钢结构的材料课件.pdf
《钢结构的材料课件.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《钢结构的材料课件.pdf(77页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、第第 二二 章章 一、塑性破坏一、塑性破坏 特征特征: 破坏历时长破坏历时长,材料变形大材料变形大,破坏断口参差不破坏断口参差不 齐齐,色暗色暗,因晶体在剪切之下相互滑移呈纤维因晶体在剪切之下相互滑移呈纤维 状状,破坏前有明显的破坏前有明显的塑性变形塑性变形,可以采取补救措可以采取补救措 施施; 微观实质:微观实质: 铁素体晶粒被剪坏铁素体晶粒被剪坏。 单向拉伸试验的试件颈缩破坏是典型的塑性破坏单向拉伸试验的试件颈缩破坏是典型的塑性破坏 2.1 钢材的破坏形式钢材的破坏形式 二、脆性破坏二、脆性破坏 特征特征: 破坏发生突然破坏发生突然、无预兆无预兆,材料变形小材料变形小,破坏破坏 断口平齐断
2、口平齐,晶粒往往在一个面断裂而呈光泽的晶粒往往在一个面断裂而呈光泽的 晶粒状;晶粒状; 微观实质:微观实质: 铁素体晶粒被拉断铁素体晶粒被拉断。 折断一根铸铁棒是典型的脆性破坏。 2.1 钢材的破坏形式钢材的破坏形式 一、一、单向均匀受拉(一次拉伸)时的性能单向均匀受拉(一次拉伸)时的性能 Lo d d 2.22.2钢材的钢材的主要性能主要性能 1 1. .条件:条件:标准试件标准试件(GBGB2282286363),常温常温(2020)下缓慢加下缓慢加 载载,一次完成一次完成。含碳量为含碳量为0 0. .1 1% %0 0. .3 3% %。 标准试件:标准试件:lo o/d=/d=5 5、
3、1010;lo o- -标距;标距;d d - - -直径直径 2.2.阶段划分阶段划分 A.A.有屈服点钢材有屈服点钢材-曲线可以分为曲线可以分为五个阶段五个阶段: (1)(1)线性弹性阶段线性弹性阶段(OA(OA段段) ) OAOA段材料处于线性弹性,即段材料处于线性弹性,即: :E 卸载时,卸载时,=0=0; E=206E=20610103 3N/mmN/mm2 2 u O A E B C D A E y ( (2 2) )非线性弹性阶段非线性弹性阶段 (AB(AB段段) ) 该段很短该段很短, ,表现出非表现出非 线性弹性性质线性弹性性质; ; 图2-2 (3 3)屈服阶段屈服阶段(B
4、CD)BCD) u O A E B C D A E y 该段称为屈服该段称为屈服 台阶或流幅段台阶或流幅段, , 基本保持不基本保持不 变变(水平水平),), 急剧增大急剧增大,变变 形模量形模量E E = = 0 0; B B屈服上限屈服上限; ; C C屈服下限屈服下限 ( (屈服点屈服点) ) 截面材料屈服截面材料屈服,铁素体晶粒之间发生滑移铁素体晶粒之间发生滑移,钢材内部钢材内部 晶粒重新排列晶粒重新排列,原晶格结构中的空位在晶粒滑移中被原晶格结构中的空位在晶粒滑移中被 逐渐补齐逐渐补齐。一个更为完善的晶格结构取代了原有的一个更为完善的晶格结构取代了原有的、 有缺陷的晶格结构有缺陷的晶
5、格结构。 (4 4)强化阶段强化阶段(DE(DE段段) ) 由于晶粒已经重由于晶粒已经重 新排列新排列,钢材以钢材以 新的内部结构形新的内部结构形 式抵抗外力式抵抗外力,承承 载能力有不同程载能力有不同程 度的提高度的提高。该阶该阶 段末尾对应的应段末尾对应的应 力值为极限强度力值为极限强度 极限抗拉强度极限抗拉强度 f fu u;随荷载的增;随荷载的增 加加缓慢增大缓慢增大, ,但但 增加较快增加较快。 u O A E B C D A E y (5 5)颈缩阶段颈缩阶段(EF(EF段段) ) u O A E B C D A E y 当试件最薄弱截面的应力达到极限强度时当试件最薄弱截面的应力达
6、到极限强度时,该截面将该截面将 出现横向收缩出现横向收缩,同时塑性变形迅速增大同时塑性变形迅速增大,这种现象称为颈这种现象称为颈 缩缩。该阶段中该阶段中,曲线给出的名义应力不断下降曲线给出的名义应力不断下降,而实际应而实际应 力值仍在不断上升力值仍在不断上升,并出现较为复杂的应力状态并出现较为复杂的应力状态。 B.B.对无明显屈服点的钢材对无明显屈服点的钢材 该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段,塑性变该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段,塑性变 形小,破坏突然。形小,破坏突然。 设计时取相当于设计时取相当于 残余变形为残余变形为0.2%0.2% 时所对应的应力时所对应的应力 作为屈服点作为屈服点条条
7、 件屈服点件屈服点 fy=f0.2 0.2% fu p 3.3.钢材的工作特性钢材的工作特性(P18)(P18) 1)f1)fy y与与f fb b (比例极限)相差 (比例极限)相差 很小;很小; 2)2)超过超过 f fy y到屈服台阶终止到屈服台阶终止 的变形约为的变形约为2.5%2.5%-3%3%,足以,足以 满足考虑结构的塑性变形发满足考虑结构的塑性变形发 展的要求。展的要求。 A A:应力应变曲线的简化:应力应变曲线的简化钢材可以简化为钢材可以简化为理想理想 弹塑性体,原因有二:弹塑性体,原因有二: 2.5%-3% fy 0 0.15% B B:钢材在静载作用下:钢材在静载作用下:
8、 强度计算以强度计算以f fy y为依据;为依据;f fu u为结构的安全储备。为结构的安全储备。 f fy y/f/fu u为屈强比,为屈强比, 其值越低,钢材的安全储备愈大。其值越低,钢材的安全储备愈大。 C C:断裂时变形约为弹:断裂时变形约为弹 性变形的性变形的200200倍,在破倍,在破 坏前产生明显可见的坏前产生明显可见的 塑性变形,塑性变形, 可及时补可及时补 救,不致引发严重的救,不致引发严重的 后果。后果。 O 0.15% 22% fu fy f fu u- -f fy y 4.4.单向拉伸时钢材的机械性能指标单向拉伸时钢材的机械性能指标 (1 1)屈服点屈服点f fy y-
9、应力应变曲线开始产生塑性流动应力应变曲线开始产生塑性流动 时对应的应力时对应的应力,它是衡量钢材的它是衡量钢材的承载能力承载能力和确定钢和确定钢 材材强度设计值强度设计值的重要指标的重要指标。无论是极限状态法还是无论是极限状态法还是 容许应力法容许应力法,屈服点都是确定材料抗力的依据屈服点都是确定材料抗力的依据。 (2 2)抗拉强度抗拉强度f fu u-应力应变曲线最高点对应的应应力应变曲线最高点对应的应 力力,它是钢材最大的抗拉强度它是钢材最大的抗拉强度。 Lo d NN N L d N (3 3)伸长率)伸长率 )12(%100 0 0 l ll )22(%100 0 10 A AA (4
10、 4)断面收缩率)断面收缩率 它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。 当当l0 0/d=5/d=5时,用时,用5 5表示,当表示,当l0 0/d=10/d=10时,用时,用10 10表示。 表示。 A0 A1 (b b)重复加载前有一定间歇时期重复加载前有一定间歇时期,屈服点提高屈服点提高,韧性韧性 降低降低,极限强度稍有提高极限强度稍有提高时效现象时效现象。 1 1:反复应力:反复应力y f 材料处于弹性阶段,材性无变化,没有残余变形。材料处于弹性阶段,材性无变化,没有残余变形。 2 2:反复应力:反复应力y f 材料处于弹塑性阶段材料处于弹塑性阶段, 重复
11、应力和反复应力引起塑性变形增长重复应力和反复应力引起塑性变形增长 (a a)重复加载是在卸载后马上进行,应力应变曲线不变。)重复加载是在卸载后马上进行,应力应变曲线不变。 (c c)反复反复加载,钢材的强度下降加载,钢材的强度下降钢材疲劳钢材疲劳。 二、单轴反复应力作用下的工作性能 222222 3 zxyzxyxzzyyxzyxzs 在三向应力在三向应力(立体应力立体应力)作用下作用下,用用折算应力折算应力 (Mise应力应力)和钢材在单向应力时的屈服点相比较来和钢材在单向应力时的屈服点相比较来 判断是否由弹性状态变为塑性状态判断是否由弹性状态变为塑性状态(屈服屈服)。 yzs f 钢材处于
12、弹性阶段钢材处于弹性阶段 yzs f 钢材处于塑性阶段钢材处于塑性阶段 三、钢材在复杂应力作用下的工作性能 说明:说明: 纯剪状态下,当剪应力达到屈服点的0.58倍时,钢材 进入塑性。各国规范以此为据确定钢材的抗剪强度。 钢规:抗剪设计强度fv=0.58fy 不同应力条件下不同应力条件下,应力应力应变曲线不应变曲线不同:同: 曲线曲线(1)双向受拉;双向受拉; 曲线曲线(2)单向受拉;单向受拉; 曲线曲线(3)为一向受拉为一向受拉, 一向受压;一向受压; 可见不同应力条件可见不同应力条件, 对材性影响不同对材性影响不同,三向受三向受 拉作用下拉作用下,钢材的伸长率钢材的伸长率 比双向受拉还进一
13、步下降比双向受拉还进一步下降, 甚至趋向于零甚至趋向于零,表现为脆表现为脆 性破坏性破坏。 为最大主应力,为最大主应力, 为为主应变主应变 定性来讲:定性来讲: 1.1.较高的抗拉强度较高的抗拉强度fu u和屈服点和屈服点fy y; 2.2.足够的变形能力:较好的足够的变形能力:较好的塑性、韧性塑性、韧性; 3.3.良好的加工性能:即良好的加工性能:即工艺性能工艺性能(冷、(冷、 热加工,可焊性);热加工,可焊性); 4.4.对环境的良好适应性。对环境的良好适应性。 四、四、钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求 (一)、强度(一)、强度 (1 1)屈服点屈服点f fy y-衡量钢材的衡量钢材的
14、承载能力承载能力和确定钢材和确定钢材强强 度设计值度设计值的重要指标。的重要指标。 (2 2)抗拉强度抗拉强度f fu u-钢材最大的抗拉强度。钢规规钢材最大的抗拉强度。钢规规 定结构钢材必须有定结构钢材必须有的强屈比。的强屈比。 2 . 1 yu ff 各项衡量指标各项衡量指标 (二)、塑性性能(二)、塑性性能(荷载作用下钢材的变形能力)(荷载作用下钢材的变形能力) 塑性塑性是结构钢最重要的指标。是结构钢最重要的指标。 如果钢材的强度偏低,可以用增大截面尺寸,如果钢材的强度偏低,可以用增大截面尺寸, 降低设计应力的措施予以弥补;降低设计应力的措施予以弥补; 如果钢材的塑性差,则不能用作结构钢
15、(例如如果钢材的塑性差,则不能用作结构钢(例如 铸铁、生铁)。铸铁、生铁)。 (二)、塑性性能(二)、塑性性能(荷载作用下钢材的变形能力)(荷载作用下钢材的变形能力) 衡量指标衡量指标: 单向拉伸试验确定的伸长伸长(延伸延伸)率和断面收缩率率和断面收缩率: %100 0 0 l ll %100 0 10 A AA (三)、冷弯性能(三)、冷弯性能 衡量钢材塑衡量钢材塑 性性能和冶性性能和冶 金质量优劣金质量优劣 的综合指标。的综合指标。 a d d+2.1a (四)、冲击韧性(四)、冲击韧性(钢材在破坏过程中消耗机械功的能力)(钢材在破坏过程中消耗机械功的能力) 衡量钢材在动力(冲击)荷载、复
16、杂应力作用衡量钢材在动力(冲击)荷载、复杂应力作用 下抗脆性破坏能力的指标,用断裂时吸收的总能量下抗脆性破坏能力的指标,用断裂时吸收的总能量 (弹性和非弹性)来表示,称为韧性。(弹性和非弹性)来表示,称为韧性。 韧性指标由冲击试验获得韧性指标由冲击试验获得 :梅氏试件梅氏试件、夏比试件夏比试件 二者二者的区别是槽口的形状:的区别是槽口的形状: 前者为前者为U形形槽口槽口, 后者是后者是V形形槽口槽口。 由试件断裂吸收的能量由试件断裂吸收的能量CvCv来衡量钢材的冲击韧性,来衡量钢材的冲击韧性, 是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力,是钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力, 是强度和塑
17、性的综合表现。韧性指标用冲击韧性是强度和塑性的综合表现。韧性指标用冲击韧性 值值k表示。表示。 (a)(a)梅氏梅氏U U型缺口型缺口(b)(b)夏氏夏氏V V型缺口型缺口 开槽口的目的:开槽口的目的: 为了产生较复杂的应力状态,由于夏比试件的缺 口更为尖锐因而可产生更复杂的应力状态,所得 的冲击韧性指标也更严格、科学。 冲击韧性值K 槽口处的断面面积An 冲击功AK 21 hhWK W为摆锤重 h1为冲断前摆锤高度 h2为冲断后摆锤高度 K受温度的影响受温度的影响,故冲击韧性指故冲击韧性指 标根据温度分四档标根据温度分四档。+ +2020 ,0 0, - -2020 ,- -4040 n K
18、 K 焊接相当于一个局部冶金过程,钢材的金相组织将 在这一过程中发生某些变化,可能影响钢材的性能。 要求钢材具有可焊性可焊性:钢材经过焊接后,仍能具有 必需的塑性和韧性(强度一般不会降低)。 可焊性好指焊接安全、可靠、不发生焊接裂缝,焊 接接头和焊缝的冲击韧性以及热影响区的延伸性 (塑性)和力学性能都不低于母材。 (五)、可焊性(五)、可焊性 钢材经过焊接后保持原有机械性能的能力钢材经过焊接后保持原有机械性能的能力 可焊性检验方法:可焊性检验方法: (1)抗裂性试验: 按一定工艺要求焊接后,立刻将焊接后的钢料 制成研片进行观察,判断裂纹数量和大小是否 在规定范围之内。 (2)侧重使用性能的可焊
19、性试验: 焊接后的构件经过规定数量的加载,再从指定 部位取一定数量的小试件,进行冲击韧性试验, 看钢材是否变脆。 钢材的锈蚀、时效、以及疲劳均属耐久性问题钢材的锈蚀、时效、以及疲劳均属耐久性问题 (六)、耐久性(六)、耐久性(保持钢材各项性能持久性的能力)(保持钢材各项性能持久性的能力) 时效的概念:时效的概念: 在纯铁体中常留有一些数量极少的碳和氮的在纯铁体中常留有一些数量极少的碳和氮的 固熔物质固熔物质,随着时间的增加随着时间的增加,这些固熔物质逐渐这些固熔物质逐渐 从纯铁体中析出从纯铁体中析出, 并形成自有的碳化物和氮化并形成自有的碳化物和氮化 物微粒物微粒, 散布在晶粒的滑移面上散布在
20、晶粒的滑移面上,起着阻碍滑起着阻碍滑 移的强化作用移的强化作用,约束纯铁体发展塑性变形约束纯铁体发展塑性变形,称为称为 时效现象时效现象。 时效使钢材强度时效使钢材强度(屈服点和抗拉强度屈服点和抗拉强度)提高提高, 塑性降低塑性降低,特别是冲击韧性大大降低特别是冲击韧性大大降低,钢材变脆钢材变脆。 在交变荷载在交变荷载(振动荷载振动荷载)、重复荷载和温度重复荷载和温度 变化等情况下变化等情况下,容易引起时效容易引起时效。 钢材的机械性能指标钢材的机械性能指标 1 1:强度:强度屈服点,抗拉强度(屈强比)屈服点,抗拉强度(屈强比) 2 2:塑性:塑性(伸长率和断面收缩率)(伸长率和断面收缩率)
21、3 3:冷弯性能:冷弯性能通过冷弯试验检测其塑性和冶通过冷弯试验检测其塑性和冶 金质量;金质量; 4 4:冲击韧性:冲击韧性冲击韧性值冲击韧性值= =冲击功冲击功/ /断面面积断面面积 5 5:可焊性:可焊性抗裂性试验(裂纹数量和大小)抗裂性试验(裂纹数量和大小) 或焊接构件的冲击韧性试验(是否变脆)或焊接构件的冲击韧性试验(是否变脆) 6 6:耐久性:耐久性 抗锈蚀、时效和疲劳等方面抗锈蚀、时效和疲劳等方面 一一、化学成分化学成分 普通碳素钢中普通碳素钢中FeFe约占约占9999% %,此外还有其他元素此外还有其他元素;其;其 中有益的碳中有益的碳、硅硅、锰等锰等,以及合金元素如矾以及合金元
22、素如矾,其总量其总量 1 1. .5 5% %,有害的硫有害的硫、磷磷、氧氧、氮等总量不超过氮等总量不超过1 1。 1. 1. 碳(碳(C C):钢材强度的主要来源,:钢材强度的主要来源,随其含量增加,随其含量增加, 强度增加,塑性降低,可焊性降低,抗腐蚀性降低强度增加,塑性降低,可焊性降低,抗腐蚀性降低。 一一 般控制在般控制在0.22%0.22%以下,以下, 在在0.20.2以下时,可焊性良好。以下时,可焊性良好。 钢结构常用的钢结构常用的Q235Q235属低碳钢,含碳量为属低碳钢,含碳量为0.140.140.220.22。 含碳量()1.70.60.10.250 工 低碳钢中碳钢高碳钢生
23、铁 业 纯 铁 工业用钢范围 2.3 2.3 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 2 2. .硫硫(S S):有害元素有害元素,热脆性热脆性。不得超过不得超过0 0. .0505% %。 3 3. .锰锰(MnMn):合金元素合金元素。弱脱氧剂弱脱氧剂。与与S S形成形成MnSMnS, 熔点熔点16001600,可以消除一部分可以消除一部分S S的有害作用的有害作用。 4 4. .硅硅(SiSi):合金元素合金元素。强脱氧剂强脱氧剂。 5 5. .磷磷(P P):具有冷脆性具有冷脆性。一般不得超过一般不得超过0 0. .045045% %。 对钢材具有十分显著的强化作用对钢材具有
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 钢结构 材料 课件
链接地址:https://www.31doc.com/p-2490971.html