單元二項目一材料

1、 鋼結構材料鋼結構施工鋼結構的材料Material of Steel Structure? 回顧1. 鋼材比混凝土容重大，但為什么說鋼結構比混凝土結構自重輕？結構自重輕會帶來哪些好處？ 2 . 鋼結構和其他結構相比有哪些優(yōu)缺點？3.試舉例說明鋼結構的哪些應用，分別由什么特點決定？4.計算鋼構件強度、連接強度以及構件穩(wěn)定性時，應采用荷載設計值還是標準值？計算變形呢？2.掌握結構用鋼材的主要性能及其機械性能指 標；3.掌握影響鋼材性能的主要因素特別是導致鋼材變脆的主要因素；4.熟悉結構用鋼材的種類、牌號、規(guī)格；5.理解鋼材選擇的依據，做到正確選擇鋼材；6.掌握鋼材疲勞的概念和機理。 1.了解鋼結構

2、的兩種破壞形式； 教學要求:2.1 鋼結構對材料的要求（1） 較高的抗拉強度fu和屈服點fy；（2） 足夠的變形能力良好塑性和韌性（3） 良好的加工性能適應冷、熱加工，可焊性好（4） 對環(huán)境的良好適應性耐腐蝕、耐火、耐疲勞 鋼結構的材料關系到鋼結構的計算理論，同時對鋼結構的制造、安裝、使用、造價、安全等均有直接聯(lián)系。本章簡要介紹鋼材的生產過程和組織構成，重點介紹鋼材的主要性能以及各種因素對鋼材性能的影響；鋼材的種類、規(guī)格及選擇原則。強度材料抵抗外力作用時不致破壞的能力。2.2 鋼材的生產鋼材的生產大致分為煉鐵、煉鋼和軋制三道工序。電爐鋼是利用電熱原理，在電弧爐內冶煉。（質量好，但耗電量大，成本

3、高，一般只用來冶煉特種用途的鋼材。） 煉鋼爐有三種形式：轉爐、平爐和電爐。轉爐鋼是利用高壓空氣或氧氣使爐內生鐵熔液的碳和其它雜物氧化，在高溫下使鐵液變?yōu)殇撘?。（生產周期短，效率高，質量好，成本低，已經成為國內外發(fā)展最快的煉鋼方法。）平爐鋼是利用煤氣和其它燃料供應熱能，把廢鋼、生鐵熔液或鑄鐵塊和不同的合金元素等冶煉成各種用途的鋼。（生產周期長，效率低，成本高，現(xiàn)已逐步被轉爐鋼所取代。） （1）煉 鋼 澆注是指把熔煉好的鋼液做成鋼錠或鋼坯。 用連續(xù)鑄造法生產鋼坯的工藝和設備，由于機械化、自動化程度高的優(yōu)勢，已經逐漸取代了笨重而復雜的鑄錠工藝和設備。 鋼液從出爐到澆筑的過程中，會析出氧氣并生成氧化鐵

4、。鋼液中殘留的氧，將使鋼材晶粒粗細不均勻并發(fā)生熱脆，降低鋼材的力學性能。 按照鋼液在煉鋼爐中進行脫氧的方法和程度不同，碳素結構鋼可分為沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼、鎮(zhèn)靜鋼和特殊鎮(zhèn)靜鋼。 （2） 澆 注（3）脫 氧（4）加工（熱加工、冷加工和熱處理 ） 熱處理 指通過加熱、保溫、冷卻的操作方法，使鋼材的組織結構發(fā)生變化，以獲得所需性能的加工工藝。（退火、正火、淬火和回火） 熱加工 指將鋼坯加熱至塑性狀態(tài)，依靠外力改變其形狀，生產出各種厚度的鋼板和型鋼。（熱加工的開軋和鍛壓溫度控制在1150-1300 ） 冷加工 指在常溫下對鋼材進行加工。（冷作硬化現(xiàn)象） 剪 板自動鋼板切割鉆 孔2022/7/212.3 鋼

5、材的主要性能 鋼材的破壞形式 單向拉伸時的工作性能 鋼材的其它性能 在復雜應力作用下鋼材的屈服條件2.3.1 鋼材的破壞形式特 征斷 口后 果 塑性破壞（延性破壞）構件產生明顯的變形并斷裂。常為杯形，呈纖維狀，色澤發(fā)暗。在破壞前有很明顯的變形，及較長的變形持續(xù)時間，便于發(fā)現(xiàn)和補救。 脆性破壞破壞前無明顯變形和預兆。平直和呈有光澤的晶粒。突然發(fā)生的，危險性大，應盡量避免。2.3.2 單向拉伸時的工作性能 （1）試驗條件 （a）試件的尺寸要符合國家標準，表面光滑，沒有孔洞、刻槽等缺陷。試件的標定長度取其直徑的5或10倍。（b）荷載要分級逐次增加，直到試件破壞。（c）試驗溫度要控制在室溫20左右。

6、應力應變曲線低碳鋼拉伸試驗 （2）鋼材的應力-應變關系 A. 有屈服點鋼材s-e曲線可以分為五個階段： (a)彈性階段(OB段)彈性階段(OB段)OBBCAD單調拉伸應力-應變曲線OA段：純彈性階段s=EeA點：sp（比例極限）AB段：有一定的塑性變形, 但整個OB段卸載后變形消失, e=0B點：se （彈性極限）屈服階段（BC)強化階段(CD段)頸縮階段(DE段)E由于比例極限與彈性極限極為接近，故通常略去彈性極限的點，把p看作彈性極限。（b）彈塑性階段（AB)塑性變形：卸載后試件不能完全恢復原來的長度。不能恢復的這一部分變形稱為塑性變形或永久變形。 B點：屈服點fy（屈服強度）：屈服階段曲

7、線波動部分的最低值。 彈性模量：由A點處的E=2.06105MPa逐漸下降，至B點趨于0。 特點：應力與應變進入非線性的彈塑性階段，不再成正比關系，應變不再保持直線變化而呈曲線關系。OBBCAD2022/7/21E塑性變形或永久變形屈服上限屈服下限（c）屈服階段（BC)B點：屈服點fy（屈服強度）：屈服階段曲線波動部分的最低值。 流幅/臺階：從屈服階段的開始到曲線再度上升的應變幅度稱為流幅。 特點：應力與應變進入非線性的彈塑性階段，不再成正比關系，應變增加很快，應力-應變曲線呈鋸齒形波動，出現(xiàn)應力不增加而應變仍然在繼續(xù)發(fā)展。OBBCAD2022/7/21E（d）應變硬化（強化）階段(CD段)鋼

8、材內部晶粒重新排列，恢復承載能力，隨荷載的增加緩慢增大,但增加較快，最終應力達到最高點D抗拉強度（極限強度）fu 試件所能承受的最大拉應力（e）頸縮階段(DE段)OBBCAD 截面出現(xiàn)了橫向收縮，截面面積開始顯著縮小，塑性變形迅速增大，應力不斷降低，變形卻延續(xù)發(fā)展，直至E點試件斷裂。 E2022/7/21B.對無明顯屈服點的鋼材 fy=f0.20.2%fup 無屈服點鋼材的應力-應變曲線沒有明顯屈服點的鋼材在拉伸過程中沒有屈服階段，塑性變形小，破壞突然。 設計時以卸載后試件中殘余應變?yōu)?.2所對應的應力作為屈服點“條件屈服點”或“名義屈服點”(4) 應力應變曲線的簡化曲線簡化的依據：1）鋼材在

9、屈服點之前的性質接近理想的彈性體。2）從開始屈服到破壞，塑性區(qū)變形范圍很大（e0.15-2.5）已足夠用來考慮結構或構件的塑性變形的發(fā)展。2.5% fy 00.15% 簡化的應力應變曲線約為彈性變形區(qū)的200倍（3）單向拉伸時鋼材的機械性能指標(3項力學指標fy、fu、) （1）屈服點fy-應力應變曲線開始產生塑性流動時對應的應力，它是衡量鋼材的承載能力和確定鋼材強度設計值的重要指標。（2）抗拉強度fu-應力應變曲線最高點對應的應力，它是鋼材最大的抗拉強度。（3）伸長率試件斷裂前的永久變形與原標定長度的百比。l0 原標距長l1 拉斷后標距長度d0 試件直徑 試件有兩種標距：l0/ d0=5 和

10、 l0/ d0=10 相應的伸長率用5和10表示。實際工程中以伸長率代表材料斷裂前具有的塑性變形能力。（4）斷面收縮率是指試件拉斷后，頸縮區(qū)的斷面面積縮小值與原斷面面積比值的百分比。式中： A0 試件原來的斷面面積 A1 試件拉斷后頸縮區(qū)的斷面面積 斷面收縮率越大，鋼材的塑性越好。由于在測量試件的斷面面積時容易產生較大的誤差，因而鋼材塑性指標仍然采用伸長率作為保證要求。A0A12.3.3 鋼材的其它性能 冷彎性能是判別鋼材塑性變形能力和冶金質量的綜合指標。1.冷彎性能鋼材在冷加工（常溫下加工）產生塑性變形時，對發(fā)生裂縫的抵抗能力。 鑒別指標：當試件彎曲至180時，試件表面和側面，無裂紋、斷裂或

11、分層，即認為試件冷彎性能合格。 動畫2.沖擊韌性韌性 反映鋼材抵抗沖擊荷載、動力荷載的能力，是鋼材在變形和斷裂中吸收能量的度量。衡量韌性指標用沖擊韌性值表示，也叫沖擊功，用符號Akv表示，單位為J。 Akv 值越高，韌性越好。沖擊韌性試驗 一般采用試件長55mm，截面1010mm2，中間一小槽。在擺錘式沖擊試驗機上進行試驗，沖斷試件后，讀出擺錘消耗的功。 沖擊韌性試驗沖擊韌性還與試驗的溫度有關。我國鋼材標準中將試驗分為四檔，即+20, 0，-20和-40時的沖擊韌性。溫度越低，沖擊韌性越低。3.可焊性 好的可焊性是指焊接安全、可靠、不發(fā)生焊接裂縫，焊接接頭和焊縫的力學性能不低于母材力學性能。

12、影響鋼材可焊性的因素 鋼材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影響。碳含量在0.12%0.20%范圍內的碳素鋼，可焊性最好（如Q235B）。對于高強度低合金鋼中，低合金元素大多對可焊性有不利影響，我國行業(yè)標準JGJ81-2002建筑鋼結構焊接技術規(guī)程推薦使用碳當量來衡量低合金鋼的可焊性。當碳當量小于0.38%，鋼材的可焊性好(如Q235.Q345)，可不采取措施直接施焊。 鋼材的機械性能指標1、屈服點 fy2、抗拉強度 fu3、伸長率 4、斷面收縮率 5、冷彎性能6、沖擊韌性 Akv 小 結2.4. 各種因素對鋼材的影響 1、化學成份的影響 2、冶金缺陷的影響 3、鋼材硬化的影響 5、應力集中的影

13、響 7、溫度的影響 8、重復荷載作用的影響（疲勞） 4、復雜應力的影響 6、殘余應力的影響2.4.1 化學成份的影響鋼材的化學成分直接影響鋼的組織構造，從而影響鋼材的力學性能。純鐵Fe（占99）碳C變脆（強度，塑性、韌性、可焊性，抗腐蝕性）其它主要元素硫S熱脆、韌性、疲勞強度、抗銹蝕性、可焊性磷（P）強度、抗銹蝕能力塑性、韌性、冷彎性能、可焊性，冷脆，低溫工作性能差。氧O 影響同硫氮（N）影響同磷硅Si 適量強度，塑性、韌性、冷彎性能、可焊性變化不大錳Mn強度消除熱脆，改善冷脆，塑性韌性降低不顯著釩(V)、鈦(Ti)、鈮(Nb) 等適量強度、韌性、塑性良好鋼有益元素有害元素鐵（Fe）是鋼材的基

14、本元素，普通碳素鋼中占99%，此外還有碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）等有益元素，及硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等有害元素，這些總含量不大，約1%，但對鋼材力學性能卻有很大影響。低合金鋼中有5%的合金元素，如銅(Cu)、釩(V)、鈦(Ti)、鈮(Nb)、鉻(Cr)等。 1. 碳（C）：鋼材強度的主要來源，隨其含量增加，強度增加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蝕性降低。 一般控制在0.22%以下， 在0.2以下時，可焊性良好。 2.硫（S）：有害元素，熱脆性。不得超過0.05%。 3.磷（P）：有害元素，冷脆性。抗腐蝕能力略有提高，可焊性降低。不得超過0.045%。 4.錳（Mn）：合金元

15、素。弱脫氧劑。與S形成MnS，熔點1600，可以消除一部分S的有害作用。5.硅（Si）：合金元素。強脫氧劑。6.釩（V）：合金元素。細化晶粒，提高強度，其碳化物具有高溫穩(wěn)定性，適用于受荷較大的焊接結構。7.氧（O）：有害雜質，與S相似。8.氮（N）：有害雜質，與P相似。9.銅（Cu）：提高抗銹蝕性，提高強度，對可焊性有影響。2.4.2 冶金缺陷的影響 1.偏析 金屬結晶后化學成分分布不均勻的現(xiàn)象。后果是偏析區(qū)鋼材的塑性、韌性、可焊性變壞。3.裂紋 鋼材中存在的微觀裂紋。 2.非金屬夾雜 指鋼材中的非金屬化合物，如硫化物、氧化物，他們使鋼材性能變脆。4.氣泡 澆鑄時由FeO和C作用所生成的CO氣

16、體不能充分逸出而滯留在鋼錠那形成的微小空洞。5.分層 澆鑄時的非金屬夾雜在軋制后可能造成鋼材的分層。脫氧方法 用錳、硅、鋁作為脫氧劑進行脫氧（deoxidize）.它們之間的脫氧能力比為錳:硅:鋁=1:5:90。按脫氧程度或方法不同而分為沸騰鋼(F)、鎮(zhèn)定鋼(Z)、半鎮(zhèn)定鋼(b)和特殊鎮(zhèn)定鋼(TZ)。沸騰鋼 組織不夠致密，成分不太均勻，硫、磷等雜質偏析較嚴重，故質量較差。但因其成本低、產量高，故被廣泛用于一般工程。鎮(zhèn)靜鋼 成本較高，但其組織致密，成分均勻，含硫量較少，性能穩(wěn)定，故質量好。適用于預應力混凝土等重要結構工程。半鎮(zhèn)靜鋼 質量較好。特殊鎮(zhèn)靜鋼 質量最好，適用于特別重要的結構工程。時效硬

17、化隨時間的增長，碳和氮的化合物從晶體中析出，使材料硬化的現(xiàn)象，即強度提高，塑性降低。冷作硬化鋼材受荷超過彈性范圍以后，若重復地卸載、加載，將使鋼材彈性極限提高，塑性降低的現(xiàn)象。也稱“應變硬化”。應變時效硬化鋼材產生塑性變形時，C、N化合物更易析出，即冷作硬化的同時將鋼材加熱可加速時效硬化，即結合了應變硬化和時效硬化，因此也稱“人工時效”。2.4.3 鋼材的硬化 硬化對鋼材性能的影響a)時效硬化及冷作硬化b) 應變時效硬化卸載加載卸載加載冷作及時效前鋼材在單向拉伸時，以屈服點為臨界點，作為由彈性工作狀態(tài)轉入塑性工作狀態(tài)的標志。實際鋼結構中，鋼材常是在兩向或三向的復雜應力狀態(tài)下工作，這時鋼材的屈服

18、并不取決于某一個方向的應力，而是由反映各方向應力綜合影響的相當應力（也稱折算應力）來表示。當eq fy時，鋼材處于彈性階段；當eq fy時，鋼材處于塑性階段。2.4.4 復雜應力的影響根據強度理論，三維應力場的折算應力（equivalent stress）計算表達式為：實驗表明，復雜應力對鋼材性能的影響是：鋼材受同號復雜應力作用時，強度提高，塑性降低，性能變脆；鋼材受異號復雜應力作用時，強度降低，塑性增加。2.4.5 應力集中的影響 應力集中現(xiàn)象1.應力集中的概念 構件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突變時，應力不均勻，力線變曲折，缺陷處有高峰應力應力集中。不同槽口試件靜力拉伸試驗的應力應變曲線

19、 應力集中對-曲線關系的影響 可以看出截面槽口改變愈急劇，應力集中現(xiàn)象愈厲害，其抗拉強度愈高，但塑性愈差，破壞的脆性傾向愈大。1020300.425100%(N/mm2)10測距100101006007005004003002001003.減小應力集中現(xiàn)象的措施 1:2.5 由于鋼材具有良好的塑性性能，當承受靜力荷載且在常溫下工作時，只要符合規(guī)范規(guī)定的設計要求，可以不考慮應力集中的影響。2.4.6 殘余應力的影響 殘余應力是鋼材在熱軋、焊接時加熱和冷卻過程中產生的，先冷卻的部分常形成壓應力，而后冷卻的部分則形成拉應力。鋼材中的殘余應力是自相平衡的，與外荷載無關，對構件的強度極限狀態(tài)承載力沒有影

20、響力，但能降低構件的剛度和穩(wěn)定性。 對鋼材進行“退火”熱處理，在一定程度上可以消除一些殘余應力。壓應力拉應力 1正溫范圍 200以內對鋼材性能無大影響，該范圍內隨溫度升高總的趨勢是強度、彈性模量降低，塑性增大。220210200190180170160Ex1038006004002000N/mm2Efufy200400600溫度對鋼材機械性能的影響20406080%T(0C)2.4.7 溫度的影響250藍脆現(xiàn)象E趨于零 ，承載能力幾乎完全喪失 當溫度低于常溫時，鋼材的脆性傾向隨溫度降低而增加，材料強度略有提高，但其塑性和韌性降低，該現(xiàn)象稱為低溫冷脆。2負溫范圍脆性破壞轉變過渡區(qū)段塑性破壞反彎點

21、試驗溫度T0C沖擊斷裂功CvT1T2T0沖擊韌性與溫度的關系曲線T0稱為臨界溫度。界限溫度T1和T2分別為脆性轉變溫度和全塑性轉變溫度。2.4.8 荷載類型的影響2022/7/21一）、概念1、循環(huán)荷載結構或構件承受的隨時間變化的荷載。2、疲勞破壞在循環(huán)荷載（連續(xù)反復荷載）作用下，經過有限次循環(huán)，結構或構件在低于抗拉強度，甚至低于屈服強度的應力狀態(tài)下斷裂的現(xiàn)象，稱之為疲勞。3.疲勞破壞的機理 疲勞破壞是積累損傷的結果。缺陷微觀裂紋宏觀裂紋。4.疲勞破壞的特征屬于脆性破壞，截面平均應力小于屈服點。2.4.9 防止脆性斷裂的方法外因 鋼材在構造和加工工程中引起的應力集中、低溫影響、重復荷載的作用、

22、冷作硬化和應變時效硬化等。 內因 鋼材的化學成分、組織構造和缺陷等影響鋼材出現(xiàn)脆性破壞的因素(1）合理的選用鋼材; (2）對于低溫工作和受動力荷載的鋼結構，應使所選鋼材的脆性轉變溫度低于結構的工作溫度;(3) 盡量使用較薄的型鋼和板材，使其具有良好的沖擊韌性;(4）設計時結構的構造要合理，避免構件截面的突然改變，使之能均勻、連續(xù)的傳遞應力，從而減小構件的應力集中。合 理 設 計2.6 建筑用鋼種類、規(guī)格和選用2.6.1 建筑用鋼的種類品種特點碳素結構鋼用于結構的普通低碳鋼低合金高強度結構鋼普通低碳鋼+若干種合金元素（錳、釩等，總量5%）優(yōu)質碳素結構鋼有害元素少的碳素鋼+熱處理鋼索鋼絲、平行鋼絲

23、索、鋼絞線鋼絲繩等鋼的種類（1）碳素結構鋼（GB/T700-1988）Q275Q215Q255Q235規(guī)范推薦提供fy、fu、保證以及沖擊韌性、冷彎試驗指標化學成分C、Mn、Si、S、P保證供貨含碳量、強度塑性特點Q195牌號 碳素結構鋼的牌號由代表屈服點的字母Q、屈服點的數值、質量等級符號、脫氧方法符號等四部分按順序組成?？墒÷裕ㄗ畈睿ㄗ顑?yōu)）Q235-C代表的意義？（2）低合金高強度結構鋼(GB/T 1591-1994)Q460Q345規(guī)范推薦Q420規(guī)范推薦Q390規(guī)范推薦提供fy、fu、保證以及沖擊韌性、冷彎試驗指標化學成分C、Mn、Si、S、P、V、Ti保證供貨含碳量、強度特點Q29

24、5牌號塑性 低合金高強度結構鋼的牌號由代表屈服點的字母Q、屈服點的數值、質量等級符號等三部分按順序組成。3904202.6.2 鋼材的規(guī)格（1）熱軋鋼板a) 分為厚鋼板、薄鋼板和扁鋼。b) 表示方法：在符號“-”后加“寬度厚度長度” c) 供應規(guī)格 （單位：mm） 厚度 寬度 長度 厚鋼板4-60600-30004000-12000薄鋼板0.35-4500-1500500-4000扁鋼4-6012-2003000-9000熱軋鋼板、鋼帶熱軋型鋼（焊接）冷彎薄壁型鋼冷軋鋼板、鋼帶（2）熱軋型鋼角鋼工字鋼槽鋼H型鋼T型鋼鋼管等邊角鋼不等邊角鋼角鋼分類型號或表示方法最小規(guī)格最大規(guī)格長度等邊角鋼L邊長

25、厚度L203L20024400019000不等邊角鋼L長邊短邊厚度L25163L20012518角鋼規(guī)格 (單位mm)工字鋼分類型號或表示方法單位cm最小規(guī)格最大規(guī)格長度(m)普通工字鋼I高度I10I63519輕型工字鋼QI高度QI10QI70工字鋼規(guī)格槽鋼規(guī)格其它幾何參數查P274附表3-3槽鋼分類型號或表示方法單位cm最小規(guī)格最大規(guī)格長度(m)普通槽鋼高度540519輕型槽鋼Q高度Q5Q40其它幾何參數查P275附表3-4H型鋼規(guī)格H型鋼分類型號或表示方法單位mm最小規(guī)格最大規(guī)格長度(m)寬翼緣H型鋼HW高寬腹板厚翼緣厚HW10010068HW4004001321615中翼緣H型鋼HM高寬

26、腹板厚翼緣厚HM15010069HW6003001220窄翼緣H型鋼HN高寬腹板厚翼緣厚HN1005057HN7003001324高頻焊接H型鋼H高寬腹板厚翼緣厚H1005033H3501754.56612其它幾何參數查P276附表3-5T型鋼規(guī)格t鋼管規(guī)格 H型鋼分類型號或表示方法單位mm最小規(guī)格最大規(guī)格長度(m)寬翼緣T型鋼TW高寬TW50100HW200400615中翼緣T型鋼TM高寬TM74100HW300300窄翼緣T型鋼TN高寬TN5050HN350200鋼管分類型號或表示方法單位mm最小規(guī)格最大規(guī)格長度(m)熱軋無縫鋼管直徑壁厚322.535116312電焊鋼管（直焊縫、螺旋焊縫）直徑壁厚3221525.5其它幾何參數查P279附表3-6（3）冷彎薄壁型鋼和壓型鋼板冷彎薄壁型鋼（壁厚1.5-6mm）和壓型鋼板（壁厚0