1、第二章 鋼結構材料,第一節(jié) 建筑鋼結構對材料的要求 第二節(jié) 鋼材的主要性能測試 第三節(jié) 影響鋼材性能的主要因素 第四節(jié) 復雜應力狀態(tài)下的屈服條件 第五節(jié) 鋼材的疲勞 第六節(jié) 建筑結構用鋼的種類及選擇,第一節(jié) 建筑鋼結構對材料的要求,1、較高的強度：結構承載力大，截面小，結構的自重輕； 2、較好的塑性及韌性：塑性好，破壞前變形明顯，不易發(fā)生脆性破壞，同時可以調整局部高峰應力，內力重分布；韌性好，利于承受動力荷載，避免發(fā)生裂紋和脆性斷裂； 3、良好的加工性能：不因加工對結構的強度、塑性、韌性造成較大的不良影響； 4、其他性能：具有適應低溫、高溫和抵抗腐蝕的性能。,鋼結構設計規(guī)范GB50017-20

2、03推薦承重結構用鋼宜采用：碳素結構鋼中的Q235鋼及低合金高強結構鋼中的Q345、Q390和Q420鋼四種鋼材。,第二節(jié) 鋼材的主要性能測試,一、強度,1、彈性階段 由零到比例極限，應力應變符合虎克定律，完全卸載時變形變?yōu)榱?，不存在殘余變形，直線斜率為彈模,曲線五個階段,2、彈塑性階段 應力應變非線性關系，應變包括彈性應變和塑性應變，卸載時塑性應變不能恢復，存在殘余變形；內部晶粒發(fā)生滑移,相應應力為屈服點； 3、塑性階段 應力屈服后，應力保持不變，應變繼續(xù)增加；相應的應變幅度稱為流幅，流幅越大，鋼材的塑性越好 4、強化階段 屈服后，恢復抵抗外載能力，曲線呈上升的非線性關系，直到抗拉強度（對應

3、極限荷載） 5、頸縮階段 到達極限荷載后，在試件質量較差截面發(fā)生頸縮，即截面減小，變形增大，承載能力隨之下降，試件破壞。,1、本構關系 (1) 屈服點fy； (2) 水平直線段用流幅段； 2、抗拉強度fu：最大承載強度，安全儲備 3、彈性模量E,幾個重要參數(shù),塑性破壞：加載后有較大變形，有明顯的頸縮現(xiàn)象，因此破壞前有預兆，斷裂時斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗；構件斷裂發(fā)生在應力達到鋼材的抗拉強度fu； 脆性破壞：加載后，無明顯變形，因此破壞前無預兆，斷裂時斷口平齊，呈有光澤的晶粒狀，脆性破壞危險性大；破壞時應力常小于鋼材的屈服點fy；,鋼材的破壞形式,二、塑性 1、定義：鋼材屈服后，產生殘余變形（塑變

4、）而不發(fā)生脆性斷裂的性質,2、指標：伸長率5（10）和斷面收縮率 3、意義：代表鋼材斷裂前具有的塑性變形能力；便于內力重分布，吸收能量。,思考：相同材料分別采用長試件（10d）和短試件（5d），請問兩者哪個大？,三、韌性沖擊韌性 1、定義：動力性能，鋼材在一定溫度下塑變及斷裂過程中吸收能量的能力，即抵抗沖擊荷載的能力； 2、計算：斷口（單位面積上）的功即為沖擊韌性； 3、試件類型：夏比（V形）和梅氏（U形） 4、溫度的影響：溫度越低，沖擊韌性越低；按常溫（20）、零溫（0） 、負溫（-20、-40）四檔。,四、冷彎性能 1、定義：在冷加工過程中產生塑性變形（彎曲變形）時，對產生裂紋（分層）的抵

5、抗能力。 2、參數(shù)：彎心直徑d和彎曲角度180； 3、意義：判別鋼材塑性變形能力及冶金質量（顆粒結晶及非金屬雜質分布）的綜合指標。 4、對象：對需進行冷加工、尤其是焊接結構焊接變形需要進行調直和調平的構件。,五、可焊性 1、定義：可焊性是指采用一般焊接工藝就可完成合格的(無裂紋的)焊縫的性能。,2、分類：施工上可焊性（焊縫金屬和近縫區(qū)不出現(xiàn)裂縫）和使用性能上的可焊性（焊接構件在施焊后的力學性能不低于母材的力學性能）； 3、所含元素的影響：鋼材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影響。碳含量在0.120.20范圍內的碳素鋼，可焊性最好。碳含量再高可使焊縫和熱影響區(qū)變脆。,第三節(jié) 影響鋼材性能的主要因

6、素,1、化學成分 2、成材（冶金、澆鑄及軋制）過程 3、鋼材缺陷 4、鋼材硬化 5、應力集中 6、溫度,一、化學成份的影響 基本成份：鐵（Fe) 有益元素：碳（C）、硅（Si）、錳（Mn） 有害元素：硫（S）、磷（P）、氮（N）、氧（O） 1、碳（C） 碳是形成鋼材強度的主要成分； C強度塑性、韌性、可焊性、冷彎性能 焊接結構應控制在0.20%。,一、化學成份的影響,2、錳（Mn） 提高強度，不過多降低塑性和沖擊韌性； 脫氧作用，但屬于弱脫氧劑； 消除硫對鋼的熱脆影響； 錳可降低鋼材的可焊性，故含量有限制。 3、硅（Si） 有脫氧作用，是強脫氧劑。 使鋼材的粒度變細，控制適量時可提高強度而不顯

7、 著影響塑性、韌性、冷彎性能及可焊性； 過量時則會惡化可焊性及抗銹蝕性。,4釩(V)、鈮(Nb)、鈦(Ti) 使鋼材晶粒細化； 低合金鋼的合金元素； 提高鋼材強度，又保持良好的塑性、韌性。 5、硫(S) 生成易于熔化的硫化鐵，當熱加工及焊接時易出現(xiàn) 裂紋，稱為熱脆。 降低鋼沖擊韌性，同時影響疲勞性能與抗銹蝕性能。,一、化學成份的影響,6磷(P) 碳素鋼中的雜質，在低溫下使鋼變脆，這種現(xiàn)象稱為冷脆。在高溫時使鋼減少塑性。 但磷能提高鋼的強度和抗銹蝕能力。 7氧(O)、氮(N) 氧能使鋼熱脆，其作用比硫劇烈； 氮能使鋼冷脆，與磷相似。 在澆鑄過程中，應根據(jù)需要進行不同程度的脫氧處理。,一、化學成份

8、的影響,1冶煉 平爐煉鋼 氧氣頂吹轉爐煉鋼：投資少、建廠快、生產效率高、原料適應性大 電爐煉鋼 2澆鑄 特殊鎮(zhèn)靜鋼 鎮(zhèn)靜鋼：硅強脫氧劑；晶粒較細，強度高，塑性韌性好，可焊性好 半鎮(zhèn)靜鋼 沸騰鋼：錳弱脫氧劑，CO溢出；構造和晶粒粗細不均勻，塑性、韌性和可焊性較差,二、 成材過程的影響,二、 成材過程的影響,3軋制 軋制能使金屬的晶粒變細，氣泡、裂紋等焊合，能改善鋼材的力學性能。 薄板因輥軋次數(shù)多，其強度比厚板略高； 澆鑄時的非金屬夾雜物在軋制后能造成鋼材的分層，設計時應盡量避免拉力垂直于板面的情況，以防止層間撕裂。,1、偏析：化學成分不一致和不均勻性，尤其是硫磷偏析； 2、非金屬夾雜：硫化物和氧

9、化物等雜質； 3、裂紋：微觀和宏觀的裂紋都將使鋼材的冷彎性能、韌性和疲勞強度降低； 4、分層：沿厚度方向形成并不相互脫離的層間。垂直厚度方向強度不影響，冷彎性能降低，分層容易被銹蝕。,三、鋼材缺陷的影響,1、冷作(應變)硬化：冷拉、冷彎、沖孔、機械剪切等冷加工使鋼材產生很大塑性變形，強度提高，但減小了塑性和韌性。 2、時效硬化：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，又稱“老化” 3、應變時效：冷作硬化加時效硬化。,四、鋼材硬化的影響,不管哪一種硬化都將降低鋼材的塑性和韌性，所以普通鋼結構中一般不利用硬化現(xiàn)象所提高的強度；對于有些重要結構要求對鋼材進行特殊

10、處理，以消除或減輕硬化的不利影響。,隨著溫度的升高，鋼材強度降低，變形增大；隨著溫度降低，強度增高但塑性和韌性降低，材料轉脆，對沖擊韌性的影響十分突出。 當溫度降至某一數(shù)值時，鋼材的韌性突然降低，稱為低溫冷脆現(xiàn)象。,在結構設計中要求避免完全脆性破壞，所以結構所處溫度應大于脆性轉變溫度T1。,五、溫度影響,概念：當截面完整性遭到破壞，如有裂紋(內部的或表面的)、孔洞、刻槽、凹角時以及截面的厚度或寬度突然改變時，構件中的應力分布將變得很不均勻。在缺陷或截面變化處附近，應力線曲折、密集、出現(xiàn)高峰應力的現(xiàn)象稱為應力集中。 力學特點：構件變化愈急劇，高峰應力愈大，塑性下降愈嚴重，脆性破壞危險愈大。,六、

11、應力集中,第四節(jié) 復雜應力狀態(tài)下的屈服條件,復雜應力狀態(tài)下的屈服準則（能量強度理論）：復雜應力狀態(tài)下單位體積的單元體發(fā)生畸變時的變形能與單向拉伸時單位體積的單元體屈服時的畸變應變能量相等，則該復雜應力狀態(tài)的單元體達到屈服；,復雜應力狀態(tài)下單位體積單元體變形能：,單向受力狀態(tài)下單位體積單元體變形能：,單向受力達到屈服時單位體積單元體變形能：,令,則,記折算應力,第四節(jié) 復雜應力狀態(tài)下的屈服條件,進一步討論 （1）三向同號應力作用下，折算應力很小，不易屈服，沒有明顯的塑性變形，屬于脆性破壞；反之，當存在異號應力時，鋼材易屈服而進入塑性狀態(tài)，呈塑性破壞。 （2）平面應力：今后判斷復雜平面應力是否屈服

12、的公式； （3）平面純剪時，fvy，剪切屈服點。,（1）當 時，鋼材未屈服； （2）當 時，鋼材屈服；,第四節(jié) 復雜應力狀態(tài)下的屈服條件,1、概念：在連續(xù)反復荷載作用下，當應力低于抗拉強度甚至低于屈服強度，鋼材發(fā)生疲勞破壞；屬于脆性破壞2、實質：微觀裂縫在多次重復荷載作用下，微細裂縫緩慢發(fā)展到削弱原有截面，使構件或連接件因凈截面強度不足而突然破壞。3、疲勞強度：取決于應力集中、殘余應力和應力循環(huán)次數(shù)。4、驗算對象：（1）出現(xiàn)拉應力；（2）循環(huán)次數(shù)大于5萬。,第五節(jié) 鋼材的疲勞,完全對稱循環(huán)( -1) 靜荷載作用( +1),脈沖循環(huán)( 0) 一般應力循環(huán)(-1+1),5、應力循環(huán)： 應力比值,6

13、、疲勞驗算,：對焊接結構為應力幅 maxmin；對非焊接部位為折算應力幅 max0.7min ，應力以拉為正，壓為負； ：常幅疲勞的容許應力幅：,C，查表系數(shù)。容許應力幅與循環(huán)次數(shù)和應力集中程度有關，次數(shù)越多， 越??；構件和連接所屬的類別越高，應力集中程度越嚴重，容許應力幅越小。,第七節(jié) 鋼材的種類和選擇,一、建筑鋼材的類別,1、碳素結構鋼 牌號表示： 質量等級據(jù)化學成分及沖擊韌性分為A、B、C、D四級； 脫氧程度、沖擊韌性；,2、低合金高強度結構鋼 在鋼的冶煉過程中添加少量幾種合金元素使鋼的強度明顯提高，故稱低合金高強度結構鋼。 Q345、Q39O和 Q420 是鋼結構設計規(guī)范規(guī)定采用的鋼種

14、。其符號的含義和碳素結構鋼牌號的含義相同。不同質量等級對碳、硫、磷、鋁等含量的要求也有區(qū)別。 低合金高強度結構鋼一般屬于鎮(zhèn)靜鋼，因此牌號中不注明脫氧方法。,一、建筑鋼材的類別,二、 鋼材的選擇,1. 結構或構件的重要性； 2. 荷載性質（靜載或動載）； 3. 連接方法（焊接、鉚接或螺栓連接）； 4. 工作條件（溫度及腐蝕介質）。,Q235A 鋼的保證項目中，碳含量、冷彎試驗合格和沖擊韌性值并未作為必要的保證條件，所以只宜用于不直接承受動力作用的結構中。當用于焊接結構時，其質量證明書中應注明碳含量不超過 0.2%。 控制因素：剛度還是強度；,三、 型鋼規(guī)格,1熱軋鋼板 熱軋鋼板分厚板及薄板兩種，

15、厚板的厚度為4.560mm(廣泛用來組成焊接構件和連接鋼板)，薄板厚度為0.354mm(冷彎薄壁型鋼的原料)。在圖紙中鋼板用“-厚 x 寬 x 長（單位為毫米）” ，如：-12 x800 x 2100等。,2熱軋型鋼 角鋼 有等邊和不等邊兩種。等邊角鋼，以邊寬和厚度表示，如 L100 x10為肢寬 100 mm 、厚 10mm 的等邊角鋼。不等邊角鋼，則以兩邊寬度和厚度表示，如 L100 x 80 x10 等。,槽鋼表示法如 30a ，指槽鋼外廓高度為 30cm 且腹板厚度為最薄的一種； 工字鋼表示法如 I 30a ，指槽鋼外廓高度為 30cm 且腹板厚度為最薄的一種； H 型鋼分為三類：寬翼緣 H 型鋼（ HW ）、中翼緣 H 型鋼（ HM ）和窄翼緣 H 型鋼（ HN ）。 表示方法如：HW300 x300 ，即為截面高度為 300mm ，翼緣寬