钢结构设计:钢结构材料
36页1、钢结构设计:钢结构材料,第一节 建筑结构用钢的基本要求 第二节 钢材的主要机械性能 第三节 钢材的破坏形式 第四节 影响钢材性能的主要因素 第五节 建筑结构用钢的种类及选择,第一节 建筑结构用钢的基本要求, 钢材种类繁多,规格、用途也不相同,对建筑结构用钢来说,主要有三方面的要求。 1、较高的强度:结构的承载力大,所需的截面小,结构的自重轻; 2、较好的塑性及韧性:塑性好,不易发生脆性破坏;韧性好,利于承受动力荷载; 3、良好的加工性能与耐久性:包括可焊性、冷弯性能以及耐腐性能; 据以上要求,钢结构设计规范GB50017-2003推荐承重结构用钢宜采用:炭素结构钢中的Q235钢及低合金高强结构钢中的Q345、Q390和Q420钢四种钢材。,第二节 钢材的主要机械性能,一、单向拉伸试验曲线 根据钢材单向拉伸性能曲线,工程应用中,钢材的性能按理想弹塑性体考虑,fy为钢材拉、压强度标准值。,二、钢材的主要机械性能,钢材的强度:屈服强度和抗拉强度 钢材的塑性:伸长率 冷弯性能 冲击韧性,拉伸试验,荷载变形(FL)曲线 应力应变()曲线,弹性阶段:斜直线的终点对应的应力为比例极限 ,弹性阶段的顶
2、点对应的应力为弹性极限 。弹性模量 弹塑性阶段: 变形包括弹性变形和塑性变形, 切线模量 随应力的增加而逐渐减小。,强度,塑性阶段:弹塑性阶段后期的上下波动平台的下限点为屈服极限 。 强化阶段:屈服阶段后,钢材内部组织经重新调整,又部分地恢复了继续承载能力,直至曲线的最高点为抗拉强度 。 颈缩阶段:应力达到抗拉强度时,试件局部出现横向收缩变细颈缩。,从静力拉伸实验得到结论,1、设计时取 为钢材达到最大应力值即为钢材强度标准值 。 、 、 很接近且变形又很小 、 钢材弹性阶段以屈服点为上限,当 后将产生很大变形 ,产生不适于继续使用上的过大变形。 2、当 钢材为理想的弹性材料, 钢材为完全塑性。 3、 是钢材破坏前能承受的最 大应力,但这时钢材产生了巨 量的塑性变形。 反映钢材内部 组织的优劣还可作为钢材的安全储备。 得出结论:屈服强度 和抗拉强度 是钢材强度的两项重要指标,2、塑性,塑性钢材产生塑性变形而不发生脆性断裂的能力,便于内力重分布,吸收能量。 衡量钢材塑性指标是:伸长率和断面收缩率 伸长率: 断面收缩率 试件原标距长度和原截面面积; 试件拉断后标距长度和颈缩断口截面面积。,3
3、、冷弯性能,冷弯性能-钢材在常温下冷加工过程中产生塑性变形能力。 冷弯性能实验是用弯心直径为d的冲头对试件压弯180度,然后检查试件表面,以不出现裂纹和分层为合格。 冷弯性能不仅能衡量钢材的塑性和冷加工性能,而且也能暴露钢材内部的缺陷,是钢材塑性及冶金质量的综合指标。,4、韧性,韧性钢材在冲击荷载下抵抗脆性破坏的机械性能指标。 冲击韧性k衡量冲击实验测量冲击功 越大,则钢材的韧性越好。 冲击韧性除与钢材的质量密切有关,还与钢材的轧制方向有关,顺着轧制方向好。 冲击韧性值还与温度有关。当达到一定的负温度时,冲击韧性急速下降。故用于表征钢材承受动力荷载的能力(动力指标),按常温(20o)、零温(0o) 、负温(-20o、-40o)区分 。,5、可焊性,可焊性表征钢材焊接后具备良好焊接接头性能的能力不产生裂纹,焊缝影响区材性满足有关要求。 影响钢材可焊性的因素很多:钢材的品种、化学成分及规格等自身的因素外,还与节点的复杂程度、约束程度、焊接工艺等有关,故易焊钢材的可焊性好。反之难焊钢材可焊性差。,第三节 钢材的破坏形式,一、塑性破坏(延性破坏) 塑性破坏截面上的应力超过 达到 时才发生破坏,
4、其加荷的延续时间长,构件拉断时有比较大的变形很容易及时发现和采取补救措施。 断口呈纤维状,色泽发暗。 二、脆性破坏 脆性破坏截面上的平均应力值小于 时已经发生破坏,构件拉断时变形很小且几乎无任何迹象而突然断裂。破坏性很大。 断口平齐,呈有光泽的晶粒状。,第四节 影响钢材性能的主要因素,1、化学成份的影响 2、冶金及轧制 3、冷作硬化与时效硬化 4、复杂应力 5、应力集中与残余应力 6、温度,1、化学成份的影响,基本成份为Fe,炭钢中含量占99,C、Si、Mn为有益元素,S、P、N、O为冶炼过程中不易除尽的有害元素。 C:含C使强度塑性、韧性、可焊性,应控制在0.22%,焊接结构应控制在0.20%。 Si:强脱氧剂,含Si适量使强度 其它影响不大,有益,应控制0.10.3% Mn:弱脱氧剂,含量增加,使强度 降低S、O的热脆影响,改善热加工性能和冷脆现象,对其它性能影响不大,有益。含量0.3%0.8%,S:含量使强度塑性、韧性、性能冷弯、可焊性; 高温时使钢材变脆热脆现象。 P:低温时使钢材变脆冷脆现象;其它同S O、N:O同S;N同P,控制含量0.008% 合金元素可明显提高钢材的综合
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