2鋼結(jié)構(gòu)材料解析

第二章鋼結(jié)構(gòu)材料1.鋼結(jié)構(gòu)對材料性能的要求對于鋼材，用途不同，對鋼材性能的要求也不同。如機械加工的切削工具，需要鋼材有很高的強度和硬度。石油化工設(shè)備需要鋼材具有耐高溫和耐腐蝕性能等等。由此鋼材的種類繁多，碳素鋼有100多種，合金鋼有300多種，但適用于金屬結(jié)構(gòu)的鋼材只是其中的一小部分。鋼結(jié)構(gòu)對鋼材的性能要求是：1第二章鋼結(jié)構(gòu)材料1)較高的抗拉強度和屈服點2)較好的塑性、韌性及耐疲勞性能3)良好的加工性能屈服點高，可以減小構(gòu)件截面，減輕結(jié)構(gòu)自重，節(jié)約鋼材，降低造價。抗拉強度高可以增加結(jié)構(gòu)的安全儲備，提高結(jié)構(gòu)的可靠性。例如屈服點為235MpaQ235材料，如果由屈服點345Mpa的Q345材料代替，鋼材自重可節(jié)省15％～25％。塑性和韌性好，結(jié)構(gòu)在靜載和動載作用下有足夠的應(yīng)變能力，可減輕結(jié)構(gòu)脆性破壞的可能，同時可通過塑性變形調(diào)整局部應(yīng)力，并具有抵抗交變載荷作用的能力。良好的工藝性能可對工件進行冷加工、熱加工和焊接加工等加工方式，而且不影響結(jié)構(gòu)的強度、塑性和韌性等性能。2第二章鋼結(jié)構(gòu)材料2.鋼材的機械性能鋼結(jié)構(gòu)在使用過程中，要受到各種載荷作用，如風載、靜載、動載等。因此要求鋼材必須具有抵抗各種載荷作用的能力。鋼材在各種作用下所表現(xiàn)出來的各種特性，如強度、塑性、韌性等稱為鋼材的機械性能(力學性能)。其機械性能是通過試驗測定的。3第二章鋼結(jié)構(gòu)材料1)彈性階段(OA)2)彈塑性階段(AB)彈性模量比例極限屈服極限2.1單向拉伸力學性能5個階段4第二章鋼結(jié)構(gòu)材料3)塑性階段(BC)4)強化階段(CD)變形變形不可恢復抗拉極限流幅塑性安全儲備5第二章鋼結(jié)構(gòu)材料5)頸縮階段(DE)伸長率斷面收縮率塑性6第二章鋼結(jié)構(gòu)材料2.3冷彎性能彎曲塑性變形時產(chǎn)生裂紋的抵抗能力2.2單向受壓受剪性能受壓與拉伸類同受剪剪切模量屈服極限72.4沖擊韌性第二章鋼結(jié)構(gòu)材料鋼材的沖擊韌性是指鋼材在沖擊載荷作用下斷裂時吸收能量的能力，是衡量鋼材抵抗脆性破壞的機械性能指標。鋼材的脆性斷裂常從裂紋和缺口等應(yīng)力集中和三向應(yīng)力場處產(chǎn)生，因此鋼材的沖擊韌性通常采用有特定缺口的試件，放在沖擊試驗機擊斷，以得出其吸收的沖擊功。由于V型缺口試件根部尖銳，更接近實際缺陷，因此現(xiàn)行的標準規(guī)定采用夏比氏V型缺口試件。鋼材的沖擊韌性不但與鋼材質(zhì)量、試件缺口形狀有關(guān)，而且受溫度特別是低溫的影響較大。當溫度低于零下某溫度時，沖擊韌性明顯下降。因此鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范和標準中對鋼材的沖擊韌性值分別作出了常溫與低溫的規(guī)定。例如，當設(shè)計處于低溫條件下的重要結(jié)構(gòu)(東北地區(qū))，特別是承受動力載荷的結(jié)構(gòu)時，不但要求保證常溫(20度)沖擊韌性，還要求保證低溫(-20度或-40度)的沖擊韌性。另外，鋼材的沖擊韌性還與鋼材厚度有關(guān)，較大厚度鋼材的沖擊韌性，尤其是低溫沖擊韌性將顯著降低。因此低溫條件下，鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量選用小厚度的鋼材。8第四強度理論彈性狀態(tài)塑性狀態(tài){2.5復雜應(yīng)力狀態(tài)下性能該理論認為，無論什么應(yīng)力狀態(tài)，只要形狀改變比能達到材料的某一極限值，材料就發(fā)生屈服，即由彈性工作狀態(tài)進入塑性工作狀態(tài)。推導出的公式為:第二章鋼結(jié)構(gòu)材料9第二章鋼結(jié)構(gòu)材料拉應(yīng)力，脆性斷裂{壓應(yīng)力，不破壞異號，塑性斷裂當三向主應(yīng)力都受拉應(yīng)力，且數(shù)值接近，既使單向應(yīng)力超出屈服點，折算應(yīng)力仍小于屈服極限，直到破壞，也沒有明顯的塑性變形，即鋼材處于脆性狀態(tài)，破壞屬于脆性斷裂。當三向應(yīng)力均為壓應(yīng)力時，材料既不進入塑性狀態(tài)，也不斷裂，而是幾乎不可能破壞。當三向主應(yīng)力異號，有壓有拉時，鋼材比較容易進入塑性狀態(tài)，呈塑性破壞特征。10第二章鋼結(jié)構(gòu)材料2.6連續(xù)反復載荷作用下的性能－疲勞材料在交變應(yīng)力或交變應(yīng)變作用下，由于某點或某些點產(chǎn)生了局部的永久結(jié)構(gòu)變化，從而在一定的循環(huán)次數(shù)以后形成了裂紋或發(fā)生斷裂的過程為疲勞。疲勞破壞特點是在循環(huán)應(yīng)力或循環(huán)應(yīng)變作用下的破壞；必須經(jīng)歷一定的載荷循環(huán)次數(shù)疲勞過程中不發(fā)生宏觀塑性變形疲勞斷口上明顯地分為兩個區(qū)域11交變應(yīng)力：構(gòu)件內(nèi)一點處的應(yīng)力隨時間作周期性變化，稱為交變應(yīng)力折鐵絲PP第二章鋼結(jié)構(gòu)材料12產(chǎn)生的原因：鋼材在生產(chǎn)制造過程中，不可避免地存在局部微小缺陷。在連續(xù)反復載荷作用下，缺陷處的截面應(yīng)力不均，形成應(yīng)力集中，產(chǎn)生雙向或三向同號拉應(yīng)力場，材質(zhì)變脆，在峰值應(yīng)力處首先出現(xiàn)微觀裂紋，并隨載荷作用不斷擴展。當載荷循環(huán)達到一定次數(shù)時，裂紋擴展達到臨界范圍，即剩余截面不足以抵抗應(yīng)力而斷裂。第二章鋼結(jié)構(gòu)材料13第二章鋼結(jié)構(gòu)材料發(fā)生脆性破壞影響因素：脈沖循環(huán)應(yīng)力比疲勞曲線應(yīng)力比疲勞許用應(yīng)力應(yīng)力幅應(yīng)力集中應(yīng)力循環(huán)次數(shù)14不同應(yīng)力比時的疲勞應(yīng)力第二章鋼結(jié)構(gòu)材料拉應(yīng)力時疲勞許用應(yīng)力壓應(yīng)力時疲勞許用應(yīng)力BA3153鋼結(jié)構(gòu)破壞形式第二章鋼結(jié)構(gòu)材料3.1結(jié)構(gòu)的整體失穩(wěn)破壞結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定破壞是指結(jié)構(gòu)所承受的外荷載尚未達到結(jié)構(gòu)能承受的強度，產(chǎn)生較大變形而不能再承擔載荷，整體結(jié)構(gòu)偏離原平衡位置而倒塌。這主要針對受壓構(gòu)件。當構(gòu)件承受壓應(yīng)力時，由于初始缺陷或其他原因，使構(gòu)件出現(xiàn)垂直于受力方向的變形，變形隨壓應(yīng)力增加而迅速增加，引起的變形也產(chǎn)生附加應(yīng)力，最終將構(gòu)件壓潰。(穩(wěn)定破壞、塑性破壞、脆性破壞)16失穩(wěn)因素：1幾何非線性2材料非線性3結(jié)構(gòu)初始缺陷受壓構(gòu)件第二章鋼結(jié)構(gòu)材料進行計算分析時，通常是結(jié)構(gòu)小位移小轉(zhuǎn)角變形時，采用線性分析。如果出現(xiàn)大位移和大轉(zhuǎn)角時，考慮變形對外力效應(yīng)的影響，屬于非線性分析范疇。鋼結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時，一般都會進入彈塑性階段，此時已不是完全彈性線性階段，而要了解真實的失穩(wěn)極限載荷，必須考慮材料非線性的影響。主要包括構(gòu)件的初彎曲，荷載的初偏心、結(jié)構(gòu)形體的偏差、殘余應(yīng)力等。173.2結(jié)構(gòu)的局部失穩(wěn)第二章鋼結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在保持整體穩(wěn)定的條件下，結(jié)構(gòu)中的局部構(gòu)件或構(gòu)件中的板件已不能承載而失穩(wěn)。整體結(jié)構(gòu)不因局部失穩(wěn)而失去承載能力，進入屈曲后強度階段，整體失穩(wěn)極限荷載局部變形－呼吸現(xiàn)象寬厚比局部穩(wěn)定性（受壓柱、受彎梁、受壓的蓋板和腹板……）183.3結(jié)構(gòu)的塑性破壞第二章鋼結(jié)構(gòu)材料受拉構(gòu)件：，塑性變形強化階段拉斷受彎構(gòu)件：截面邊緣彈塑性階段內(nèi)力重新分布，截面塑性變形結(jié)構(gòu)的內(nèi)力隨荷載的增加而增加，當內(nèi)力達到截面承載能力時，結(jié)構(gòu)失去承載能力而破壞。這類破壞稱為強度破壞，在形成這種強度破壞時往往出現(xiàn)很明顯的變形，因此也稱為塑性破壞。這主要針對受拉構(gòu)件和受彎構(gòu)件。對于受壓構(gòu)件，當長細比達到一定程度時，是失穩(wěn)破壞。整體結(jié)構(gòu)變形，破壞。193.4結(jié)構(gòu)的脆性破壞第二章鋼結(jié)構(gòu)材料動載、復雜應(yīng)力、低溫作用下，無塑性變形而斷裂斷裂裂紋擴展速度1800m/s例如：疲勞破壞－最后迅速斷裂－微觀裂紋的形成－裂紋的緩慢擴展粗糙區(qū)光滑區(qū)20第二章鋼結(jié)構(gòu)材料4影響鋼材性能的主要因素1）化學成分2）應(yīng)力集中3）冶金缺陷4）鋼材硬化5）溫度6）殘余應(yīng)力7）疲勞21第二章鋼結(jié)構(gòu)材料4.1化學成分鋼的主要化學成分是Fe和C。碳素結(jié)構(gòu)鋼中純Fe占99％，其余是C和Si、Mn等有利元素，以及在冶煉過程中難以除盡的有害元素S、P、O、N等。在低合金鋼中，除上述元素外，還含有特別添加以改善鋼材性能的某些合金元素，如Mn、V等，其含量一般低于5％。

C、Si、Mn和雜質(zhì)元素以及合金元素的含量雖少，但對鋼材的性能卻有著決定性影響。

C是除Fe外的最主要元素，其含量對鋼材的強度、塑性、韌性和可焊接性起決定影響。含C量高，鋼材的屈服點和抗拉強度高，但塑性、冷彎性和沖擊韌性，特別是低溫沖擊韌性降低，可焊性和抗銹蝕性能力也明顯惡化。因此，鋼結(jié)構(gòu)采用的鋼材含C量不能過高，一般不超過0.17％－0.22％。22第二章鋼結(jié)構(gòu)材料

Si是一種強脫氧劑，能使鋼中純鐵晶粒細化和分布均勻。適量的Si可提高鋼材的強度，但對塑性、冷彎性和沖擊韌性及可焊接性無明顯不良影響。但過量的Si會降低鋼材的塑性和沖擊韌性。碳素鋼和低合金鋼中Si含量分別不超過0.3％和0.2％－0.55％。

Mn在碳素結(jié)構(gòu)鋼中是一種弱脫氧劑，在低合金鋼中是一種合金元素。Mn可有效提高鋼材的屈服點和抗拉強度，降低S、O對鋼材的熱脆影響，改善鋼材的熱加工性和冷脆性，且保持一定的塑性和沖擊韌性。Mn含量過高，會降低鋼材的可焊接性，并使鋼材變脆和塑性下降。因此Mn在碳素結(jié)構(gòu)鋼和的合金鋼中的含量一般為0.3％－0.8％和1.2％－1.6％。

S是一種有害元素。含S量大會降低鋼材的塑性、沖擊韌性、疲勞強度和抗腐蝕性。由于高溫與鐵生成的硫化物使鋼材出現(xiàn)熱脆現(xiàn)象，降低鋼的塑性、沖擊韌性和抗銹蝕能力。因此要嚴格控制S的含量在0.1％－0.3％。P和S一樣，也是降低塑性和沖擊韌性，并引起脆斷，因此P的含量不超過0.045％。

O和N是有害氣體，易使鋼變脆，O是熱脆，N是冷脆。因此要嚴格控制其含量0.05％和0.008％。234.2應(yīng)力集中第二章鋼結(jié)構(gòu)材料位置：孔，溝槽，截面厚度突變處原因：應(yīng)力線存在轉(zhuǎn)折鋼材的工作性能和力學性能都是以構(gòu)件應(yīng)力沿截面均勻分布的情況為基礎(chǔ)的。實際上在鋼結(jié)構(gòu)中有時存在孔洞、溝槽、截面突變以及鋼材內(nèi)部缺陷等，應(yīng)力分布不再保持均勻，應(yīng)力線發(fā)生轉(zhuǎn)折，因此會在這些區(qū)域產(chǎn)生局部高峰應(yīng)力，形成應(yīng)力集中現(xiàn)象。應(yīng)力集中現(xiàn)象在實際結(jié)構(gòu)中是無法避免的，但由于鋼材塑性好，在常溫下，應(yīng)力集中區(qū)產(chǎn)生塑性變形，緩和應(yīng)力，在一定程度上能促使應(yīng)力重新分配，使應(yīng)力分布嚴重不均勻的現(xiàn)象區(qū)域平緩。但在低溫或動載作用下(鋼材塑性降低)，應(yīng)力集中現(xiàn)象十分突出，易引起脆性破壞。244.3冶金缺陷第二章鋼結(jié)構(gòu)材料常見的冶金缺陷有偏析、非金屬夾雜、氣孔、裂紋和分層等。偏析是鋼中化學成分不一致和不均勻，特別是SP的偏析嚴重惡化鋼材性能。非金屬夾雜是鋼中硫化物與氧化物等雜質(zhì)，使鋼材產(chǎn)生熱脆現(xiàn)象，降低機械性能和工藝性能。裂紋不管是微觀和宏觀，都增加鋼材脆性破壞的危險性。分層是指鋼材在厚度方向分成多層但各層之間仍互相連接并未分離。分層不影響垂直于厚度方向的強度，但嚴重降低冷彎性。在分層的夾縫處還易銹蝕，甚至形成裂紋，大大降低沖擊韌性、疲勞強度和抗脆斷能力。254.4鋼材硬化冷作硬化－冷拉，冷彎、沖孔、機械剪切等冷加工塑性變形，塑性韌性時效硬化－長時間純鐵中析出遏制塑性變形，塑性韌性和第二章鋼結(jié)構(gòu)材料264.5溫度第二章鋼結(jié)構(gòu)材料鋼材強度塑性和韌性－低溫冷脆2)溫度>300oC，－蠕變現(xiàn)象應(yīng)力不變，材料緩慢地連續(xù)發(fā)生塑性變形溫度>600oC，鋼材強度為零1)溫度<200oC，3)溫度(<0oC)274.6殘余應(yīng)力第二章鋼結(jié)構(gòu)材料殘余應(yīng)力是鋼材在熱軋、焊接、氣割等不均勻冷卻和不均勻加熱過程中產(chǎn)生的，在先冷卻部分常形成壓應(yīng)力，后冷卻部分形成拉應(yīng)力。當構(gòu)件承載時，荷載引起的應(yīng)力將與殘余應(yīng)力疊加，從而使構(gòu)件截面的某些部位提前達到屈服，隨后繼續(xù)增長的荷載將只由截面彈性區(qū)承受，塑性區(qū)的應(yīng)力不再增加，(這樣，構(gòu)件達到強度極限狀態(tài)時截面的應(yīng)力狀態(tài)與沒有殘余影響時完全相同，即殘余應(yīng)力不影響靜力強度)，提前退出受力和提前發(fā)展塑性，盡管不影響靜力強度，但會降低構(gòu)件的剛度和穩(wěn)定性。同時易使鋼材處于三向應(yīng)力狀態(tài)，使鋼材變脆，降低沖擊韌性和抗疲勞強度。284.7疲勞5鋼材的分類化學成分－碳素鋼，合金鋼(低，中，高合金鋼)用途－結(jié)構(gòu)鋼，工具鋼，特殊用途鋼冶煉方式－平爐鋼，氧氣轉(zhuǎn)爐鋼，堿性轉(zhuǎn)爐鋼，電爐鋼澆注方式－沸騰鋼，半鎮(zhèn)靜鋼，鎮(zhèn)靜鋼，特殊鎮(zhèn)靜鋼第二章鋼結(jié)構(gòu)材料我們常用的結(jié)構(gòu)鋼有碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼。295.1碳素結(jié)構(gòu)鋼(GB/T700-88)第二章鋼結(jié)構(gòu)材料低碳結(jié)構(gòu)鋼材料性能含碳量強度塑性和韌性脫氧方式－沸騰鋼，半沸騰鋼－鎮(zhèn)靜鋼，特殊鎮(zhèn)靜鋼質(zhì)量等級A,B,C,D屈服點(MPa)30第二章鋼結(jié)構(gòu)材料牌號MnCSi(<=)S(<=)等級－BABAQ195Q235Q255Q275Q215DABC－P(<=)化學成分％脫氧方式0.06-0.120.09-0.150.14-0.220.12-0.200.09-0.15<=0.170.18-0.280.18-0.28<=0.180.28-0.380.25-0.500.25-0.550.30-0.650.30-0.700.25-0.550.35-0.800.40-0.700.40-0.700.35-0.800.50-0.800.350.0500.0450.0500.0450.0500.0350.0500.0450.0400.0500.0450.0450.0450.0450.0450.0350.0450.0450.0400.045F,b,ZF,b,ZF,b,ZF,b,ZF,b,ZTZZZZZ0.3031第二章鋼結(jié)構(gòu)材料牌號<16等級－BABAQ195Q235Q255Q275Q215DABC－拉伸試驗沖擊試驗(195)215255235275屈服點(MPa)抗拉強度(MPa)伸長率(%)>16-60>60>40-40-100(185)205245225265－195225215255－185215205245315-390335-410410-510375-460490-610<1631242620>16-60>60>40-40-1003230232519－29222418－2821231733溫度oCV型沖擊功(J)(>=)－－－－－200-202020－－－－－272727325.3低合金結(jié)構(gòu)鋼(GB/T1591-94)第二章鋼結(jié)構(gòu)材料低碳、高強度鋼含少量合金元素一般是鎮(zhèn)靜鋼常用的Q345(16Mn)，15MnV牌號MnCSiQ34515MnVTi,Nb,Cu,N化學成分％0.12-0.200.12-0.181.2-1.61.2-1.6－－0.0450.0450.0450.045VS(<=)P(<=)0.20-0.550.20-0.55－0.04-0.12Q2350.12-0.200.3-0.7－0.0450.0450.30－5.2優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(GB/T699-99)調(diào)質(zhì)處理，正火處理33牌號抗拉強度(MPa)鋼材厚度直徑(mm)屈服點(MPa)<=16>16-25510-660490-640伸長率(%)溫度(oC)V型沖擊功(J)(>=)3453252221沖擊試驗>25-36>36-50470-620470-6203152952121>50-100<=4470-620550-7002754102019>4-6>16-25530-680510-6603903751818>25-36>36-50490-640490-6403553351818Q34515MnV20202727第二章鋼結(jié)構(gòu)材料345.4國外鋼材第二章鋼結(jié)構(gòu)材料國際中國美國日本Q235Q345Fe360Fe51