2钢结构的材料.ppt

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1、第二章 钢结构的材料2.钢结构的材料2.1 对钢结构用材的要求对钢结构用材的要求2.2 钢材的钢材的主要性能及其鉴定主要性能及其鉴定2.3 影响钢材性能的因素影响钢材性能的因素2.4 钢材的破坏形式钢材的破坏形式2.5 建筑钢材的类别及钢材的选用建筑钢材的类别及钢材的选用第二章 钢结构的材料2.1 对钢结构用材的要求u 较高的强度较高的强度2.1 对钢结构用材的要求对钢结构用材的要求u 足够的变形能力，塑性、韧性好具有足够的变形能力，塑性、韧性好具有u 良好的加工性能（包括冷加工、热加工和可焊性）良好的加工性能（包括冷加工、热加工和可焊性）钢结构设计规范钢结构设计规范（GB50017-2003

2、）规定：规定：承重结构承重结构的钢材应具有的钢材应具有抗拉强度抗拉强度、伸长率伸长率、屈服强度屈服强度和和硫、磷硫、磷含量含量的合格保证，对的合格保证，对焊接结构焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。尚应具有碳含量的合格保证。焊焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有还应具有冷冷弯试验弯试验的合格保证。需要验算的合格保证。需要验算疲劳疲劳的的焊接结构焊接结构的钢材，应具有的钢材，应具有常温或负温常温或负温冲击韧性冲击韧性的合格保证。对需要验算的合格保证。对需要验算疲劳疲劳的的非焊接结非焊接结构构的钢材应具有的钢材应具有常温常温冲击韧性冲击韧

3、性的合格保证。的合格保证。规范推荐的钢种为规范推荐的钢种为Q235、Q345、Q390、Q420第二章 钢结构的材料2.2 钢材的主要性能及其鉴定2.2.1、单向拉伸时的工作性能、单向拉伸时的工作性能2.2 钢材的主要性能及其鉴定钢材的主要性能及其鉴定强度指标是由钢材的强度指标是由钢材的单向均匀受拉单向均匀受拉试验测得的试验测得的强度指标：强度指标：比例极限比例极限 ；屈服强度屈服强度 ；极限强度极限强度 试验条件试验条件：标准试件标准试件在常温（在常温（20）下缓慢加载，）下缓慢加载，一次完成一次完成第二章 钢结构的材料2.2 钢材的主要性能及其鉴定 钢材在单向均匀受拉时工作性能表现为四个阶

4、段钢材在单向均匀受拉时工作性能表现为四个阶段1.弹性阶段弹性阶段:应力最高点对应应力最高点对应比例极限比例极限2.弹性模量弹性模量3.应力应力2.弹塑性阶段弹塑性阶段:应力介于应力介于 和和 之间之间 弹塑性模量弹塑性模量 是变数是变数3.塑性阶段塑性阶段:应力达到屈服强度应力达到屈服强度4.强化颈缩阶段强化颈缩阶段:应力最高点对应抗拉极限应力最高点对应抗拉极限第二章 钢结构的材料2.2 钢材的主要性能及其鉴定 钢材的工作性能可以看作理想弹性塑性体钢材的工作性能可以看作理想弹性塑性体1.计算简便计算简便2.与与 相差不大相差不大3.虽然虽然 ，但，但 对应对应 的应变非常大（不满足正的应变非常

5、大（不满足正 常使用极限状态）常使用极限状态）4.以以 作为设计强度的依据，具有较大的强度储备，作为设计强度的依据，具有较大的强度储备，若出现偶然因素，使人们有机会补救若出现偶然因素，使人们有机会补救l 屈强比屈强比 ：Q235钢为钢为0.57，Q345钢为钢为0.67第二章 钢结构的材料2.2 钢材的主要性能及其鉴定 简化计算简化计算,采用理想弹塑性模型采用理想弹塑性模型 作为钢结构设计的最大应力作为钢结构设计的最大应力 作为钢材强度储备作为钢材强度储备第二章 钢结构的材料2.2 钢材的主要性能及其鉴定2.2.2、塑性性能、塑性性能塑性塑性：在：在静力荷载静力荷载作用下，钢材吸收作用下，钢材

6、吸收变形能变形能的能力的能力衡量塑性性能的指标：衡量塑性性能的指标：伸长率伸长率第二章 钢结构的材料2.2 钢材的主要性能及其鉴定2.2.3、冲击韧性、冲击韧性冲击韧性冲击韧性：在：在动力荷载动力荷载作用下，材料吸收作用下，材料吸收能量能量的能力的能力衡量冲击韧性的指标：衡量冲击韧性的指标：冲击功冲击功 韧性是钢材强度和塑性的综合指标韧性是钢材强度和塑性的综合指标 梅氏梅氏U型缺口型缺口试件试件:冲击试验冲击试验的标准试件型式：的标准试件型式：夏比夏比V型缺口型缺口试件试件:我国采用夏比我国采用夏比V型缺口试件型缺口试件 冲击韧性受温度的影响冲击韧性受温度的影响第二章 钢结构的材料2.2 钢材

7、的主要性能及其鉴定2.2.4、冷弯性能、冷弯性能 冷弯性能冷弯性能是检验钢材适应是检验钢材适应冷加工冷加工（常温下加工）（常温下加工）的能力和显示的能力和显示钢材内部缺陷钢材内部缺陷状况的一项指标状况的一项指标 冷弯性能冷弯性能是考察钢材在是考察钢材在复杂应力状态复杂应力状态下发展下发展塑性塑性 变形变形能力的指标能力的指标 冷弯性能冷弯性能由由冷弯试验冷弯试验确定确定 冷弯性能是判别钢材冷弯性能是判别钢材塑性变形能力塑性变形能力和和冶金质量冶金质量的的 综合指标综合指标第二章 钢结构的材料2.2 钢材的主要性能及其鉴定2.2.5、可焊性可焊性 可焊性指可焊性指采用一般焊接工艺就可完成合格的焊

8、缝采用一般焊接工艺就可完成合格的焊缝的性能的性能 可焊性受化学成分的影响比较大可焊性受化学成分的影响比较大碳当量：碳当量：衡量低合金钢的衡量低合金钢的可焊性的计算可焊性的计算0.45焊接性能难第二章 钢结构的材料2.2 钢材的主要性能及其鉴定 钢材物理性能指标钢材物理性能指标l弹性模量弹性模量l泊松比泊松比l剪变模量剪变模量l线膨胀系数线膨胀系数l质量密度质量密度第二章 钢结构的材料2.3 影响钢材性能的因素一、化学成分一、化学成分2.3 影响钢材性能的因素影响钢材性能的因素普通碳素钢普通碳素钢中中Fe占占99%，其他其他杂质元素占杂质元素占1%普通低合金钢普通低合金钢中有中有5%的合金元素的

9、合金元素碳（碳（C）：）：钢材强度的主要来源，但是随其钢材强度的主要来源，但是随其含量增加含量增加，强度增强度增 加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。一般一般 控制在控制在0.120.2%，在，在0.2以下时，可焊性良好以下时，可焊性良好硫（硫（S）：热脆性热脆性，不得超过，不得超过0.05%磷（磷（P）：冷脆性冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。不得超过不得超过0.045%第二章 钢结构的材料2.3 影响钢材性能的因素锰（锰（Mn）：）：合金元素。合金元素。弱脱氧剂弱脱氧剂。与。与S形成形成MnS，熔点为熔点为

10、1600，可以消除一部分，可以消除一部分S的有害作用。的有害作用。硅（硅（Si）：）：合金元素。合金元素。强脱氧剂强脱氧剂。氧（氧（O）：有害杂质，效果同有害杂质，效果同S。氮（氮（N）：有害杂质，效果同有害杂质，效果同P。第二章 钢结构的材料二、冶金缺陷二、冶金缺陷常见的常见的冶金缺陷冶金缺陷有有偏析偏析、非金属夹杂非金属夹杂、气孔气孔、裂纹裂纹等。等。偏析偏析化学成分分布的不均匀程度。化学成分分布的不均匀程度。三、加荷速度三、加荷速度 1材性试验要求材性试验要求缓慢加载缓慢加载 2要考虑要考虑动荷载动荷载对结构的对结构的不利影响不利影响加荷速度高加荷速度高，钢材屈服点提高，呈，钢材屈服点提

11、高，呈脆性脆性。因此，。因此，2.3 影响钢材性能的因素第二章 钢结构的材料四、钢材硬化四、钢材硬化冷作硬化冷作硬化当加载超过材料当加载超过材料比例极限比例极限卸载后，出现卸载后，出现残余变形残余变形，再，再次加载则次加载则屈服点提高，塑性和韧性降低屈服点提高，塑性和韧性降低的现象，也称的现象，也称“应变硬化应变硬化”应变时效应变时效钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易析出。即钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易析出。即冷作硬化的同时可以加速时效硬化冷作硬化的同时可以加速时效硬化。时效硬化时效硬化随时间的增长随时间的增长，碳和氮的化合物碳和氮的化合物从晶体中析出，使从晶体中析出，使材料硬化的现

12、象。材料硬化的现象。2.3 影响钢材性能的因素人工时效人工时效塑性变形后加热，使时效硬化加速塑性变形后加热，使时效硬化加速第二章 钢结构的材料五、温度的影响五、温度的影响1.正温范围正温范围 100以内以内 对钢材性能对钢材性能无影响无影响；100以上以上 随温度升高，总的趋势是随温度升高，总的趋势是强度、弹性模量降低强度、弹性模量降低，塑性增大塑性增大 250左右左右 抗拉强度略有提高，塑性和韧性降低，脆性增抗拉强度略有提高，塑性和韧性降低，脆性增 加加蓝脆现象蓝脆现象。该温度区段称为。该温度区段称为“蓝脆区蓝脆区”。250350 在应力不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续在应力不变的情况下

13、，钢材以很缓慢的速度继续 变形变形徐变现象徐变现象。600左右左右 弹性模量趋于零弹性模量趋于零，承载能力几乎完全丧失。，承载能力几乎完全丧失。2.3 影响钢材性能的因素第二章 钢结构的材料2.负温范围负温范围 当温度当温度低于常温低于常温时，钢材的时，钢材的脆脆 性倾向随温度降低而增加性倾向随温度降低而增加。T1 T2 之间之间温度转变脆性区温度转变脆性区，冲，冲击功急剧下降。而且不同的钢材其击功急剧下降。而且不同的钢材其脆性转变区温度不同，必须通过试脆性转变区温度不同，必须通过试验确定。使用验确定。使用温度必须高于温度必须高于T1 ，但不一定高于但不一定高于T22.3 影响钢材性能的因素T

14、0转变温度。转变温度。T1脆断设计温度脆断设计温度第二章 钢结构的材料六、应力集中的影响六、应力集中的影响构造缺陷构造缺陷：构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变等：构件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变等应力集中应力集中：由于构造缺陷，应力不均匀，力线变曲折，：由于构造缺陷，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处缺陷处 有高峰应力有高峰应力。应力集中的危害：塑性降低，脆性增加应力集中的危害：塑性降低，脆性增加 构造设计时应构造设计时应避免截面突变和尖锐角避免截面突变和尖锐角的情况的情况七、厚度的影响七、厚度的影响随着厚度的增加，钢材的随着厚度的增加，钢材的抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度抗拉、抗压、抗弯、

15、抗剪强度均下降均下降2.3 影响钢材性能的因素第二章 钢结构的材料八、八、复杂应力作用下钢材的屈服条件复杂应力作用下钢材的屈服条件假定：假定：1.材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积材料由弹性转入塑性的强度指标用变形时单位体积 中积聚的能量来表达；中积聚的能量来表达；2.当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能当复杂应力状态下变形能等于单轴受力时的变形能 时，钢材即由弹性转入塑性。时，钢材即由弹性转入塑性。弹性状态弹性状态塑性状态塑性状态平面应力平面应力状态状态梁的应力梁的应力状态状态纯剪应力纯剪应力状态状态2.3 影响钢材性能的因素第二章 钢结构的材料2.4 钢材的破坏形式u 塑

16、性破坏塑性破坏：破坏前：破坏前有有明显的变形明显的变形，破坏历时时，破坏历时时 间长，可以采取补救措施。间长，可以采取补救措施。2.4 钢结构的破坏形式钢结构的破坏形式u 脆性破坏脆性破坏：破坏前：破坏前没有没有明显的变形明显的变形，破坏发生，破坏发生 突然，没有机会补救。突然，没有机会补救。l脆性破坏的原因脆性破坏的原因：钢材内部缺陷，焊接缺陷、构造：钢材内部缺陷，焊接缺陷、构造 不合理、使用不当等。不合理、使用不当等。应尽量发挥材料的塑性应尽量发挥材料的塑性 避免一切脆性破坏的可能性避免一切脆性破坏的可能性 第二章 钢结构的材料2.5 钢的种类和钢材规格2.5 钢的种类和钢材规格钢的种类和

17、钢材规格一、一、钢的种类钢的种类1.化学成分化学成分普通碳素钢普通碳素钢 Q235普通低合金钢普通低合金钢 Q345、Q390、Q420平炉平炉 成本高，质量好（成本高，质量好（6小时小时100t左右）左右）氧气顶吹转炉氧气顶吹转炉 成本低，质量也可（成本低，质量也可（15分钟分钟150t）2.炉种炉种3.脱氧程度脱氧程度沸腾钢（沸腾钢（F）脱氧较差，脱氧较差，现在已经不用了现在已经不用了镇静钢（镇静钢（Z）脱氧充分，脱氧充分，不用标注不用标注半镇静钢（半镇静钢（b）脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间特殊镇静钢（特殊镇静钢（TZ）不用标注不用标注第二章 钢结构的材料2

18、.5 钢的种类和钢材规格4.质量等级质量等级A级：保证抗拉强度、屈服点和伸长率及硫、磷含量级：保证抗拉强度、屈服点和伸长率及硫、磷含量B、C、D级：保证抗拉强度、屈服点、伸长率、级：保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击冷弯和冲击 韧性韧性（分别为（分别为20、0、-20）及）及碳碳、硅、硅、锰、硫、磷含量锰、硫、磷含量E级：级：除满足除满足D级的要求外，还要求级的要求外，还要求-40时的冲击韧性时的冲击韧性5.钢材编号钢材编号碳素钢：碳素钢：Q质量等级（质量等级（AD）脱氧程度（脱氧程度（F，b）低合金钢：低合金钢：Q质量等级（质量等级（AE）如如Q235-AF、Q345-C第二章 钢结构

19、的材料2.5 钢的种类和钢材规格6.钢材的选择钢材的选择（1）结构或构件的重要性；）结构或构件的重要性；（2）荷载的种类（静荷载或动荷载）；）荷载的种类（静荷载或动荷载）；（3）连接方法（焊接或非焊接）；）连接方法（焊接或非焊接）；（4）工作条件（温度，腐蚀等）工作条件（温度，腐蚀等）钢结构设计规范钢结构设计规范（GB50017-2003）规定：规定：承重结构承重结构的钢材应具有的钢材应具有抗拉强度抗拉强度、伸长率伸长率、屈服强度屈服强度和和硫、磷硫、磷含量含量的合格保证，对的合格保证，对焊接结构焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。尚应具有碳含量的合格保证。焊焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构

20、采用的钢材接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有还应具有冷冷弯试验弯试验的合格保证。需要验算的合格保证。需要验算疲劳疲劳的的焊接结构焊接结构的钢材，应具有的钢材，应具有常温或负温常温或负温冲击韧性冲击韧性的合格保证。对需要验算的合格保证。对需要验算疲劳疲劳的的非焊接结非焊接结构构的钢材应具有的钢材应具有常温常温冲击韧性冲击韧性的合格保证。的合格保证。第二章 钢结构的材料2.5 钢的种类和钢材规格二、钢材的规格二、钢材的规格1.热轧钢板热轧钢板（1）工字钢）工字钢 普通工字钢普通工字钢 20a（a,b,c代表腹板厚度类别）代表腹板厚度类别）H型钢型钢 HW3003001015 T型钢型钢 TW1503001015（2）槽钢槽钢 32b（3）角钢角钢 L12510 L1258010（4）钢管钢管 40062.热轧型钢热轧型钢（附录（附录 型钢表）型钢表）3.冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢壁厚壁厚1.55mm