鋼結(jié)構(gòu)第二講材料

1、鋼結(jié)構(gòu)第二講材料第1頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三1）有較高的強(qiáng)度，屈強(qiáng)比滿足要求，保證安全儲(chǔ)備2）有足夠的變形能力塑性-破壞前有預(yù)兆，能內(nèi)力重分布韌性-在動(dòng)載下破壞能吸收較大能量2-1 概述4）適應(yīng)低溫、有害介質(zhì)侵蝕及承受疲勞荷載 5）易生產(chǎn)、價(jià)格便宜3）有良好的加工性能，適應(yīng)冷熱加工，有良好的可焊性鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范（GB50017-2002)推薦的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼Q345、Q390及Q420符合要求2-1 概述第2頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三2-2 鋼材的生產(chǎn)2.2.1 鋼材的冶煉一. 煉鐵二. 煉鋼碳素鋼

2、 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼常用的煉鋼爐有三種形式：轉(zhuǎn)爐、平爐和電爐。電爐煉鋼煉成的鋼質(zhì)量好。耗電量大，成本高。轉(zhuǎn)爐煉鋼是利用高壓空氣或氧氣 氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐冶煉的鋼中有害元素和雜質(zhì)少，生產(chǎn)周 期短，效率高、質(zhì)量好、成本低。鋼材的生產(chǎn)分為煉鐵、煉鋼和軋制2-2 鋼材的生產(chǎn)第3頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三2-2 鋼材的生產(chǎn)第4頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三2-2 鋼材的生產(chǎn)平爐煉鋼，平爐的原料廣泛，容積大，產(chǎn)量高，冶煉工藝簡(jiǎn)單，化學(xué)成分易于控制，煉出的鋼質(zhì)量?jī)?yōu)良。平爐鋼周期長(zhǎng)，效率低成本高第5頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三

3、三. 鋼材的澆注和脫氧 按脫氧的方法和程度的不同，碳素結(jié)構(gòu)鋼可分為 沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼4類。 沸騰鋼采用脫氧能力較弱錳作脫氧劑，脫氧不完全。鋼中留有較多氧化鐵夾雜和氣孔。質(zhì)量較差。 鎮(zhèn)靜鋼采用錳加硅作脫氧劑，脫氧較完全，硅在還原氧化鐵過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生熱量，使鋼液冷卻緩慢，使氣體充分逸出，澆注時(shí)不出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象。質(zhì)量好，成本高。 半鎮(zhèn)靜鋼的脫氧程度介于上述二者之間。 特殊鎮(zhèn)靜鋼是在錳硅脫氧后，再用鋁補(bǔ)充脫氧，脫氧程度高于鎮(zhèn)靜鋼。 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼一般都是鎮(zhèn)靜鋼。2-2 鋼材的生產(chǎn)第6頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三以“Q”代表屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)數(shù)值共分195、

4、215、235、255和275(MPa)5種質(zhì)量等級(jí)按有害成分硫、磷含量由多到少的規(guī)律，分別由A、B、C、D符號(hào)表示脫氧方法以F表示沸騰鋼，b表示半鎮(zhèn)靜鋼，Z表示鎮(zhèn)靜鋼，TZ表示特殊鎮(zhèn)靜鋼。Z和TZ在鋼的牌號(hào)中予以省略C級(jí)只能是Z，D級(jí)只能是TZ。例如：Q235AF表示屈服點(diǎn)為235MPa的A級(jí)沸騰鋼 Q215B，表示屈服點(diǎn)為215MPa的B級(jí)鎮(zhèn)靜鋼 Q215Bb 表示屈服點(diǎn)為215MPa的B級(jí)半鎮(zhèn)靜鋼2-2 鋼材的生產(chǎn)第7頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三一. 鋼材的組織構(gòu)造 碳素結(jié)構(gòu)鋼是在純鐵中加適量的碳來(lái)提高強(qiáng)度 鐵素體 強(qiáng)度、硬度較低，而塑性、韌性良好 滲碳體

5、鐵碳化合物 熔點(diǎn)高，硬度大，幾乎沒(méi)有塑性 與鐵素體晶粒形成珠光體，在鐵素體晶?？障吨?， 形成網(wǎng)狀間層。珠光體強(qiáng)度很高，堅(jiān)硬富有彈性 低合金結(jié)構(gòu)鋼是在低碳鋼中加入少量的合金元素 合金元素及其化合物溶解于鐵素體和珠光體中，使 強(qiáng)度提高，塑性、韌性和焊接性能不降低2.2.2 鋼材的組織構(gòu)造和缺陷2-2 鋼材的生產(chǎn)第8頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三二. 鋼材的鑄造缺陷 冶金缺陷，如偏析、非金屬夾雜、氣孔、縮孔和裂紋等熱加工、冷加工和熱處理三種。 將鋼坯加熱至塑性狀態(tài)，依靠外力改變其形狀,產(chǎn)生出各種厚度的鋼板和型鋼，稱為熱加工 在常溫下對(duì)鋼材進(jìn)行加工稱為冷加工 通過(guò)加熱、保溫

6、、冷卻的操作方法，使鋼的組織結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，稱為熱處理2.2.3 鋼材的加工2-2 鋼材的生產(chǎn)第9頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三一. 熱加工 開(kāi)軋和鍛壓溫度控制在11501300 鋼材軋制成鋼板或型鋼，使金屬的晶粒變細(xì)，壓合鋼坯中的氣孔、裂紋等缺陷，改善鋼材的力學(xué)性能。 熱軋薄板和壁厚較薄的熱軋型鋼，因輥軋次數(shù)較多，鋼材的性能改善明顯，其強(qiáng)度、塑性、韌性和焊接性能均優(yōu)于厚板和厚壁型鋼 鋼材強(qiáng)度按板厚分組2-2 鋼材的生產(chǎn)第10頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三 鋼中的硫化物和氧化物等非金屬夾雜，經(jīng)軋制之后被壓成薄片 會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象。使鋼板沿厚度

7、方向受拉的性能惡化 鋼材沿軋制方向（縱向）的性能優(yōu)于垂直軋制方向（橫向）的性能，使各向異性增大。鋼板部件應(yīng)沿其橫向切取試件進(jìn)行拉伸和冷彎試驗(yàn)。2-2 鋼材的生產(chǎn)第11頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三二. 冷加工冷軋卷板和冷軋鋼板冷彎薄壁型鋼和壓型鋼板高強(qiáng)鋼絲2-2 鋼材的生產(chǎn)第12頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三2-2 鋼材的生產(chǎn)第13頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三三. 熱處理 包括退火、正火、淬火和回火 退火和正火改善組織以提高鋼的機(jī)械性能 其操作方法為：在爐中鋼材加熱保溫一段時(shí)間后，隨爐溫冷卻至500以下，再放

8、至空氣中冷卻的工藝稱為完全退火 若保溫后從爐中取出在空氣中冷卻的工藝稱為正火。正火的冷卻速度比退火快，強(qiáng)度和硬度有所提高 低溫退火，主要用來(lái)消除鑄件、熱軋件、鍛件、焊接件和冷加工件中的殘余應(yīng)力2-2 鋼材的生產(chǎn)第14頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三淬火工藝是將鋼件加熱到900以上，保溫后快速在水中或油中冷卻增加了鋼材強(qiáng)度和硬度，使塑性和韌性降低回火工藝將淬火后的鋼材加熱到某一溫度進(jìn)行保溫，而后在空氣中冷卻消除殘余應(yīng)力，調(diào)整強(qiáng)度和硬度，減少脆性，增加塑性和韌性，形成較穩(wěn)定的組織。通常稱淬火加高溫回火的工藝為調(diào)質(zhì)處理。強(qiáng)度較高的鋼材，如Q420中的C、D、E級(jí)鋼和高強(qiáng)度螺

9、栓的鋼材都要經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理。2-2 鋼材的生產(chǎn)第15頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三鋼材有兩種完全不同的破壞形式：塑性破壞脆性破壞塑性破壞的主要特征是，破壞前具有較大的塑性變形，常在鋼材表面出現(xiàn)明顯的相互垂直交錯(cuò)的銹跡剝落線。破壞后的斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗。脆性破壞的主要特征是，破壞前塑性變形很小，或根本沒(méi)有塑性變形，而突然迅速斷裂。破壞后的斷口平直，呈有光澤的晶粒狀或有人字紋。2-3 鋼材的主要性能2.3.1 鋼材的破壞形式2-3 鋼材的主要性能第16頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三鋼材的多項(xiàng)性能指標(biāo)通過(guò)單向拉伸試驗(yàn)獲得給出相應(yīng)鋼材的單調(diào)拉伸

10、應(yīng)力應(yīng)變曲線。由試驗(yàn)曲線看出，在比例極限p以前鋼材的工作是彈性的；比例極限以后，進(jìn)入了彈塑性階段；達(dá)到了屈服點(diǎn)fy后，塑性平臺(tái)；出現(xiàn)強(qiáng)化階段，產(chǎn)生頸縮而破壞。 2.3.2 鋼材在單向一次拉伸下工作性能2-3 鋼材的主要性能第17頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三一. 四個(gè)工作階段：1）彈性階段：2）彈塑性階段：應(yīng)力由 0 比例極限fp應(yīng)力由 fp 屈服點(diǎn) fy3）塑性階段：應(yīng)力保持 fy 不變，應(yīng)變由(0.10.2)% (23)%;4）強(qiáng)化階段：應(yīng)力由 fy 抗拉強(qiáng)度 fu設(shè)計(jì)以鋼材的屈服點(diǎn) f y 作為靜力強(qiáng)度承載力極限2-3 鋼材的主要性能第18頁(yè)，共68頁(yè)，202

11、2年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三f y如果沒(méi)有殘余應(yīng)力，比例極限與屈服應(yīng)力合為一點(diǎn)，彈塑性階段消失，為簡(jiǎn)化計(jì)算，將應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系簡(jiǎn)化為如圖二. 理想彈塑性體理想彈塑性體應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系1強(qiáng)度 設(shè)計(jì)時(shí)以鋼材的屈服強(qiáng)度為基礎(chǔ)，抗拉強(qiáng)度u是鋼材破壞前所承受最大應(yīng)力，此時(shí)結(jié)構(gòu)因塑性變形很大而失去使用性能，uy值的大小，作為鋼材強(qiáng)度儲(chǔ)備的參數(shù)三. 鋼材的機(jī)械性能2-3 鋼材的主要性能第19頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三衡量鋼材塑性變形能力的主要指標(biāo)是伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。 2塑性原標(biāo)距間長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)值與原標(biāo)距比值的百分率。一般以l0d0=5為標(biāo)準(zhǔn)試件。伸長(zhǎng)率5：式中：l0試件原標(biāo)

12、距長(zhǎng)度； d0試件標(biāo)距長(zhǎng)度內(nèi)的直徑； l1 試件拉斷后標(biāo)距間的長(zhǎng)度。 2-3 鋼材的主要性能第20頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三斷面的頸縮率：式中：A0試件標(biāo)準(zhǔn)斷面的面積 A1試件拉斷后頸縮區(qū)的斷面積鋼材單調(diào)拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線提供了三個(gè)重要的力學(xué)性能指標(biāo)：抗拉強(qiáng)度f(wàn)u、伸長(zhǎng)率和屈服點(diǎn)fy。抗拉強(qiáng)度f(wàn)u是鋼材一項(xiàng)重要強(qiáng)度指標(biāo)，反映鋼材受拉時(shí)能承受的極限應(yīng)力伸長(zhǎng)率是衡量鋼材斷裂前所具有的塑性變形能力的指標(biāo)，其相應(yīng)伸長(zhǎng)率分別用5或10表示屈服點(diǎn)fy是鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)力允許達(dá)到的最大限值2-3 鋼材的主要性能第21頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三一.

13、冷彎性能 鋼材的冷彎性能由冷彎試驗(yàn)確定 試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)鋼材的牌號(hào)和不同的板厚，按國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的彎心直徑，在試驗(yàn)機(jī)上把試件彎曲180 以試件表面和側(cè)面不出現(xiàn)裂紋和分層為合格 冷彎試驗(yàn)不僅能檢驗(yàn)材料承受規(guī)定的彎曲變形能力大小，還能顯示其內(nèi)部的冶金缺陷 判斷鋼材塑性變形能力和冶金質(zhì)量的綜合指標(biāo)2.3.3 鋼材的其它性能2-3 鋼材的主要性能第22頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三冷彎性能試驗(yàn)方法具有一定彎心直徑d的沖頭對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試件中部施加荷載使之彎曲不出現(xiàn)裂紋或分層，判斷鋼材的冷彎性能冷彎性能試驗(yàn)2-3 鋼材的主要性能第23頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，

14、星期三二. 沖擊韌性 單調(diào)拉伸試驗(yàn)比較不同鋼材在正常情況下韌性好壞 沖擊韌性是評(píng)定帶有缺口鋼材沖擊荷載作用下抵抗脆性破壞能力的指標(biāo)， 通常用帶有夏比V型缺口的標(biāo)準(zhǔn)試件 沖擊韌性值隨溫度的降低而降低 相當(dāng)溫度下的沖擊韌性指標(biāo)： 在寒冷地區(qū)承受動(dòng)力作用重要承重結(jié)構(gòu)，應(yīng)根據(jù)工作溫度和所用鋼材牌號(hào)，提出相當(dāng)溫度下的沖擊韌性指標(biāo)要求 2-3 鋼材的主要性能第24頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三鋼材的沖擊韌性是指鋼材在沖擊荷裁作用下，斷裂過(guò)程中吸收機(jī)械動(dòng)能的一種能力，是衡量鋼材抵抗沖擊荷裁作用我國(guó)以前曾采用過(guò)梅氏試件(U形缺口)作沖擊韌性試驗(yàn)。 2-3 鋼材的主要性能第25頁(yè)，共

15、68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三多軸應(yīng)力下，材料的綜合強(qiáng)度指標(biāo)要用變形時(shí)單位體積中積聚的能量來(lái)衡量形狀改變比能理論：三向應(yīng)力下，形狀改變比能等于單向拉伸下積聚的比能時(shí)，鋼材由彈性轉(zhuǎn)入塑性狀態(tài)鋼材在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的屈服條件時(shí)，為塑性狀態(tài)； 時(shí)，為彈性狀態(tài) 2-3 鋼材的主要性能第26頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三對(duì)塑性材料，同號(hào)應(yīng)力狀態(tài)易發(fā)生脆斷，鋼材在異號(hào)應(yīng)力狀態(tài)時(shí)容易發(fā)生塑性破壞。正應(yīng)力與剪應(yīng)力表示：2-3 鋼材的主要性能第27頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三fy單軸拉伸雙軸異號(hào)受力雙軸同號(hào)受力當(dāng)1、2、3為同號(hào)應(yīng)力且

16、數(shù)值接近時(shí)，即使它們各自都遠(yuǎn)大于fy，折算應(yīng)力zs仍小于fy說(shuō)明鋼材很難進(jìn)入塑性狀態(tài)破壞表現(xiàn)為脆性 2-3 鋼材的主要性能第28頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三在實(shí)腹梁的腹板中：當(dāng)純剪時(shí)：鋼材的抗剪設(shè)計(jì)強(qiáng)度為：平面應(yīng)力狀態(tài)下2-3 鋼材的主要性能第29頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三 碳 含碳量低，鋼的強(qiáng)度不高但塑性大伸長(zhǎng)率和沖擊韌性高，鋼質(zhì)柔軟，易于冷加工、切削和焊接含碳量較高，鋼的強(qiáng)度高，但塑性小，硬度大，性脆，不易加工2.4.1 化學(xué)成分的影響2-4 各種因素對(duì)鋼材性能的影響2-4 各種因素對(duì)鋼材性能的影響第30頁(yè)，共68頁(yè)，2022年

17、，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三錳元素(Mn)是一種弱脫氧劑錳提高鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，改善鋼材的冷脆傾向，降低硫、氧對(duì)鋼材的熱脆影響，改善鋼材熱加工性能，不顯著降低塑性和沖擊韌性。普通碳素鋼中，錳含量在0.30.8，低合金鋼中，在1.21. 6之間，過(guò)多會(huì)使鋼材變硬變脆降低鋼材耐腐蝕和可焊性。硅元素(Si)是一種較強(qiáng)的脫氧劑。適量的硅可提高鋼材強(qiáng)度而對(duì)其塑性、冷彎性能、沖擊性能、可焊性能無(wú)明顯不良影響。在碳素鋼中含量不超過(guò)0.3，低合金鋼中限制在0.6以內(nèi)。過(guò)高硅含量降低鋼材的塑性、韌性、抗銹性和可焊性。2-4 各種因素對(duì)鋼材性能的影響第31頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)

18、12分，星期三 釩元素(V)是低合金鋼中合金元素?？梢约?xì)化鋼材晶粒結(jié)構(gòu)而提高鋼材屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。釩的化合物穩(wěn)定，使鋼的高溫硬度提高，15MnV鋼是在16Mn鋼基礎(chǔ)上加入適量的釩(0.040.12)熔煉成強(qiáng)度較高低合金鋼。 硫元素(S)是一種有害元素。硫與鐵化合成硫化鐵(FeS)散布在純鐵體層間中，當(dāng)溫度在8001200時(shí)熔化而使鋼材出現(xiàn)熱裂紋，且易脆斷。稱為熱脆現(xiàn)象。使鋼材焊接性能和熱加工性能變壞，降低鋼材塑性和沖擊韌性。2-4 各種因素對(duì)鋼材性能的影響第32頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三 氧、氮是有害元素，容易從鐵液中逸出，故含量甚少。氧的作用與硫類似，增大鋼

19、的熱脆性。氮的作用同磷類似，能顯著降低鋼材的塑性和沖擊韌性，冷彎性能和焊接性能，特別是增大鋼材的冷脆性2-4 各種因素對(duì)鋼材性能的影響 磷元素(P)也是一種有害元素。 磷的存在可提高鋼材的強(qiáng)度和抗銹蝕性，但嚴(yán)重降低鋼材的塑性、冷彎性能、沖擊韌性和可焊性。在低溫下，鋼材易產(chǎn)生低溫脆斷,稱為冷脆現(xiàn)象。第33頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三 鋼材的焊接性能受含碳量和合金元素含量的影響 含碳量超過(guò)時(shí)，焊縫及熱影響區(qū)容易變脆 一般Q235A的含碳量較高，因此這一牌號(hào)通常不能用于焊接構(gòu)件。而Q235B、C、D的含碳量控制在上述的適宜范圍之內(nèi)，適合焊接使用 在高強(qiáng)度低合金鋼中，低合

20、金元素大多對(duì)可焊性有不利影響，建筑鋼結(jié)構(gòu)焊接技術(shù)規(guī)程使用碳當(dāng)量來(lái)衡量低合金鋼的可焊性，其的計(jì)算公式如下： 鋼材的焊接性能2-4 各種因素對(duì)鋼材性能的影響第34頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三 其中C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu分別為分別為碳、錳、鉻、鉬、釩、鎳和銅的百分含量。 鋼材焊接性能的優(yōu)劣除了與鋼材的碳當(dāng)量有直接關(guān)系之外，還與母材厚度、焊接方法、焊接工藝參數(shù)以及結(jié)構(gòu)形式等條件有關(guān)。 當(dāng)CE在0.380.45范圍內(nèi)時(shí)，鋼材呈現(xiàn)淬硬傾向，施焊時(shí)需要控制焊接工藝、采用預(yù)熱措施并使熱影響區(qū)緩慢冷卻，以免發(fā)生淬硬開(kāi)裂； 當(dāng)CE大于0.45時(shí)，鋼材的淬硬傾向更加明顯，

21、需嚴(yán)格控制焊接工藝和預(yù)熱溫度才能獲得合格的焊縫。2-4 各種因素對(duì)鋼材性能的影響第35頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三 鋼材的硬化有三種情況： 時(shí)效硬化、冷作硬化（或應(yīng)變硬化）和應(yīng)變時(shí)效硬化 在高溫時(shí)溶于鐵中的少量氮和碳，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)逐漸由固溶體中析出，生成氮化物和碳化物，散存在鐵素體晶粒的滑動(dòng)界面上，對(duì)晶粒的塑性滑移起到遏制作用，從而使鋼材的強(qiáng)度提高，塑性和韌性下降。這種現(xiàn)象稱為時(shí)效硬化 在冷加工使鋼材產(chǎn)生較大的塑性變形的情況下，卸荷后再重新加載，鋼材的屈服點(diǎn)提高，塑性和韌性降低的現(xiàn)象稱為冷作硬化鋼材的硬化2-4 各種因素對(duì)鋼材性能的影響第36頁(yè)，共68頁(yè)，202

22、2年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三 應(yīng)力應(yīng)變曲線將沿圖中EDHK進(jìn)行，屈服點(diǎn)由D點(diǎn)提高到H點(diǎn)塑性區(qū)和應(yīng)變硬化區(qū)的范圍縮小。這也是一個(gè)對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的不利因素。2-4 各種因素對(duì)鋼材性能的影響時(shí)效過(guò)程長(zhǎng)在塑性變形后對(duì)鋼材加熱到200300 C，使時(shí)效在幾小時(shí)內(nèi)完成，稱為人工時(shí)效。重要結(jié)構(gòu)常需進(jìn)行人工時(shí)效，然后再測(cè)定其沖擊韌性，以保證鋼材長(zhǎng)期具有較好的韌性。第37頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三當(dāng)截面有裂紋(內(nèi)部的或表面的)、孔洞、刻槽、凹角時(shí)以及截面厚度或?qū)挾韧蝗桓淖儠r(shí)構(gòu)件中應(yīng)力分布變得不均勻。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)力的現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。當(dāng)數(shù)

23、值相等三向拉應(yīng)力時(shí)，直到材料斷裂也不屈服。三向拉應(yīng)力狀態(tài)容易脆性破壞2.4.4 應(yīng)力集中的影響2-4 各種因素對(duì)鋼材性能的影響第38頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三 應(yīng)力集中現(xiàn)象可能由內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生： 在澆注、軋制和焊接加工過(guò)程中，不同部位鋼材冷卻速度不同產(chǎn)生。 焊接殘余應(yīng)力： 在焊縫附近殘余拉應(yīng)力常達(dá)到屈服點(diǎn)，在焊縫交叉處經(jīng)常出現(xiàn)雙向、甚至三向殘余拉應(yīng)力場(chǎng)，使鋼材局部變脆。 當(dāng)外力引起的應(yīng)力與內(nèi)應(yīng)力處于不利組合時(shí)，會(huì)引發(fā)脆性破壞。 因此，在進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡量使構(gòu)件和連接節(jié)點(diǎn)的形狀和構(gòu)造合理，防止截面的突然改變。 鋼結(jié)構(gòu)焊接構(gòu)造設(shè)計(jì)和施工時(shí)，盡量減少焊接殘余應(yīng)力。2

24、-4 各種因素對(duì)鋼材性能的影響第39頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三 荷載可分為靜力的和動(dòng)力的兩大類。 快速加載 動(dòng)力荷載中的沖擊荷載 連續(xù)交變荷載，循環(huán)荷載 吊車梁 地震2.4.5 荷載類型的影響一. 加載速度的影響 在沖擊荷載作用下，加載速度很高，由于鋼材的塑性滑移在加載瞬間跟不上應(yīng)變速率，反映出屈服點(diǎn)提高的傾向 試驗(yàn)研究表明，在室溫環(huán)境下，雖然鋼材的屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度隨應(yīng)變速率增加而提高，塑性變形能力卻沒(méi)有下降，反而提高2-4 各種因素對(duì)鋼材性能的影響第40頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三二. 循環(huán)荷載的影響 鋼材在連續(xù)交變荷載作用下，會(huì)

25、逐漸累積損傷、產(chǎn)生裂紋及裂紋逐漸擴(kuò)展，直到最后破壞，這種現(xiàn)象稱為疲勞 疲勞可分為高周疲勞和低周疲勞兩類 當(dāng)鋼材承受拉力至產(chǎn)生塑性變形，卸載后，再使其受拉，其受拉的屈服強(qiáng)度將提高至卸載點(diǎn)（冷作硬化現(xiàn)象）；而當(dāng)卸載后使其受壓，其受壓的屈服強(qiáng)度將低于一次受壓時(shí)所獲得的值。這種經(jīng)預(yù)拉后抗拉強(qiáng)度提高，抗壓強(qiáng)度降低的現(xiàn)象稱為包辛格效應(yīng)2-4 各種因素對(duì)鋼材性能的影響第41頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三在150以內(nèi)，鋼材的強(qiáng)度、彈性模量和塑性均與常溫相近。在250左右，抗拉強(qiáng)度有局部性提高，伸長(zhǎng)率和斷面收縮率均降至最低，出現(xiàn)藍(lán)脆現(xiàn)象（鋼材表面氧化膜呈藍(lán)色）。顯然鋼材的熱加工應(yīng)避開(kāi)

26、這一溫度區(qū)段。在300以后，強(qiáng)度和彈性模量均開(kāi)始顯著下降，塑性顯著上升。達(dá)到600時(shí)，強(qiáng)度幾乎為零，塑性急劇上升，鋼材處于熱塑性狀態(tài)。2.4.6 溫度的影響 2-4 各種因素對(duì)鋼材性能的影響第42頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三 當(dāng)溫度低于常溫時(shí)，隨著溫度的降低，鋼材的強(qiáng)度提高，而塑性和韌性降低，逐漸變脆，稱為鋼材的低溫冷脆。 在直接承受動(dòng)力作用的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了防止脆性破壞，沖擊試驗(yàn)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析才能得到。 我國(guó)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)不同牌號(hào)和等級(jí)的鋼材，規(guī)定了在不同溫度下的沖擊韌性指標(biāo) 對(duì)Q235鋼，除A級(jí)不要求外，其它各級(jí)鋼均取CV=27J 對(duì)低合金高強(qiáng)度鋼，除A級(jí)不要求

27、外，E級(jí)鋼采用CV=27J2-4 各種因素對(duì)鋼材性能的影響第43頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三影響因素：鋼材的化學(xué)成分、組織構(gòu)造和缺陷等；構(gòu)造缺陷和焊接加工引起的應(yīng)力集中、低溫影響、動(dòng)荷作用、冷作硬化和應(yīng)變時(shí)效硬化等。防止脆性破壞的發(fā)生：(1) 合理設(shè)計(jì)。(2) 正確制造。(3) 合理使用。2.4.7 防止脆性斷裂的方法2-4 各種因素對(duì)鋼材性能的影響第44頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三2-5 鋼材的疲勞2.5.1 疲勞破壞的特征1. 疲勞的概念 鋼材料在循環(huán)荷載作用下，當(dāng)循環(huán)數(shù)達(dá)到某一定值時(shí)，鋼材發(fā)生破壞的現(xiàn)象叫做鋼材的疲勞；疲勞屬于脆

28、性破壞。 內(nèi)部缺陷-應(yīng)力集中-產(chǎn)生微裂紋-微裂紋在循環(huán)荷載下擴(kuò)展-截面削弱-宏觀裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展-斷裂引起疲勞破壞的交變荷載有兩種類型常幅交變荷載 常幅疲勞 變幅交變荷載 變幅疲勞轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械零件 常幅疲勞破壞，吊車橋、鋼橋 變幅疲勞破壞。2-5 鋼材的疲勞第45頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三1) 低周疲勞 高周疲勞2) 特征 a 突然性 b 疲勞破壞的斷口與一般脆性斷口不同，三個(gè)區(qū)域：裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)和斷裂區(qū)。擴(kuò)展區(qū)表面較光滑，可見(jiàn)放射和年輪狀花紋，是疲勞斷裂的主要斷口特征。 c 疲勞對(duì)缺陷敏感。 缺口 裂紋 組織缺陷2-5 鋼材的疲勞第46頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，

29、5月20日，23點(diǎn)12分，星期三tt平均應(yīng)力：應(yīng)力比：應(yīng)力輻：循環(huán)應(yīng)力和變幅應(yīng)力2-5 鋼材的疲勞第47頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三2 影響疲勞的主要因素：1）有無(wú)缺陷、缺陷的尺寸，有無(wú)殘余應(yīng)力。2）應(yīng)力水平3）應(yīng)力輻4）應(yīng)力比 對(duì)彈性材料，這一因素影響不象對(duì)彈塑性材料那樣大。時(shí)，稱常幅循環(huán)2-5 鋼材的疲勞第48頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三2.5.2 常幅疲勞一. 非焊接結(jié)構(gòu)的疲勞疲勞強(qiáng)度 與主體金屬 連接類型有關(guān) 與循環(huán)應(yīng)力的應(yīng)力比 循環(huán)次數(shù)n有關(guān)。 n2106次，TJ17-74曾根據(jù)試驗(yàn)得到的簡(jiǎn)化疲勞曲線，驗(yàn)算以拉應(yīng)力為主的疲勞

30、計(jì)算公式如下：2-5 鋼材的疲勞第49頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三驗(yàn)算部位最大拉應(yīng)力；以拉應(yīng)力為主的疲勞容許強(qiáng)度；=0時(shí)的疲勞容許強(qiáng)度，試驗(yàn)定；構(gòu)造形式有關(guān)的系數(shù)，試驗(yàn)定。以應(yīng)力為準(zhǔn)則的疲勞驗(yàn)算方法不適用于焊接結(jié)構(gòu) 2-5 鋼材的疲勞第50頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三二. 焊接結(jié)構(gòu)的疲勞 焊接結(jié)構(gòu)疲勞壽命主要的因素 構(gòu)件和連接的構(gòu)造類型和應(yīng)力幅，而與應(yīng)力比無(wú)關(guān) 焊接殘余應(yīng)力的影響fyfymaxmin=max-minfy-t+-(a)(b)(c)焊縫附近的真是循環(huán)應(yīng)力2-5 鋼材的疲勞第51頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)1

31、2分，星期三 當(dāng)名義循環(huán)應(yīng)力為拉時(shí)，焊縫附近的殘余拉應(yīng)力已達(dá)屈服點(diǎn)不再增加，實(shí)際拉應(yīng)力保持fy不變；當(dāng)名義循環(huán)應(yīng)力減小到最小時(shí)，焊縫附近的實(shí)際應(yīng)力將降至 顯然，焊縫附近的真實(shí)應(yīng)力比為 只要應(yīng)力幅為常數(shù)，不管循環(huán)荷載下的名義應(yīng)力比為何值，焊縫附近的真實(shí)應(yīng)力比也為常數(shù)。焊縫部位的疲勞壽命主要與 有關(guān)。2-5 鋼材的疲勞第52頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三nn11lglgnlgnLglgC1(a)(b)2s應(yīng)力幅與循環(huán)壽命的關(guān)系2-5 鋼材的疲勞第53頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三可求得容許應(yīng)力幅的表達(dá)式C、均為不同構(gòu)件和連接類別的試驗(yàn)參數(shù)。

32、循環(huán)次數(shù)n應(yīng)力幅1234疲勞極限新規(guī)范給出的疲勞曲線(n)圖2-5 鋼材的疲勞第54頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三三. 常幅疲勞驗(yàn)算1. 對(duì)不同的構(gòu)件和連接類型 歸納劃分為8類 2. 對(duì)于非焊接結(jié)構(gòu)， 使用螺栓連接和構(gòu)件，殘余拉應(yīng)力很小，疲勞壽命不僅與應(yīng)力幅有關(guān)，也與名義應(yīng)力比有關(guān) 3. 折算應(yīng)力幅采用荷載的標(biāo)準(zhǔn)值容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法內(nèi)力計(jì)算中不乘動(dòng)力系數(shù) 試驗(yàn)包括動(dòng)力作用 2-5 鋼材的疲勞第55頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三一. 變幅疲勞的一般計(jì)算方法 根據(jù)線性累積損傷準(zhǔn)則 等效應(yīng)力幅e，計(jì)算公式為： 各應(yīng)力幅i對(duì)應(yīng)循環(huán)次數(shù)為ni，相對(duì)的疲

33、勞壽命為Ni， 線性累積損傷準(zhǔn)則為： 應(yīng)力幅i循環(huán)一次時(shí)，將引起1/Ni的損傷，ni次循環(huán)的損傷為ni/Ni；其它應(yīng)力幅水平的常幅循環(huán)應(yīng)力也有各自的損傷狀況，當(dāng)這些損傷份額之和等于1時(shí)，將發(fā)生疲勞破壞。 或2.5.3 變幅疲勞 2-5 鋼材的疲勞第56頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三lglgn123en1n2n3N1N2N3ni1變幅疲勞的疲勞曲線2-5 鋼材的疲勞第57頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三等效常幅疲勞應(yīng)力幅e，循環(huán) 次后： 或 將上述代入下式 有 得 則 以應(yīng)力循環(huán)次數(shù)表示的結(jié)構(gòu)預(yù)期壽命； ni應(yīng)力幅水平為i的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。2-

34、5 鋼材的疲勞第58頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三二. 吊車梁的疲勞 欠載效應(yīng)的等效系數(shù) 最大應(yīng)力幅 1 變幅疲勞工作環(huán)境2 獲得一些有代表性的車間的重級(jí)工作制 中級(jí)工作制吊車桁架的設(shè)計(jì)應(yīng)力譜。3 按2106循環(huán)次數(shù)4 最大應(yīng)力幅1 ；常幅設(shè)計(jì)應(yīng)力幅2-5 鋼材的疲勞第59頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三2.5.4 疲勞驗(yàn)算中一些值得注意的問(wèn)題 (1) 疲勞驗(yàn)算仍然采用容許應(yīng)力設(shè)計(jì)方法， 標(biāo)準(zhǔn)荷載 用容許應(yīng)力幅作為疲勞強(qiáng)度 (2) 規(guī)范中提出的疲勞強(qiáng)度以試驗(yàn)為依據(jù) 規(guī)定8種以外連接構(gòu)造，應(yīng)進(jìn)行專門的研究 高溫、海水腐蝕環(huán)境、焊后經(jīng)熱處理、低

35、周高應(yīng)變疲勞構(gòu)件或連接的疲勞 (3) 在應(yīng)力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應(yīng)力的部位不計(jì)算疲勞 (4) 靜力強(qiáng)度對(duì)焊接構(gòu)件和連接的疲勞強(qiáng)度無(wú)顯著影響，故可以認(rèn)為，疲勞容許應(yīng)力幅與鋼種無(wú)關(guān)2-5 鋼材的疲勞第60頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三2-6 建筑用鋼的種類、規(guī)格和選用 2.6.1 建筑用鋼的種類 碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼在冷拔碳素鋼絲和連接用緊固件中厚度方向性能鋼板、焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼、鑄鋼一. 碳素結(jié)構(gòu)鋼 按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)碳素結(jié)構(gòu)鋼GB/T700生產(chǎn)的鋼材有Q195、Q215、Q235、Q255和Q275種品牌， 板材厚度不大于16mm屈服點(diǎn)分別為195、21

36、5、235、255、275N/mm2Q235含碳量在0.22以下，強(qiáng)度適中，塑性、韌性均較好 除A級(jí)外，其它三個(gè)級(jí)別的含碳量均在0.20以下 。2-6 建筑用鋼的種類、規(guī)格和選用第61頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三二. 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼 按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼GB/T1591生產(chǎn)的鋼材共有Q295、Q345、Q390、Q420和Q460板材厚度不大于16mm屈服點(diǎn)295、345、390、420和460N/mm2。含碳量均不大于0.20，合金元素的總量低于5，故稱為低合金高強(qiáng)度鋼。Q345、Q390和Q420均按化學(xué)成分和沖擊韌性劃分為A、B、C、D、E共5個(gè)質(zhì)量等級(jí)，A、B級(jí)為鎮(zhèn)靜鋼，C、D、E級(jí)為特種鎮(zhèn)靜鋼，故可不加脫氧方法的符號(hào)。 三. 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼與碳素結(jié)構(gòu)鋼的區(qū)別在于鋼中含雜質(zhì)元素較少，磷、硫等害元素含量均不大于0.035，其它缺陷限制也較嚴(yán)格2-6 建筑用鋼的種類、規(guī)格和選用第62頁(yè)，共68頁(yè)，2022年，5月20日，23點(diǎn)12分，星期三 一類為普通含錳量的鋼 一類為較高含錳量的鋼 兩類的鋼號(hào)均用兩位數(shù)字表示，它表示鋼中的平均含碳量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)，前者數(shù)字后不加Mn，后者數(shù)字后加Mn， 45號(hào)鋼，表示平均含碳量為0.45的優(yōu)質(zhì)碳素鋼； 45Mn號(hào)鋼，表示同樣