鋼結構基本原理課件第二章

2鋼結構的材料

本章內容:(1)

鋼結構對材料的基本要求

(2)

鋼材的破壞形式

(3)

鋼材的主要機械性能

(4)

影響鋼材性能的主要因素

(5)

鋼的種類和鋼材規(guī)格本章重點：鋼材的主要機械性能、各種因素對鋼材性能的影響本章難點：影響鋼材性能的主要因素

2.1鋼結構對材料的要求1、具有較高的抗拉強度fu和屈服點fy(結構的承載力大，所需的截面小，結構的自重輕)2、具有較好的塑性、韌性（塑性好，不易發(fā)生脆性破壞；韌性好，利于承受動力荷載）3、良好的工藝性能(包括可焊性、冷加工、熱加工性能)對鋼材的基本要求：

2.1鋼結構對材料的要求

規(guī)范規(guī)定（鋼種牌號約400多種）：

承重結構的鋼材應具有抗拉強度、伸長率、屈服點和碳、硫、磷含量的合格保證；焊接結構尚應具有冷彎試驗的合格保證；對某些承受動力荷載的結構以及重要的受拉或受彎的焊接結構尚應具有常溫或負溫沖擊韌性的合格保證.《鋼結構設計規(guī)范》GB50017-2003推薦承重結構用鋼宜采用：碳素結構鋼中的Q235鋼及低合金結構鋼中的Q345、Q390和Q420鋼四種鋼材。2.2鋼材的破壞形式1、塑性破壞：斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗。破壞前有明顯的變形，破壞歷時時間長，可以采取補救措施。2、脆性破壞：破壞前沒有任何預兆，破壞是突然發(fā)生的，斷口平直并呈有光澤的晶粒狀。鋼材的破壞形式：塑性破壞和脆性破壞。

在設計、施工和使用鋼結構時，注意防止脆性破壞。鋼材的主要性能是機械性能，可通過某些試驗（拉伸、冷彎、沖擊）確定。·2.3鋼材的主要性能2.3.1受拉、受壓及受剪時的性能fyfu單軸拉伸經歷5個階段：彈性階段（OE）彈塑性階段（ES）屈服階段（SC）強化階段（CB）

頸縮階段（BD）圖2.1

碳素結構鋼的應力-應變關系fp1.強度性能

設計時，為簡化，將鋼材視為理想的彈塑性材料

----屈服前為彈性屈服后為塑性fy

fu—抗拉強度最大承載強度，強度儲備。

fy—屈服強度作為強度計算限值,強度標準值,設計依據(jù).圖2.2

理想彈-塑性體的應力-應變曲線

高強度鋼的條件屈服點：

卸荷后試件中殘余應變?yōu)?.2%所對應的應力(f0.2)δ—伸長率（塑性性能）2.塑性性能斷裂前的變形能力冷加工保證條件反映質量缺陷δ5或δ10塑性：在靜力荷載作用下，鋼材吸收變形能的能力。圖2.3高強度鋼的應力-應變曲線2.3.2冷彎性能

在一定的d/a下彎折180度，外表面不出現(xiàn)裂紋和分層圖2.4鋼材冷彎試驗示意圖冷彎性能是檢驗鋼材彎曲變形能力或塑性性能，還是顯示鋼材內部缺陷狀況的一項指標；是鑒定鋼材在彎曲狀態(tài)下塑性應變能力和鋼材質量的綜合指標。2.3.3沖擊韌性

韌性是鋼材抵抗沖擊荷載的能力，它用材料在斷裂時所吸收的總能量來量度（Cv）擺錘h1h2沖擊韌性：在動力荷載作用下，材料吸收能量的能力。韌性是鋼材強度和塑性的綜合指標。圖2.5沖擊韌性試驗1、化學成分2、冶金缺陷3、鋼材硬化4、溫度影響5、應力集中6、反復荷載作用（結束）2.4各種因素對鋼材性能的影響

2.4各種因素對鋼材性能的影響

2.4.1化學成分

鋼是含碳量小于2%的鐵碳合金。鋼中基本元素：Fe、C、Si、Mn、S、P、N、O。普通碳素鋼中，F(xiàn)e占99%，其余元素占1%。在低合金鋼中，除了上述元素外，還有一定合金元素（鎳、釩、鈦等）（含量低于5%）

各種元素對鋼材機械性能的影響如下。碳C：含量增加，鋼材強度提高，而塑性、韌性和疲勞強度低。同時焊接性能和抗腐蝕性惡化。一般在碳素結構鋼中不應超過0.22%；在焊接結構中還應低于0.2%。硅Si：含Si適量使強度提高,其它影響不大，有益元素，

碳素結構鋼中應控制≤0.3%,在低合金高強度鋼中硅的含量可達0.55%。錳Mn：含Mn適量使強度提高，降低S、O的熱脆影

響，改善熱加工性能，對其它性能影響不大,

有益。在碳素結構鋼中錳的含量為0.3%～0.8

%，在低合金高強度鋼中錳的含量可達1.0

%～1.6%。釩和鈦：是鋼中的合金元素，能提高鋼的強度和抗腐蝕性能，又不顯著降低鋼的塑性。硫S：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，在高溫時，使鋼材變脆，稱之為熱脆。含量

應不超過0.045%。(有害成分)磷P：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，在低溫時，使鋼材變脆，稱之為冷脆。含量應不超過0.045%。可以提高強度和抗銹蝕性。

(有害成分)氧O：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，在高溫時，發(fā)生熱脆。含量應不超過0.008%。

(有害成分)氮N：降低鋼材的塑性、韌性、可焊性和疲勞強度，在低溫時，發(fā)生冷脆。含量應不超過0.008%。

(有害成分)2.4.2冶金缺陷

在冶煉、軋制過程中常常出現(xiàn)的缺陷有偏析、分層、非金屬夾雜、氣孔、裂紋。冶煉（脫氧）

沸騰鋼脫氧不充分,澆注時,大量氣體逸出,鋼液表面沸騰,冷卻快,氣體不能充分逸出,偏析嚴重。鎮(zhèn)靜鋼脫氧充分,澆注時,氣體易逸出,鋼液表面平靜,缺陷少。圖2.6

鋼錠剖面軋制注意：薄鋼板的強度比厚鋼板的強度高圖2.7鋼的軋制使晶粒細化工字鋼軋輥寬翼緣工字鋼軋輥1、偏析：鋼中化學成分分布不均勻，主要的偏析是硫、磷，將使偏析區(qū)鋼材的塑性、韌性及可焊性變壞。圖2.8鋼錠中硫的偏析圖2.9型鋼硫的偏析2、非金屬夾雜：鋼材中存在非金屬化合物（硫化物、氧化物），使鋼材性能變脆。3、裂紋、分層：澆注時的非金屬夾雜物在軋制中可能造成鋼材的分層，影響鋼材的冷彎性能。

4、氣孔：澆注時氧化鐵和碳作用生成的CO氣體未充分逸出。圖2.10層間撕裂

2.4.3鋼材的硬化

時效硬化、冷作硬化

由于某種因素的影響使鋼材強度提高，塑性、韌性下降，增加脆性的現(xiàn)象稱為硬化。冷加工時（常溫進行彎折沖剪等），鋼材發(fā)生很大塑性變形，強度↑，塑性和韌性↓，使鋼材變硬的現(xiàn)象冷作(應變)硬化。鋼材中的C、N，隨著時間的增長和溫度的變化，而形成碳化物和氮化物，使鋼材變脆的“老化”的現(xiàn)象稱為時效硬化。2.4.4

溫度影響

溫度升高，鋼材強度是降低、應變增大；反之，溫度降低，鋼材強度略有增加，塑性和韌性降低而變脆，見圖2.11。藍脆：在250度左右時，強度提高而伸長率和沖擊韌性降低，鋼材表面氧化膜呈藍色，此種現(xiàn)象稱為藍脆現(xiàn)象。徐變：當溫度在260—320度時，在應力持續(xù)不變的情況下，鋼材以很緩慢的速度繼續(xù)變形，此種現(xiàn)象稱為徐變。當溫度達到600度時強度很低，不能承擔荷載。圖2.11溫度對鋼材機械性能的影響

溫度區(qū)稱為鋼材的脆性轉變溫度區(qū)，在此區(qū)內曲線的反彎點(最陡點)所對應的溫度稱為轉變溫度。如果把低于完全脆性破壞的最高溫度作為鋼材的脆斷設計溫度即可保證鋼結構低溫工作的安全。

圖2.12沖擊韌性與溫度的關系曲線溫度從常溫下降時，強度提高而塑性和韌性降低,脆性提高，當溫度降到某一溫度區(qū)時，鋼材的沖擊韌性大大降低，容易導致低溫脆斷。2.4.5應力集中

構件上孔洞、刻槽、凹角、裂紋以及截面厚度或寬度改變等部位，在力作用下，該處出現(xiàn)高峰應力，而其它部位應力較低，截面應力分布不均勻現(xiàn)象——應力集中。應力集中系數(shù)

:應力集中是造成構件脆性破壞的主要原因之一。應力集中系數(shù)越大，變脆的傾向越嚴重。圖2.13孔洞及槽孔處的應力集中2.4.6反復荷載作用疲勞破壞:

鋼材在直接的反復的動力荷載作用下，鋼材的強度將降低，即低于一次靜力荷載作用下的拉伸試驗的極限強度，這種現(xiàn)象稱為疲勞。疲勞破壞表現(xiàn)為突然發(fā)生的脆性斷裂。

鋼材在反復荷載作用下，結構的抗力及性能都會發(fā)生重要變化，甚至發(fā)生疲勞破壞。為防止脆性破壞，在設計、制造及使用中應注意:

合理設計正確制造正確使用2.5復雜應力作用下鋼材的屈服條件

在單軸應力作用下

時鋼材屈服，構件由彈性工作狀態(tài)轉為塑性工作狀態(tài)。在多軸應力作用下鋼材的屈服條件不能以某一軸向應力超過某屈服點來判別，而是按材料力學的能量強度理論計算折算應力與鋼材在單軸應力作用下的屈服點比較判斷。圖2.14復雜應力當用應力分量表示時：

當用主應力表示時：

在普通梁中，一般只存在正應力和剪應力：

（1）當三個主應力同號且數(shù)值接近時，即使很大，但鋼材很難屈服，發(fā)生脆性破壞。（2）有異號應力，且同號兩個應力差較大，即使，但可能大于，發(fā)生塑性破壞。

純剪：

討論：《規(guī)范》對鋼材的抗剪強度設計值取0.58fy。2.7鋼材的種類和規(guī)格

按用途：結構鋼、工具鋼、特殊鋼(如不銹鋼等)。按冶煉方法：轉爐鋼、平爐鋼。按脫氧方法：沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、特殊鎮(zhèn)靜鋼。按成型方法：軋制鋼、鍛鋼、鑄鋼。按化學成分：碳素鋼、合金鋼。在建筑工程中采用的是：碳素結構鋼、低合金高強度結構鋼、優(yōu)質碳素結構鋼。2.7.1鋼材的種類鋼的牌號有四部分組成：

1、Q——代表屈服強度的字母；

2、屈服點的數(shù)值——195、215、235、275、295、345、390、420、460等；

3、質量等級符號——A、B、C、D四個等級(碳素結構鋼)A、B、C、D、E五個等級（低合金高強度結構鋼）

4、脫氧方法符號——F代表沸騰鋼、b代表半鎮(zhèn)靜鋼、z代表鎮(zhèn)靜鋼、Tz代表特殊鎮(zhèn)靜鋼。優(yōu)質碳素結構鋼

主要用于鋼結構某些節(jié)點或用作連接件。建筑結構用鋼板

高性能建筑結構鋼材(GJ鋼)，牌號由以下組成：

1、Q——代表屈服強度的字母；

2、屈服點的數(shù)值；

3、代表高性能建筑結構用鋼的漢語拼音字母GJ；

4、質量等級符號——B、C、D、E四個等級對于厚度方向性能鋼板，在質量等級后面加上厚度方向性能級別（Z15、Z25、Z35）。

GJ鋼適用于建造高層建筑結構、大跨度結構及其他重要建筑結構。（結束）確定鋼材種類及其質量等級。鋼材的選用原則

1、結構的重要性

安全等級不同，所選鋼材的質量等級也應不同，重要的結構構件選用質量好的鋼材。

2、荷載特征

荷載為靜力或動力荷載，應選用各項性能不同的鋼材。2.7.2鋼材的選擇

3、連接方法焊接應選擇可焊性好的鋼材。非焊接結構對含碳量可降低要求。

4、結構所處的溫度和環(huán)境

處于負溫下工作時，選用負溫沖擊合格的鋼材，結構周圍有腐蝕介質存在時要選用抗銹性好的鋼材。

5、鋼材的厚度

厚度大焊接結構應采用材質較好的鋼材。

承重結構的鋼材應具有抗拉強度、伸長率、屈服點和硫、磷含量的合格保證，對焊接結構尚應具有碳含量的合格保證。焊接承重結構以及重要的非焊接承重結構的鋼材尚應具有冷彎試驗的合格保證。對需要驗算疲勞以及主要的受拉或受彎的焊接結構的鋼材，應具有常溫或負溫沖擊韌性的合格保證.鋼材