建筑金屬材料

1、第第2 2章章 建筑金屬材料建筑金屬材料 本章學(xué)習(xí)指導(dǎo) 本章共本章共6 6個(gè)知識點(diǎn)。本章的教學(xué)目標(biāo)是：個(gè)知識點(diǎn)。本章的教學(xué)目標(biāo)是： 了解建筑鋼材的微觀結(jié)構(gòu)及其與性質(zhì)的關(guān)系；了解建筑鋼材的微觀結(jié)構(gòu)及其與性質(zhì)的關(guān)系； 熟練掌握建筑鋼材的力學(xué)性能（包括強(qiáng)度、彈性及塑性熟練掌握建筑鋼材的力學(xué)性能（包括強(qiáng)度、彈性及塑性變形，耐疲勞性）的意義，測定方法及影響因素；變形，耐疲勞性）的意義，測定方法及影響因素； 熟悉建筑鋼材的強(qiáng)化機(jī)理及強(qiáng)化方法；熟悉建筑鋼材的強(qiáng)化機(jī)理及強(qiáng)化方法； 掌握土木工程中常用的建筑鋼材的分類及其選用原則。掌握土木工程中常用的建筑鋼材的分類及其選用原則。 本章的難點(diǎn)是鋼材的塑性、韌性、耐

2、疲勞性，以及微量組分本章的難點(diǎn)是鋼材的塑性、韌性、耐疲勞性，以及微量組分對鋼材性能的影響。建議在學(xué)習(xí)中需聯(lián)系鋼材的組成結(jié)構(gòu)分析其對鋼材性能的影響。建議在學(xué)習(xí)中需聯(lián)系鋼材的組成結(jié)構(gòu)分析其性能，來理解其應(yīng)用。還需說明的是，除鋼材外，鋁合金近年迅性能，來理解其應(yīng)用。還需說明的是，除鋼材外，鋁合金近年迅速發(fā)展，對其在土木工程中的應(yīng)用亦應(yīng)有所了解。建議課內(nèi)學(xué)時(shí)速發(fā)展，對其在土木工程中的應(yīng)用亦應(yīng)有所了解。建議課內(nèi)學(xué)時(shí)數(shù)為數(shù)為5 5學(xué)時(shí)學(xué)時(shí), ,課外學(xué)時(shí)課外學(xué)時(shí)2 2學(xué)時(shí)。學(xué)時(shí)。歷史回顧歷史回顧廣州海珠橋的鋼材廣州海珠橋的鋼材 廣州海珠橋已經(jīng)廣州海珠橋已經(jīng)“年逾七旬年逾七旬”，但其使用的鋼材預(yù)計(jì)已有百年歷史

3、。但其使用的鋼材預(yù)計(jì)已有百年歷史。 20042004年，提供建造海珠橋鋼材年，提供建造海珠橋鋼材的英國企業(yè)向廣州市政部門發(fā)來傳的英國企業(yè)向廣州市政部門發(fā)來傳真，提醒有關(guān)部門注意，這些鋼材真，提醒有關(guān)部門注意，這些鋼材是從當(dāng)時(shí)英國的一座舊鋼橋上拆卸是從當(dāng)時(shí)英國的一座舊鋼橋上拆卸下來的，所以就其壽命計(jì)算，海珠下來的，所以就其壽命計(jì)算，海珠橋使用的鋼材預(yù)計(jì)已有百年歷史，橋使用的鋼材預(yù)計(jì)已有百年歷史，已經(jīng)進(jìn)入疲勞期，繼續(xù)使用則需進(jìn)已經(jīng)進(jìn)入疲勞期，繼續(xù)使用則需進(jìn)行疲勞強(qiáng)度的測試，并根據(jù)測試結(jié)行疲勞強(qiáng)度的測試，并根據(jù)測試結(jié)果進(jìn)行加固等。果進(jìn)行加固等。 基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識 鋼與生鐵的區(qū)分在于含碳量的大小。含碳

4、量小于鋼與生鐵的區(qū)分在于含碳量的大小。含碳量小于2.062.06的鐵碳合金稱為鋼。含碳量大于的鐵碳合金稱為鋼。含碳量大于2.062.06的鐵碳的鐵碳合金稱為生鐵。合金稱為生鐵。2.1.1 2.1.1 按化學(xué)成分分類按化學(xué)成分分類2.1.2 2.1.2 按品質(zhì)（雜質(zhì)含量）分類按品質(zhì)（雜質(zhì)含量）分類2.1.3 2.1.3 按冶煉時(shí)脫氧程度分類按冶煉時(shí)脫氧程度分類 2.1.1 2.1.1 按化學(xué)成分分類按化學(xué)成分分類 1. 1. 碳素鋼碳素鋼 低碳鋼：含碳量低碳鋼：含碳量 0.25 0.60 0.60 2. 2. 合金鋼合金鋼 低合金鋼：合金元素總含量低合金鋼：合金元素總含量 5.0 10 10 建

5、筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)用鋼和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用建筑工程中，鋼結(jié)構(gòu)用鋼和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)用鋼，主要使用非合金鋼中的低碳鋼，及低合金鋼加鋼，主要使用非合金鋼中的低碳鋼，及低合金鋼加工成的產(chǎn)品。合金鋼亦有少量應(yīng)用。工成的產(chǎn)品。合金鋼亦有少量應(yīng)用。2.1.2 2.1.2 按品質(zhì)（雜質(zhì)含量）分類按品質(zhì)（雜質(zhì)含量）分類1.1.普通鋼：含硫量普通鋼：含硫量0.0500.050；含磷量；含磷量0.0450.045。2.2.優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量0.0350.035；含磷量；含磷量0.0350.035。3.3.高級優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量高級優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量0.0250.025；含磷量；含磷量0.0250.025。 4.4.特

6、級優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量特級優(yōu)質(zhì)鋼：含硫量0.0150.015；含磷量含磷量0.0250.025。 2.1.3 2.1.3 按冶煉時(shí)脫氧程度分類按冶煉時(shí)脫氧程度分類 1. 1. 沸騰鋼沸騰鋼 煉鋼時(shí)脫氧不充分，鋼液中還有較多金屬氧化物，澆鑄鋼錠煉鋼時(shí)脫氧不充分，鋼液中還有較多金屬氧化物，澆鑄鋼錠后鋼液冷卻到一定的溫度，其中的碳會與金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)，后鋼液冷卻到一定的溫度，其中的碳會與金屬氧化物發(fā)生反應(yīng)，生成大量一氧化碳?xì)怏w外逸，引起鋼液激烈沸騰。這種鋼材稱為生成大量一氧化碳?xì)怏w外逸，引起鋼液激烈沸騰。這種鋼材稱為沸騰鋼，其代號為沸騰鋼，其代號為“F”F”。其沖擊韌性和可焊性較差。其沖擊韌性和可焊性較

7、差。 2. 2. 鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼 煉鋼時(shí)脫氧充分，鋼液中金屬氧化物很少，在澆鑄鋼錠時(shí)鋼煉鋼時(shí)脫氧充分，鋼液中金屬氧化物很少，在澆鑄鋼錠時(shí)鋼液會平靜地冷卻凝固，這種鋼稱為鎮(zhèn)靜鋼，其代號為液會平靜地冷卻凝固，這種鋼稱為鎮(zhèn)靜鋼，其代號為 “ “Z”Z”。 3. 3. 半鎮(zhèn)靜鋼半鎮(zhèn)靜鋼 指脫氧程度和性能都介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間的鋼材，其代指脫氧程度和性能都介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間的鋼材，其代號為號為“b”b”。 4. 4. 特殊鎮(zhèn)靜鋼特殊鎮(zhèn)靜鋼 比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度更徹底的鋼，故稱為特殊鎮(zhèn)靜鋼，代號為比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度更徹底的鋼，故稱為特殊鎮(zhèn)靜鋼，代號為“TZ”TZ”。特殊鎮(zhèn)靜鋼的質(zhì)量最好，適用于特別重要的結(jié)構(gòu)

8、工程。特殊鎮(zhèn)靜鋼的質(zhì)量最好，適用于特別重要的結(jié)構(gòu)工程。 觀觀察與討論與討論討論討論AB 鋼材的冶煉脫氧程度與性能鋼材的冶煉脫氧程度與性能 下下圖為沸騰鋼（圖圖為沸騰鋼（圖A A）與鎮(zhèn)靜鋼（圖）與鎮(zhèn)靜鋼（圖B B）兩鋼錠的縱剖面，）兩鋼錠的縱剖面，請觀察其結(jié)構(gòu)差別，討論其性能差異。請觀察其結(jié)構(gòu)差別，討論其性能差異。 討論討論 從圖中可見，沸騰鋼的氣泡明顯多于鎮(zhèn)靜鋼，沸騰鋼是從圖中可見，沸騰鋼的氣泡明顯多于鎮(zhèn)靜鋼，沸騰鋼是脫氧不完全的鋼，澆鑄后在鋼液冷卻時(shí)有大量一氧化碳?xì)怏w脫氧不完全的鋼，澆鑄后在鋼液冷卻時(shí)有大量一氧化碳?xì)怏w外逸，引起鋼液劇烈沸騰。沸騰鋼內(nèi)部雜質(zhì)和夾雜物多，化外逸，引起鋼液劇烈沸騰

9、。沸騰鋼內(nèi)部雜質(zhì)和夾雜物多，化學(xué)成分和力學(xué)性能不夠均勻、強(qiáng)度低、沖擊韌性和可焊性差，學(xué)成分和力學(xué)性能不夠均勻、強(qiáng)度低、沖擊韌性和可焊性差，但生產(chǎn)成本低，可用于一般建筑結(jié)構(gòu)。而鎮(zhèn)靜鋼是指在澆鑄但生產(chǎn)成本低，可用于一般建筑結(jié)構(gòu)。而鎮(zhèn)靜鋼是指在澆鑄時(shí)，鋼液平靜地冷卻凝固，時(shí)，鋼液平靜地冷卻凝固，基本無一氧化碳?xì)怏w產(chǎn)生基本無一氧化碳?xì)怏w產(chǎn)生, ,是脫是脫氧較完全的鋼。鋼質(zhì)均勻密實(shí)，品質(zhì)好，但成本高。氧較完全的鋼。鋼質(zhì)均勻密實(shí)，品質(zhì)好，但成本高。鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼可用于承受沖擊荷載的重要結(jié)構(gòu)可用于承受沖擊荷載的重要結(jié)構(gòu)。 此外，還有比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度還要充分徹底的鋼，其質(zhì)此外，還有比鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度還要充分徹底的

10、鋼，其質(zhì)量最好，稱特殊鎮(zhèn)靜鋼，其使用于特別重要的結(jié)構(gòu)工程。脫量最好，稱特殊鎮(zhèn)靜鋼，其使用于特別重要的結(jié)構(gòu)工程。脫氧程度與質(zhì)量介于鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼之間的鋼，稱為半鎮(zhèn)靜鋼，氧程度與質(zhì)量介于鎮(zhèn)靜鋼和沸騰鋼之間的鋼，稱為半鎮(zhèn)靜鋼，其質(zhì)量較好。其質(zhì)量較好。 工程實(shí)實(shí)例分析 現(xiàn)象現(xiàn)象原因分析原因分析 某廠的鋼結(jié)構(gòu)屋架用中碳鋼焊接而成，使用某廠的鋼結(jié)構(gòu)屋架用中碳鋼焊接而成，使用一段時(shí)間后，屋架坍塌。一段時(shí)間后，屋架坍塌。原因分析原因分析 首先是因?yàn)殇摬牡倪x用不當(dāng)，中碳鋼的首先是因?yàn)殇摬牡倪x用不當(dāng)，中碳鋼的塑性和韌性比低碳鋼差；塑性和韌性比低碳鋼差；其次是其次是焊接性能較差，焊接性能較差，焊接時(shí)鋼材局部溫度高，

11、形成了熱影響區(qū)，其焊接時(shí)鋼材局部溫度高，形成了熱影響區(qū)，其塑性及韌性下降較多，較易產(chǎn)生裂紋。建筑上塑性及韌性下降較多，較易產(chǎn)生裂紋。建筑上常用的主要鋼種是普通碳素鋼中的低碳鋼和合常用的主要鋼種是普通碳素鋼中的低碳鋼和合金鋼中的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。金鋼中的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。 基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識 2.2.1 2.2.1 抗拉性能抗拉性能 2 2.2.2 2.2 沖擊韌性沖擊韌性2.2.3 2.2.3 耐疲勞性耐疲勞性 2.2.4 2.2.4 工藝性能工藝性能2.2.1 2.2.1 抗拉性能抗拉性能 在外力作用下，材料抵抗在外力作用下，材料抵抗變形和斷裂的能力稱為強(qiáng)度。變形和斷裂的能力稱為強(qiáng)度。測定

12、鋼材強(qiáng)度的主要方法是拉測定鋼材強(qiáng)度的主要方法是拉伸試驗(yàn)，鋼材受拉時(shí)，在產(chǎn)生伸試驗(yàn)，鋼材受拉時(shí)，在產(chǎn)生應(yīng)力的同時(shí)，相應(yīng)地產(chǎn)生應(yīng)變。應(yīng)力的同時(shí)，相應(yīng)地產(chǎn)生應(yīng)變。應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系反映鋼材的應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系反映鋼材的主要力學(xué)特征主要力學(xué)特征。從右圖低碳鋼從右圖低碳鋼的應(yīng)力的應(yīng)力- -應(yīng)變關(guān)系中可看出，應(yīng)變關(guān)系中可看出，低低碳鋼從受拉到被拉斷碳鋼從受拉到被拉斷，經(jīng)歷了，經(jīng)歷了四個(gè)階段：彈性階段、屈服階四個(gè)階段：彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和頸縮階段。每段、強(qiáng)化階段和頸縮階段。每個(gè)階段的特點(diǎn)詳見動畫演示。個(gè)階段的特點(diǎn)詳見動畫演示。2.2.1 2.2.1 抗拉性能抗拉性能 2 2.2.2 2.2 沖擊韌性沖

13、擊韌性 鋼材的沖擊韌性是處在簡支梁狀態(tài)的金屬試樣在鋼材的沖擊韌性是處在簡支梁狀態(tài)的金屬試樣在沖擊負(fù)荷作用下折斷時(shí)的沖擊吸收功沖擊負(fù)荷作用下折斷時(shí)的沖擊吸收功。鋼材的沖擊韌。鋼材的沖擊韌性試驗(yàn)是將標(biāo)準(zhǔn)彎曲試樣置于沖擊機(jī)的支架上，并使性試驗(yàn)是將標(biāo)準(zhǔn)彎曲試樣置于沖擊機(jī)的支架上，并使切槽位于受拉的一側(cè)，在試樣中間開切槽位于受拉的一側(cè)，在試樣中間開V V形形缺口。缺口。2.2.3 2.2.3 耐疲勞性耐疲勞性 受交變荷載反復(fù)作用，鋼材在應(yīng)力低于其屈服強(qiáng)度的情況受交變荷載反復(fù)作用，鋼材在應(yīng)力低于其屈服強(qiáng)度的情況下突然發(fā)生脆性斷裂破壞的現(xiàn)象下突然發(fā)生脆性斷裂破壞的現(xiàn)象, ,稱為疲勞破壞。鋼材的疲勞稱為疲勞破

14、壞。鋼材的疲勞破壞一般是由拉應(yīng)力引起的，首先在局部開始形成細(xì)小裂紋，破壞一般是由拉應(yīng)力引起的，首先在局部開始形成細(xì)小裂紋，隨后由于微裂紋尖端的應(yīng)力集中而使其逐漸擴(kuò)大，直至突然發(fā)隨后由于微裂紋尖端的應(yīng)力集中而使其逐漸擴(kuò)大，直至突然發(fā)生瞬時(shí)疲勞斷裂。疲勞破壞是在低應(yīng)力狀態(tài)下突然發(fā)生的，所生瞬時(shí)疲勞斷裂。疲勞破壞是在低應(yīng)力狀態(tài)下突然發(fā)生的，所以危害極大，往往造成災(zāi)難性的事故。以危害極大，往往造成災(zāi)難性的事故。 2.2.4 2.2.4 工藝性能工藝性能1.1. 冷彎性能冷彎性能 冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力，以試驗(yàn)冷彎性能是指鋼材在常溫下承受彎曲變形的能力，以試驗(yàn)時(shí)的彎曲角度時(shí)的彎曲角度

15、和彎心直徑和彎心直徑d d為指標(biāo)表示為指標(biāo)表示，如下圖所示，如下圖所示。 2.2. 焊接性能焊接性能 鋼材的焊接性能是指在一定的焊接工藝條件下，在焊縫鋼材的焊接性能是指在一定的焊接工藝條件下，在焊縫及其附近過熱區(qū)不產(chǎn)生裂紋及硬脆傾向，焊接后鋼材的力學(xué)及其附近過熱區(qū)不產(chǎn)生裂紋及硬脆傾向，焊接后鋼材的力學(xué)性能，性能，特別是強(qiáng)度應(yīng)不低于原有鋼材的強(qiáng)度特別是強(qiáng)度應(yīng)不低于原有鋼材的強(qiáng)度。觀觀察察與討論與討論 (1)(1)兩種鋼材的選用兩種鋼材的選用(2)(2)兩種鋼材低溫沖擊韌性的比較兩種鋼材低溫沖擊韌性的比較(3)(3)疲勞斷裂的特征與原因疲勞斷裂的特征與原因(4)(4)鋼材的冷彎性能與其內(nèi)部組織的關(guān)

16、系鋼材的冷彎性能與其內(nèi)部組織的關(guān)系討論討論2.2.1 2.2.1 抗拉性能抗拉性能 (1)(1)兩種鋼材的選用兩種鋼材的選用 請觀察下圖請觀察下圖中中、兩種低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線的差異。兩種低碳鋼的應(yīng)力應(yīng)變曲線的差異。討論下述問題：討論下述問題： 若對于變形要求嚴(yán)格的構(gòu)件，若對于變形要求嚴(yán)格的構(gòu)件，、兩種低碳鋼選用何種更合適兩種低碳鋼選用何種更合適？ 使用使用、兩種鋼材，哪一個(gè)安全性較高兩種鋼材，哪一個(gè)安全性較高？討論討論觀觀察與討論與討論(1)(1)兩種鋼材的選用兩種鋼材的選用 討論討論 從從、兩條曲線比較可知，低碳鋼兩條曲線比較可知，低碳鋼的彈性模的彈性模量量E E小于低碳鋼小于低碳鋼，也就

17、是說，低碳鋼，也就是說，低碳鋼的抗變形能的抗變形能力不如低碳鋼力不如低碳鋼。對于變形要求嚴(yán)格的構(gòu)件選用低。對于變形要求嚴(yán)格的構(gòu)件選用低碳鋼碳鋼更為合適。更為合適。(1)(1)兩種鋼材的選用兩種鋼材的選用 討論討論 、兩種低碳鋼的屈服強(qiáng)度兩種低碳鋼的屈服強(qiáng)度s s相近，但低碳鋼相近，但低碳鋼的抗拉強(qiáng)度的抗拉強(qiáng)度b b高于高于。屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比稱。屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度之比稱為屈強(qiáng)比，即為屈強(qiáng)比，即s/s/b b。屈強(qiáng)比越小，反映鋼材超過。屈強(qiáng)比越小，反映鋼材超過屈服點(diǎn)工作時(shí)可靠性越大，結(jié)構(gòu)的安全性越高。當(dāng)然，屈服點(diǎn)工作時(shí)可靠性越大，結(jié)構(gòu)的安全性越高。當(dāng)然，屈強(qiáng)比過小時(shí)，表示鋼材強(qiáng)度的利用率偏低

18、，也不合屈強(qiáng)比過小時(shí)，表示鋼材強(qiáng)度的利用率偏低，也不合理。有時(shí)也使用強(qiáng)屈比（理。有時(shí)也使用強(qiáng)屈比（b b/ /s s）來評價(jià)鋼材的可靠）來評價(jià)鋼材的可靠性。鋼材性。鋼材的屈強(qiáng)比較低，故其安全性高于鋼材的屈強(qiáng)比較低，故其安全性高于鋼材。Q2Q23 35 5鋼材的屈強(qiáng)比為鋼材的屈強(qiáng)比為0.580.580.630.63，普通的合金鋼的屈，普通的合金鋼的屈強(qiáng)比在強(qiáng)比在0.670.670.750.75之間。之間。 (2)(2)兩種鋼材低溫沖擊韌性的比較兩種鋼材低溫沖擊韌性的比較 2 2.2.2 2.2 沖擊韌性沖擊韌性 請觀察下圖中請觀察下圖中、兩低合金鋼曲線，若在東北地區(qū)，應(yīng)兩低合金鋼曲線，若在東北地

19、區(qū)，應(yīng)選用何種鋼更有利？選用何種鋼更有利？ 討論討論(2)(2)兩種鋼材低溫沖擊韌性的比較兩種鋼材低溫沖擊韌性的比較討論討論 溫度對沖擊韌性有重大影響，當(dāng)溫度降至一定溫度對沖擊韌性有重大影響，當(dāng)溫度降至一定程度時(shí)，沖擊韌性大幅度下降而使鋼材呈脆性，此程度時(shí)，沖擊韌性大幅度下降而使鋼材呈脆性，此現(xiàn)象稱為冷脆性。曲線中棕色段代表脆性斷裂，藍(lán)現(xiàn)象稱為冷脆性。曲線中棕色段代表脆性斷裂，藍(lán)色段代表脆性轉(zhuǎn)變范圍，黑色段代表韌性斷裂。從色段代表脆性轉(zhuǎn)變范圍，黑色段代表韌性斷裂。從上圖中可知，低合金鋼上圖中可知，低合金鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度低于的脆性轉(zhuǎn)變溫度低于，即說明鋼材的低溫沖擊韌性較好。東北地區(qū)冬季氣即說明鋼

20、材的低溫沖擊韌性較好。東北地區(qū)冬季氣溫低，主要考慮低溫沖擊韌性問題，選用溫低，主要考慮低溫沖擊韌性問題，選用更有利。更有利。 影響鋼材的沖擊韌性還有許多因素，例如，鋼中磷、影響鋼材的沖擊韌性還有許多因素，例如，鋼中磷、硫含量較高，存在偏析、非金屬夾雜物和焊接中形硫含量較高，存在偏析、非金屬夾雜物和焊接中形成的微裂紋等都會使沖擊韌性顯著降低。成的微裂紋等都會使沖擊韌性顯著降低。 討論討論 請觀察下圖中疲勞斷裂的宏觀斷口特征請觀察下圖中疲勞斷裂的宏觀斷口特征，并分析討論，并分析討論疲勞斷裂的特征和原因。疲勞斷裂的特征和原因。 疲勞斷裂的特征與原因疲勞斷裂的特征與原因 2.2.3 2.2.3 耐疲勞

21、性耐疲勞性 A A：疲勞源區(qū)；疲勞源區(qū)；B B：擴(kuò)展區(qū)；擴(kuò)展區(qū)；C C：終斷區(qū)終斷區(qū)疲勞斷裂的宏觀斷口疲勞斷裂的宏觀斷口討論討論 疲勞裂紋起源于鍵槽左邊底部的拐角處，無裂紋構(gòu)件疲疲勞裂紋起源于鍵槽左邊底部的拐角處，無裂紋構(gòu)件疲勞的宏觀斷口可分為三個(gè)區(qū)：勞的宏觀斷口可分為三個(gè)區(qū)： 疲勞源區(qū)疲勞源區(qū)(A(A區(qū)區(qū)) )；擴(kuò)展區(qū)擴(kuò)展區(qū)( (B B區(qū)區(qū)) )；終斷區(qū)終斷區(qū)( (C C區(qū)區(qū)) )。 引起鋼材疲勞破壞的原因很多，主要是由于拉應(yīng)力引起引起鋼材疲勞破壞的原因很多，主要是由于拉應(yīng)力引起較大的拉應(yīng)變，先在某局部形成細(xì)小裂紋，然后因受剪切應(yīng)較大的拉應(yīng)變，先在某局部形成細(xì)小裂紋，然后因受剪切應(yīng)力而擴(kuò)展。

22、故鋼材的抗拉強(qiáng)度高，疲勞極限也高。鋼材表面力而擴(kuò)展。故鋼材的抗拉強(qiáng)度高，疲勞極限也高。鋼材表面的加工印痕、焊接接頭的卷邊和表面微小腐蝕缺陷，都可使的加工印痕、焊接接頭的卷邊和表面微小腐蝕缺陷，都可使疲勞極限顯著降低。零件或構(gòu)件的幾何形狀和大小，對疲勞疲勞極限顯著降低。零件或構(gòu)件的幾何形狀和大小，對疲勞極限有不小的影響，有缺口、極限有不小的影響，有缺口、尖角的零件與無缺口尖角的零件與無缺口、銳角的銳角的零件相比零件相比，疲勞行為有很大差別；構(gòu)件尺寸越大，則疲勞強(qiáng)，疲勞行為有很大差別；構(gòu)件尺寸越大，則疲勞強(qiáng)度越低。由于疲勞設(shè)計(jì)中存在著大量不確定因素，因而選用度越低。由于疲勞設(shè)計(jì)中存在著大量不確定因

23、素，因而選用材料的安全系數(shù)材料的安全系數(shù)K K較高（鋼材的較高（鋼材的K K22），而且在零件實(shí)際使用），而且在零件實(shí)際使用前必須進(jìn)行模擬試驗(yàn)校核。前必須進(jìn)行模擬試驗(yàn)校核。 疲勞斷裂的特征與原因疲勞斷裂的特征與原因 討論討論鋼材的冷彎性能與其內(nèi)部組織的關(guān)系鋼材的冷彎性能與其內(nèi)部組織的關(guān)系 A A、B B兩種鋼材兩種鋼材,A,A鋼材鋼材5 5及及1010均略大于均略大于B B鋼材。鋼材。但從下但從下圖可知圖可知，A A鋼材的冷彎性能卻不如鋼材的冷彎性能卻不如B B鋼材。請分析原因及鋼材。請分析原因及A A與與B B兩種鋼材內(nèi)部組織的差異。兩種鋼材內(nèi)部組織的差異。 2.2.4 2.2.4 工藝性能

24、工藝性能討論討論鋼材的冷彎性能與其內(nèi)部組織的關(guān)系鋼材的冷彎性能與其內(nèi)部組織的關(guān)系 伸長率反映的是鋼材在均勻變形下的塑性。而伸長率反映的是鋼材在均勻變形下的塑性。而冷彎性能是鋼材處于不利變形條件下的塑性，可揭冷彎性能是鋼材處于不利變形條件下的塑性，可揭示鋼材內(nèi)部組織是否均勻，是否存在內(nèi)應(yīng)力和夾雜示鋼材內(nèi)部組織是否均勻，是否存在內(nèi)應(yīng)力和夾雜物等缺陷。而這些缺陷在拉伸試驗(yàn)中常因塑性變形物等缺陷。而這些缺陷在拉伸試驗(yàn)中常因塑性變形導(dǎo)致應(yīng)力重分布而得不到反映。導(dǎo)致應(yīng)力重分布而得不到反映。 工程實(shí)實(shí)例分析 (1)(1)廣東某展覽廳網(wǎng)架倒塌廣東某展覽廳網(wǎng)架倒塌 (2)(2)鋼貯罐脆性斷裂鋼貯罐脆性斷裂 (

25、(3 3) )北海油田平臺傾覆北海油田平臺傾覆(4)(4)某運(yùn)輸廊倒塌分析某運(yùn)輸廊倒塌分析 現(xiàn)象現(xiàn)象原因分析原因分析(1)(1)廣東某展覽廳網(wǎng)架倒塌廣東某展覽廳網(wǎng)架倒塌 抗拉性能抗拉性能 廣東某國際展覽中心包括展廳、會議中心和一棟廣東某國際展覽中心包括展廳、會議中心和一棟1616層的酒店，總建筑面積層的酒店，總建筑面積42 000 m42 000 m2 2。19891989年建成投入使用。年建成投入使用。19921992年曾降大暴雨年曾降大暴雨，其中，其中4 4號展廳網(wǎng)架倒塌。號展廳網(wǎng)架倒塌。在倒塌現(xiàn)場在倒塌現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)大量高強(qiáng)度螺栓被拉斷或折斷發(fā)現(xiàn)大量高強(qiáng)度螺栓被拉斷或折斷，部分桿件有明顯壓，部

26、分桿件有明顯壓屈，但未發(fā)現(xiàn)桿件拉斷及明顯頸縮現(xiàn)象，也未發(fā)現(xiàn)桿件屈，但未發(fā)現(xiàn)桿件拉斷及明顯頸縮現(xiàn)象，也未發(fā)現(xiàn)桿件與錐頭焊縫拉開。另外，網(wǎng)架建成后多次發(fā)現(xiàn)積水現(xiàn)象，與錐頭焊縫拉開。另外，網(wǎng)架建成后多次發(fā)現(xiàn)積水現(xiàn)象，事故現(xiàn)場兩排水口表面均有堵塞。事故現(xiàn)場兩排水口表面均有堵塞。原因分析原因分析 由于由于4 4號展廳除承擔(dān)本身雨水外，還要承擔(dān)會號展廳除承擔(dān)本身雨水外，還要承擔(dān)會議中心屋面溢流而來的雨水。由于溢流口、雨水斗議中心屋面溢流而來的雨水。由于溢流口、雨水斗設(shè)置不合理，未能有效排水導(dǎo)致網(wǎng)架積水超載。設(shè)置不合理，未能有效排水導(dǎo)致網(wǎng)架積水超載。 所受拉力超過高強(qiáng)度螺栓的極限承載力而被所受拉力超過高強(qiáng)度

27、螺栓的極限承載力而被拉斷拉斷，高強(qiáng)度螺栓安全度低于桿件安全度高強(qiáng)度螺栓安全度低于桿件安全度，其安全，其安全度不足。度不足。 抗拉性能抗拉性能 現(xiàn)象現(xiàn)象原因分析原因分析鋼貯罐脆性斷裂鋼貯罐脆性斷裂 沖擊韌性沖擊韌性 19891989年年1 1月月2222日，內(nèi)蒙古某糖廠一個(gè)直徑為日，內(nèi)蒙古某糖廠一個(gè)直徑為20 m20 m，高，高為為15.76 m15.76 m的剛交工驗(yàn)收不久的廢糖蜜鋼貯罐發(fā)生斷裂。的剛交工驗(yàn)收不久的廢糖蜜鋼貯罐發(fā)生斷裂。破壞過程呈突發(fā)性，沒有任何先兆，非常迅速。破壞時(shí)破壞過程呈突發(fā)性，沒有任何先兆，非常迅速。破壞時(shí)罐內(nèi)糖蜜貯量為罐內(nèi)糖蜜貯量為4027 t4027 t，不僅未達(dá)到

28、設(shè)計(jì)貯量，不僅未達(dá)到設(shè)計(jì)貯量，還還低于低于試用期間曾達(dá)到的試用期間曾達(dá)到的4559 t4559 t水平，罐體內(nèi)應(yīng)力并不太高，水平，罐體內(nèi)應(yīng)力并不太高，距鋼材屈服強(qiáng)度相差較遠(yuǎn)，地震和人為破壞及廢糖蜜自距鋼材屈服強(qiáng)度相差較遠(yuǎn)，地震和人為破壞及廢糖蜜自燃爆炸的因素可排除，請分析鋼貯罐發(fā)生斷裂的原因。燃爆炸的因素可排除，請分析鋼貯罐發(fā)生斷裂的原因。原因分析原因分析 韌性斷裂在發(fā)生前有明顯預(yù)兆，而脆性斷裂是突發(fā)韌性斷裂在發(fā)生前有明顯預(yù)兆，而脆性斷裂是突發(fā)性的。經(jīng)調(diào)查表明，其裂口特征：罐體下部第性的。經(jīng)調(diào)查表明，其裂口特征：罐體下部第1 1、2 2層母材層母材撕裂，斷口呈顆粒狀，人字形紋尖端朝上，呈脆性斷

29、裂。撕裂，斷口呈顆粒狀，人字形紋尖端朝上，呈脆性斷裂。對鋼材材質(zhì)進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)部分鋼板含碳量和含硫量較高，對鋼材材質(zhì)進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)部分鋼板含碳量和含硫量較高，降低了鋼材的塑性和可焊性，其常溫沖擊韌性比規(guī)定值偏降低了鋼材的塑性和可焊性，其常溫沖擊韌性比規(guī)定值偏低，故該鋼材易出現(xiàn)脆性斷裂。且焊接質(zhì)量差，綜合分析低，故該鋼材易出現(xiàn)脆性斷裂。且焊接質(zhì)量差，綜合分析可知，罐體破壞的根源是焊接質(zhì)量低而導(dǎo)致的低溫脆性斷可知，罐體破壞的根源是焊接質(zhì)量低而導(dǎo)致的低溫脆性斷裂。對接焊縫中大量未焊透部位如同張開型的焊接裂紋，裂。對接焊縫中大量未焊透部位如同張開型的焊接裂紋，在罐壁環(huán)向拉力的作用下，能引起嚴(yán)重的應(yīng)力集

30、中，成為在罐壁環(huán)向拉力的作用下，能引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，成為罐體斷裂的引發(fā)點(diǎn)。在荷載變化、應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力和罐體斷裂的引發(fā)點(diǎn)。在荷載變化、應(yīng)力集中、殘余應(yīng)力和溫差應(yīng)力的作用下，裂紋會緩慢擴(kuò)展。而鋼材的韌性較差，溫差應(yīng)力的作用下，裂紋會緩慢擴(kuò)展。而鋼材的韌性較差，不能阻止裂紋的擴(kuò)展，最后達(dá)到臨界值而突然斷裂。不能阻止裂紋的擴(kuò)展，最后達(dá)到臨界值而突然斷裂。 沖擊韌性沖擊韌性 現(xiàn)象現(xiàn)象原因分析原因分析北海油田平臺傾覆北海油田平臺傾覆耐疲勞性耐疲勞性 19801980年年3 3月月2727日，北海愛科菲斯科油田的日，北海愛科菲斯科油田的A.L.A.L.基爾蘭德號平臺突然從水下深部傳來一次振動基爾蘭德號

31、平臺突然從水下深部傳來一次振動，緊，緊接著一聲巨響，平臺立即傾斜，短時(shí)間內(nèi)翻于海中，接著一聲巨響，平臺立即傾斜，短時(shí)間內(nèi)翻于海中，致使致使2323人喪生，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。人喪生，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。原因分析原因分析 現(xiàn)代海洋鋼結(jié)構(gòu)如移動式鉆井平臺，特別是固定式樁基現(xiàn)代海洋鋼結(jié)構(gòu)如移動式鉆井平臺，特別是固定式樁基平臺，在惡劣的海洋環(huán)境中受風(fēng)浪和海流的長期反復(fù)作用和平臺，在惡劣的海洋環(huán)境中受風(fēng)浪和海流的長期反復(fù)作用和沖擊振動；在嚴(yán)寒海域長期受流冰等隨海潮對平臺的沖擊碰沖擊振動；在嚴(yán)寒海域長期受流冰等隨海潮對平臺的沖擊碰撞；另外撞；另外, ,低溫作用以及海水腐蝕介質(zhì)的作用等都給鋼結(jié)構(gòu)平低溫作用以

32、及海水腐蝕介質(zhì)的作用等都給鋼結(jié)構(gòu)平臺帶來極為不利的影響。突出問題就是海洋鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷臺帶來極為不利的影響。突出問題就是海洋鋼結(jié)構(gòu)的脆性斷裂和疲勞破壞。裂和疲勞破壞。 上述事故的調(diào)查分析顯示，事故原因是撐竿中水聲器上述事故的調(diào)查分析顯示，事故原因是撐竿中水聲器支座疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展，導(dǎo)致?lián)胃脱杆贁嗔?。由于撐竿斷支座疲勞裂紋萌生、擴(kuò)展，導(dǎo)致?lián)胃脱杆贁嗔选Ｓ捎趽胃蛿嗔?，使相鄰裂，使相? 5個(gè)支桿過載而破壞，接著所支撐的承重腳柱破壞，個(gè)支桿過載而破壞，接著所支撐的承重腳柱破壞，使平臺使平臺2020minmin內(nèi)全部傾覆。內(nèi)全部傾覆。耐疲勞性耐疲勞性現(xiàn)象現(xiàn)象原因分析原因分析某運(yùn)輸廊倒塌分析某運(yùn)輸廊倒

33、塌分析 工藝性能工藝性能 某燒結(jié)礦倉庫運(yùn)輸廊道于某燒結(jié)礦倉庫運(yùn)輸廊道于19651965年年1 1月發(fā)生倒塌。月發(fā)生倒塌。事故發(fā)生時(shí)室外氣溫為事故發(fā)生時(shí)室外氣溫為3636左右。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查及取左右。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查及取樣試驗(yàn)可知所用的沸騰鋼含碳樣試驗(yàn)可知所用的沸騰鋼含碳0.230.230.250.25，含，含硫硫0.060.06，焊接質(zhì)量差。請分析事故原因。，焊接質(zhì)量差。請分析事故原因。原因分析原因分析工藝性能工藝性能 原因之一是所使用的鋼材不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，發(fā)原因之一是所使用的鋼材不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，發(fā)生脆性斷裂。生脆性斷裂。所用鋼材含碳量及含硫量均超過用于所用鋼材含碳量及含硫量均超過用于焊接結(jié)構(gòu)鋼材的要求

34、焊接結(jié)構(gòu)鋼材的要求，即含碳不超過，即含碳不超過0.220.22，含硫，含硫量不超過量不超過0.055 0.055 。硫的析出集中點(diǎn)正是弦桿鋼發(fā)硫的析出集中點(diǎn)正是弦桿鋼發(fā)生脆性破壞的部位生脆性破壞的部位。 原因之二是斷裂處焊縫低劣，以及焊接接縫處原因之二是斷裂處焊縫低劣，以及焊接接縫處有應(yīng)力集中現(xiàn)象，助長了此桁架的斷裂破壞。經(jīng)檢有應(yīng)力集中現(xiàn)象，助長了此桁架的斷裂破壞。經(jīng)檢查，多處焊縫明顯未焊透，有焊瘤查，多處焊縫明顯未焊透，有焊瘤、夾雜缺陷，焊夾雜缺陷，焊接質(zhì)量差。接質(zhì)量差。 基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識 2.3.1 2.3.1 鋼材的晶體結(jié)構(gòu)鋼材的晶體結(jié)構(gòu) 2.3.2 2.3.2 鋼材的基本晶體組織鋼材的

35、基本晶體組織2.3.3 2.3.3 鋼材的成分對性能的影響鋼材的成分對性能的影響 2.3.1 2.3.1 鋼材的晶體結(jié)構(gòu)鋼材的晶體結(jié)構(gòu) 鋼材和一切金屬材料一樣，也為晶體結(jié)構(gòu)，它是鐵鋼材和一切金屬材料一樣，也為晶體結(jié)構(gòu)，它是鐵- -碳合金碳合金晶體，鋼的晶格有兩種構(gòu)架，即體心立方晶格和面心立方晶格晶體，鋼的晶格有兩種構(gòu)架，即體心立方晶格和面心立方晶格( (見下圖見下圖) )。其晶體結(jié)構(gòu)中，各個(gè)原子以金屬鍵相互結(jié)合在一起，。其晶體結(jié)構(gòu)中，各個(gè)原子以金屬鍵相互結(jié)合在一起，這種結(jié)合方式就決定了鋼材具有很高的強(qiáng)度和良好的塑性。這種結(jié)合方式就決定了鋼材具有很高的強(qiáng)度和良好的塑性。鋼鋼材的晶格并不都是完好無

36、缺地規(guī)則排列，而是存在許多缺陷，材的晶格并不都是完好無缺地規(guī)則排列，而是存在許多缺陷，它們將顯著地影響鋼材的性能，這是鋼材的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)比理論它們將顯著地影響鋼材的性能，這是鋼材的實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)比理論強(qiáng)度小的根本原因。其主要的缺陷有三種：點(diǎn)缺陷、線缺陷和強(qiáng)度小的根本原因。其主要的缺陷有三種：點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。面缺陷。2.3.2 2.3.2 鋼材的基本晶體組織鋼材的基本晶體組織 鋼是以鐵（鋼是以鐵（FeFe）為主的）為主的Fe-CFe-C合金。合金。Fe-CFe-C合金于一合金于一定條件下能形成具有一定形態(tài)的聚合體，稱為鋼的組定條件下能形成具有一定形態(tài)的聚合體，稱為鋼的組織，在顯微鏡下能觀察到它

37、們的微觀形貌圖織，在顯微鏡下能觀察到它們的微觀形貌圖像像( (見見下下圖圖) )，故也稱顯微組織。主要有鐵素體、滲碳體、珠，故也稱顯微組織。主要有鐵素體、滲碳體、珠光體和奧氏體。光體和奧氏體。 片狀珠光體（片狀珠光體（10001000倍）倍） 2.3.3 2.3.3 鋼材的成分對性能的影響鋼材的成分對性能的影響 除鐵、碳外，鋼材在冶煉過程中會從原料、燃除鐵、碳外，鋼材在冶煉過程中會從原料、燃料中引入一些的其他元素。鋼材的成分對性能有重料中引入一些的其他元素。鋼材的成分對性能有重要影響。這些成分可分為兩類：一類能改善優(yōu)化鋼要影響。這些成分可分為兩類：一類能改善優(yōu)化鋼材的性能稱為合金元素，主要有材

38、的性能稱為合金元素，主要有SiSi、MnMn、TiTi、V V、NbNb等；另一類能劣化鋼材的性能，屬鋼材的雜質(zhì)，主等；另一類能劣化鋼材的性能，屬鋼材的雜質(zhì)，主要有氧、硫、氮、磷等。要有氧、硫、氮、磷等。 觀觀察與討論與討論 (1) (1) 碳素鋼中含碳量對其組織和性能的影響碳素鋼中含碳量對其組織和性能的影響 (2) (2) 鋼材的晶體結(jié)構(gòu)與性能鋼材的晶體結(jié)構(gòu)與性能討論討論(1) (1) 碳素鋼中含碳量對其組織和性能的影響碳素鋼中含碳量對其組織和性能的影響 下圖是碳素鋼基本組織相對含量與含碳量的關(guān)系下圖是碳素鋼基本組織相對含量與含碳量的關(guān)系。請分析低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼隨著含碳量的增加，請分析

39、低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼隨著含碳量的增加，其基本組織及性能如何變化。其基本組織及性能如何變化。 鐵碳合金的含碳量與晶體組織及性能之間的關(guān)系鐵碳合金的含碳量與晶體組織及性能之間的關(guān)系 討論討論(1) (1) 碳素鋼中含碳量對其組織和性能的影響碳素鋼中含碳量對其組織和性能的影響 建筑鋼材的含碳量不大于建筑鋼材的含碳量不大于0.80.8，即基本組織為即基本組織為鐵素體和珠光體。從圖可見，隨含碳量增加，珠光體鐵素體和珠光體。從圖可見，隨含碳量增加，珠光體含量增加，而鐵素體則相應(yīng)減少。故高碳鋼的強(qiáng)度較含量增加，而鐵素體則相應(yīng)減少。故高碳鋼的強(qiáng)度較高，而塑性、韌性相應(yīng)較低。高，而塑性、韌性相應(yīng)較低。 討論討

40、論(2) (2) 鋼材的晶體結(jié)構(gòu)與性能鋼材的晶體結(jié)構(gòu)與性能 請觀察以下晶格缺陷示意動畫，討論鋼材的實(shí)際請觀察以下晶格缺陷示意動畫，討論鋼材的實(shí)際強(qiáng)度與理論強(qiáng)度的關(guān)系。強(qiáng)度與理論強(qiáng)度的關(guān)系。 討論討論(2) (2) 鋼材的晶體結(jié)構(gòu)與性能鋼材的晶體結(jié)構(gòu)與性能 鋼材晶格中，有些平面上的原子較密集，結(jié)合鋼材晶格中，有些平面上的原子較密集，結(jié)合力較強(qiáng)。而面與面之間，則由于原子間距離較大，結(jié)力較強(qiáng)。而面與面之間，則由于原子間距離較大，結(jié)合力較弱。在外力作用下，晶格容易沿原子密集面產(chǎn)合力較弱。在外力作用下，晶格容易沿原子密集面產(chǎn)生相對滑移，故建筑鋼材塑性變形較大。生相對滑移，故建筑鋼材塑性變形較大。 從上面

41、的動畫可見，鋼材的晶格存在許多缺陷，從上面的動畫可見，鋼材的晶格存在許多缺陷，如點(diǎn)缺陷、線缺陷及面缺陷，由于這些缺陷的存在，如點(diǎn)缺陷、線缺陷及面缺陷，由于這些缺陷的存在，使晶格受力滑移時(shí)，不是理論上的整個(gè)滑移面上全部使晶格受力滑移時(shí)，不是理論上的整個(gè)滑移面上全部原子一起移動，只是缺陷處局部移動，故實(shí)際強(qiáng)度低原子一起移動，只是缺陷處局部移動，故實(shí)際強(qiáng)度低于理論強(qiáng)度。于理論強(qiáng)度。 工程實(shí)實(shí)例分析 鋼結(jié)構(gòu)倒塌鋼結(jié)構(gòu)倒塌 現(xiàn)象現(xiàn)象原因分析原因分析 蘇聯(lián)某鋼鐵廠倉庫運(yùn)輸廊道為鋼結(jié)構(gòu)，于某日倒蘇聯(lián)某鋼鐵廠倉庫運(yùn)輸廊道為鋼結(jié)構(gòu)，于某日倒塌。經(jīng)檢查可知：桿件發(fā)生斷裂的位置在應(yīng)力集中處塌。經(jīng)檢查可知：桿件發(fā)生斷

42、裂的位置在應(yīng)力集中處節(jié)點(diǎn)附近的整塊母材上，桁架腹板和弦桿的焊接接頭節(jié)點(diǎn)附近的整塊母材上，桁架腹板和弦桿的焊接接頭均未破壞；全部斷口和拉斷處都很新鮮均未破壞；全部斷口和拉斷處都很新鮮, ,未發(fā)黑、無未發(fā)黑、無銹跡。所用鋼材為蘇聯(lián)國家標(biāo)準(zhǔn)銹跡。所用鋼材為蘇聯(lián)國家標(biāo)準(zhǔn)CTCT3 3號沸騰鋼。號沸騰鋼。原因分析原因分析 切取母材作化學(xué)成分分析可知切取母材作化學(xué)成分分析可知：其碳、硫含量均超過蘇聯(lián)其碳、硫含量均超過蘇聯(lián)國家標(biāo)準(zhǔn)焊接結(jié)構(gòu)所用國家標(biāo)準(zhǔn)焊接結(jié)構(gòu)所用CTCT3 3號沸騰鋼的碳硫含量規(guī)定。其中號沸騰鋼的碳硫含量規(guī)定。其中5555的沸騰鋼中碳平均含量超過的沸騰鋼中碳平均含量超過0.220.22的標(biāo)準(zhǔn)

43、規(guī)定，破壞發(fā)生部的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，破壞發(fā)生部位附近含量達(dá)位附近含量達(dá)0.380.38；3232的試樣硫含量超過的試樣硫含量超過0.055 0.055 的標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在折斷部位達(dá)規(guī)定，在折斷部位達(dá)0.10.1。 碳對鋼的性能有重要的影響。碳含量增加，鋼強(qiáng)度、硬度碳對鋼的性能有重要的影響。碳含量增加，鋼強(qiáng)度、硬度增高，而塑性和韌性降低，且增大鋼的冷脆性，降低可焊性。增高，而塑性和韌性降低，且增大鋼的冷脆性，降低可焊性。而硫多數(shù)以而硫多數(shù)以FeSFeS形成存在，是強(qiáng)度較低、較脆的夾雜物，受力形成存在，是強(qiáng)度較低、較脆的夾雜物，受力易引起應(yīng)力集中，降低鋼的強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度，且對熱加工和焊易引起應(yīng)力集中，降

44、低鋼的強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度，且對熱加工和焊接不利，偏析亦嚴(yán)重。由于此鋼材不宜焊接，且使用的環(huán)境溫接不利，偏析亦嚴(yán)重。由于此鋼材不宜焊接，且使用的環(huán)境溫度較低度較低，這是導(dǎo)致工程質(zhì)量事故的主要原因。這是導(dǎo)致工程質(zhì)量事故的主要原因。 基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識 2.4.1 2.4.1 冷加工強(qiáng)化冷加工強(qiáng)化2.4.2 2.4.2 時(shí)效處理時(shí)效處理2.4.3 2.4.3 熱處理熱處理2.4.1 2.4.1 冷加工強(qiáng)化冷加工強(qiáng)化 將鋼材于常溫下進(jìn)行冷拉、冷拔或冷軋使其產(chǎn)將鋼材于常溫下進(jìn)行冷拉、冷拔或冷軋使其產(chǎn)生塑性變形，從而提高屈服強(qiáng)度，降低塑性韌性，生塑性變形，從而提高屈服強(qiáng)度，降低塑性韌性，這個(gè)過程稱為冷加工強(qiáng)化處

45、理。這個(gè)過程稱為冷加工強(qiáng)化處理。2.4.2 2.4.2 時(shí)效處理時(shí)效處理 將冷加工處理后的鋼筋，在常溫下存放將冷加工處理后的鋼筋，在常溫下存放151520 20 d d，或加熱至，或加熱至100100200 200 后保持一定時(shí)間（后保持一定時(shí)間（2 23 3 h h），其屈服強(qiáng)度進(jìn)一步提高，且抗拉強(qiáng)度也提高，），其屈服強(qiáng)度進(jìn)一步提高，且抗拉強(qiáng)度也提高，同時(shí)塑性和韌性也進(jìn)一步降低，彈性模量則基本恢同時(shí)塑性和韌性也進(jìn)一步降低，彈性模量則基本恢復(fù)。這個(gè)過程稱為時(shí)效處理。復(fù)。這個(gè)過程稱為時(shí)效處理。 時(shí)效處理方法有兩種：在常溫下存放時(shí)效處理方法有兩種：在常溫下存放151520 d20 d，稱為自然時(shí)效

46、，適合用于低強(qiáng)度鋼筋；加熱至稱為自然時(shí)效，適合用于低強(qiáng)度鋼筋；加熱至100100200 200 后保持一定時(shí)間（后保持一定時(shí)間（2 23 h3 h），稱人工時(shí)效，），稱人工時(shí)效，適合于高強(qiáng)鋼筋。適合于高強(qiáng)鋼筋。 2.4.3 2.4.3 熱處理熱處理 熱處理是將鋼材按規(guī)定的溫度制度，進(jìn)行加熱、熱處理是將鋼材按規(guī)定的溫度制度，進(jìn)行加熱、保溫和冷卻處理，保溫和冷卻處理，以改變其晶格組織以改變其晶格組織，得到所需要的，得到所需要的性能的一種工藝。性能的一種工藝。 熱處理包括淬火、回火、退火和正火熱處理包括淬火、回火、退火和正火，見下圖，見下圖。 鋼的熱處理工藝鋼的熱處理工藝 觀觀察與討論與討論討論討論

47、 冷加工強(qiáng)化與時(shí)效處理的機(jī)理冷加工強(qiáng)化與時(shí)效處理的機(jī)理 請觀察下圖鋼筋的應(yīng)力請觀察下圖鋼筋的應(yīng)力- - -應(yīng)變曲線，并討論冷加工應(yīng)變曲線，并討論冷加工強(qiáng)化與時(shí)效處理的機(jī)理強(qiáng)化與時(shí)效處理的機(jī)理。 鋼筋冷拉時(shí)效后應(yīng)力鋼筋冷拉時(shí)效后應(yīng)力- - -應(yīng)變圖的變化應(yīng)變圖的變化 討論討論 從上圖可見從上圖可見，將鋼筋冷拉至強(qiáng)化階段的，將鋼筋冷拉至強(qiáng)化階段的K K點(diǎn)，然點(diǎn)，然后卸荷，則產(chǎn)生塑性變形，若立即受拉，鋼筋的應(yīng)后卸荷，則產(chǎn)生塑性變形，若立即受拉，鋼筋的應(yīng)力力- -應(yīng)變曲線將沿應(yīng)變曲線將沿OKCDOKCD發(fā)展至破壞。這時(shí)，鋼筋在發(fā)展至破壞。這時(shí)，鋼筋在原來屈服階段不再出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，屈服點(diǎn)由原來屈服階段不

48、再出現(xiàn)屈服現(xiàn)象，屈服點(diǎn)由B B點(diǎn)提高點(diǎn)提高到到K K點(diǎn)，但抗拉強(qiáng)度基本不變，塑性和韌性降低，彈點(diǎn)，但抗拉強(qiáng)度基本不變，塑性和韌性降低，彈性模量降低。冷加工強(qiáng)化的原因是冷拉至性模量降低。冷加工強(qiáng)化的原因是冷拉至K K點(diǎn)時(shí)，塑點(diǎn)時(shí)，塑性變形造成滑移面內(nèi)晶格歪扭，畸變加劇，阻礙了性變形造成滑移面內(nèi)晶格歪扭，畸變加劇，阻礙了進(jìn)一步滑移，提高了抵抗變形的能力。同時(shí)，進(jìn)一步滑移，提高了抵抗變形的能力。同時(shí)，由于由于塑性變形中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使鋼材彈性模量降低。塑性變形中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，使鋼材彈性模量降低。工程實(shí)例分析工程實(shí)例分析 鋼結(jié)構(gòu)吊車梁發(fā)現(xiàn)裂紋鋼結(jié)構(gòu)吊車梁發(fā)現(xiàn)裂紋 現(xiàn)象現(xiàn)象原因分析原因分析 某廠氣輪車間

49、吊車梁為鋼結(jié)構(gòu)，建成后質(zhì)量檢某廠氣輪車間吊車梁為鋼結(jié)構(gòu)，建成后質(zhì)量檢查發(fā)現(xiàn)有許多裂紋。分布于上、下翼緣最多，腹板查發(fā)現(xiàn)有許多裂紋。分布于上、下翼緣最多，腹板處較少；加勁筋上無裂紋，加勁板與梁翼或腹板之處較少；加勁筋上無裂紋，加勁板與梁翼或腹板之間的焊縫及附近亦未發(fā)現(xiàn)裂紋。裂紋深度經(jīng)鏟后，間的焊縫及附近亦未發(fā)現(xiàn)裂紋。裂紋深度經(jīng)鏟后，用深度計(jì)復(fù)測，大多數(shù)的深度為用深度計(jì)復(fù)測，大多數(shù)的深度為1 12 mm2 mm，少量紋深，少量紋深達(dá)達(dá)3 mm3 mm。此批構(gòu)件鋼材雜質(zhì)含量遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)。此批構(gòu)件鋼材雜質(zhì)含量遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定；環(huán)境溫度正常；工程尚未使用；構(gòu)件運(yùn)輸安裝定；環(huán)境溫度正常；工程尚未使用

50、；構(gòu)件運(yùn)輸安裝過程未被撞擊；裂紋部位遠(yuǎn)離焊接影響區(qū)。過程未被撞擊；裂紋部位遠(yuǎn)離焊接影響區(qū)。原因分析原因分析 經(jīng)研究獲悉：在生產(chǎn)鋼材時(shí)，由于片面追求速經(jīng)研究獲悉：在生產(chǎn)鋼材時(shí)，由于片面追求速度，鑄鋼時(shí)剛澆好的鋼錠僅冷卻至度，鑄鋼時(shí)剛澆好的鋼錠僅冷卻至400 400 500 500 就拆模，未檢查與清理即送至升溫軋鋼，軋制時(shí)鋼就拆模，未檢查與清理即送至升溫軋鋼，軋制時(shí)鋼板溫度還在板溫度還在300 300 以上，就送去結(jié)構(gòu)加工廠下料制以上，就送去結(jié)構(gòu)加工廠下料制作，作，鋼板冷卻至鋼板冷卻至50 50 左右時(shí)，已有裂紋。即鋼錠溫左右時(shí)，已有裂紋。即鋼錠溫差過大，導(dǎo)致鋼材表面存在大量微裂紋，經(jīng)加熱軋差過

51、大，導(dǎo)致鋼材表面存在大量微裂紋，經(jīng)加熱軋壓，裂紋不能閉合消失；由于鋼錠是多邊形，壓，裂紋不能閉合消失；由于鋼錠是多邊形，故所故所軋制的鋼板上下兩面有裂紋軋制的鋼板上下兩面有裂紋。而加勁板為另外采購而加勁板為另外采購的鋼板，故未發(fā)現(xiàn)裂紋的鋼板，故未發(fā)現(xiàn)裂紋。 基礎(chǔ)知識基礎(chǔ)知識 2.5.1 2.5.1 建筑常用鋼種建筑常用鋼種2.5.2 2.5.2 鋼結(jié)構(gòu)用鋼鋼結(jié)構(gòu)用鋼 2.5.3 2.5.3 混凝土結(jié)構(gòu)用鋼混凝土結(jié)構(gòu)用鋼 2.5.4 2.5.4 鋁合金鋁合金 2.5.1 2.5.1 建筑常用鋼種建筑常用鋼種1.1. 碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼 碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號由代表屈服點(diǎn)的字母、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)

52、鋼的牌號由代表屈服點(diǎn)的字母、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級符號、脫氧方法等四部分按順序組成量等級符號、脫氧方法等四部分按順序組成 2.2. 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)錳含優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)錳含量的不同可分為普通錳含量鋼量的不同可分為普通錳含量鋼和較高錳含量鋼兩組。和較高錳含量鋼兩組。 3.3. 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼是一種低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼是一種在碳素鋼的基礎(chǔ)上添加總量小在碳素鋼的基礎(chǔ)上添加總量小于于5 5的的合金元素的鋼材，具有強(qiáng)度高，塑性和低溫沖擊韌性合金元素的鋼材，具有強(qiáng)度高，塑性和低溫沖擊韌性好、耐銹蝕等特點(diǎn)。好、耐銹蝕等特點(diǎn)。2.5.2

53、2.5.2 鋼結(jié)構(gòu)用鋼鋼結(jié)構(gòu)用鋼 鋼結(jié)構(gòu)用鋼主要是熱軋成形的鋼板和型鋼鋼結(jié)構(gòu)用鋼主要是熱軋成形的鋼板和型鋼等；薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)中主要采用薄壁型鋼、圓等；薄壁輕型鋼結(jié)構(gòu)中主要采用薄壁型鋼、圓鋼和小角鋼；鋼材所用的母材主要是普通碳素鋼和小角鋼；鋼材所用的母材主要是普通碳素結(jié)構(gòu)鋼及低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。結(jié)構(gòu)鋼及低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。鋼結(jié)構(gòu)用鋼有鋼結(jié)構(gòu)用鋼有熱軋型鋼、冷彎薄壁型鋼、棒材、鋼管和板材。熱軋型鋼、冷彎薄壁型鋼、棒材、鋼管和板材。2.5.3 2.5.3 混凝土結(jié)構(gòu)用鋼混凝土結(jié)構(gòu)用鋼 混凝土具有較高的抗壓強(qiáng)度，但抗拉強(qiáng)度很低?；炷辆哂休^高的抗壓強(qiáng)度，但抗拉強(qiáng)度很低。用鋼筋增強(qiáng)混凝土，可大大擴(kuò)展混凝

54、土的應(yīng)用范圍，用鋼筋增強(qiáng)混凝土，可大大擴(kuò)展混凝土的應(yīng)用范圍，而混凝土又對鋼筋起保護(hù)作用。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼而混凝土又對鋼筋起保護(hù)作用。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋，主要由碳素結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素鋼制成，包括熱軋筋，主要由碳素結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素鋼制成，包括熱軋鋼筋、冷軋扭鋼筋和冷軋帶肋鋼筋、預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼筋、冷軋扭鋼筋和冷軋帶肋鋼筋、預(yù)應(yīng)力混凝土用鋼絲和鋼絞線。鋼絲和鋼絞線。2.5.4 2.5.4 鋁合金鋁合金 純鋁在建筑上的應(yīng)用較少，可加工成鋁粉，純鋁在建筑上的應(yīng)用較少，可加工成鋁粉，用于加氣混凝土的發(fā)氣。為提高鋁的強(qiáng)度，在用于加氣混凝土的發(fā)氣。為提高鋁的強(qiáng)度，在鋁中可加入錳、鎂、銅、硅、鋅等制成各種鋁鋁

55、中可加入錳、鎂、銅、硅、鋅等制成各種鋁合金，鋁合金可被加工成各種鋁合金門窗、龍合金，鋁合金可被加工成各種鋁合金門窗、龍骨、壓型板、花紋板、管材、型材、棒材等。骨、壓型板、花紋板、管材、型材、棒材等。 觀觀察與討論與討論 鋼支架的鋼材選用鋼支架的鋼材選用 華北某廠需焊接一座露天且需承受動荷載的鋼支架華北某廠需焊接一座露天且需承受動荷載的鋼支架，該廠已有三種碳素結(jié)構(gòu)鋼，厚度均為該廠已有三種碳素結(jié)構(gòu)鋼，厚度均為80 mm80 mm，Q235Q235抗拉強(qiáng)抗拉強(qiáng)度已可滿足設(shè)計(jì)要求。三種鋼材的價(jià)格是度已可滿足設(shè)計(jì)要求。三種鋼材的價(jià)格是。請選。請選用。用。 Q235AQ235AF F Q235AQ235A

56、b b Q235CQ235C2.5.1 2.5.1 建筑常用鋼種建筑常用鋼種鋼支架的鋼材選用鋼支架的鋼材選用 選選不當(dāng)。不當(dāng)。Q235AQ235AF F為沸騰鋼，其內(nèi)部雜質(zhì)和為沸騰鋼，其內(nèi)部雜質(zhì)和夾雜物較多，夾雜物較多，化學(xué)成分和力學(xué)性能不均勻，抗沖擊化學(xué)成分和力學(xué)性能不均勻，抗沖擊韌性特別是低溫抗沖擊韌性差韌性特別是低溫抗沖擊韌性差，可焊性差，不宜用可焊性差，不宜用于承受動荷載的焊接鋼結(jié)構(gòu)于承受動荷載的焊接鋼結(jié)構(gòu)。請?jiān)龠x。請?jiān)龠x。 2.5.1 2.5.1 建筑常用鋼種建筑常用鋼種鋼支架的鋼材選用鋼支架的鋼材選用 Q235AQ235Ab b為半沸騰鋼，性能雖優(yōu)于為半沸騰鋼，性能雖優(yōu)于Q235A

57、Q235AF F，但焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)保證碳的極限含量，而但焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)保證碳的極限含量，而Q235AQ235A鋼鋼的含碳量是不作為交貨條件的，一般不用于的含碳量是不作為交貨條件的，一般不用于焊接結(jié)構(gòu)。焊接結(jié)構(gòu)。另外厚度較大的鋼材，塑性、沖另外厚度較大的鋼材，塑性、沖擊韌性及焊接性能一般較差擊韌性及焊接性能一般較差，選用厚度較大，選用厚度較大的焊接鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)選用材質(zhì)較好的鋼。的焊接鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)選用材質(zhì)較好的鋼。2.5.1 2.5.1 建筑常用鋼種建筑常用鋼種鋼支架的鋼材選用鋼支架的鋼材選用 選擇正確選擇正確。結(jié)構(gòu)鋼材的選用至少應(yīng)具有屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、。結(jié)構(gòu)鋼材的選用至少應(yīng)具有屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、伸長率三項(xiàng)機(jī)械性

58、能和硫磷含量兩項(xiàng)化學(xué)成分的合格保證，對伸長率三項(xiàng)機(jī)械性能和硫磷含量兩項(xiàng)化學(xué)成分的合格保證，對焊接結(jié)構(gòu)還應(yīng)有含碳量的合格保證。對于較大型構(gòu)件、直接承焊接結(jié)構(gòu)還應(yīng)有含碳量的合格保證。對于較大型構(gòu)件、直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)，鋼材應(yīng)具有冷彎試驗(yàn)的合格保證。對于大、受動力荷載的結(jié)構(gòu)，鋼材應(yīng)具有冷彎試驗(yàn)的合格保證。對于大、重型結(jié)構(gòu)和直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)，還需根據(jù)冬季工作濕度重型結(jié)構(gòu)和直接承受動力荷載的結(jié)構(gòu)，還需根據(jù)冬季工作濕度情況，選用的鋼材需具有常溫情況，選用的鋼材需具有常溫，低溫沖擊韌性的合格保證。低溫沖擊韌性的合格保證。 還需說明的是，低含量高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼由于合金元素的強(qiáng)化還需說明的是，低含量高強(qiáng)度

59、結(jié)構(gòu)鋼由于合金元素的強(qiáng)化作用，不但有較多的強(qiáng)度，而且具有較好的塑性、韌性和可焊作用，不但有較多的強(qiáng)度，而且具有較好的塑性、韌性和可焊性。性。Q345Q345鋼及鋼及Q390Q390鋼的綜合性能較好，是鋼結(jié)構(gòu)常用的鋼的綜合性能較好，是鋼結(jié)構(gòu)常用的鋼鋼。其。其價(jià)格雖稍高，但有更好的承受動荷載和耐疲勞性能，可節(jié)省鋼價(jià)格雖稍高，但有更好的承受動荷載和耐疲勞性能，可節(jié)省鋼材、減輕結(jié)構(gòu)自重。大跨度、材、減輕結(jié)構(gòu)自重。大跨度、大型結(jié)構(gòu)及承受動力荷載和沖擊大型結(jié)構(gòu)及承受動力荷載和沖擊荷載的結(jié)構(gòu)廣泛采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼荷載的結(jié)構(gòu)廣泛采用低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。 工程實(shí)實(shí)例分析 韓國漢城大橋倒塌韓國漢城大橋倒塌 現(xiàn)

60、象現(xiàn)象原因分析原因分析 19941994年年1010月月2121日，韓國漢城漢江圣水大橋中段日，韓國漢城漢江圣水大橋中段50 m50 m長的橋體長的橋體像像刀切一樣墜入江中，造成多人死亡。刀切一樣墜入江中，造成多人死亡。該橋由韓國最大的建筑公司之一的東亞建設(shè)產(chǎn)業(yè)公該橋由韓國最大的建筑公司之一的東亞建設(shè)產(chǎn)業(yè)公司于司于19791979建成。建成。 原因分析原因分析韓國漢城大橋倒塌韓國漢城大橋倒塌 事故原因調(diào)查團(tuán)經(jīng)五個(gè)多月的各種試驗(yàn)和研究，事故原因調(diào)查團(tuán)經(jīng)五個(gè)多月的各種試驗(yàn)和研究，于次年于次年4 4月月2 2日提交了事故報(bào)告。事故原因主要有以日提交了事故報(bào)告。事故原因主要有以下兩方面：下兩方面： a