长春工程学院教案用纸

1、PAGE PAGE 34长春工程学院教案用纸序号22 钢结结构的材材料本章主要内内容：了了解钢结结构对钢钢材的要要求；掌掌握钢材材的破坏坏形式、钢钢材的主主要性能能、响钢钢材性能能的因素素。本 章 重重 点：（11）钢材材的破坏坏形式；（2）钢材材的主要要性能；（3）影响响钢材性性能的因因素。本 章 难难 点：影响响钢材性性能的因因素。2.1 钢结构构对材料料的要求求对钢材的基基本要求求：(1)较高高的抗拉拉强度fu和屈服服点fy ；(2)较高高的塑性性和韧性性；(3)良好好的工艺艺性能(包括冷冷加工、热热加工和和焊接性性能)。此外，根据据结构的的具体工工作条件件，有时时还要求求钢材具具有适应

2、应低温、高高温和腐腐蚀性环环境的能能力。按以上要求求，钢结结构设计计规范具具体规定定：承重重结构采采用的钢钢结材应应具有抗抗拉强度度、伸长长率、屈屈服强度度和硫、磷磷含量的的合格保保证，对对焊接结结构尚应应具有碳碳含量的的合格保保证。焊焊接承重重结构以以及重要要的非焊焊接承重重结构采采用的钢钢材还应应具有冷冷弯试验验的合格格保证。对对需要验验算疲劳劳强度的的结构用用钢材，根根据具体体情况应应当具有有常温或或负温冲冲击韧性性的合格格保证。2.2 钢材的的破坏形形式钢材有两种种性质完完全不同同的破坏坏形式，即即塑性破破坏和脆脆性破坏坏。塑性破坏：断口呈呈纤维状状，色泽泽发暗。脆性破坏：破坏前前没有

3、任任何预兆兆，破坏坏是突然然发生的的，断口口平直并并呈有光光泽的晶晶粒状。教法提示钢材的破坏坏形式，钢钢材的主主要性能能，钢影影响钢材材性能的的因素。提问：塑性性、脆性性破坏的的区别。长春工程学院教案用纸2.3 钢材的的主要性性能钢材的主要要性能是是机械性性能，可可通过某某些试验验（拉伸伸、冷弯弯、冲击击）确定定。2.3.11 强度度性能钢材标准试试件在常常温静荷荷载情况况下，单单向均匀匀受拉试试验时的的荷载-变形（F-L）曲线或应力-应变（-）曲线，如图2.1所示。图2.1 碳素结结构钢的的应力-应变曲曲线高强度钢没没有明显显的屈服服点和屈屈服台阶阶。这类类钢的屈屈服条件件是根据据试验分分析

4、结果果而人为为规定的的，故称称为条件件屈服点点（或屈屈服强度度）。条条件屈服服点是以以卸荷后后试件中中残余应应变为00.2%所对应应的应力力定义的的（有时时用f0.22表示），见见图2.2。由由于这类类钢材不不具有明明显的塑塑性平台台，设计计中不宜宜利用它它的塑性性。图2.2 高强度度钢的应应力-应应变关系系塑性：在静静力荷载载作用下下，钢材材吸收变变形能的的能力。延伸率率（塑性性性能） 2.3.22 冷弯弯性能冷弯性能是是检验钢钢材弯曲曲变形能能力或塑塑性性能能，还是是显示钢钢材内部部缺陷状状况的一一项指标标；是鉴鉴定钢材材在弯曲曲状态下下塑性应应变能力力和钢材材质量的的综合指指标。教法提示

5、提问：条件件屈服点点。长春工程学院教案用纸图2.3 钢材冷冷弯试验验示意图图2.3.33 冲击击韧性冲击韧性：在动力力荷载作作用下，材材料吸收收能量的的能力。韧性是钢材材抵抗冲冲击荷载载的能力力，它用用材料在在断裂时时所吸收收的总能能量来量量度（CCv）。韧性是钢材材强度和和塑性的的综合指指标。图2.4 冲击韧韧性试验验钢材性能可可用五项项机械性性能指标标衡量：、18000C冷弯、冲冲击韧性性ak。 ak衡量量钢材承承受动力力荷载作作用时抵抵抗脆性性破坏的的性能。2.4 各种因因素对钢钢材性能能的影响响2.4.11 化学学成分钢中基本元元素：、。普通碳素钢钢中，占占99%，其余余元素占占1%，

6、低低合金钢钢中，除除了上述述元素外外，还有有一定合合金元素素（镍、钒钒、钛等等）（含含量5%）。各种元素对对钢材机机械性能能的影响响如下。碳C ：含含量增加加，钢材材强度提提高，而而塑性、韧韧性和疲疲劳强度度低。同同时焊接接性能和和抗腐蚀蚀性恶化化。一般般在碳素素结构钢钢中不应应超过00.222%；在在焊接结结构中还还应低于于0.22%。教法提示长春工程学学院教案案用纸硅Si：碳碳素结构构钢中应应控制0.33%, 在在低合金金高强度度钢中硅硅的含量量可达00.555%。锰Mn：含含Mn适适量使强强度，降低低S、OO的热脆脆影响，改改善热加加工性能能，对其其它性能能影响不不大，有有益。在在碳素结

7、结构钢中中锰的含含量为00.3%0.88% ，在在 低合金金高强度度钢中锰锰的含量量可达11.0% 1.66%。硫S：降低低钢材的的塑性、韧韧性、可可焊性和和疲劳强强度，在在高温时时，使钢钢材变脆脆，称之之为热脆脆。含量量应不超超过0.0455%。(有害成成分)磷P：降低低钢材的的塑性、韧韧性、可可焊性和和疲劳强强度，在在低温时时，使钢钢材变脆脆，称之之为冷脆脆。含量量应不超超过0.0455%。可可以提高高强度和和抗锈蚀蚀性。(有害成成分)氧O：降低低钢材的的塑性、韧韧性、可可焊性和和疲劳强强度，在在高温时时，发生生热脆。 (有害害成分)氮N：降低低钢材的的塑性、韧韧性、可可焊性和和疲劳强强度

8、，在在低温时时，发生生冷脆。 (有害害成分)钒和钛：是是钢中的的合金元元素，能能提高钢钢的强度度和抗腐腐蚀性能能，又不不显著降降低钢的的塑性。铜：可显著著提高钢钢的抗腐腐蚀性能能，也可可以提高高钢的强强度，但但对焊接接性能有有不利影影响。2.4.22 冶金金缺陷在冶炼、轧轧制过程程中常常常出现的的缺陷有有偏析、非非金属夹夹杂、裂裂纹、夹夹层及气气孔等。图2.5 钢锭剖剖面 1、偏析：钢中化化学成分分不一致致和不均均匀性，主主要的偏偏析是硫硫、磷，将将严重恶恶化钢材材的性能能,使偏偏析区钢钢材的塑塑性、韧韧性及可可焊性变变坏。2、非金属属夹杂：钢材中中存在非非金属化化合物（硫硫化物、氧氧化物），

9、使使钢材性性能变脆脆。教法提示长春工程学学院教案案用纸3、裂纹、分分层：在轧制制中可能能出现，影影响钢材材的冷弯弯性能。图2.6 钢的轧轧制使晶晶粒细化化 (aa)镇静静钢锭,钢液含含硫0.0322% (bb)沸腾腾钢锭,钢液含含硫0.04%图2.7 钢锭中中硫的偏偏析图2.8 型钢硫硫的偏析析2.4.33 钢材材的硬化化冷作硬化当加加载超过过材料比比例极限限卸载后后，出现现残余变变形，再再次加载载则屈服服点提高高，塑性性和韧性性降低的的现象，也也称“应变硬硬化”。时效硬化随时时间的增增长，碳碳和氮的的化合物物从晶体体中析出出，使材材料硬化化的现象象。应变时效钢材材产生塑塑性变形形时，碳碳、氮

10、化化合物更更易析出出。即冷冷作硬化化的同时时可以加加速时效效硬化，因因此也称称“人工时时效”。 教法提示推广时效冷冷作硬化化的特征征。长春工程学学院教案案用纸2.4.44 温度度影响钢材性能随随温度变变动而变变化。总总的趋势势是：温温度升高高，钢材材强度降降低，应应变增大大；反之之，温度度降低，钢钢材强度度会略有有增加，塑塑性和韧韧性却会会降低而而变脆，见见图2.9。图2.9 温度对对钢材机机械性能能的影响响温度升高，在在200以内钢钢材性能能没有很很大变化化，43305540之间强强度急剧剧下降，600时强度很低不能承担荷载。但在250左右，钢材的强度反而略有提高，同时塑性和韧性均下降，材料

11、有转脆的倾向，钢材表面氧化膜呈现蓝色，称为蓝脆现象。钢材应避免在蓝脆温度范围内进行热加工。当温度在260320之间时，在应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形，此种现象称为徐变现象。当温度从常常温开始始下降，特特别是在在负温度度范围内内时，钢钢材强度度虽有些些提高，但但其塑性性和韧性性降低，材材料逐渐渐变脆，这这种性质质称为低低温冷脆脆。图22.100是钢材材冲击韧韧性与温温度的关关系曲线线。由图图可见，随随着温度度的降低低，Cvv值迅速速下降，材材料将由由塑性破破坏转变变为脆性性破坏，同同时可见见这一转转变是在在一个温温度区间间T1T2内完成成的，此此温度区区T1T2称为钢钢材的脆

12、脆性转变变温度区区，在此此区间内内曲线的的反弯点点（最陡陡点）所所对应的的温度TT0称为脆脆性转变变温度。如如果把低低于T00完全脆脆性破坏坏的最高高温度TT1作为钢钢材的脆脆断设计计温度即即可保证证钢结构构低温工工作的安安全。图2.100 冲击击韧性与与温度的的关系曲曲线教法提示让学生思考考：“三脆”的的区别。长春工程学学院教案案用纸2.4.55 应力集集中构件上孔洞洞、刻槽槽、凹角角、裂纹纹以及截截面厚度度或宽度度改变等等部位，在在力作用用下，该该处出现现高峰应应力，而而其它部部位应力力较低，截截面应力力分布不不均匀现现象应力集集中。应力集中系系数 应力集中是是造成构构件脆性性破坏的的主要

13、原原因之一一。应力集中系系数越大大，变脆脆的倾向向越严重重。 图2.111 孔洞洞及槽孔孔处的应应力集中中2.5 复杂应应力作用用下钢材材的屈服服条件在单轴应力力作用下下时钢材材屈服，构构件由弹弹性工作作状态转转为塑性性工作状状态。在多轴应力力作用下下钢材的的屈服条条件不能能以某一一轴向应应力超过过某屈服服点来判判别，而而是按材材料力学学的能量量强度理理论计算算折算应应力与钢钢材在单单轴应力力作用下下的比较较判断。图2.122 复杂杂应力教法提示长春工程学学院教案案用纸当用应力分分量表示示时：当用主应力力表示时时：在普通梁中中，一般般只存在在正应力力和剪应应力讨论：（1）当三三个主应应力同号号

14、且数值值接近时时，即使使很大，但但钢材很很难屈服服，发生生脆性破破坏。（2）有异异号应力力，且同同号两个个应力差差较大，即即使，但但可能大大于，发发生塑性性破坏。纯剪： 2.7 钢材的的种类和和规格2.7.11 钢材材的种类类(1)按 用 途：结构钢钢、工具具钢、特特殊钢(如不锈锈钢等)。(2)按冶冶炼方法法：转炉炉钢、平平炉钢。(3)按脱脱氧方法法：沸腾腾钢、镇镇静钢、特特殊镇静静钢。(4)按成成型方法法：轧制制钢、锻锻钢、铸铸钢。(5)按化化学成分分：碳素素钢、合合金钢。在建筑工程程中采用用的是：碳素结构钢钢、低合合金高强强度结构构钢、优优质碳素素结构钢钢。普通碳素钢钢（碳素素结构钢钢）、

15、（低低合金结结构钢）：牌号有四部部分组成成：代表表屈服点点的字母母；教法提示提问：选择择钢材应应该从哪哪几个方方面考虑虑，引出出选择钢钢材要考考虑的因因素。长春工程学学院教案案用纸屈服点的的数值1995、2215、2235、2255、2275、3345、3390等等；质量等级级符号A、BB、C、DD四个等等级（普普通碳素素钢） A、BB、C、DD、E五五个等级级（普通通低合金金钢）脱氧方法法符号F代代表沸腾腾钢、bb代表半半镇静钢钢、z代代表镇静静钢、TTz代表表特殊镇镇静钢。优质碳素结结构钢：主要用于钢钢结构某某些节点点或用作作连接件件。建筑结构用用钢板：高性能建筑筑结构钢钢材(GGJ钢)，

16、牌号号由以下下组成：Q代代表屈服服强度的的字母；屈服点的的数值；代表高性性能建筑筑结构用用钢的汉汉语拼音音字母GGJ；质量等级级符号B、CC、D、EE四个等等级对于厚度方方向性能能钢板，在在质量等等级后面面加上厚厚度方向向性能级级别（ZZ15、ZZ25、ZZ35 ）。适用于建造造高层建建筑结构构、大跨跨度结构构及其他他重要建建筑结构构。2.7.22 钢材材的选择择确定钢材种种类及其其质量等等级。1、结构的的重要性性安全等级不不同，所所选钢材材的质量量等级也也不应不不同，重重要的结结构构件件选用质质量好的的钢材。2、荷载特特征荷载为静力力或动力力荷载，应应选用各各项性能能不同的的钢材。3、连接方

17、方法焊接应选择择可焊性性好的钢钢材。非非焊接结结构对含含碳量可可降低要要求。4、结构所所处的温温度和环环境处于负温下下工作时时，选用用负温冲冲击合格格的钢材材，结构构周围有有腐蚀介介质存在在时要选选用抗锈锈性好的的钢材。5、钢材的的厚度教法提示长春工程学学院教案案用纸厚度大焊接接结构应应采用材材质较好好的钢材材。2.7.33 钢材材规格钢结构采用用的型材材有：热热轧钢板板、热轧轧型钢、冷冷弯薄壁壁型钢。1、热轧钢钢板 “” 宽度度厚度长度（mmm）2、热轧型型板（1）热轧轧角钢等肢角钢 LL肢宽肢厚不等肢角钢钢 L长肢肢宽短肢宽宽肢厚（2）热轧轧工字钢钢普通工字钢钢 I号数数（代表表截面高高度厘米米数）轻型工字钢钢 QI号号数（代代表截面面高度厘厘米数）20号以上上的工字字钢，按按腹板厚