钢结构上第二章建筑钢材.ppt
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1、钢 结 构,主 讲:陈建锋,第 2 章 钢结构的材料,本章讲述钢结构用钢,简称结构钢(Q235、Q345、Q390及Q420)的主要机械性能及影响这些性能的主要因素;钢材受力的两种破坏形式及防止脆性破坏的措施;介绍我国目前生产的建筑钢材品种及规格。,结构钢:用于建造钢结构的钢材。,2.1 建筑钢材的基本要求,较高的强度 较好的塑性及韧性 良好的加工性能 良好的可焊性 较好的抗锈蚀能力 价格便宜,现行钢结构设计规范(GBJ50017)推荐承重结构的钢材宜采用碳素结构钢中的Q235,及低合金高强度结构钢中的Q345、Q390及Q420钢。,2.2 建筑钢材的两种破坏形式,塑性破坏:破坏前变形明显,
2、破坏时应力达fy,有明显颈缩现象。 塑性变形后出现内力重分布,应力趋于均匀。 吸收很大的能量,延续时间长,有明显的塑性变形,断裂时断口呈纤维状,色泽发暗。易发现可补救。,脆性破坏:破坏前变形很小,破坏时应力低于fy,突然断裂,危险性大。 断裂时断口平齐,呈有光泽的晶粒状。脆性破坏危险性大。破坏突然无先兆无法采取补救措施。 设计、施工中应防止出现脆性破坏,钢材的断裂破坏通常是在受拉状态下发生,分为以下两种破坏方式:,2.3 建筑钢材的主要机械性能,钢材的主要机械性能:也称钢材的力学性能,是钢厂生产供应的钢材在标准条件下,拉伸、冷弯、冲击等单独作用下所显示出的各种机械性能。,一单向拉伸时的性能 1
3、依据:金属材料室温拉伸实验方法GB/T228-2002。 2过程:结构钢标准试件在室温以满足静力加载的加载速度一次加载得到的应力应变曲线,,屈服强度fy 强度极限承载应力标准fy (4) 强化阶段: 抗拉强度fu,强度储备 ; 强化模量Est (5)颈缩阶段 应力达到抗拉强度fu后,承载力最弱截面急剧收缩,荷载下降直至拉断破坏。 反应钢材塑性变形能力的指标:伸长率;截面收缩率。 fy 、fu 、 伸长率是钢结构对钢材要求所必需的三项基本机械性能指标。,(1) 弹性阶段:E、fp、fe (2) 弹塑性阶段:Et=d/d (3) 塑性阶段(屈服阶段):,上(下)屈服强度,条件屈服强度0.2,单轴拉
4、伸试验反应结构钢 强度和塑性,看静力拉伸试验动画,看应力s应变e曲线动画,屈服强度(yield strength) fy 抗拉强度(tensile strength) fu 伸长率(elongation) d 弹性模量E,E为常量,低碳钢有明显屈服点,fy作为破坏标志,fu/fy为强度储备,伸长率d表示塑性变形能力。,指标:,为了简化计算,将图2-1所示应力-应变关系简化为图2-2。,实际设计中对se曲线的简化, fy, 完全塑性 fu 作为安全储备,伸长率根据试件原标距长度 l0与试件中间部分的直径d0 的比值为10或5而分为10或5,为试件拉断时原标距间长度伸长值与原标距比值的百分率。 式
5、中 : l1 为试件拉断后标距间长度。,断面收缩率 是指试件拉断后,颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分率。 式中: A0 试件原来的断面面积; A1 试件拉断后颈缩区的断面面积;,1依据:我国标准金属材料弯曲试验方法GB/T232-1999,由冷弯试验来确定钢材的冷弯性能。 2过程:以规定的弯心直径在试验机上用冲头加压,使试件弯曲180度。 3作用:冷弯试验不仅反映材料的弯曲变形及塑性变形能力,同时也可反映金属的冶金质量,材质均匀性,加工性能。是反应钢材质量的一个综合指标。,二、 冷弯(cold bending)试验冷弯角a,4指标:将根据试件厚度按规定的弯曲直径将试件弯曲180度,
6、如表面无裂纹或分层则合格。,看动画,三、 冲击韧性,3大小:钢材韧性通过冲击试验,测定冲击功(冲击韧性值Cv单位J或ak单位J /cm2)来表示。 钢结构设计规范对钢材的冲击韧性Cv有常温和负温要求的规定。选用钢材时,根据结构的使用情况和要求提出相应温度的冲击韧性指标要求。常温(20)和低温(0,-20,-40) 试验.,1钢材的冲击韧性:钢材在冲击荷载作用下,在塑性变形和断裂的过程中吸收能量的能力。是衡量钢材抵抗可能因温度、应力集中、冲击荷载作用等而至脆性断裂能力的一项机械性能。它是强度与塑性的综合表现,表现材料动力性能。,2依据:缺口冲击试验测定冲击韧性依据金属夏比缺口冲击试验方法GB/T
7、229-1994。,用带缺口(V型或U型)的标准试件(下图)进行冲击试验,试件破坏时截面单位面积吸收的能量,称冲击韧性。冲击韧性越好,表明钢材越不易脆断。,四、可焊性(weld ability), 焊接接头和焊缝的冲击韧性及近缝区塑性不低于母材性能。 (使用性能上的可焊性),(1)可焊性好意味着钢材施焊后能获得良好的焊接接头性能。,(2)评定可焊性好的标志, 在一定的焊接工艺条件下,焊缝和近缝区均不产生裂纹(施工上的可焊性 ),2.4 影响钢材性能的主要因素,一、化学成分的影响(chemical compositions),普通碳素钢中含有多种化学成分,其中,铁占99%左右,碳、硅、锰、硫、磷
8、、氮、氧等共占1%左右。在低合金钢中还有合金元素,他们含量低于5%。影响钢材主要性能的元素有:C、Si、Mn、S、P、O、N,基本有利元素:,1、碳 影响强度、塑性、韧性。提高含碳量,强度提高,塑性、韧性、疲劳强度下降,可焊性、抗锈蚀性能变劣。 钢结构中,不宜采用含碳量高的钢材,一般不超过0.22%。,2、硅 脱氧剂,适量(含量不超过0.2%时)可提高钢材强度,而对塑性、韧性和可焊性无明显不良影响。,3、锰 适量可提高强度而不明显影响塑性,同时可消除热脆和改善冷脆倾向。是低合金钢中的主要合金元素成分。,4、钒 可提高钢材强度和焊缝性能。15MnV钢可用于船舶、桥梁等荷载大的焊接结构以及高中压容
9、器。,1、硫 在高温下(800-1000)生成硫化铁,使钢材变脆(热脆),因而降低钢材的冲击韧性、疲劳强度、可焊性和抗锈蚀能力。应严格控制钢材中的含硫量,不得超过0.05%,16锰桥钢不超过0.045%。,2、磷 可提高强度、提高抗锈蚀能力,但严重降低塑性、韧性和可焊性,特别易发生低温脆断(冷脆),应严格控制其含量,一般不超过0.045%,15锰钒钢不超过0.040%。,有害元素:,7、氮、氧 有害杂质,严格控制。 氧类似硫 热脆 氮类似磷 冷脆,二、冶炼、浇注、轧制过程及热处理的影响,3、裂纹 钢材中存在的微观裂纹。,2、夹层 钢材中的夹层是由于钢锭内留有气泡,有时气泡内害有非金属杂质夹渣,
10、当轧制温度及压力不够时,不能使气泡压合,气泡被压扁延伸,形成夹层。,1、偏析 金属结晶后化学成分分布不均匀。(S、P偏析恶化材性),4、热处理(heat treatment)轧制后的钢材,通过热处理,控制降温速度或 重新加热, 改变晶体结构和材性,以期达到调质的目的。 淬火(quench) :加热900度以上,水冷快速降温,提高强度硬度、降低塑性韧性; 回火(temper):淬火后的钢材,加热500-600度,自然降温空冷;减小脆性,提高综合性能。 正火(normalize):800-900度,空气中自然降温;改善组织,细化晶粒。 退火(anneal):炉中控制,缓慢降温;降低硬度,消除残余应
11、力,细化晶粒,消除组织缺陷。,三、钢材硬化的影响,超过比例极限后卸载,再加载时提高了屈服强度,却牺牲了塑性。这种现象称冷硬。 冷硬提高了钢材的弹性范围,被广泛用于提高承载力。但却使钢材变脆,牺牲了塑性,对于承受动力荷载重要构件,不应使用经过冷硬的钢材。,1、冷作硬化,回顾应力应变曲线,2、时效硬化,随时间的增长,碳和氮的化合物从晶体中析出,使材料硬化的现象。时效硬化使fy、fu提高,Cv 、d 降低。,人工快速时效:,钢材产生塑性变形时,再经加热至200300度,可加速时效硬化。仅需几小时,时效就可以完成。也称“人工时效”。,四、应力集中的影响,钢结构构件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变
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