第二章 鋼結構材料教材

第二章鋼結構材料第一節(jié)鋼材主要性能鋼材性能要求：1、高強2、較大的塑性變形和吸收沖擊動能3、良好的可焊性五大指標：①屈服強度；②拉伸強度；③伸長率；④冷彎加工性；⑤沖擊韌性一.拉伸試驗性能Q235鋼棒拉伸試驗系統(tǒng)1000KN萬能試驗機與鋼棒試件拉伸試驗性能曲線

OA：彈性段

AB：彈塑段

BC：塑流段

CD：應變硬化段隨應變增加，屈服極限提高，塑變儲備減少。

DE：頸縮段，破壞并喪失承載力彈性模量：E=，E=206×

②拉伸強度：為最高峰值應力強屈比：①屈服點：塑流段應力波動極小值為屈服強度，亦為抗力標準值；鋼材設計強度值③伸長率（塑變標志）

----試件標距=18-26%,抗震應>20%----試件拉斷后的長度=5d，d----橫截面直徑二.冷彎試驗性能

④

冷彎性能：檢驗鋼材適應冷加工能力和內(nèi)部缺欠狀況，以及復雜狀態(tài)下的塑性變形能力。對壓頭施加荷載進行標準梁三點彎曲，將試件彎曲180°無分層或裂紋為合格。試件寬度B=2a，鋼材厚度為a;

凈跨徑為d+2.1a;

沖頭彎心直徑d，d=a、1.5a、2a、

2.5a、3ad與鋼材牌號有關。板材橫放、型材豎放三.沖擊試驗性能⑤沖擊韌性:鋼材在沖擊荷載下斷裂時吸收機械能，或抵抗因低溫、應力集中導致脆性斷裂能力的指標。我國采用：V型缺口標準梁L×W×H=55㎜×10㎜×10㎜凈跨徑40㎜，兩端支撐，中心受擺錘沖擊

韌性指標由Cv值（J）表達，即V型沖擊功碳素結構鋼Q235有A、B、C、D四個質(zhì)量級沖擊韌性指標，除A級外，Q235和其它低碳鋼沖擊功應大于27（J）Q235溫度-20~20℃，Q345等-40~20℃Q235-A質(zhì)量等級只承受靜載第二節(jié)鋼材性能成因和影響因素

含碳量用途低碳鋼

<0.25%建筑結構鋼（<0.22%）中碳鋼

0.25~0.60%高強螺栓，齒輪高碳鋼

0.60%工具鋼，車刀一.成因：1.化學成分鋼是鐵碳合金，純鐵軟塑<0.002%,加碳后變堅硬，>2.0%為生鐵。(1)碳素鋼（2）低合金鋼

錳

Mn：顯著提高強度、塑韌性下降小，為弱脫氧劑，減小氧含量（熔煉中），改善熱脆性能；有益元素：人為加入Mn、Si、V碳素鋼中加入少量合金元素熱脆：硫化鐵（FeS），氧化鐵（FeO）

在800~1000℃熔化成裂紋。錳能與硫化合成硫化錳，減小熱脆現(xiàn)象。Q345，Q390鋼中，錳為1.2~1.6%。使焊接性、塑性、韌性變差硅

Si：強脫氧劑，改善熱脆；使晶粒變細，強度提高。釩

V：抗腐蝕，提高強度。硫

S：生成硫化鐵（FeS）導致熱脆；有害元素：原始存在S、P、O、N

磷

P：降低低溫韌性，導致冷脆；焊接結構鋼硫含量不超0.035~0.050%磷含量不超過0.035~0.045%冷脆：低溫時韌性降低易產(chǎn)生脆性破壞

氧

O：生成氧化鐵（FeS）導致熱脆

氮

N：冷脆2、熔煉、澆注與軋制生產(chǎn)工藝對材質(zhì)的影響按熔注脫氧程度：

沸騰鋼（F）：

弱脫氧，澆注錠模時，氧化鐵與碳生成一氧化碳（CO）氣體大量逸出，使鋼液“沸騰”。A、B質(zhì)量等級鎮(zhèn)靜鋼

Z：加適量硅、錳作強脫氧劑，澆注錠模時，鋼液不“沸騰”；C級半鎮(zhèn)靜鋼

b：介于上述兩者;包括脫氧程度、質(zhì)量和價格；C級特殊鎮(zhèn)靜鋼：脫氧徹底，晶粒微細、數(shù)量大，D級

軋制：使氣泡，裂紋愈合3、熱處理

調(diào)質(zhì)：淬火后高溫回火，消除應力集中，提高強度，改善韌性與塑性。二.影響鋼材性能的其它因素鋼材構件在冷拉、冷拔、冷彎、沖孔、剪切等冷加工中，產(chǎn)生很大的塑性變形。

冷加工硬化冷加工（彎拉）超過鋼材屈服點，卸載后重新加載，屈服點提高，塑變能力下降。應變時效

①應變硬化

B點有記憶②時效硬化屈服強度隨時間提高并轉脆屈服應力提高的兩個部分：（1）升溫：100℃強度不變;200℃徐變；600℃承載能力完全喪失。（2）降溫：使沖擊韌性下降，鋼材由塑性破壞轉為脆性破壞；選材時應使轉變溫度低于結構工作環(huán)境溫度；

Q235鋼，計算溫度≥－15℃。應力集中：構件幾何形態(tài)突變，應力大小有關。重復荷載：疲勞破壞。

溫度影響第三節(jié)鋼材疲勞

①破壞應力小于拉伸強度或屈服強度②塑變極小

疲勞破壞特點：一.疲勞斷裂概念重復荷載下，因裂縫擴展導致的材料脆性破壞。吊車梁疲勞荷載鋼材疲勞破壞主要取決：ρ=-1

完全對稱循環(huán)

應力循環(huán)特征參數(shù)：循環(huán)應力特征、循環(huán)應力幅、循環(huán)次數(shù)（除鋼材質(zhì)量、幾何尺寸和缺陷外）

應力幅：-1<ρ<0拉應力為主的不對稱循環(huán)ρ=0脈沖循環(huán)ρ>0同號應力循環(huán)疲勞應力指標由應力幅表達焊縫冷卻與殘余應力焊縫附近翼緣中產(chǎn)生垂直截面的殘余拉應力，并接近或等于屈服應力殘余拉壓應力自平衡靜載承載能力不變焊縫附近翼緣中產(chǎn)生垂直截面的殘余拉應力，并接近或等于屈服應力σ脈沖拉應力加到翼緣上脈沖應力與殘余應力疊加（加載）脈沖應力（卸載）①翼緣全部屈服取決于應力大?。虎诤缚p附近實際應力變化，只是從變到即③焊縫裂紋擴張與裂紋應力集中系數(shù)η及循環(huán)應力幅有關二.應力幅與循環(huán)次數(shù)（）

由試驗數(shù)據(jù)得：應力幅與致?lián)p循環(huán)次數(shù)應力幅與致?lián)p循環(huán)次數(shù)對數(shù)曲線（均值線）n----致?lián)p循環(huán)次數(shù)；BC為循環(huán)次數(shù)取值范圍。左線為一定應力幅對應的最小循環(huán)次數(shù)，對正態(tài)分布有97.7%的保證率，故

（均值線）疲勞方程：

——直線斜率對數(shù)致?lián)p循環(huán)次數(shù)標準方差左線截距————應力幅：焊接

非焊接三.疲勞驗算及容許應力幅（拉正壓負）焊接件形式：常幅疲勞：應力幅有規(guī)律變化非焊接件不存在殘余應力，疲勞強度除應力幅外，還與最大應力和循環(huán)特征有關，故采用0.7作換算。求容許應力幅由疲勞方程取以10為底指數(shù)：n——應力循環(huán)次數(shù)，

次；C，β系數(shù)，按構件與連接方式查表8-2參數(shù)b、m、

與構件類型和連接方式有關化簡后，常幅疲勞容許應力幅為：

構件連接類型

兩側角焊

C

β3

59

n=

次實驗包括Q235，Q345，Q390三種鋼材

第四節(jié)鋼種、鋼號及鋼材選擇碳素結構鋼鋼號：Q195Q215Q235A、B、C、D

Q255Q275一.鋼種與鋼號鋼種：碳素結構鋼，低合金結構鋼Q為屈服點漢語拼音首位字母數(shù)字為厚度≤16㎜鋼材屈服強度(標準抗力)

碳素結構鋼牌號表示：Q×××－質(zhì)量等級符號·脫氧方法質(zhì)量等級分為A、B、C、D四級，由低到高，按沖擊韌性、冷彎性能和脫氧方法劃分建筑結構鋼主要用Q235鋼號A、B—沸騰鋼F、半鎮(zhèn)靜鋼b、鎮(zhèn)靜鋼ZC—鎮(zhèn)靜鋼D—特殊鎮(zhèn)靜鋼

Q235-AQ235-CQ235-A·FQ235-DQ235-BQ235-B·b鋼號：Q345Q390Q420分為A、B、C、D、E五個質(zhì)量等級

低合金結構鋼在碳素鋼中加入錳、釩、硅等元素，煉制成合金鋼，獲得優(yōu)良力學性能二.鋼材選擇選擇標準：結構安全、經(jīng)濟合理考慮因素：①構件重要性②荷載性質(zhì)（動、靜）③連接方法：焊接、鉚接、螺栓連接④工作條件（溫度、腐蝕）A級無沖擊要求B級20℃沖擊功≥34JC級0℃≥34JD級-20℃≥34JE級-40℃≥27JQ235、Q345伸長率≥21%Q390

≥19%Q420≥18%碳、硫、磷、鋁含量符合相應要求靜載：Q235-A動載：Q235-B低溫：-20℃～-40℃：

Q235-CQ235-DQ345Q390非焊接：Q235-A·F焊接：Q235-A·b或z地鐵明挖基坑鋼支撐Q235-B三、型鋼規(guī)格表示方法：－厚×寬×長（單位，㎜）如－10×300×40001.熱軋鋼板用途：構件腹翼板、綴板、支撐鋼板加勁肋、面板鋼構件用型鋼和鋼板制成，先選型鋼，尺寸不足再用鋼板制作

厚（mm）

寬（mm）

長（m）厚板：4.50～60600～30004～12薄板：0.35～4500～1500

0.5～4扁鋼：4～6012～2003～92.熱軋型鋼等邊角鋼L100×10肢寬×肢厚

不等邊角鋼L100×80×10長肢寬×短肢寬×肢厚角鋼：桁架桿件、綴條、連接件

槽鋼：柱、梁、檁條熱軋普通槽鋼，用Q235鋼軋制表示方法：［36a36為360㎜槽鋼高度，a、b、c為不同腹板厚度，按2㎜遞增工字鋼:梁、柱表示方法：

I40aa、b、c為腹板類型以2㎜遞增H型鋼：梁、柱、支撐特點：翼緣寬而等厚，慣性和回轉半徑大幅增加，內(nèi)外表面平行，便于連接。表示方法：

HW200×200HW寬HN窄HM中鋼管：表示方法：D×tφ400×6①無縫鋼管：直徑Dφ32～630

壁厚t2.5～16②電焊鋼管：Dφ32～152t2～5.5（單位：mm）空間桁架桿件，工作平臺立柱施工模板支架立柱，鋼管砼3.冷彎型鋼與壓型鋼板冷彎薄壁型鋼由厚度1.5～6㎜熱軋鋼板或鋼帶經(jīng)冷加工（冷彎，冷壓）成型，同一截面各部分厚度相同。特點：因壁較薄，對銹蝕影響敏感與相同截面積熱軋型鋼相比，截面輪廓尺寸大而壁薄，截面慣性矩和回轉半徑較大，受力性能較好、節(jié)約鋼材用途