《建筑鋼材》PPT課件 (2).ppt

Chap.2 建筑鋼材,2.1 概述,1. 較高的抗拉強(qiáng)度f(wàn)u和屈服強(qiáng)度f(wàn)y； 2. 較高的塑性和韌性； 3. 良好的工藝性能（包括冷加工、熱加工和可焊性等）； 4. 較強(qiáng)的抗銹蝕能力。,一、建筑鋼材的基本要求,二、鋼材的破壞形式,破壞前有顯著的變形，并吸收很大能量，從變形發(fā)生到最后破壞要持續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間,1. 塑性破壞,2. 脆性破壞,破壞前沒(méi)有顯著的變形，吸收能量很少，破壞突然發(fā)生。,2.2 建筑鋼材的機(jī)械性能,包括：強(qiáng)度、塑性、韌性、冷彎試驗(yàn)及可焊性。,一、單向拉伸時(shí)的工作性能,鋼材可以簡(jiǎn)化為理想彈塑性體,強(qiáng)度計(jì)算以 fy 為依據(jù); fu 為結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備,討論：材料的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為何用 ，而不用 ？,伸長(zhǎng)率10或5 伸長(zhǎng)率是斷裂前試件的永久變形與原標(biāo)定長(zhǎng)度的百分比。伸長(zhǎng)率代表材料斷裂前具有的塑性變形的能力。,當(dāng)l0/d=5時(shí)，用5表示，當(dāng)l0/d=10時(shí)，用10表示。,斷面收縮率,面縮率也是鋼材塑性的指標(biāo)之一,衡量鋼材的冷加工性能，材質(zhì)均勻性 ，塑性變形能力,冷彎性能,沖擊試驗(yàn)的試件主要有： a.夏比試件(V形槽口)Akv(J) 。 b.梅氏試件(U形槽口)akv(J/mm2)；,沖擊韌性,衡量鋼材的抗脆斷、抗動(dòng)載能力。,缺口韌性值受溫度影響較大，溫度低于某值時(shí)將急劇降低。設(shè)計(jì)處于不同環(huán)境溫度的重要結(jié)構(gòu)，尤其是受動(dòng)載作用的結(jié)構(gòu)，要根據(jù)相應(yīng)的環(huán)境溫度對(duì)應(yīng)提出常溫 (205)沖擊韌性、0沖擊韌性或負(fù)溫(-20或-40)沖擊韌性的保證要求。,鋼材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影響。碳含量在0.120.20%范圍內(nèi)的碳素鋼，可焊性最好。Q235B的碳含量就定在這一適宜范圍。碳含量再高可使焊縫和熱影響區(qū)變脆。 Q235A的碳含量略高于B級(jí)，這一鋼號(hào)通常不能用于焊接構(gòu)件。,鋼材經(jīng)過(guò)焊接后保持原有機(jī)械性能的能力,可焊性,小結(jié) 鋼材的五項(xiàng)主要機(jī)械性能指標(biāo),屈服點(diǎn) fy ,抗拉強(qiáng)度 fu,鋼材的強(qiáng)度極限，僅作為安全儲(chǔ)備。,伸長(zhǎng)率5,冷彎性能 ,沖擊韌性 ,衡量鋼材塑性變形能力的重要指標(biāo)。,衡量鋼材塑性性能和冶金質(zhì)量的綜合指標(biāo)。,衡量鋼材在動(dòng)荷載作用下抵抗脆性破壞能力的指標(biāo)。,衡量鋼材的承載能力和確定鋼材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的指標(biāo)。,2.3 影響鋼材性能的主要因素,一、化學(xué)成分,基本成份為Fe，碳鋼中Fe含量占99，其余C、Si、Mn等為雜質(zhì)元素，S、P、N、O為冶煉過(guò)程中不易除盡的有害元素。, 碳（C）：含C使強(qiáng)度，塑性、韌性、可焊性，應(yīng)控制在0.22%，焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)控制在0.20%。, 錳（Mn） 錳是有益元素，它能顯著提高鋼材強(qiáng)度但不過(guò)多降低塑性和沖擊韌性。錳是弱脫氧劑。但是錳可使鋼材的可焊性降低，故含量有限制。, 硅（Si）硅是有益元素，也是強(qiáng)脫氧劑。硅能使鋼材的粒度變細(xì)，控制適量時(shí)可提高強(qiáng)度而不顯著影響塑性、韌性、冷彎性能及可焊性。硅的含量過(guò)量時(shí)則會(huì)惡化可焊性及抗銹蝕性。, 釩（V）、鈮（Nb）、鈦（Ti） 釩、鈮、鈦都能使鋼材晶粒細(xì)化。我國(guó)的低合金鋼都含有這三種元素，既可提高鋼材強(qiáng)度，又保持良好的塑性、韌性。, 鋁（Al）、鉻（Cr）、鎳（Ni） 鋁是強(qiáng)脫氧劑，用鋁進(jìn)行補(bǔ)充脫氧，不僅進(jìn)一步減少鋼中的有害氧化物，而且能細(xì)化晶粒。鉻和鎳是提高鋼材強(qiáng)度的合金元素，用于Q390鋼和Q420鋼。, 硫（S） 硫是有害元素，當(dāng)熱加工及焊接使溫度達(dá)8001000時(shí)，可能出現(xiàn)裂紋，稱(chēng)為熱脆。硫還能降低鋼的沖擊韌性，同時(shí)影響疲勞性能與抗銹蝕性能。一般不得超過(guò)0.0450.05%。 磷（P） 磷是有害元素，它在低溫下使鋼變脆，這種現(xiàn)象稱(chēng)為冷脆，其含量應(yīng)限制在0.045%以內(nèi)。 氧（O）、氮（N） 氧和氮也是有害雜質(zhì)，氧能使鋼熱脆，其作用比硫劇烈，氮能使鋼冷脆，與磷相似。,注：+：表示有利影響； ：表示不利影響； *：表示含量過(guò)多時(shí)，影響不利。,（1）冶煉 鋼材的冶煉方法: 平爐煉鋼質(zhì)量好，但效率低；（已停產(chǎn)） 氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼質(zhì)量好，效率高； 堿性側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼質(zhì)量差；（禁用） 電爐煉鋼質(zhì)量好，但成本高；（不用） 冶煉這一冶金過(guò)程形成鋼的化學(xué)成分與含量、鋼的金相組織結(jié)構(gòu)，以及不可避免的冶金缺陷，從而確定不同的鋼種、鋼號(hào)及其相應(yīng)的力學(xué)性能。,二、生產(chǎn)過(guò)程, 沸騰鋼加弱脫氧劑（錳），脫氧不充分，澆鑄時(shí)有大量氣體逸出，引起鋼液劇烈沸騰，冷卻速度快，晶粒粗，偏析、氣泡等缺陷較嚴(yán)重； 鎮(zhèn)靜鋼加強(qiáng)脫氧劑（硅、有時(shí)還加鋁或鈦），保溫時(shí)間得以加長(zhǎng)，氧氣雜質(zhì)少且晶粒較細(xì)，偏析等缺陷不嚴(yán)重，所以鋼材性能比沸騰鋼好。,（2）澆鑄 、澆入鑄模做成鋼錠；（傳統(tǒng)的方法） 、澆入連續(xù)澆鑄機(jī)做成鋼坯；（現(xiàn)代工藝）,澆鑄過(guò)程控制脫氧程度。 沸騰鋼用錳脫氧，脫氧不徹底，成本低，以前土木工程常用，但現(xiàn)在提高要求了，許多結(jié)構(gòu)限用：疲勞、低溫下非焊接結(jié)構(gòu)，焊接結(jié)構(gòu)； 鎮(zhèn)靜鋼用硅脫氧，脫氧徹底，成本高，質(zhì)量好；半鎮(zhèn)靜鋼介于前兩者之間； 特殊鎮(zhèn)靜鋼在錳硅脫氧后再用鋁或鈦補(bǔ)充脫氧。,冶金缺陷：偏析指金屬結(jié)晶后化學(xué)成分分布不勻； 非金屬夾雜指鋼中含有如硫化物等雜質(zhì)； 氣泡指澆鑄時(shí)由FeO與C作用所生成的CO 氣不能充分逸出而留在鋼錠內(nèi)形成 的微小空洞。 這些缺陷都將影響鋼的力學(xué)性能。,（3）軋制 鋼材的軋制能使金屬的晶粒變細(xì)，也能使氣泡、裂紋等焊合，因而改善了鋼材的力學(xué)性能。薄板因輥軋次數(shù)多，其強(qiáng)度比厚板略高（332頁(yè)，附表10、11）。,軋制過(guò)程：軋制可減少缺陷，使金屬組織更為致密。 軋制方法：高溫加壓 厚度大于40mm需進(jìn)行Z向試驗(yàn)。 經(jīng)軋制后不均勻冷卻會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力。,三、鋼材硬化的影響,由于某種因素的影響而使鋼材強(qiáng)度提高，塑性、韌性下降，增加脆性的現(xiàn)象稱(chēng)之為硬化現(xiàn)象。 冷加工時(shí)（常溫進(jìn)行彎折、沖孔剪切等），鋼材發(fā)生塑性變形從而使鋼材變硬的現(xiàn)象稱(chēng)之為冷作硬化。 鋼材中的C、N，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)和溫度的變化，而形成碳化物和氮化物，使鋼材變脆的“老化”現(xiàn)象稱(chēng)之為時(shí)效硬化。 這些都是使鋼材轉(zhuǎn)脆的性質(zhì)。,四、溫度的影響,（1）正溫范圍,當(dāng)結(jié)構(gòu)表面長(zhǎng)期受輻射熱達(dá)150以上，應(yīng)采用磚或而熱材料做成隔熱層加以防護(hù)！,（2）負(fù)溫范圍,在低溫工作的結(jié)構(gòu)，鋼材須具有0沖擊韌性或負(fù)溫（-20 或-40 ）沖擊韌性的合格保證，以提高抵抗低溫脆斷的能力！,五、應(yīng)力集中,應(yīng)力集中的影響： 應(yīng)力集中造成雙向或三向應(yīng)力場(chǎng)的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，從而使鋼材塑性降低，容易產(chǎn)生脆性破壞！,應(yīng)力集中在缺陷或截面變化處附近，應(yīng)力線曲折、密 集、出現(xiàn)高峰應(yīng)力。,減小應(yīng)力集中現(xiàn)象的措施 避免截面急劇改變！,六、反復(fù)荷載作用的影響,鋼材在循環(huán)應(yīng)力多次反復(fù)作用下裂紋生成、擴(kuò)展，以致破壞的現(xiàn)象稱(chēng)為鋼材的疲勞或疲勞破壞。,規(guī)范GB50017-2003規(guī)定，直接承受動(dòng)力荷載重復(fù)作用的鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其連接，當(dāng)應(yīng)力變化的循環(huán)次數(shù)n5104 次時(shí)，應(yīng)進(jìn)行疲勞計(jì)算。,鋼結(jié)構(gòu)用的鋼材主要有兩種：碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼,1、碳素結(jié)構(gòu)鋼,屈服強(qiáng)度中屈字漢語(yǔ)拼音的字首,阿拉伯字表示屈服強(qiáng)度的大小,表示按質(zhì)量劃分的級(jí)別：A、B、C、D,脫氧方法的符號(hào)（Z、TZ可省略）,F-沸騰鋼 B-半鎮(zhèn)靜鋼 Z-鎮(zhèn)靜鋼 TZ-特殊鎮(zhèn)靜鋼,2.4 鋼材的種類(lèi)及選擇,鋼號(hào)中質(zhì)量分級(jí)由A到D，表示質(zhì)量的由低到高。 A級(jí)鋼沖擊韌性不作為要求條件，冷彎試驗(yàn)只在需 方要求時(shí)進(jìn)行； B級(jí)鋼要求常溫（205）沖擊韌性值A(chǔ)KV 27J 冷彎合格； C級(jí)鋼要求（0）沖擊韌性值A(chǔ)KV 27J、冷彎合格； D級(jí)鋼要求負(fù)溫（20）沖擊韌性值A(chǔ)KV 27J、 冷彎合格； 對(duì)Q235鋼來(lái)說(shuō)，A、B兩級(jí)的脫氧方法可以是Z、b或F，C級(jí)只能是Z，D級(jí)只能是TZ。,2、低合金高強(qiáng)度鋼,低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼是在鋼的冶煉過(guò)程中添加少量幾種合金元素（合金元素的總量低于5），使鋼的強(qiáng)度明顯提高，故稱(chēng)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。Q345、Q390和Q420是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定采用的鋼種。這三種鋼都包括A、B、C、D、E五種質(zhì)量等級(jí)。,低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的A、B級(jí)屬于鎮(zhèn)靜鋼， C、D、E級(jí)屬于特殊鎮(zhèn)靜鋼。,A級(jí)同碳素鋼,B、C、D級(jí)沖擊值A(chǔ)KV 34J、冷彎合格； E級(jí)鋼要求負(fù)溫（40 ）沖擊值A(chǔ)KV 27J、 冷彎合格。,例：Q235AF表示屈服強(qiáng)度為235Nmm2的A級(jí)沸騰鋼； Q235-Bb表示屈服強(qiáng)度為235Nmm2的B級(jí)半鎮(zhèn)靜鋼； Q235-C表示屈服強(qiáng)度為235Nmm2的C級(jí)鎮(zhèn)靜鋼。,Q345-B表示屈服強(qiáng)度為345 N/mm2的B級(jí)鎮(zhèn)靜鋼； Q390-D表示屈服強(qiáng)度為390 N/mm2的D級(jí)特殊鎮(zhèn)靜鋼。,3、鋼結(jié)構(gòu)常用型材,1）鋼板和鋼帶,鋼帶、鋼板區(qū)別在成品形狀,厚板的厚度為4.560mm，用來(lái)組成焊接構(gòu)件和連接鋼板， 薄板厚度為0.354mm。是冷彎薄壁型鋼的原料。,鋼板分厚板及薄板兩種,在圖紙中鋼板用“-厚寬長(zhǎng) ” 表示， (單位為毫米) 如：-128002100等。,2）熱軋工型鋼,20號(hào)以上的工字鋼分a、b 或a、b、c三類(lèi)，其中a類(lèi) 腹板最薄、翼緣最窄， c類(lèi)最厚最寬,如I32a、I32b、I32c,3）熱軋槽型鋼材,從14開(kāi)始，亦有a、b 或a、b、c規(guī)格的區(qū)分,如32a、 32b、 32c,4）熱軋角鋼,不等肢角鋼 “長(zhǎng)肢寬短肢寬厚度”,如100638,等肢角鋼“肢寬厚度”,如1008,目前我國(guó)生產(chǎn)的角鋼最大邊長(zhǎng)為200mm，角鋼的供應(yīng)長(zhǎng)度 一般為419m。,5）H型鋼和T型鋼,H型鋼與普通工字鋼的區(qū)別: 翼緣寬，故早期有寬翼緣工字鋼一說(shuō)； 翼緣內(nèi)表面無(wú)斜度、上下表面平行，便于與其它構(gòu)件連接； 從材料分布形式來(lái)看，工字鋼材料主要集中在腹板附近，愈向兩側(cè)延伸，鋼材愈少，而在軋制H型鋼中，材料分布側(cè)重在翼緣部分。 所以，H型鋼的截面特性要明顯優(yōu)越于傳統(tǒng)的工、槽、角鋼及它們的組合截面。,H型鋼和T型鋼均分為三類(lèi)：