第4章钢结构材料.ppt

第4章钢结构材料,4.1钢结构对材料的要求4.2钢材的破坏形式4.3钢材的主要性能4.4影响钢材性能的因素4.5建筑钢材的种类、规格及选用,本章内容：,4.1钢结构对材料的要求,钢材种类繁多，规格、用途也不相同，对建筑结构用钢来说，应具有下列性能：1.较高的强度。即抗拉强度fu和屈服点fy比较高。结构的承载力大，所需的截面小，结构的自重轻。2.足够的变形能力。即较好的塑性和韧性。塑性好，不易发生脆性破坏；韧性好，利于承受动力荷载。3.良好的加工性能。适合冷、热加工，良好的可焊性。,4.适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀)以及重复荷载作用等的性能。5.容易生产，价格便宜。据以上要求,钢结构设计规范GB50017-2003推荐的钢材：普通碳素结构钢：Q235钢低合金高强度结构钢：Q345、Q390和Q420钢,塑性破坏：超过屈服点fy即有明显的塑性变形产生，达到抗拉强度fu时将在很大变形情况下断裂;脆性破坏：没有塑性变形或在塑性变形很小时即发生破坏。,塑性破坏和脆性破坏,4.2钢材的破坏形式,包括拉伸性能、冷弯性能、冲击韧性和可焊性等。,4.3钢材的主要性能,4.3.1钢材在单向拉伸时的工作性能,条件：常温、静载条件下一次拉伸,图4-1钢材的单向一次拉伸应力-应变曲线,钢材标准试件,拉力试验机,主要力学指标,比例极限fP屈服点fy抗拉强度fu伸长率5和10,图4-1钢材的单向一次拉伸应力-应变曲线,屈服点,作为结构计算中材料强度标准，或材料抗力标准。理想弹塑性体的模型。,图4-2理想弹塑性体的应力-应变模型,图4-3钢材的名义屈服点,伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形的能力。伸长率是指试件被拉断后原标距的伸长值与原标距之比的百分数，即,伸长率5或10,式中l1试件拉断后标距间长度；l0试件原标距长度。,4.3.2冷弯性能,根据试样厚度（a），按规定的弯心直径(d)将试样弯曲180，其表面及侧面无裂纹或分层,Q235:纵向试样横向试样16a60mmd=ad=1.5a60a100d=2ad=2.5a100a150d=2.5ad=3a,表示的性能：材料塑性变形能力冶金质量,4.3.3冲击韧性,韧性是钢材断裂时吸收机械能能力的量度测量方法梅氏（MesnageU-notch）：ak(J/cm2)夏比（CharpyV-notch）：Akv或Cv(J),图4-5夏比V型缺口冲击试验和标准试件,钢材质量等级环境温度CVN冲击功-A不要求-B2027JQ235-C027J-D-2027J-A不要求-B2034JQ345-C034J-D-2034J-E-4027J,钢材冲击韧性要求,可焊性,采用一般焊接工艺就可完成合格的(无裂纹的)焊缝的性能。钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。碳含量在0.120.20范围内的碳素钢，可焊性最好。碳含量再高可使焊缝和热影响区变脆。,4.3.4钢材在复杂应力状态下的屈服条件,根据形状改变比能理论，三向应力：,以主应力表示,为塑性状态；,为弹性状态。,图4-6复杂应力状态,平面应力状态,当只有正应力和剪应力时,当承受纯剪时,钢结构设计规范确定钢材抗剪设计强度为抗拉设计强度的0.58倍。,4.4影响钢材性能的因素,钢是含碳量小于2%的铁碳合金，碳大于2%时为铸铁。制造钢结构所用的材料有碳素结构钢中的低碳钢及低合金结构钢。基本成份为Fe，碳钢中含量占99，碳及杂质元素约占1%。1.碳（C）：含C使强度塑性、韧性、可焊性，应控制在0.22%，焊接结构应控制在0.20%。2.硫（S）：含量使强度塑性、韧性、性能冷弯、可焊性；高温时使钢材变脆热脆现象。3.磷（P）：低温时使钢材变脆冷脆现象；其它同S；,4.4.1化学成分的影响,4.氧（O）、氮（N）：O同S；N同P，控制含量0.008%。5.锰（Mn）：含量增加，使强度降低S、O的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大，有益。6.硅（Si）：含Si适量使强度，塑性、韧性、性能冷弯、可焊性影响不大，有益，应控制0.120.3%。7.钒（V）、铌（Nb）、钛（Ti）：使强度、保持良好的塑性、韧性；8.铝（Al）、铬（Cr）、镍（Ni）：铝是强脱氧剂，铬、镍使强度；,常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔及分层等。偏析：是指钢中化学成分分布不均匀，特别是硫、磷偏析严重恶化钢材的性能；非金属夹杂：是指钢中含有硫化物、氧化物等杂质；气孔：是浇注钢锭时，由于氧化铁与碳作用所生成的一氧化碳不能充分逸出而滞留在钢锭内形成的微小孔洞。这些缺陷都将降低钢材的性能。非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层，分层使钢材沿厚度受拉的性能大大降低。,4.4.2冶金缺陷,4.4.3钢材的硬化,1.冷作硬化(应变硬化)2.时效硬化,根据其机理不同，钢材的硬化又可分为冷作硬化和时效硬化两类。,4.4.4温度的影响,温度的影响正温范围正温范围总的趋势是随着温度的升高，钢材强度、弹性模量降低，变形增大。,250有兰脆现象260320有徐变现象,图4-8温度对低碳钢性能的影响,温度转变区,负温范围,fy与fu都增高但塑性变形能力减小，因而材料转脆，对冲击韧性的影响十分突出。,图4-9冲击功Cv与温度的关系,在缺陷或截面变化处附近，应力线曲折、密集、出现高峰应力的现象称为应力集中。,4.4.5应力集中的影响,孔洞、缺口处的应力集中,图4-10孔洞、缺口处的应力集中,双向应力三向应力,疲劳断裂的概念疲劳断裂是微观裂缝在连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。,裂纹的形成缓慢扩展迅速扩展,4.4.6反复荷载作用,特点：截面上的应力低于材料的抗拉强度，甚至低于屈服强度。破坏时塑性变形极小，是一种没有明显变形的突然破坏，属于脆性破坏。,断口示意,4.5建筑钢材的种类、规格及选用,钢种：碳素结构钢、低合金高强度结构钢钢号：Q+屈服强度+质量等级+脱氧程度1.碳素结构钢Q195、Q215A及B，Q235A、B、C及D，Q255A及B、Q275等质量等级：AD质量等级由低高，区别：冲击韧性（CVN）、冷弯性能。,4.5.1建筑钢材的种类,冲击韧性（CVN）：Q235A：不要求Q235B：常温（205）27JQ235C：027JQ235D：-2027J冷弯性能：A级不要求；B、C和D级钢均要求冷弯性能合格。脱氧程度：Z、b、F和TZA、B：Z、b、FC：ZD：TZ,1.碳素结构钢,说明下列钢号代表的意义：Q235AQ235AbQ235AFQ235BbQ235BFQ235CQ235D,Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等质量等级：AE质量等级由低高，区别：冲击韧性（CVN）。A：不要求B：常温（205C）34JC：0C34JD：-20C34JE：-40C27J,2.低合金高强度结构钢,脱氧程度：Z和TZA、B：ZC、D和E：TZ,种类：钢板、型钢,4.5.2建筑钢材的规格,分：厚板4.560mm薄板0.354mm。图纸中钢板的表示方法：宽厚长（单位为毫米）,600123000,角钢分：等边和不等边两种等边角钢以边宽和厚度表示（单位为毫米）,10010,1.热轧钢板,2.热轧型钢,不等边角钢以两边宽和厚度表示（单位为毫米）,1008010,工字钢分:热轧普通工字钢和热轧轻型工字钢热轧普通工字钢以工字钢外廓高度表示（单位为厘米）热轧轻型工字钢以工字钢外廓高度表示（单位为厘米）,63c,32Q,热轧普通工字钢,热轧轻型工字钢,不等边角钢,槽钢分:热轧普通槽钢和热轧轻型槽钢热轧普通槽钢以槽钢外廓高度表示（单位为厘米）热轧轻型槽钢以槽钢外廓高度表示（单位为厘米）,25Q,热轧普通槽钢,热轧轻型槽钢,40a,钢管型号可用代号“D”后加“外径壁厚”表示，单位为mm：,D1006,H型钢和剖分T型钢,热轧H型钢分为三类：宽翼缘H型钢（HW）、中翼缘H型钢（HM）窄翼缘H型钢（HN）。H型钢型号的表示方法：前面是符号HW、HM、HN表示H型钢的类别，后面加“截面高度（毫米）翼缘宽度腹板厚度翼缘厚度（毫米）”。,HW3003001015,剖分T型钢也分为三类，表示方法与H型钢类同。,TN225200914,3.冷弯薄壁型钢,是用26mm厚的薄钢板经冷弯或模压而成型的。,冷弯型钢的截面形式,原则：安全可靠、满足使用、经济合理考虑因素：结构或构件的重要性；荷载性质（静载或动载）;应力状态；连接方法（焊接、铆接或螺栓连接）;工作环境（温度及腐蚀介质）。对于重要结构、直接承受动载的结构、处于低温条件下的结构及焊接结构，选用质量较高的钢材。,4.5.3建筑钢材的选用,构件钢材Q235A：不直接承受动荷载、非焊接Q235(