QQ代表屈服強度的字母；代表屈服強度的字母； 2 2、屈服點的數值；、屈服點的數值； 3 3、代表高性能建筑結構用鋼的漢語拼

22、音字母、代表高性能建筑結構用鋼的漢語拼音字母GJGJ； 4 4、質量等級符號、質量等級符號BB、C C、D D、E E四個等級四個等級 對于厚度方向性能鋼板，在質量等級后面加上厚度對于厚度方向性能鋼板，在質量等級后面加上厚度方向性能級別方向性能級別Z15Z15、Z25Z25、Z35 Z35 ）。）。 適用于建造高層建筑結構、大跨度結構及其他重要適用于建造高層建筑結構、大跨度結構及其他重要建筑結構。建筑結構。確定鋼材種類及其質量等級。確定鋼材種類及其質量等級。鋼材的選用原則鋼材的選用原則 1 1、結構的重要性、結構的重要性 安全等級不同，所選鋼材的質量等級也應不安全等級不同，所選鋼材的質量等級也

23、應不同，同，重要的結構構件選用質量好的鋼材。重要的結構構件選用質量好的鋼材。 2 2、荷載特征、荷載特征 荷載為靜力或動力荷載，應選用各項性能不荷載為靜力或動力荷載，應選用各項性能不同的鋼材。同的鋼材。2.7.2 鋼材的選擇鋼材的選擇 3 3、連接方法、連接方法 焊接應選擇可焊性好的鋼材。焊接應選擇可焊性好的鋼材。 非焊接結構對含碳量可降低要求。非焊接結構對含碳量可降低要求。 4 4、結構所處的溫度和環(huán)境、結構所處的溫度和環(huán)境 處于負溫下工作時，選用負溫沖擊合格的鋼材，處于負溫下工作時，選用負溫沖擊合格的鋼材，結構周圍有腐蝕介質存在時要選用抗銹性好的鋼材。結構周圍有腐蝕介質存在時要選用抗銹性好的鋼材。 5 5、鋼材的厚度、鋼材的厚度 厚度大焊接結構應采用材質較好的鋼材。厚度大焊接結構應采用材質較好的鋼材。 承重結構的鋼材應具有抗拉強度、伸長率、屈服點和硫、磷的極限含量。 焊接承重結構以及重要的非焊接承重結構的鋼材尚應具有冷彎試驗的合格保證。 對需要驗算疲勞以及主要的受拉或受彎的焊接結構的鋼材，應具有常溫或負溫沖擊性的合格保證.鋼材選擇的建議：鋼材選擇的建議：鋼結構采用的型材有：鋼結構采用的型材