钢结构设计_王小平_讲稿2钢结构的材料

1、Chapter 2 Material of Steel Structures 钢结构的材料钢结构的材料2.1 Steel Properties2.3 Failure Modes of Steels2.2 Factors to Influence Steel Properties2.4 Structural Steel Products 较高的抗拉强度和屈服强度较好的塑性和韧性良好的工艺性能结构承载能力高安全储备高自重轻结构在静载和动载下有足够的变形能力减轻脆性破坏的倾向调整局部高峰应力易于加工成各种形式的结构且不至因加工对结构的受力性能造成较大不利影响钢结构对材料的要求2.1 Steel Pr

2、operties 钢材的性能2.1.1 Steel properties determined by tension test 拉伸试验体现的钢材性能0AN00ll：tensile stress拉伸应力：unit strain单位应变%100001llllPercentage elongation: 伸长率%100010AAAlPercentage reduction of area: 截面收缩率拉伸试验标准试件低碳钢、低合金钢拉伸试件的应力-应变曲线：OABCDEF比例极限弹性极限屈服点抗拉极限E1lModulus of elasticity : 弹性模量ElYield stress: 屈服

3、应力y)(yflTensile strength: 拉伸强度u)(ufOABCDEF比例极限弹性极限屈服点抗拉极限E1O理想的弹塑性体)(yyf比例极限、弹性极限、屈服点十分接近屈服后出现较大范围的塑性变形，流幅大约为0.15%2.5%y)(yf 作为钢材的最大设计应力（强度标准值）高强度钢拉伸试件的应力-应变曲线:O条件屈服点（名义屈服点）%2 . 0)(2 . 02 . 0f)(2 . 02 . 0f:卸荷后残余应变为 对应的应力%2 . 0夏比试件的冲击韧性值：21hhWCv摆锤重量摆锤释放前的高度摆锤击断试件后的高度梅氏试件的冲击韧性值：nvkACa 缺口处净截面面积冲击功l冲击韧性(

4、Impact toughness)：衡量钢材在冲击荷载下抗脆断的能力，是强度与塑性的综合体现摆锤击断试件2.1.2 Steel properties determined by impact test 冲击试验体现的钢材性能2.1.3 Steel properties determined by cold-bend test 冷弯试验体现的钢材性能l冷弯试验反映钢材对冷加工过程的适应能力以及钢材质量的好坏，是衡量钢材力学性能的综合指标使试件弯曲180，看是否出现裂纹或分层2.1.4 Steel properties under complexity stress condition 钢材在复杂

5、应力作用下的性能2222223zxyzxyxzzyyxzyxzs：弹性状态yzsf：塑性状态yzsf钢材在复杂应力状态下的折算应力：yzyxyzzyzxxyzoxxyxzl平面应力状态0, 0zxyzz2223xyyxyxzsl对于一般梁截面，0y223xyxzs考虑几种特殊情况：l纯剪时，0 x23zs钢材的抗剪屈服点yyvyfff58. 031xyyxxyxyyxyxxy平面应力状态2.1.5 Weldability of steels 钢材的可焊性 Carbon steel 碳素钢C0.27%Mn 0.7%Si 0.4%S0.05% P 0.05% Low-alloy steel 低合金

6、钢以碳当量衡量钢材的可焊性：1556%uiornECNVMCMCC好的可焊性：焊接安全、可靠、不产生焊接裂缝，焊接接头和焊缝的冲击韧性以及热影区的延伸性（塑性）和力学性能都不低于母材2.1.6 Corrosion resistance of steels 钢材的抗腐蚀性 涂层保护涂层保护 采用耐候钢采用耐候钢(weathering steel)耐候钢通过添加合金元素提高其耐腐蚀性：eiuRTPC合金体系riuCNPC合金体系低碳钢(Low carbon steel)：C 0.25% 中碳钢(Middle carbon steel) ：0.25%C 0.6% 铁(Fe)约占 99%（碳素钢）碳

7、(C)低于 0.22%（碳素钢）提高强度塑性、韧性、可焊性下降钢材的基本成分2.2 Factors to Influence Steel Properties 影响钢材性能的因素2.2.1 Chemical composition 化学成分纯铁体较柔软碳和铁合成渗碳体及珠光体渗碳体和珠光体较坚硬钢材的其它成分有害成分脱氧剂：硅（Si）、锰（Mn）提高强度对塑性、韧性无显著不良影响合金元素：钒（V）、钛（Ti）提高强度、抗腐蚀性能不显著降低塑性 硫（S）降低塑性、韧性、疲劳强度、可焊性导致“热脆”磷（P）导致“冷脆”提高强度、抗锈蚀性降低塑性、韧性、冷弯性能 氧（O）导致“热脆” 氮（N）导致“

8、冷脆”22COOCOFOFee222OSFSOFieieCOFCOFeeiS控制钢材的化学成分投入脱氧剂脱氧12001300 下压制改善内部结构，消除缺陷，提高力学性能沸腾钢、半镇静钢、镇静钢钢板Plates 型钢Shapes冶炼Smelting 浇铸Moulding轧制Rolling2.2.2 Production process 生产过程时效硬化原因:高温时熔化在铁中的少量氮和碳，随着时间的增长从纯铁体中析出，形成氮化物和碳化物，散布在晶粒的滑移面上阻碍其塑性变形，使得钢材强度提高，塑性和韧性下降时效硬化后的变形能力时效硬化后的屈服强度 人工时效（artificial age harden

9、ing） 使钢材产生10%的塑性变形后加热至250左右并保温1小时以加速时效硬化，以测定重要结构钢材的时效后冲击韧性2.2.3 Age hardening 时效硬化冷加工后的变形能力冷加工消耗的塑性变形应变硬化后的屈服强度冷加工硬化原因： 冷加工过程消耗了一部分塑性变形，使其塑性变形能力下降，屈服点提高应变时效：既发生了应变硬化，又发生了时效硬化2.2.4 Cold work hardening (strain hardening) 冷加工硬化(应变硬化)2.2.5 Temperature 温度“蓝脆”：250左右，抗拉强度提高而冲击韧性下降，表面出现蓝色氧化膜温度升高，钢材强度降低，应变增大

10、200以下，钢材性能变化不大430 540 之间，钢材强度急剧下降600 时，钢材强度很低不能承载温度降低，钢材强度增大，塑性和韧性下降l温度对冲击韧性的影响冷脆转变温度（冷脆临界温度）:JAk27max4 . 0kA或 对应的温度脆性破坏塑性破坏转变过渡区域T1T2T0反弯点试验温度T（）冲击断裂功Brittle failureDuctile failure00 xyxy00应力集中部位存在同号平面或立体应力场，促使钢材变脆构件形状变化越剧烈，应力集中越严重，脆性破坏的危险性越大aK/max孔边的最大应力净截面平均应力应力集中系数2.2.6 Stress concentration 应力集中

11、双向受拉异号双向应力单向受拉钢材在不同应力条件下的应力-应变曲线2.3 Failure Modes of Steels 钢材的破坏形式nPlastic failure 塑性破坏应力超过屈服点并达到抗拉强度破坏前有明显的塑性变形破坏断口呈纤维状nBrittle failure 脆性破坏低应力破坏前塑性变形很小或没有破坏断口较平直资料：1919年1月15日美国波士顿的一个直径90英尺、高50英尺，装有2百万加仑糖浆的钢罐突然破裂，12人被淹死或受伤而死，40人受伤，数匹马被淹死，并对波士顿部分地区的高架铁轨造成了损害。重复荷载作用破坏时应力低于抗拉极限甚至屈服点塑性变形很小或没有l疲劳破坏的特征吊

12、钩的疲劳断口l疲劳破坏的三个阶段裂纹形成裂纹不断扩展脆性断裂连续重复荷载作用nFatigue fracture of steels 钢材的疲劳破坏2.4.1 Carbon structural steel 碳素结构钢l力学性能基本保证yield strength ultimate strength elongation屈服强度 极限强度 伸长率l化学成分基本要求 carbon (C), manganese (Mn), silicon (Si), sulfur (S), phosphorus (P)2.4 Structural Steel Products 钢材的种类l牌号Q195 ,Q215

13、,Q235 ,Q255 , Q275冷弯试验合格l脱氧方法 F、b、Z、TZlExamples: Q235A、Q235Ab、Q235AF Q235B、Q235Bb、Q235BF Q235C Q235Dl质量等级JAk27200JAk27-20JAk27grade Agrade Bgrade Cgrade D2.4.2 Low alloy structural steel 低合金结构钢l力学性能基本保证yield strength, ultimate strength, elongation, cold-bend propertyl化学成分要求carbon (C), manganese (Mn)

14、, silicon (Si), sulfur (S), phosphorus (P), vanadium (V), niobium (Nb), titanium (Ti)l强度等级 Q295，Q345 ，Q390 ，Q420 ，Q460 l质量等级grade A grade B JAk3420grade C grade D 冷弯试验合格l脱氧方法 Z、TZlExamples: Q345A、Q345B、Q345C、Q345D、Q345E Q420A、Q420B、Q420C、Q420D、Q420Egrade E -40JAk27-20JAk340JAk342.4.3 High quality carbon structural steel 优质碳素结构钢2.4.4 High quality wire rope 优质钢丝绳 高强度钢丝l严格限制杂质元素和缺陷 S0.035%, P60mm扁钢 460mm“_ 宽厚长”角钢：“L 肢宽肢厚”“L 长肢宽短肢宽肢厚”工字钢：“I 截面高度厘米数”“QI 截面高度厘米数”槽钢：“ 截面高度厘米数” “Q 截面高度厘米数” H型钢:“H