1、第 二 章 鋼 結(jié) 構(gòu) 材 料,2.1 對鋼結(jié)構(gòu)用材的要求 2.2 鋼材的主要性能及其鑒定 2.3 影響鋼材性能的因素 2.4 鋼材的延性破壞和非延性破壞 2.5 建筑鋼材的類別及鋼材的選用,本章內(nèi)容：,2.1 對鋼結(jié)構(gòu)用材的要求,用作鋼結(jié)構(gòu)的鋼材的性能： 1、較高的強度 即抗拉強度fu和屈服點fy比較高 2、足夠的變形能力 即塑性和韌性性能好 3、良好的加工性能 適合冷、熱加工，良好的可焊性,4、適應(yīng)低溫、有害介質(zhì)侵蝕(包括大氣銹蝕)以及重復(fù)荷載作用等的性能 5、容易生產(chǎn)，價格便宜 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 (GB500172003) 推薦的 鋼材： 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼：Q235鋼 低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼：Q

2、345、Q390及Q420,2.1 對鋼結(jié)構(gòu)用材的要求,包括拉伸性能、冷彎性能、沖擊韌性和可焊性等。,2.2 鋼材的主要性能及其鑒定,2.2.1 單向拉伸時的工作性能 條件：常溫、靜載條件下一次拉伸,主要力學指標,比例極限P 屈服點 y 抗拉強度u 伸長率 5和10,屈服點,鋼材計算模型,作為結(jié)構(gòu)計算中材料強度標準，或材料抗力標準。 理想彈塑性體的模型。,名義屈服點,2.2.2 冷彎性能,根據(jù)試樣厚度（a），按規(guī)定的彎心直徑(d)將試樣彎曲180度，其表面及側(cè)面無裂紋或分層,Q235: 縱向試樣 橫向試樣 16 a 60mm d = a d = 1.5a 60 a 100 d = 2a d =

3、 2.5a 100 a 150 d = 2.5a d = 3a,表示的性能： 材料塑性變形能力 冶金質(zhì)量,2.2.3 沖擊韌性,韌性是鋼材斷裂時吸收機械能能力的量度 測量方法 梅氏（Mesnage U-notch）：ak(J/cm2) 夏比（Charpy V-notch）： Akv 或Cv(J),鋼材質(zhì)量等級 環(huán)境溫度 CVN沖擊功 -A 不要求 -B 20 27J Q235 -C 027J -D -20 27J -A 不要求 -B 20 34J Q345 -C 0 34J -D -20 34J -E -40 27J,鋼材沖擊韌性要求,2.2.4 可焊性,采用一般焊接工藝就可完成合格的(無裂紋

4、的)焊縫的性能。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(nèi)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。 Q235A為0.14%0.22%，可焊性較差。 合金元素的 影響用碳當量表示。,2.2.5 鋼材性能的鑒定,鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范 (GB502052001) 檢驗指標: 屈服強度 抗拉強度 伸長率 冷彎性能 沖擊韌性 工藝性能 化學成分, 檢查項目: 質(zhì)量合格證明文件、中文標識、檢驗報告 對于需要復(fù)驗的鋼材，按國家有關(guān)標準執(zhí)行： H型鋼取翼緣部位； 鋼板、鋼帶拉伸和彎曲取橫向試樣； 沖擊韌性取縱向試樣。,2.2.5 鋼材性能的鑒定,包括化學成分

5、、成材過程、其他 2.3.1 化學成分 碳素結(jié)構(gòu)鋼由鈍鐵、碳及雜質(zhì)元素組成，其中純鐵約占99，碳及雜質(zhì)元素約占1。低合金結(jié)構(gòu)鋼中，除上述元素外還加入合金元素，后者總量通常不超過3。,2.3 影響鋼材性能的因素,碳（C） 碳是碳素結(jié)構(gòu)鋼中僅次于鐵的主要元素，是影響鋼材強度的主要因素，隨著含碳量的增加，鋼材強度提高，而塑性和韌性、尤其是低溫沖擊韌性下降，同時可焊性、抗腐蝕性、冷彎性能明顯降低。因此結(jié)構(gòu)用鋼的含碳量一般不應(yīng)超過0.22%，對焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)低于0.2%。 錳（Mn）錳是一種弱脫氧劑，適量的錳含量可以有效地提高鋼材的強度，又能消除硫、氧對鋼材的熱脆影響，而不顯著降低鋼材的塑性和韌性。錳在碳素

6、結(jié)構(gòu)鋼中的含量為0.3%0.8%，在低合金鋼中一般為1.0%1.7%。,化學元素,硅（Si） 硅是一種強脫氧劑，適量的硅可提高鋼材的強度，而對塑性、韌性、冷彎性能和可焊性無明顯不良影響，但硅含量過大時，會降低鋼材的塑性、韌性、抗銹蝕性和可焊性。 釩(V)、鈮(Nb)、鈦(Ti) 釩、鈮、鈦都能使鋼材晶粒細化。我國的低合金鋼都含有這三種元素，作為錳以外的合金元素，既可提高鋼材強度，又保持良好的塑性、韌性。,化學元素,鋁(Al)、鉻(Cr)、鎳(Ni) 鋁是強脫氧劑，用鋁進行補充脫氧，不僅進一步減少鋼中的有害氧化物，而且能細化晶粒。鉻和鎳是提高鋼材強度的合金元素，用于Q390鋼和Q420鋼。 硫（

7、S） 硫是一種有害元素，降低鋼材的塑性、韌性、可焊性、抗銹蝕性等，在高溫時使鋼材變脆，即熱脆。因此，鋼材中硫的含量不得超過0.05%，在焊接結(jié)構(gòu)中不超過0.045%。,化學元素,磷(P) 磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷是碳素鋼中的雜質(zhì)，它在低溫下使鋼變脆，這種現(xiàn)象稱為冷脆。在高溫時磷也能使鋼減少塑性。但磷能提高鋼的強度和抗銹蝕能力。 氧(O)、氮(N) 氧和氮也是有害雜質(zhì)，在金屬熔化的狀態(tài)下可以從空氣中進入。氧能使鋼熱脆，其作用比硫劇烈，氮能使鋼冷脆，與磷相似。,化學元素,2.3.2 成材過程的影響,冶煉 可分為平爐煉鋼、氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐煉鋼、堿性側(cè)吹轉(zhuǎn)爐煉鋼及電爐煉鋼 澆鑄 一種是澆入鑄

8、模做成鋼錠，另一種是澆入連續(xù)澆鑄機做成鋼坯。 按脫氧程度不同，分為鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜鋼與沸騰鋼。 冶金缺陷有偏析、非金屬夾雜、氣孔及裂紋等。,軋制 鋼材的軋制能使金屬的晶粒變細，也能使氣泡、裂紋等焊合，因而改善了鋼材的力學性能。 熱處理 熱處理的目的在于取得高強度的同時能夠保持良好的塑性和韌性。 正火（850900） 回火（650） 淬火（900） 調(diào)質(zhì)處理（淬火加回火）,2.3.2 成材過程的影響,2.3.3 影響鋼材性能的其他因素,冷加工 硬化 (應(yīng)變硬化),2.3.3 影響鋼材性能的其他因素,溫度的影響 正溫范圍 正溫范圍總的趨勢是隨著溫度的升高， 鋼材強度降低，變形增大。,250 有蘭脆現(xiàn)

9、象 260320 有徐變現(xiàn)象,fy與fu都增高 但塑性變形能 力減小，因而 材料轉(zhuǎn)脆，對 沖擊韌性的影 響十分突出。,溫度轉(zhuǎn)變區(qū),負溫范圍,在缺陷或截面變化處附近，應(yīng)力線曲折、密集、出現(xiàn)高峰應(yīng)力的現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。,應(yīng)力集中,孔洞、缺口處 的應(yīng)力集中,2.4 鋼材的延性破壞和非延性破壞 循環(huán)加載和快速加載的效應(yīng),2.4.1 延性破壞和非延性破壞 塑性材料與脆性材料 有屈服現(xiàn)象 沒有明顯屈服現(xiàn)象而能發(fā)生較大塑性變形 材料原始性能以及在常溫、靜載并一次加荷的工作條件之下能在破壞前發(fā)生較大塑性變形，與所處工作條件有關(guān),塑性破壞：超過屈服點 fy即有明顯的塑性變形產(chǎn)生，達到抗拉強度 fu時將在很大變形

10、情況下斷裂; 脆性破壞：沒有塑性變形或在塑性變形很小時即發(fā)生破壞。,塑性破壞與脆性破壞,疲勞斷裂的概念 疲勞斷裂是微觀裂縫在連續(xù)重復(fù)荷載作用下不斷擴展直至斷裂的脆性破壞。,裂紋的形成 緩慢擴展 迅速擴展,2.4.2 循環(huán)荷載效應(yīng),應(yīng)力比 應(yīng)力幅 平均應(yīng)力,關(guān)于循環(huán)荷載的幾個概念,一個循環(huán): 連續(xù)重復(fù)荷載之下應(yīng)力往復(fù)變化一周,完全對稱循環(huán)(-1),靜荷載作用(+1),脈沖循環(huán)(0),一般應(yīng)力循環(huán)(-1 +1), - n 曲線,根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可以畫出構(gòu)件或連接的應(yīng)力幅 與相應(yīng)的致?lián)p循環(huán)次數(shù) n 的關(guān)系曲線, - n 曲線,疲勞驗算及容許應(yīng)力幅（n5104）,容許應(yīng)力方法 重復(fù)可變荷載，標準值，不乘動

11、力系數(shù), 對焊接結(jié)構(gòu)為應(yīng)力幅 max-min； 對非焊接部位為計算應(yīng)力幅 max-0.7min, 常幅疲勞的容許應(yīng)力幅。與構(gòu)造細部和疲勞 壽命有關(guān)，和鋼材種類無關(guān)。,常幅疲勞:,變幅疲勞線性累積損傷準則,f 中、重級吊車荷載折算成2106時的欠載效應(yīng)等效系數(shù)，根據(jù)對國內(nèi)吊車荷載譜的調(diào)查統(tǒng)計結(jié)果，重級工作制硬勾吊車為1.0，重級工作制軟勾吊車為0.8，中級工作制吊車為0.5。,2.4.3 快速加荷效應(yīng),快速加荷使鋼材fy、fu偏高。影響能量吸收的能力，隨著加荷速率的減小，曲線向溫度較低的方向移動。,緩慢加荷： = 10-5s-1 中速加荷： = 10-3s-1 動力加荷： = 10s-1 除遭遇

12、強烈地震外，建筑結(jié)構(gòu)通常為靜態(tài)的結(jié)構(gòu)，即考慮荷載動力系數(shù)后按靜態(tài)結(jié)構(gòu)對待，但承受多次循環(huán)荷載時要驗算疲勞。,按應(yīng)變速率 = d / dt 把加荷速率分3級：,2.5 建筑鋼材的類別及鋼材的選用,鋼種：碳素結(jié)構(gòu)鋼、低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼 鋼號：Q+屈服強度+質(zhì)量等級+脫氧程度 1、碳素結(jié)構(gòu)鋼 (GB700) Q195、 Q215 A及B，Q235 A、B、C及D， Q255 A及B、Q275等 質(zhì)量等級：AD質(zhì)量等級由低高， 區(qū)別：沖擊韌性（CVN）、冷彎性能。,2.5.1 建筑鋼材的類別,沖擊 韌性（CVN）： Q235A：不要求 Q235B：常溫（205） 27J Q235C：0 27J Q23

13、5D：-2027J 冷彎性能： A級不要求；B、C和D級鋼均要求冷彎性能合格。 脫氧程度：Z、b、F和TZ A、B：Z、b、F C：Z D：TZ,1、碳素結(jié)構(gòu)鋼 (GB700),說明下列鋼號代表的意義： Q235A Q235Ab Q235AF Q235Bb Q235BF Q235C Q235D,Q295、Q345、Q390、Q420、Q460等 質(zhì)量等級：AE質(zhì)量等級由低高， 區(qū)別：沖擊韌性（CVN）。 A：不要求 B：常溫（2050C）34J C：00C 34J D：-200C 34J E：-400C 27J,2、低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼(GB/T1591),脫氧程度：Z和TZ A、B：Z C、D

14、和E：TZ,種類：平行鋼絲束、鋼絞線和鋼絲繩 材料：優(yōu)質(zhì)碳素鋼經(jīng)過多次冷拔而成，分為光面鋼絲和鍍鋅鋼絲 抗拉強度：15701700N/mm2 特點：松弛,3、高強鋼絲和鋼索材料,平行鋼絲束由 7 根、 19 根、 37 根或 61 根鋼絲組成,鋼絞線亦稱單股鋼絲繩，由多根鋼絲捻成。,鋼絲繩多由 7 股鋼絞線捻成，以一股鋼絞線為核心，外層的6 股鋼絞線沿同一方向纏繞。,原則：安全可靠、經(jīng)濟合理 考慮因素： 結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的重要性； 荷載性質(zhì)（靜載或動載） ; 連接方法（焊接、鉚接或螺栓連接） ; 工作條件（溫度及腐蝕介質(zhì)）。 對于重要結(jié)構(gòu)、直接承受動載的結(jié)構(gòu)、處于低溫條件下的結(jié)構(gòu)及焊接結(jié)構(gòu)，選用質(zhì)量

15、較高的鋼材。,2.5.2 鋼材的選擇,構(gòu)件鋼材 Q235A：不直接承受動荷載、非焊接 Q235(345)B、C、D：需要驗算疲勞的適用溫度 Q390(420)B、C、D、E：需要驗算疲勞的適用溫度 脫氧方法 連接鋼材 與主體金屬強度相適應(yīng)： Q235E43 Q345E50 Q390、Q420E55,2.5.2 鋼材的選擇,種類：鋼板、型鋼 熱軋鋼板 -厚寬長（mm）:-104002000 厚板：4.560mm；薄板：0.354mm 熱軋型鋼 角鋼 L10010、L100808 槽鋼 32a、 32Q 工字鋼 I32c，I32Q,2.5.3 型鋼規(guī)格,H型鋼 HW、HM、HN：HW300300 剖分T型鋼 TW、TM、TN ：TW150300 鋼管 dt： 1006,2.5.3 型鋼規(guī)格,冷彎薄壁型鋼 26mm,冷彎型鋼的截面形式,鋼結(jié)構(gòu)用鋼材的性能要求 較高的強度 足夠的變形能力 良好的加工性能 鋼材在單向拉伸時的主要性能 屈服點 抗