第二章钢结构材料

第二章钢结构材料第一页，共六十八页，编辑于2023年，星期五钢结构对材料的要求：◎较高的强度◎塑性好◎冲击韧性好◎冷加工性能好◎可焊性好◎耐久性好力学性能第二页，共六十八页，编辑于2023年，星期五主要内容单向均匀受拉时的工作性能单轴反复拉伸时的工作性能复杂应力下的工作性能钢材抗冲击性能和冷弯性能钢材可焊性、抗腐蚀性、延性第三页，共六十八页，编辑于2023年，星期五Q235标准试件Q235钢单向受拉应力－应变曲线钢材单向受拉时的工作性能◆钢材的荷载——变形曲线常温静载第四页，共六十八页，编辑于2023年，星期五拉伸曲线反映了钢材的力学特性，描述如下：(1)弹性阶段：OAE段OA直线的斜率称为弹性模量E，fp称为比例极限，fe称为弹性极限。(2)弹塑性阶段：EC段

σ与ε不呈比例，除弹性变形外还有塑性变形，fy称为屈服强度，又叫屈服点（YieldPoint，材料力学中用σs表示）。单向受拉应力－应变曲线第五页，共六十八页，编辑于2023年，星期五(3)屈服阶段：CF段钢材完全屈服，σ不增加（保持fy），而ε骤增。(4)强化阶段：FB段经过屈服阶段后，钢材内部组织重新排列，抵抗外力的能力增强。(5)颈缩阶段：BD段应力超过fu后，试件出现“颈缩”而断裂，fu称为抗拉强度(TensileStrength，材料力学中用σb表示）。单向受拉应力－应变曲线

根据上述特性，可确定钢材的强度指标和塑性指标。第六页，共六十八页，编辑于2023年，星期五弹性阶段比例极限屈服点屈服阶段流幅强化和颈缩阶段极限强度弹性模量钢材的工作特性第七页，共六十八页，编辑于2023年，星期五钢材的弹性阶段以屈服点fy为上限钢材是理想弹塑性材料钢材破坏前塑性变形很大钢材抗拉强度是钢材破坏前的最大应力。屈强比越小，钢材的安全储备越高。第八页，共六十八页，编辑于2023年，星期五钢材的塑性塑性——应力超过屈服点后，能产生显著残余变形而不立即断裂的性质。伸长率和收缩率是衡量钢材塑性的两个指标。第九页，共六十八页，编辑于2023年，星期五伸长率：拉伸试件取试件直径的5倍或10倍为标矩长度来测量其伸长率伸长率易于准确测量，是衡量钢材塑性的一个必要指标。第十页，共六十八页，编辑于2023年，星期五试件颈缩区应力状态图截面收缩率：截面收缩率不易准确测量，是衡量钢材塑性的一个参考指标。第十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期五钢材厚度方向的性能试验厚钢板的层状撕裂Z15、Z25、Z35三个指标来衡量三个级别厚度方向钢板的含硫量及断面收缩率。第十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期五钢材单轴反复应力下工作性能钢材的时效现象钢材的疲劳第十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期五Q235钢在循环次数时的应力—应变滞回曲线。第十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期五钢材在复杂应力下工作性能三向应力作用下，钢材由弹性状态转变为塑性状态(屈服)的条件：钢材弹性阶段钢材塑性阶段第十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期五钢材在复杂应力下工作性能第十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期五钢材在复杂应力下工作性能平面应力作用下，一般的梁单元中：第十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期五纯剪时：剪应力达到屈服点的0.58倍时，钢材进入塑性状态。所以钢材的抗剪屈服点为抗拉屈服点的0.58倍。第十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期五三种不同应力条件下的应力—应变曲线※钢材在双向拉力作用下，屈服点和抗拉强度提高，伸长率下降；双向拉力愈接近，伸长率下降越多。

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钢材在异号双向应力作用下，屈服点和抗拉强度降低，伸长率增大。

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钢材在三向受拉作用下，钢材比双向受拉进一步下降，趋向于零，表现为脆性破坏。第十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期五三根应力应变曲线(a)单向受拉(b)双向受拉(c)一向受拉，一向受压第二十页，共六十八页，编辑于2023年，星期五钢材抗冲击性能钢材韧性第二十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期五冲击性能试验设备第二十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期五常用缺口形式：夏氏V形、夏氏钥匙形、梅氏U形。我国规定：冲击试验缺口采用夏氏V形。第二十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期五冲击韧性与温度有关，温度愈低，冲击韧性愈低。我国钢材韧性试验分成四档，分别为：+20℃、0℃、-20℃、-40℃。第二十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期五钢材冷弯性能冷弯性能指钢材冷加工(即在常温下加工)产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力。第二十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期五钢材可焊性衡量普通碳素钢可焊性良好的标准：碳含量在0.27%以下固定杂质含锰量在0.7%以下含硅量在0.4%以下硫磷含量各在0.05%以下低合金钢可焊性视其碳当量而定。第二十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期五钢材抗腐蚀性抗腐蚀性差干腐蚀湿腐蚀抗腐蚀措施涂料耐候钢铜、硫、磷金属与非金属直接结合水和非金属物质结合第二十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期五钢材的破坏形式塑性破坏（延性破坏）构件应力超过屈服点并达到抗拉极限后，构件产生明显变形并断裂。断裂前变形明显，断口杯形，可及时发现补救。第二十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期五脆性破坏（脆性断裂）构件破坏前无明显预兆，突然断裂断口平直、呈有光泽的晶粒状断裂前，平均应力较小第二十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期五钢材的脆性断裂裂纹基本形式(1)张开型(2)滑移型(3)撕开型第三十页，共六十八页，编辑于2023年，星期五防止钢材脆性断裂的措施加强施焊工艺管理，避免焊接过程中产生裂缝、夹渣、气泡等。焊缝不宜过分集中，约束不应过强，避免产生过大残余应力。合理细部设计，避免应力集中。选择合理钢材。第三十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期五钢材的疲劳破坏钢材在连续反复荷载作用下的破坏称为疲劳破坏。此时，应力低于极限强度，甚至低于屈服点。破坏过程分为三个阶段：裂纹形成，裂纹缓慢扩展，迅速断裂破坏。与钢材疲劳有关的因素：反复荷载引起的应力种类、应力循环形式、应力循环次数、应力集中程度、残余应力。第三十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期五疲劳荷载第三十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期五疲劳强度与应力循环的关系钢材在曲线渐进处反复无穷多次仍不破坏，这就是所谓的疲劳强度极限。第三十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期五损伤累积破坏土木工程结构在施工和使用期间，总会受到各种不利因素或灾害的作用，使结构某一部分发生损伤。如果该结构继续使用，结构损伤不断累积而导致破坏，称为损伤累积破坏。第三十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期五影响钢材性能的一般因素化学成分影响钢材生产过程影响时效影响冷作硬化影响温度影响应力集中影响第三十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期五化学成分影响FeV主要成分钢材CSiMn有益元素合金元素有害元素PSNO第三十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期五CSi强度塑性韧性可焊性Mn抗锈性VS疲劳强度P冷弯性能ON第三十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期五钢材生产过程影响冶炼浇铸轧制碱性平炉炼钢法顶吹氧气转炉炼钢法碱性侧吹转炉炼钢法

沸腾钢半沸腾钢

镇静钢

特殊镇静钢

钢板型钢

第三十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期五钢材冶炼过程顶吹氧气转炉炼钢法碱性平炉炼钢法侧吹转炉炼钢法第四十页，共六十八页，编辑于2023年，星期五钢材浇铸过程第四十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期五钢材轧制过程第四十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期五时效影响纯铁体中留有一些数量极少的碳和氮的固熔物质，随着时间增加，这些固熔物质逐渐从纯铁体中析出，形成自由的碳化物和氮化物颗粒，散布在晶粒的滑移面上，起着阻碍滑移的强化作用，约束纯铁体发展塑性变形，称为时效现象。第四十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期五冷作硬化影响

在重复荷载作用下，钢材弹性极限有所高的现象称为硬化。第四十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期五温度影响蓝脆现象低温冷脆现象第四十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期五第四十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期五应力集中影响结构由于内部孔洞、槽口、凹角、裂缝及厚度变化、形状变化、内部缺陷等产生的应力不均匀现象。这些区域可能提前出现塑性变形。第四十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期五第四十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期五第四十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期五钢结构用钢的分类钢材的品种和牌号碳素结构钢（普通碳素钢）优质碳素结构钢低合金结构钢123耐候耐火钢优质钢丝绳45第五十页，共六十八页，编辑于2023年，星期五碳素结构钢Q195Q215Q235Q255Q275我国现行标准GB700-88Q235屈服强度强度大小单位：N/mm2第五十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期五Q235[A][B][C][D]质量等级[F、b、(Z)][(Z)][(TZ)]脱氧方法按照质量等级和脱氧方法等可以表示为：第五十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期五Q235A——屈服强度为235N/mm2,A级镇静钢Q235AF——屈服强度为235N/mm2,A级沸腾钢Q235Bb——屈服强度为235N/mm2,B级半镇静钢Q235D——屈服强度为235N/mm2,D级特殊镇静钢Q235C——屈服强度为235N/mm2,C级镇静钢第五十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期五低合金钢Q295Q345Q390Q420Q460我国现行标准GB/T1591-94Q345[A][B][C][D]Q390Q420[E]第五十四页，共六十八页，编辑于2023年，星期五Q345B——屈服强度为345N/mm2,B级镇静钢Q390D——屈服强度为390N/mm2,D级特殊沸镇静钢Q345C——屈服强度为345N/mm2,C级特殊镇静钢Q390A——屈服强度为390N/mm2,A级镇静钢Q420E——屈服强度为420N/mm2,E级特殊镇静钢第五十五页，共六十八页，编辑于2023年，星期五优质钢丝绳a)右交互捻b)左交互捻c)右同向捻d)左同向捻银川艾倚河斜拉桥

第五十六页，共六十八页，编辑于2023年，星期五美国跨海大桥第五十七页，共六十八页，编辑于2023年，星期五平行钢索杭州湾跨海大桥第五十八页，共六十八页，编辑于2023年，星期五钢绞索中国航海博物馆第五十九页，共六十八页，编辑于2023年，星期五耐候钢铜、铬、镍、铌、钼、钛、锆、钒耐火钢钼、铬、铌耐火耐候钢第六十页，共六十八页，编辑于2023年，星期五国外钢材品种和牌号简介XXXXXX钢材质量等级钢材最低抗拉强度字首符号美国A，日本SS、SM、SN、SMA，德国St，法国A、E，前苏联C，英国无字首A、B、C、D、E第六十一页，共六十八页，编辑于2023年，星期五☆ISO国际标准☆英国标准☆欧洲标准☆美国标准☆日本标准☆俄罗斯标准第六十二页，共六十八页，编辑于2023年，星期五钢材选用原则原则：既能使结构安全可靠和满足使用要求，又要最大可能节约钢材和降低造价。结构类型及重要性结构工作温度荷载性质连接方法结构受力性质结构形式钢材厚度第六十三页，共六十八页，编辑于2023年，星期五钢材