《钢结构材料》PPT课件.ppt

1第二章第二章 钢结构材料钢结构材料张丽梅张丽梅 钢结构对材料的要求：钢结构对材料的要求：◎ ◎ 较高的强度较高的强度 ◎ ◎ 塑性好塑性好◎ ◎ 冲击韧性好冲击韧性好◎ ◎ 冷加工性能好冷加工性能好 ◎ ◎ 可焊性好可焊性好◎ ◎ 耐久性好耐久性好力力学学性性能能主主要要内内容容Q235标准试件标准试件Q235钢单向受拉应力－应变曲线钢单向受拉应力－应变曲线钢材单向受拉时的工作性能钢材单向受拉时的工作性能◆◆ 钢材的荷载钢材的荷载——变形曲线变形曲线常温常温静载静载 拉伸曲线反映了钢材的拉伸曲线反映了钢材的力学特性，描述如下：力学特性，描述如下：(1)弹性阶段弹性阶段：：OAE段段 OA直线的斜率称为弹性直线的斜率称为弹性模量模量E，，fp称为比例极限，称为比例极限，fe称为弹性极限称为弹性极限2)弹塑性阶段弹塑性阶段：：EC段段 σ与与ε不呈比例，除弹性不呈比例，除弹性变形外还有塑性变形，变形外还有塑性变形，fy称称为屈服强度，又叫屈服点为屈服强度，又叫屈服点（（Yield Point，材料力学，材料力学中用中用σs表示）。

表示）单向受拉应力－应变曲线单向受拉应力－应变曲线(3)屈服阶段屈服阶段：：CF段段 钢材完全屈服，钢材完全屈服，σ不增加不增加（保持（保持fy），而），而ε骤增4)强化阶段强化阶段：：FB段段 经过屈服阶段后，钢材内经过屈服阶段后，钢材内部组织重新排列，抵抗外力部组织重新排列，抵抗外力的能力增强的能力增强5)颈缩阶段颈缩阶段：：BD段段 应力超过应力超过fu后，试件出现后，试件出现“颈缩颈缩”而断裂，而断裂， fu称为抗称为抗拉强度拉强度(Tensile Strength，，材料力学中用材料力学中用σb表示）单向受拉应力－应变曲线单向受拉应力－应变曲线 根据上述特性，可确定钢材的根据上述特性，可确定钢材的强度指标强度指标和和塑性指标塑性指标弹性阶段弹性阶段比例极限比例极限 屈服点屈服点 屈服阶段屈服阶段流幅流幅 强化和颈缩阶段强化和颈缩阶段极限强度极限强度 弹性模量弹性模量 钢材的工作特性钢材的工作特性Ø钢材的弹性阶段以屈服点钢材的弹性阶段以屈服点fy为上限为上限Ø钢材是理想弹塑性材料钢材是理想弹塑性材料Ø钢材破坏前塑性变形很大钢材破坏前塑性变形很大Ø钢材抗拉强度是钢材破坏前的最大应力。

钢材抗拉强度是钢材破坏前的最大应力 屈强比越小，钢材的安全储备越高屈强比越小，钢材的安全储备越高钢材的塑性钢材的塑性塑性塑性——应力超过屈服点后，能产生显著残应力超过屈服点后，能产生显著残余变形而不立即断裂的性质余变形而不立即断裂的性质伸长率伸长率和和收缩率收缩率是衡量钢材塑性的两个指标是衡量钢材塑性的两个指标伸长率：伸长率：拉伸试件拉伸试件取试件直径的取试件直径的5倍或倍或10倍为标矩长度倍为标矩长度来测量其伸长率来测量其伸长率伸长率易于准确测量，是衡量钢材塑性的一个伸长率易于准确测量，是衡量钢材塑性的一个必要指标必要指标试件颈缩区应力状态图试件颈缩区应力状态图截面收缩率：截面收缩率：截面收缩率不易准确测量，截面收缩率不易准确测量，是衡量钢材塑性的一个是衡量钢材塑性的一个参考参考指标指标钢材厚度方向的性能试验钢材厚度方向的性能试验厚钢板的层状撕裂厚钢板的层状撕裂Z15、、Z25、、Z35三个指三个指标来衡量三个级别厚度标来衡量三个级别厚度方向钢板的含硫量及断方向钢板的含硫量及断面收缩率面收缩率钢材单轴反复应力下工作性能钢材单轴反复应力下工作性能钢材的时效现象钢材的时效现象钢材的疲劳钢材的疲劳Q235钢在钢在循环次数循环次数时的应力时的应力—应变滞回应变滞回曲线。

曲线钢材在复杂应力下工作性能钢材在复杂应力下工作性能三向应力作用下，钢材由三向应力作用下，钢材由弹性状态转变为塑性状态弹性状态转变为塑性状态( (屈服屈服) )的条件：的条件：钢材弹性阶段钢材弹性阶段钢材塑性阶段钢材塑性阶段钢材在复杂应力下工作性能钢材在复杂应力下工作性能钢材在复杂应力下工作性能钢材在复杂应力下工作性能平面应力作用下，平面应力作用下，一般的梁单元中：一般的梁单元中：纯剪时：纯剪时： 剪应力达到屈服点的剪应力达到屈服点的0.58倍时，钢材倍时，钢材进入塑性状态所以钢材的抗剪屈服点为进入塑性状态所以钢材的抗剪屈服点为抗拉屈服点的抗拉屈服点的0.58倍三种不同应力条件下的应力三种不同应力条件下的应力—应变曲线应变曲线※钢材在双向拉力作用下，屈服点和钢材在双向拉力作用下，屈服点和抗拉强度提高，伸长率下降；双向拉抗拉强度提高，伸长率下降；双向拉力愈接近，伸长率下降越多力愈接近，伸长率下降越多 ※ 钢材在异号双向应力作用下，钢材在异号双向应力作用下，屈服点和抗拉强度降低，伸长率增屈服点和抗拉强度降低，伸长率增大 ※ 钢材在三向受拉作用下，钢材钢材在三向受拉作用下，钢材比双向受拉进一步下降，趋向于零，比双向受拉进一步下降，趋向于零，表现为表现为脆性破坏脆性破坏。

三根应力应变曲线三根应力应变曲线(a)单向受拉单向受拉(b)双向受拉双向受拉(c)一向受拉，一向受压一向受拉，一向受压钢材抗冲击性能钢材抗冲击性能钢材韧性钢材韧性冲击性能试验设备冲击性能试验设备 常用缺口形式：常用缺口形式：夏氏夏氏V形形、、夏氏钥匙形夏氏钥匙形、、梅氏梅氏U形形我国规定：冲击试验缺口采用我国规定：冲击试验缺口采用夏氏夏氏V形形 冲击韧性与温度有关，温度愈低，冲击韧性与温度有关，温度愈低，冲击韧性愈低冲击韧性愈低我国钢材韧性试验分成四档，分别为：我国钢材韧性试验分成四档，分别为：+20℃、 0℃、 -20℃、 -40℃钢材冷弯性能钢材冷弯性能冷弯性能冷弯性能指钢材冷加工指钢材冷加工(即在常温下加工即在常温下加工)产生塑性产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力变形时，对发生裂缝的抵抗能力钢材可焊性钢材可焊性衡量普通碳素钢可焊性良好的标准：衡量普通碳素钢可焊性良好的标准：碳含量在碳含量在0.27%以下以下固定杂质含锰量在固定杂质含锰量在0.7%以下以下含硅量在含硅量在0.4%以下以下硫磷含量各在硫磷含量各在0.05%以下以下低合金钢可焊性视其碳当量而定。

低合金钢可焊性视其碳当量而定钢材抗腐蚀性钢材抗腐蚀性抗腐蚀性差抗腐蚀性差干腐蚀干腐蚀湿腐蚀湿腐蚀抗腐蚀措施抗腐蚀措施涂料涂料耐候钢耐候钢铜、硫、磷铜、硫、磷金属与非金属金属与非金属直接结合直接结合水和非金属水和非金属物质结合物质结合钢材的破坏形式钢材的破坏形式塑性破坏（延性破坏）塑性破坏（延性破坏） 构件应力超过屈服点并达到抗拉极限后，构件应力超过屈服点并达到抗拉极限后，构件产生明显变形并断裂构件产生明显变形并断裂 断裂前变形明显，断口杯形，可及时发断裂前变形明显，断口杯形，可及时发现补救脆性破坏（脆性断裂）脆性破坏（脆性断裂）构件破坏前无明显预兆，突然断裂构件破坏前无明显预兆，突然断裂断口平直、呈有光泽的晶粒状断口平直、呈有光泽的晶粒状断裂前，平均应力较小断裂前，平均应力较小钢材的脆性断裂钢材的脆性断裂裂纹基本形式裂纹基本形式(1) 张开型张开型(2) 滑移型滑移型(3) 撕开型撕开型防止钢材脆性断裂的措施防止钢材脆性断裂的措施(1)加强施焊工艺管理，避免焊接过程中产生加强施焊工艺管理，避免焊接过程中产生裂缝、夹渣、气泡等裂缝、夹渣、气泡等2)焊缝不宜过分集中，约束不应过强，避免焊缝不宜过分集中，约束不应过强，避免产生过大残余应力。

产生过大残余应力3)合理细部设计，避免应力集中合理细部设计，避免应力集中4)选择合理钢材选择合理钢材钢材的疲劳破坏钢材的疲劳破坏钢材在连续反复荷载作用下的破坏称为钢材在连续反复荷载作用下的破坏称为疲劳破坏疲劳破坏此时，应力低于极限强度，甚至低于屈服点此时，应力低于极限强度，甚至低于屈服点破坏过程分为三个阶段：破坏过程分为三个阶段：裂纹形成裂纹形成，，裂纹缓裂纹缓慢扩展慢扩展，，迅速断裂破坏迅速断裂破坏与钢材疲劳有关的因素：与钢材疲劳有关的因素：反复荷载引起的应反复荷载引起的应力种类力种类、、应力循环形式应力循环形式、、应力循环次数应力循环次数、、应应力集中程度力集中程度、、残余应力残余应力疲劳荷载疲劳荷载疲劳强度与应力循环的关系疲劳强度与应力循环的关系钢材在曲线渐进处反复无穷多次仍不破坏，钢材在曲线渐进处反复无穷多次仍不破坏，这就是所谓的这就是所谓的疲劳强度极限疲劳强度极限损伤累积破坏损伤累积破坏土木工程结构在施工和使用期间，总会受到各种土木工程结构在施工和使用期间，总会受到各种不利因素或灾害的作用，使结构某一部分发生损不利因素或灾害的作用，使结构某一部分发生损伤如果该结构继续使用，结构损伤不断累积而伤。

如果该结构继续使用，结构损伤不断累积而导致破坏，称为导致破坏，称为损伤累积破坏损伤累积破坏影响钢材性能的一般因素影响钢材性能的一般因素化学成分影响化学成分影响钢材生产过程影响钢材生产过程影响时效影响时效影响冷作硬化影响冷作硬化影响温度影响温度影响应力集中影响应力集中影响化学成分影响化学成分影响FeV主要成分主要成分钢材钢材CSiMn有益元素有益元素合金元素合金元素有害元素有害元素PSNOCSi强度强度塑性塑性韧性韧性可焊性可焊性Mn抗锈性抗锈性VS疲劳强度疲劳强度P冷弯性能冷弯性能ON钢材生产过程影响钢材生产过程影响冶炼冶炼浇铸浇铸轧制轧制 碱性平炉炼钢法碱性平炉炼钢法顶吹氧气转炉炼钢法顶吹氧气转炉炼钢法碱性侧吹转炉炼钢法碱性侧吹转炉炼钢法 沸腾钢沸腾钢 半沸腾钢半沸腾钢 镇静钢镇静钢 特殊镇静钢特殊镇静钢 钢板钢板 型钢型钢 钢材冶炼过程钢材冶炼过程顶吹氧气转炉炼钢法顶吹氧气转炉炼钢法碱性平炉炼钢法碱性平炉炼钢法侧吹转炉炼钢法侧吹转炉炼钢法钢材浇铸过程钢材浇铸过程钢材轧制过程钢材轧制过程时效影响时效影响 纯铁体中留有一些数量极少纯铁体中留有一些数量极少的碳和氮的固熔物质，随着时间的碳和氮的固熔物质，随着时间增加，这些固熔物质逐渐从纯铁增加，这些固熔物质逐渐从纯铁体中析出，形成自由的碳化物和体中析出，形成自由的碳化物和氮化物颗粒，散布在晶粒的滑移氮化物颗粒，散布在晶粒的滑移面上，起着阻碍滑移的强化作用，面上，起着阻碍滑移的强化作用，约束纯铁体发展塑性变形，称为约束纯铁体发展塑性变形，称为时效现象时效现象。

冷作硬化影响冷作硬化影响 在重复荷载作用下，钢在重复荷载作用下，钢材弹性极限有所高的现象称材弹性极限有所高的现象称为为硬化硬化温度影响温度影响蓝脆现象蓝脆现象低温冷脆现象低温冷脆现象应力集中影响应力集中影响 结构由于内部孔洞、槽口、凹角、裂缝结构由于内部孔洞、槽口、凹角、裂缝及厚度变化、形状变化、内部缺陷等产生的及厚度变化、形状变化、内部缺陷等产生的应力不均匀应力不均匀现象这些区域可能提前出现塑现象这些区域可能提前出现塑性变形钢结构用钢的分类钢结构用钢的分类钢材的品种和牌号钢材的品种和牌号碳素结构钢（普通碳素钢）碳素结构钢（普通碳素钢）优质碳素结构钢优质碳素结构钢低合金结构钢低合金结构钢123耐候耐火钢耐候耐火钢优质钢丝绳优质钢丝绳45碳素结构钢碳素结构钢Q195Q215Q235Q255Q275我国现行标准我国现行标准GB 700-88Q235屈服强度屈服强度强度大小强度大小单位：单位：N/mm2Q235[A][B][C][D]质量等级质量等级[F、、b、、(Z)][(Z)][ (TZ)]脱氧方法脱氧方法按照质量等级和脱氧方法等可以表示为：按照质量等级和脱氧方法等可以表示为：Q235A——屈服强度为屈服强度为235N/mm2, A级镇静钢级镇静钢Q235AF——屈服强度为屈服强度为235N/mm2, A级沸腾钢级沸腾钢Q235Bb——屈服强度为屈服强度为235N/mm2, B级半镇静钢级半镇静钢Q235D——屈服强度为屈服强度为235N/mm2, D级特殊镇静钢级特殊镇静钢Q235C——屈服强度为屈服强度为235N/mm2, C级镇静钢级镇静钢低合金钢低合金钢Q295Q345Q390Q420Q460我国现行标准我国现行标准GB/T 1591-94Q345[A][B][C][D]Q390Q420[E]Q345B——屈服强度为屈服强度为345N/mm2, B级镇静钢级镇静钢Q390D——屈服强度为屈服强度为390N/mm2, D级特殊沸镇静钢级特殊沸镇静钢Q345C——屈服强度为屈服强度为345N/mm2, C级特殊镇静钢级特殊镇静钢Q390A——屈服强度为屈服强度为390N/mm2, A级镇静钢级镇静钢Q420E——屈服强度为屈服强度为420N/mm2, E级特殊镇静钢级特殊镇静钢优质钢丝绳优质钢丝绳a) 右交互捻右交互捻 b) 左交互捻左交互捻c) 右同向捻右同向捻 d) 左同向捻左同向捻银川艾倚河斜拉桥银川艾倚河斜拉桥 美国跨海大桥美国跨海大桥平行钢索平行钢索杭州湾跨海大桥杭州湾跨海大桥钢绞索钢绞索中国航海博物馆中国航海博物馆耐候钢耐候钢铜、铬、镍、铌、钼、钛、锆、钒铜、铬、镍、铌、钼、钛、锆、钒耐火钢耐火钢钼、铬、铌钼、铬、铌耐火耐候钢耐火耐候钢国外钢材品种和牌号简介国外钢材品种和牌号简介XXX XX X钢材质量等级钢材质量等级钢材最低抗拉强度钢材最低抗拉强度字首符号字首符号美国美国A，日本，日本SS、、SM、、SN、、SMA，，德国德国St，法国，法国A、、E，前苏联，前苏联C，英国无字首，英国无字首A、、B、、C、、D、、E☆☆ISO国际标准国际标准☆☆英国标准英国标准☆☆欧洲标准欧洲标准☆☆美国标准美国标准☆☆日本标准日本标准☆☆俄罗斯标准俄罗斯标准钢材选用原则钢材选用原则原则原则：既能使结构安全可靠和满足使用要求，：既能使结构安全可靠和满足使用要求，又要最大可能节约钢材和降低造价。

又要最大可能节约钢材和降低造价结构类型及重要性结构类型及重要性结构工作温度结构工作温度荷载性质荷载性质连接方法连接方法结构受力性质结构受力性质结构形式结构形式 钢材厚度钢材厚度钢材规格钢材规格Description of the contents热轧热轧冷弯冷弯冷弯冷弯钢板钢板圆钢圆钢型钢型钢钢管钢管薄壁薄壁型钢型钢焊接焊接钢管钢管钢板钢板薄钢板薄钢板，厚度，厚度0.35~4mm厚钢板厚钢板，厚度，厚度4.5~60mm，其中，其中4.5~20mm为中厚度为中厚度特厚板特厚板，厚度大于，厚度大于60mm扁钢扁钢，厚度，厚度4~60mm，其中，其中4.5~20mm为中厚度为中厚度型钢型钢冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢THE END!。