建筑结构(CD) 教学课件 ppt 作者 钏芳林 马丹丁 第三章 材料的物理力学性能

1、第三章 材料的物理力学性能及选用原则 邯郸职业技术学院,第三章 材料的物理力学性能及选用原则,结构材料的力学性能，主要是指材料的强度和变形能力，以及材料的本构关系（即应力-应变关系）。,3.1 建筑钢材,3.1 建筑钢材,钢是含碳量低于2%的铁碳合金（含碳量高于2%时为生铁），钢经轧制或加工成的钢筋、钢丝、钢板及各种型钢，统称钢材。 在建筑钢材中，大量使用碳素结构钢和普通低合金钢。,3.1 建筑钢材,3.1.1 钢材的机械性能 3.1.2 钢材的破坏形式 3.1.3 影响钢材机械性能的因素 3.1.4 钢材的种类、规格及选用,3.1.1钢材的机械性能,1.钢材在单向均匀拉伸时的工作性能 在室温+20C的条件下，在 拉伸试验机上进行一次静力拉 伸验，直到试件拉断破坏，并 绘出应力-应变曲线。 图3-1 低碳钢的应力应变曲线,由图中曲线可见，低碳钢一次拉伸试验时的工作特性可分成四个阶段： (1)弹性阶段应力由零到比例极限,钢材表现出弹性性能，应力与应变成正比，卸荷后变形完全恢复，符合虎克定律。 (2)弹塑性阶段由比例极限到屈服点,应力超过比例极限后，任一点的变形中都将包括弹性变形和塑性变形

2、两部分，其中的塑性变形在卸荷后不再恢复，称残余变形。 (3)塑性阶段(屈服平台亦称塑性流动阶段),3.1.1钢材的机械性能,(4)强化阶段钢材内部结晶组织自行作了调整，抵抗外荷载的能力有所提高，应力与应变关系又开始上升，出现所谓“自强阶段”。 应力达到抗拉强度（或称极限强度）时，在试件某一薄弱截面上出现颈缩现象而断裂破坏。,3.1.1钢材的机械性能,2.由静力拉伸试验得出的钢材的力学性能指标,通过上述拉伸试验，可以得到钢材的三个主要机械性能指标：抗拉强度（极限强度）、屈服点及拉伸率。并得出结构设计很重要的几点结论。,3.1.1钢材的机械性能,（1）钢结构设计规范规定，应力达屈服强度fy时为钢材的强度承载力极限, 抗拉强度作为强度储备之用。 在抗震结构中，考虑到受拉钢材可能进入强化阶段，故要求其屈服强度与抗拉强度的比值（称为屈强比）不大于0.8，以保证结构的变形能力，因而钢材的抗拉强度是检验钢材质量的另一强度指标。作为强度储备之用。,(2)理想的弹性-塑性体 对于没有缺陷和残余应力影响的试件，比例极限和屈服点比较接近，且屈服点前的应变很小（对低碳钢约为0.15%），为简化计算，通常假设屈

3、服点以前的钢材为完全弹性的，屈服点以后的为完全塑性的，这样就可把钢材视为理想的弹-塑性体，其应力-应变曲线表现为双直线，如图3-2所示。,图3-2 理想的弹塑性体的应 力应变曲线,对于无明显屈服点的钢材，屈服条件是根据实验分析结果而人为规定的，故称为条件屈服点（或屈服强度）。 条件屈服强度是以卸荷后试件中残余应变为0.2%所对应的应力定义的（有时用f0.2表示），这类钢材不具有明显的塑性平台，设计中不宜利用它的塑性。,3.1.1钢材的机械性能,(3) 伸长率 反映钢材在静力荷载作用下的塑性变形能力. 塑性:指钢材破坏前产生变形的能力。,3.1.1钢材的机械性能,伸长率是指试件拉断后原标距的伸长值与原标距的比值（以百分率表示）： （3-1） 式中 l1试件原标距长度，一般取5d，d为试件直径； l2试件拉断后的标距长度； 伸长率（%），当l1=5d时记为5，当l2=10d时记为10 。 伸长率大的钢材塑性好，拉断前有明显预兆；伸长率小的钢材塑性差，破坏会突然发生，呈脆性特性。有明显屈服点的钢材有较大的伸长率。,3.1.1钢材的机械性能,3. 其他力学性能指标 （1）冷弯性能 冷弯性能是指

4、钢材在常温下承受弯曲时产生塑性变形的能力。 由冷弯试验来确定。 冷弯性能合格是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标。,（2）冲击韧性 韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力，它用材料在断裂时所吸收的总能量（包括弹性和非弹性能）来度量。 拉伸实验所表现的钢材性能是静力性能，而韧性试验则可获得钢材的一种动力性能。 韧性 是钢材强度 和塑性的综 合指标。,3.1.2钢材的破坏形式,钢材有两种性质完全不同的破坏形式，即塑性破坏和脆性破坏。钢结构所用的材料虽然有较高的塑性和韧性,一般为塑性破坏，但在一定条件下，仍然有脆性破坏的可能性。,3.1.2钢材的破坏形式,1.塑性破坏 塑性破坏是由于变形过大，超过了材料或构件可能的应变能力而产生的，而且仅在构件的应力达到了钢材的抗拉强度后才发生。 破坏特征：破坏前构件产生较大的塑性变形，断裂后的断口呈纤维状，色泽发暗。 破坏后果：在塑性破坏前，由于总有较大的塑性变形发生，且变形持续的时间较长，很容易及时发现而采取措施予以补救，不致引起严重后果。另外，塑性变形后出现内力重分布，使结构中原先受力不等的部分应力趋于均匀，因而提高结构的承载能力。,2脆性破

5、坏 脆性破坏前塑性变形很小，甚至没有塑性变形，计算应力可能小于钢材的屈服点，断裂从应力集中处开始。冶金和机械加工过程中产生的缺陷，特别是缺口和裂纹，常是断裂的发源地。 破坏特征：破坏前没有任何预兆，破坏是突然发生的，断口平直并呈有光泽的晶粒状。 破坏后果：措施，而且个别构件的断裂常引起整个结构的塌毁，危及人民生命财产的安全，后果严重，损失较大。在设计、施工和使用钢结构时，要特别注意防止出现脆性破坏。,3.1.2钢材的破坏形式,3.1.3影响钢材机械性能的因素,1.化学成分 钢筋的力学性能主要取决于它的化学成分。其主要成分是铁元素，此外还含有少量的碳、锰、硅、硫等元素。 增加含碳量可提高钢材的强度，但塑性和可焊性降低。锰、硅元素可提高钢材强度，并保持一定的塑性； 磷、硫是有害元素，其含量超过一定限度时，钢材塑性明显降低，磷使钢材冷脆，硫使钢材热脆，且焊接质量也不宜保证。氧和氮也是有害元素，氧与硫相似，氮与磷相似。,2.冶炼与轧制 钢材的化学成份与含量、金相组织及不可避免的冶金缺陷等都是在冶炼过程中形成的，冶炼过程中因脱氧程度不同，分为镇静钢、半镇静钢、特种镇静钢和沸腾钢，脱氧程度愈高，钢

6、材性能愈好。钢材的轧制是在12001300C高温下进行的。轧制能使金属晶粒变细，消除气泡和裂纹等。通常，厚度小的钢材的强度较厚度大者高。,3.1.3影响钢材机械性能的因素,3钢材硬化 (1)冷作硬化 钢材在弹塑性阶段或塑性阶段卸荷后，如再重新加荷，其屈服强度将提高，而塑性和韧性降低，这种现象叫做冷作硬化或应变硬化（图3-6）。 冷弯、冷拉、冲孔、机械剪切等冷加工使钢材产生很大塑性变形，从而提高了钢的屈服点，同时降低了钢的塑性和韧性。,3.1.3影响钢材机械性能的因素,3.1.3影响钢材机械性能的因素,(2)时效硬化 时效硬化:冶炼时熔化于铁中的少量氮和碳，随着时间的增长逐渐从纯铁中析出，形成自由碳化物和氮化物，对纯铁体的塑性变形起着遏制作用，从而使钢材的强度提高，塑性和韧性下降。这种现象称为时效硬化（图3-6），俗称老化。 人工实效:时效硬化的过程一般较长，但如在材料塑性变形后加热，可使时效硬化发展特别迅速。这种方法谓之人工实效。,图3-6 冷作硬化和时效硬化,4.温度影响 钢材的内部晶体组织对温度很敏感，温度升高与降低都会使钢材性能发生变化。温度高于100C以上时，强度降低，塑性增大

7、；250C左右钢材的强度略有提高，塑性降低，钢材呈脆性（蓝脆现象）；当温度超过250350C时，钢材将产生徐变现象。 随着温度下降，钢材的脆性倾向也将增加。,3.1.3影响钢材机械性能的因素,5.应力集中 在钢结构的构件中不可避免的存在着孔洞、槽口、凹角、裂纹、厚度变化、形状改变及内部缺陷等统称为构造缺陷。由于构造缺陷，钢材中的应力不再保持均匀分布，而是在构造缺陷区域的某些点产生局部应力高峰，而在其它一些点则应力降低，这种现象称为应力集中。应力集中是构成构件脆性破坏的主要原因之一。,图3-7 应力集中现象,3.1.3影响钢材机械性能的因素,6.反复荷载作用 钢材在反复荷载作用下，结构的抗力及性能都会发生重要变化，甚至发生疲劳破坏。在直接的连续反复的动力荷载作用下，根据实验，钢材的强度将降低，即低于一次静力荷载作用下的拉伸试验的极限强度，这中现象称为钢材的疲劳。疲劳现象表现为突然发生的脆性断裂。,3.1.3影响钢材机械性能的因素,原因 实际上疲劳破坏乃是累计损伤的结果。材料总是有“缺陷”的，在反复荷载作用下，先在其缺陷部位发生塑性变形和硬化而生成极小的裂痕，此后这种微观裂痕逐渐发展成宏观

8、裂纹，试件截面削弱，而在裂纹根部出现应力集中现象，使材料处于三向拉伸应力状态，塑性变形受到限制，当反复荷载达到一定的循环次数时，材料终于破坏，并表现为突然的脆性断裂。,3.1.3影响钢材机械性能的因素,7.复杂应力作用下钢材的屈服条件,在复杂应力作用下，钢材由弹性状态进入塑性状态的条件是按能量强度理论（或第四强度理论）计算的折算应力与单项应力下的屈服点相比较来判断： （3-2） 当 时，为弹性状态；当 时，为塑性状态,几种情况： 如三向应力有一项很小（如厚度较小，厚度方向的应力可忽略不计）或为零时，则属于平面应力状态，式（3-2）成为 （3-3） 在一般梁中，只存在 正应力和剪应力，则,当只有剪应力时， ，则 （3-5） 由此得 （3-6） 因此，钢结构设计规范确定钢材抗剪设计强度为抗拉设计强度的0.58倍。 当平面或立体应力皆为同号且差值又较小时，材料很难进入塑性状态，甚至破坏时也没有明显的塑性变形，呈脆性破坏。但当有一向为异号应力，且同号的两个应力又相差较大时，材料比较容易进入塑性状态。,钢按用途可分为建筑及工程用钢、机器结构钢、工具钢和特殊性能钢等，建筑及工程用钢又分为优质碳素结

9、构钢和低合金高强度结构钢。 1.钢材的种类 (1)碳素结构钢 钢的牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）、脱氧方法符号等四个部分按顺序组成。,3.1.4 钢材的种类、规格及选用,按质量等级将钢分为A、B、C、D四级，A级钢只保证抗拉强度、屈服点、伸长率，必要时尚可附加冷弯试验的要求，化学成分对碳、锰可以不作为交货条件。B、C、D级钢均保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯和冲击韧性（分别为+20C，0C，-20C）等力学性能。化学成分对碳、硫、磷的极限含量比旧标准要求更加严格。 根据钢材厚度（直径）16mm时的屈服点数值，分为Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。,3.1.4 钢材的种类、规格及选用,（2）低合金高强度结构钢 采用与碳素结构钢相同的钢号表示方法，仍然根据钢材厚度（直径）16mm时的屈服点数值，分为Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。 钢的牌号仍有质量等级符号，除与碳素结构钢A、B、C、D四个等级相同外增加一个等级E，主要是要求-40C的冲击韧性。 低合金高强度结构钢一般为镇静钢，因此钢的牌号中不注明脱氧方法。冶炼方法也有供方自行选择。 A级钢应进行冷弯试验，其他质量级别钢如供方能保证弯曲试验结果符合规定要求，可不做检验。Q460钢和各牌号D、E级钢一般不供应型钢和钢棒。,3.1.4 钢材的种类、规格及选用,2.钢材的选用 (1)选择钢材时考虑的因素有： 结构的重要性。 荷载情况。 连接方法。 结构所处的温度和环境。 钢材厚度。,3.1.4 钢材的种类、规格及选用,(2)钢材的选择 对钢材质量的要求，一般的说，承重结构的钢材应保证抗拉强度、屈服点、伸长率和硫、磷的极限含量，对焊接结构尚应保证碳的极限含量（由于Q235-A钢的碳含量不作为交换条件，故一般不用于焊接结构）。 焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构的钢材应具有冷弯试验的合格保证。,3.1.4 钢材的种类、规格及选用,对于需要验算疲劳的以及主要的受拉或受弯的焊接结构的钢材，应具有常温冲击韧性的合格保证。当结构工作温度等于或低于0但高于-20时，Q235钢和Q345钢应具有0冲击韧性的合格保

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