1、第二章 鋼結(jié)構的材料,1、鋼結(jié)構對材料的要求,較高的強度輕質(zhì)高強（fy, fu的概念） 足夠的變形能力優(yōu)良的塑性和韌性） 良好的加工性能適應冷熱加工、可焊性好 勝任惡劣環(huán)境的耐久性適應低溫、高溫、 化學介質(zhì)腐蝕、重復荷載等,鋼材的主要機械性能拉伸性能冷彎性能沖擊性能可焊性能,（1）試驗條件 （a）試件的尺寸要符合國家標準，表面光滑，沒有孔洞、刻槽等缺陷。試件的標定長度取其直徑的5或10倍。 （b）荷載要分級逐次增加，直到試件破壞。 （c）試驗溫度要控制在室溫20左右。,低碳鋼在常溫下的拉伸試驗,鋼材的應力-應變關系,A. 有屈服點鋼材s-e曲線一般可以分為四個階段：,(a)彈性階段(OB段),

2、拉伸應力-應變曲線,OA段：純彈性階段 s=Ee A點對應的應力： sp （比例極限）,AB段：有一定的非線性 變形, 但整個 OB段卸載時, e=0 B點對應的應力： se （彈性極限）,（b）屈服階段彈塑性階段 塑性變形階段（塑性流動） （BCD),塑性變形：卸載后試件不能完全恢復原來的長度。不能恢復的這一部分變形稱為塑性變形。,屈服點（屈服強度）：屈服階段曲線波動部分的最低值。,流幅：從屈服階段的開始到曲線再度上升的應變幅度稱為流幅。,特點：應力與應變不再成正比關系，應變增加很快，應力-應變曲線呈鋸齒形波動， 出現(xiàn)應力不增加而應變?nèi)匀辉诶^續(xù)發(fā)展。,第二章 鋼結(jié)構的材料,（c）自強（強化）

3、階段(DE段),隨荷載的增加緩慢增大,但增加較快 抗拉強度（極限強度）fu 試件所能承受的最大拉應力,（d）破壞（頸縮）階段(EF段),截面出現(xiàn)了橫向收縮，截面面積開始顯著縮小，塑性變形迅速增大，應力不斷降低，變形卻延續(xù)發(fā)展，直至F點試件斷裂。,F,B.對無明顯屈服點的鋼材,設計時以卸載后試件中殘余應變?yōu)?.2所對應的應力 作為屈服點 “條件屈服點”或“名義屈服點”,無屈服點鋼材的應力-應變曲線,沒有明顯屈服點的鋼材在拉伸過程中沒有屈服階段，塑性變形小，破壞突然。,單向拉伸時鋼材的力學性能指標,（1）屈服強度fy應力應變曲線開始產(chǎn)生塑性流動時對應的應力（取屈服階段波動部分的應力最低值），它是衡

4、量鋼材的承載能力和確定鋼材強度設計值的重要指標。,（2）抗拉強度fu應力應變曲線最高點對應的應力，它是鋼材破壞前所能承受的最大應力。,（3）鋼材的塑性當應力超過屈服點后，鋼材能產(chǎn)生顯著的殘余變形（塑性變形）而不立即斷裂的性質(zhì)。塑性好壞可用伸長率和斷面收縮率表示，通過靜力拉伸試驗得到。,屈強比大好還是小好？,（4）伸長率試件斷裂前的永久變形與原標定長度的百比。,l0 原標距長 l1 拉斷后標距長度 d0 試件直徑 試件有兩種標距：l0/ d0=5 和 l0/ d0=10 相應的伸長率用5和10表示。,實際工程中以伸長率代表材料斷裂前具有的塑性變形能力。,（5）斷面收縮率是指試件拉斷后，頸縮區(qū)的斷

5、面面積縮小值與原斷面面積比值的百分比。,式中： A0 試件原來的斷面面積 A1 試件拉斷后頸縮區(qū)的斷面面積,斷面收縮率越大，鋼材的塑性越好。由于在測量試件的斷面面積時容易產(chǎn)生較大的誤差，因而鋼材塑性指標仍然采用伸長率作為保證要求。,應力應變曲線的簡化,曲線簡化的依據(jù)： 1）鋼材在屈服點之前的性質(zhì)接近理想的彈性體。 2）屈服點之后的流幅現(xiàn)象又接近理想的塑性體，并且流幅的范圍（e0.15-2.5）已足夠用來考慮結(jié)構或構件的塑性變形的發(fā)展。,簡化的應力應變曲線,鋼材是符合理想中的彈性-塑性材料,冷彎性能是判別鋼材塑性變形能力和冶金質(zhì)量的綜合指標。,冷彎性能,鋼材在冷加工（常溫下加工）產(chǎn)生塑性變形時，

6、對發(fā)生裂縫的抵抗能力。,鑒別指標：通過冷彎沖頭加壓。當試件彎曲至180時，檢察試件彎曲部分的外面、里面和側(cè)面，如果沒有裂紋、斷裂或分層，即認為試件冷彎性能合格。,沖擊韌性： 帶缺口的鋼材試件，在沖擊試驗機上被擺錘擊斷時所能吸收的機械能。 Mesnager 試件 Charpy 試件 夏比沖擊韌性記為Cv 規(guī)范以夏比試件為準 Q235鋼 CV=27 J 為合格 , Q345、Q390 、Q420鋼 CV=34 J 為合格。,P擺錘重力 l 擺長,鋼結(jié)構設計原理 Design Principles of Steel Structure,I:dayin擺錘式一次沖擊試驗.flv,I:dayin拉伸試驗

7、.flv,I:dayin冷彎試驗.flv,可焊性,好的可焊性是指焊接安全、可靠、不發(fā)生焊接裂縫，焊接接頭和焊縫的沖擊韌性以及熱影響區(qū)的塑性和力學性能都不低于母材。,影響鋼材可焊性的因素,鋼材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影響。碳含量在0.12%0.20%范圍內(nèi)的碳素鋼，可焊性最好（如Q235）。碳含量再高可使焊縫和熱影響區(qū)變脆。,鋼結(jié)構設計原理 Design Principles of Steel Structure,鋼材的破壞形式,1.化學成分(鐵素體、滲碳體、珠光體）,Fe，C，S，P，N，O，Mn，Si，Cu，Ni，Cr，Nb,Fe：碳素鋼約99%，合金鋼約95%。,C：影響鋼材的強度

8、、塑性、韌性及可焊性。一般控制在0.22% 以下，在0.2%以下時，可焊性良好。,S：是鋼材中的有害元素。在高溫下使鋼材變脆，即熱脆現(xiàn)象。 塑性、韌性、可焊性、疲勞強度，含量不得超過0.045%。,P：是鋼材中的有害元素。在低溫時使鋼材變脆，即冷脆現(xiàn)象。塑性、韌性、可焊性、疲勞強度，含量不得超過0.045%。,O和N：鋼材中的有害雜質(zhì)。O使鋼熱脆，N使鋼冷脆。,影響鋼材力學性能的主要因素,Mn：一種弱脫氧劑，可消除硫、氧對鋼材的熱脆影響，能改善冷脆性 能。強度、塑性和韌性無甚影響（含量不高時）。碳素結(jié)構鋼 0.3-0.8%；低合金高強度結(jié)構鋼 1.0-1.6%。,Si：作為脫氧劑加在低碳鋼鋼液

9、中，制成質(zhì)量較高的鎮(zhèn)靜鋼。強度 、塑性和韌性無甚影響（含量不高時）。碳素結(jié)構鋼 0.3%；低合金高強度結(jié)構鋼 0.55%。,Cu，Ni，Cr，Nb：加入Cu和Ni可制成耐候鋼，加入Ni和Cr可制成不銹 鋼，在鋼中添加微量的Cr、Nb等合金元素制成耐火鋼。,2.冶金缺陷,1. 偏析：化學成分不一致，不均勻。 硫、磷偏析嚴重 影響鋼材性能。 2. 非金屬夾雜 ：硫化物和氧化物。 3. 氣孔 ：一氧化碳氣體不能充分逸出而形成。 4. 分層：非金屬雜質(zhì)造成的，會降低鋼材的冷彎性能。,3.應力集中的影響,在鋼結(jié)構構件中不可避免的存在著孔洞、槽口、凹角、裂縫、厚度變化、形狀變化和內(nèi)部缺陷等，此時截面中的應

10、力分布不再保持均勻，而是在一些區(qū)域產(chǎn)生局部高峰應力，形成所謂應力集中現(xiàn)象。,應力集中現(xiàn)象,不同槽口試件靜力拉伸試驗的應力應變曲線,應力集中對-曲線關系的影響,可以看出截面槽口改變愈急劇，應力集中現(xiàn)象愈厲害，其抗拉強度愈高，但塑性愈差，破壞的脆性傾向愈大。,復雜應力狀態(tài)下鋼材的屈服強度,復雜應力狀態(tài)下的屈服條件（由第四強度理論確定） 1、平面應力狀態(tài) 2、三向應力狀態(tài)（Mises yield condition) 3、平面純剪應力狀態(tài),同號應力 eqfy 鋼材易進入塑性狀態(tài)，鋼材強度降低，塑性變形大。 局部應力集中，在動荷載及低溫條件下，易使鋼材產(chǎn)生脆性破壞。,鋼結(jié)構設計原理 Design Pr

11、inciples of Steel Structure,時效硬化 定義：鋼材的性質(zhì)隨著時間的推移逐漸變脆的現(xiàn)象。 原因：鋼材中的CN等物質(zhì)的溶解度隨溫度的降低而減小，當C逐漸以固溶體的形式析出時，形成滲碳體Fe3C和氧化物，加強了晶界的間層，使鋼材變硬變脆。 影響因素：溫度和重復荷載。 冷作硬化：先前加荷載使鋼材的彈性范圍升高、塑性降低的現(xiàn)象。冷拉鋼絲,4.鋼材硬化,鋼結(jié)構設計原理 Design Principles of Steel Structure,5.溫度的影響,正溫范圍： （1）溫度在150以內(nèi)，鋼材材質(zhì)變化很小，鋼結(jié)構可用于溫度不高于150的場合。 （2）溫度在250左右的區(qū)間內(nèi)出

12、現(xiàn)藍脆現(xiàn)象，fu 有局部性提高，同時塑性降至最低，材料有轉(zhuǎn)脆傾向。 （3）當溫度達到600時，鋼材進入熱塑性狀態(tài)，強度下降嚴重，將喪失承載能力。,負溫范圍：隨著溫度的降低，鋼材的強度提高，而塑性和韌性降低，逐漸變脆，稱為鋼材的低溫冷脆。鋼材的沖擊韌性對溫度的降低十分敏感。,（1）沖擊功曲線的反彎點T0稱為轉(zhuǎn)變溫度。界限溫度T1和T2分別為脆性轉(zhuǎn)變溫度和全塑性轉(zhuǎn)變溫度。,（2）鋼材由塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐氖窃跍囟葏^(qū)間T1 T2內(nèi)完成的，此溫度區(qū)間稱為鋼材的脆性轉(zhuǎn)變溫度區(qū)。,（3）在脆性轉(zhuǎn)變溫度以下，鋼材表現(xiàn)為完全的脆性破壞；而在全塑性轉(zhuǎn)變溫度以上，鋼材則表現(xiàn)為完全的塑性破壞。,（4）不同牌號和等級的鋼材具有不同的轉(zhuǎn)變溫度區(qū)和轉(zhuǎn)變溫度，均應通過試驗來確定。在鋼結(jié)構設計中，為了防止脆性破壞，選用鋼材時應使其工作溫度大于T1,接近T0。,6.荷載類型的影響（動、靜）,1.加荷速度的影響 這是加載過程中出現(xiàn)的問題。加荷速度過快，構件來不及變形，得到的屈服點也高，且呈脆性。特別在低溫時對鋼材性能的影響要比常溫下大得多。 因此，試驗時需規(guī)定加載速度；靜力加載試驗一般應加載5分鐘后再讀數(shù)據(jù)。,2.循環(huán)荷載的影響 鋼材在連續(xù)交變荷載作用下，會逐漸累積損傷，產(chǎn)生裂紋及裂紋逐漸擴展，直到最后破壞（疲勞破壞）。