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文档简介
第2章钢结构材料2.1单轴应力作用下的工作性能2.2多轴应力作用下的工作性能2.3钢材的疲劳性能2.4影响钢材性能的主要因素2.5钢材的种类及选择2.1单轴应力作用下的工作性能1.单向拉伸试验曲线
2.钢材的主要机械性能
(1)强度指标:
fy屈服强度,为主要设计依据;fu为钢材的最大承载强度,即极限强度,可作为安全储备。(2)塑性指标:
延伸率δ5(δ10)和颈缩率。描述钢材产生塑性变形时而不发生脆性断裂的能力,便于内力重分布,吸收能量,为重要指标。(3)冷弯性能:
在冷加工过程中产生塑性变形时,对产生裂纹的敏感性,是判别钢材塑性及冶金质量的综合指标。(4)韧性-冲击韧性指标:
αk—描述钢材在一定温度下塑变及断裂过程中吸收能量的能力,用于表征钢材承受动力荷载的能力(动力指标),按20o、
0o
、-20o、-40o。
(5)可焊性:
表征钢材焊接后具备良好焊接接头性能的能力-不产生裂纹,焊缝影响区材性满足有关要求。2.2多轴(复杂)应力作用下的工作性能1.复杂应力时的折算应力2.同号应力,强度提高,易发生脆性破坏。3.异号应力,强度降低,易发生塑性破坏。2.3钢材的疲劳性能
1.何为疲劳破坏?
钢材在连续反复荷载作用下,虽然应力还低于极限强度,甚至还低于屈服点,而发生的断裂。
2.主要特点:
(1)破坏之前,不出现明显的变形和局部收缩,和脆性破坏一样,是一种突然发生的断裂。
(2)可划分为裂纹的形成,裂纹缓慢扩展和最后迅速断裂三个阶段。(3)疲劳强度与反复荷载引起的应力种类(拉应力、压应力、剪应力和复杂应力等)、应力循环形式、应力循环次数、应力集中程度和残余应力等有关。
3.疲劳计算的主要规定:
(1)承受动力荷载重复作用的钢结构构件及其连接,当应力变化循环次数n等于或大于105时,应进行疲劳计算;
(2)在应力循环中不出现拉应力的部位,可不进行疲劳计算;
(3)计算疲劳时,应采用荷载的标准值,不应乘以动力系数;
(4)疲劳计算采用容许应力幅法,并按弹性状态计算应力,分常幅疲劳和变幅疲劳两方面进行计算;
(5)规范对疲劳计算的构件和连接划分为1到8个类别,其中给出了19种不同情况的构件或连接。类别数字愈大,则其疲劳性能愈差。(6)变幅疲劳的验算公式为
2.4影响钢材性能的主要因素
1.化学成份
2.生产工艺
3.冷作硬化与时效硬化
4.复杂应力与应力集中
5.残余应力
6.温度
1.化学成份的影响
(1)基本成份为Fe,含量占98%;C、Si、
Mn为有益元素,总量不超过1.5%;S、P、
N、O为冶炼过程中不易除尽的有害元素,
总量不超过1‰。
(2)C的影响: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%。
(3)Si的影响:含Si适量使强度↑其它影响不大,有益,含量应控制在≤0.1~0.3%。(4)Mn的影响:含Mn适量使强度↑可降低S、O的热脆影响,改善热加工性能,对其它性能影响不大。普通碳塑钢含量应控制在≤0.3~0.8%,低合金钢为≤1.2~1.6%
(5)S的影响:含量↑使强度↑塑性、韧性、性能冷弯、可焊性↓,一般应控制在≤0.05%,焊接结构为≤0.045%;高温时使钢材变脆-热脆现象。
(6)P的影响:低温时使钢材变脆-冷脆现象;其它影响同S,且控制量同S。
(7)O、N的影响:可使钢材变得极脆。O同S(发生热脆);N同P(发生冷脆),一般应控制含量≤0.008%。
2.生产工艺的影响
(1)冶炼过程主要控制化学成分。(2)浇铸的影响主要为脱氧方法:沸腾钢用Mn为脱氧剂,时间快,价格低,质量差;镇静钢用
Si为脱氧剂,时间慢,价格高,质量好。
(3)反复的轧制可使得钢材规格变小,改善钢材的塑性,同时可以使钢材中的气孔、裂纹、疏松等缺陷焊合,使金属晶体组织密实,晶粒细化,消除纤维组织缺陷,使钢材的力学性能提高。同一牌号的钢材,厚度或直径越小,强度越高。
3.冷作硬化与时效硬化的影响
(1)由于某种因素的影响而使钢材强度提高,塑性、韧性下降,增加脆性的现象称之为硬化现象。一般为重复荷载作用下弹性极限提高(进入塑性阶段后发生)。
(2)冷加工时(常温进行弯折、冲孔剪切等),钢材发生塑性变形从而使钢材变硬的现象称之为冷作硬化。(3)钢材中的C、N,随着时间的增长和温度的变化,而形成碳化物和氮化物,使钢材变脆的“老化”现象称之为时效硬化。
4.复杂应力与应力集中的影响
(1)钢材在多向同号应力场作用下,一个方向的变形受到另一向的限制,而使钢材强度增加,塑性、韧性下降,异号应力场时则相反。
(2)钢构件由于截面的改变以及孔洞、凹槽、裂纹等原因而使构件内产生应力集中,应力集中的实际为:局部应力增大并多为同号应力场。
5.残余应力的影响
钢材在轧制、焊接、切割等过程中会产生在构件内部自相平衡的内力,残余应力虽对构件的静力强度无影响,但对构件的变形(刚度)、疲劳以及稳定承载力产生不利影响。
6.温度的影响
(1)正温影响
总体影响规律为温度上升,钢材的强度降低,塑性、韧性提高,温度达450-600oc左右时,钢材的强度几乎降至为零,而塑性、韧性极大,易于进行热加工,此温度称之为热煅温度。
需要说明:钢材在250o左右时,强度提高,塑性、韧性下降,钢材表面呈蓝色,这一现象称之为蓝脆现象。钢材在200o以上时应采取隔热措施。
(2)负温影响
随着温度的降低钢材的强度提高,塑性、韧性降低,脆性增大,称之为低温冷脆,当温度降至某一特定温度时钢材的脆性急剧增大,称此温度点为转脆温度。2.5钢材的种类与选择
1.建筑结构用钢的基本要求
钢材种类繁多,规格、用途也不相同,对建筑结构用钢来说,主要有三方面的要求。
(1)较高的强度:结构的承载力大,所需的截面小,结构的自重轻;(2)较好的塑性及韧性:塑性好,不易发生脆性破坏;韧性好,利于承受动力荷载;
(3)良好的加工性能与耐久性:包括可焊性、冷弯性能以及耐腐性能;
据上要求,《钢结构设计规范》GB50017-2003推荐承重结构用钢宜采用:碳素结构钢中的Q235钢及低合金高强结构钢中的Q345、Q390和Q420钢四种钢材。2.钢材牌号及结构用钢的种类钢材牌号:由“Q、屈服点值、质量等级、脱氧方法”四部分组成。
Q:为“屈”字拼音首位字母,意为“屈服强度”;
质量等级:分A~E五级(字序越高质量越好);
脱氧方法:F-沸腾钢;Z-镇静钢(一般省略);b-半镇静钢;TZ-特殊镇静钢。碳素结构钢分:A、B、C、D四级,含所有脱氧方法;
低合金结构钢分:A、B、C、D、E五级,只有镇静钢和特殊镇静钢。如前所述建筑结构用钢,宜选碳素结构钢中的Q235及低合金钢中的Q345、Q390、Q420四种钢材。3.建筑结构用钢的选择原则
(1)钢材的质量和性能,由钢材力学性能中的抗拉强度fu、屈服强度fy、伸长率δ5(δ10)、冷弯180o及冲击韧性αk,化学成分C、S、P等的极限含量,以及冶炼脱氧方法来衡量。选材时应根据结构的重要性、荷载性质(静、动)、连接方法、工作温度等因素来综合考虑以选择适宜钢材。
(2)一般承重结构应有fu、fy、δ5以及C(≤0.22%)、S、P的极限含量合格保证;焊接及重要的非焊接承重结构还应具备冷弯180o合格保证(C≤0.2%);承受动力荷载需要验算结构疲劳强度时,还应根据具体情况增加对αk的不同要求。4.建筑结构用钢规格
(1)钢板薄钢板:厚0.35~4,宽500~1800;
厚钢板:厚4.5~60,宽700~3000;
特厚板:厚>60,宽600~3800;
扁钢:
厚4.5~60,宽12~200.
图纸中用—宽×厚表示.(2)型钢
角钢:∟100×80×8(热轧)
工字钢:I32a(热轧)
槽钢:[12a(热轧)
H型钢:H340×150×8×12
可分为HW、HM、HN、HP;热轧和焊接两种。
T型钢:T248
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