第二章鋼結構材料

第二章鋼結構材料第一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五鋼結構對材料的要求：◎較高的強度◎塑性好◎沖擊韌性好◎冷加工性能好◎可焊性好◎耐久性好力學性能第二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五主要內容單向均勻受拉時的工作性能單軸反復拉伸時的工作性能復雜應力下的工作性能鋼材抗沖擊性能和冷彎性能鋼材可焊性、抗腐蝕性、延性第三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五Q235標準試件Q235鋼單向受拉應力－應變曲線鋼材單向受拉時的工作性能◆鋼材的荷載——變形曲線常溫靜載第四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五拉伸曲線反映了鋼材的力學特性，描述如下：(1)彈性階段：OAE段OA直線的斜率稱為彈性模量E，fp稱為比例極限，fe稱為彈性極限。(2)彈塑性階段：EC段

σ與ε不呈比例，除彈性變形外還有塑性變形，fy稱為屈服強度，又叫屈服點（YieldPoint，材料力學中用σs表示）。單向受拉應力－應變曲線第五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五(3)屈服階段：CF段鋼材完全屈服，σ不增加（保持fy），而ε驟增。(4)強化階段：FB段經過屈服階段后，鋼材內部組織重新排列，抵抗外力的能力增強。(5)頸縮階段：BD段應力超過fu后，試件出現(xiàn)“頸縮”而斷裂，fu稱為抗拉強度(TensileStrength，材料力學中用σb表示）。單向受拉應力－應變曲線

根據(jù)上述特性，可確定鋼材的強度指標和塑性指標。第六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五彈性階段比例極限屈服點屈服階段流幅強化和頸縮階段極限強度彈性模量鋼材的工作特性第七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五鋼材的彈性階段以屈服點fy為上限鋼材是理想彈塑性材料鋼材破壞前塑性變形很大鋼材抗拉強度是鋼材破壞前的最大應力。屈強比越小，鋼材的安全儲備越高。第八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五鋼材的塑性塑性——應力超過屈服點后，能產生顯著殘余變形而不立即斷裂的性質。伸長率和收縮率是衡量鋼材塑性的兩個指標。第九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五伸長率：拉伸試件取試件直徑的5倍或10倍為標矩長度來測量其伸長率伸長率易于準確測量，是衡量鋼材塑性的一個必要指標。第十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五試件頸縮區(qū)應力狀態(tài)圖截面收縮率：截面收縮率不易準確測量，是衡量鋼材塑性的一個參考指標。第十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五鋼材厚度方向的性能試驗厚鋼板的層狀撕裂Z15、Z25、Z35三個指標來衡量三個級別厚度方向鋼板的含硫量及斷面收縮率。第十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五鋼材單軸反復應力下工作性能鋼材的時效現(xiàn)象鋼材的疲勞第十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五Q235鋼在循環(huán)次數(shù)時的應力—應變滯回曲線。第十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五鋼材在復雜應力下工作性能三向應力作用下，鋼材由彈性狀態(tài)轉變?yōu)樗苄誀顟B(tài)(屈服)的條件：鋼材彈性階段鋼材塑性階段第十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五鋼材在復雜應力下工作性能第十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五鋼材在復雜應力下工作性能平面應力作用下，一般的梁單元中：第十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五純剪時：剪應力達到屈服點的0.58倍時，鋼材進入塑性狀態(tài)。所以鋼材的抗剪屈服點為抗拉屈服點的0.58倍。第十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五三種不同應力條件下的應力—應變曲線※鋼材在雙向拉力作用下，屈服點和抗拉強度提高，伸長率下降；雙向拉力愈接近，伸長率下降越多。

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鋼材在異號雙向應力作用下，屈服點和抗拉強度降低，伸長率增大。

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鋼材在三向受拉作用下，鋼材比雙向受拉進一步下降，趨向于零，表現(xiàn)為脆性破壞。第十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五三根應力應變曲線(a)單向受拉(b)雙向受拉(c)一向受拉，一向受壓第二十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五鋼材抗沖擊性能鋼材韌性第二十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五沖擊性能試驗設備第二十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五常用缺口形式：夏氏V形、夏氏鑰匙形、梅氏U形。我國規(guī)定：沖擊試驗缺口采用夏氏V形。第二十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五沖擊韌性與溫度有關，溫度愈低，沖擊韌性愈低。我國鋼材韌性試驗分成四檔，分別為：+20℃、0℃、-20℃、-40℃。第二十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五鋼材冷彎性能冷彎性能指鋼材冷加工(即在常溫下加工)產生塑性變形時，對發(fā)生裂縫的抵抗能力。第二十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五鋼材可焊性衡量普通碳素鋼可焊性良好的標準：碳含量在0.27%以下固定雜質含錳量在0.7%以下含硅量在0.4%以下硫磷含量各在0.05%以下低合金鋼可焊性視其碳當量而定。第二十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五鋼材抗腐蝕性抗腐蝕性差干腐蝕濕腐蝕抗腐蝕措施涂料耐候鋼銅、硫、磷金屬與非金屬直接結合水和非金屬物質結合第二十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五鋼材的破壞形式塑性破壞（延性破壞）構件應力超過屈服點并達到抗拉極限后，構件產生明顯變形并斷裂。斷裂前變形明顯，斷口杯形，可及時發(fā)現(xiàn)補救。第二十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五脆性破壞（脆性斷裂）構件破壞前無明顯預兆，突然斷裂斷口平直、呈有光澤的晶粒狀斷裂前，平均應力較小第二十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五鋼材的脆性斷裂裂紋基本形式(1)張開型(2)滑移型(3)撕開型第三十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五防止鋼材脆性斷裂的措施加強施焊工藝管理，避免焊接過程中產生裂縫、夾渣、氣泡等。焊縫不宜過分集中，約束不應過強，避免產生過大殘余應力。合理細部設計，避免應力集中。選擇合理鋼材。第三十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五鋼材的疲勞破壞鋼材在連續(xù)反復荷載作用下的破壞稱為疲勞破壞。此時，應力低于極限強度，甚至低于屈服點。破壞過程分為三個階段：裂紋形成，裂紋緩慢擴展，迅速斷裂破壞。與鋼材疲勞有關的因素：反復荷載引起的應力種類、應力循環(huán)形式、應力循環(huán)次數(shù)、應力集中程度、殘余應力。第三十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五疲勞荷載第三十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五疲勞強度與應力循環(huán)的關系鋼材在曲線漸進處反復無窮多次仍不破壞，這就是所謂的疲勞強度極限。第三十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五損傷累積破壞土木工程結構在施工和使用期間，總會受到各種不利因素或災害的作用，使結構某一部分發(fā)生損傷。如果該結構繼續(xù)使用，結構損傷不斷累積而導致破壞，稱為損傷累積破壞。第三十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五影響鋼材性能的一般因素化學成分影響鋼材生產過程影響時效影響冷作硬化影響溫度影響應力集中影響第三十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五化學成分影響FeV主要成分鋼材CSiMn有益元素合金元素有害元素PSNO第三十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五CSi強度塑性韌性可焊性Mn抗銹性VS疲勞強度P冷彎性能ON第三十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五鋼材生產過程影響冶煉澆鑄軋制堿性平爐煉鋼法頂吹氧氣轉爐煉鋼法堿性側吹轉爐煉鋼法

沸騰鋼半沸騰鋼

鎮(zhèn)靜鋼

特殊鎮(zhèn)靜鋼

鋼板型鋼

第三十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五鋼材冶煉過程頂吹氧氣轉爐煉鋼法堿性平爐煉鋼法側吹轉爐煉鋼法第四十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五鋼材澆鑄過程第四十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五鋼材軋制過程第四十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五時效影響純鐵體中留有一些數(shù)量極少的碳和氮的固熔物質，隨著時間增加，這些固熔物質逐漸從純鐵體中析出，形成自由的碳化物和氮化物顆粒，散布在晶粒的滑移面上，起著阻礙滑移的強化作用，約束純鐵體發(fā)展塑性變形，稱為時效現(xiàn)象。第四十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五冷作硬化影響

在重復荷載作用下，鋼材彈性極限有所高的現(xiàn)象稱為硬化。第四十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五溫度影響藍脆現(xiàn)象低溫冷脆現(xiàn)象第四十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五第四十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五應力集中影響結構由于內部孔洞、槽口、凹角、裂縫及厚度變化、形狀變化、內部缺陷等產生的應力不均勻現(xiàn)象。這些區(qū)域可能提前出現(xiàn)塑性變形。第四十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五第四十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五第四十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五鋼結構用鋼的分類鋼材的品種和牌號碳素結構鋼（普通碳素鋼）優(yōu)質碳素結構鋼低合金結構鋼123耐候耐火鋼優(yōu)質鋼絲繩45第五十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五碳素結構鋼Q195Q215Q235Q255Q275我國現(xiàn)行標準GB700-88Q235屈服強度強度大小單位：N/mm2第五十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五Q235[A][B][C][D]質量等級[F、b、(Z)][(Z)][(TZ)]脫氧方法按照質量等級和脫氧方法等可以表示為：第五十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五Q235A——屈服強度為235N/mm2,A級鎮(zhèn)靜鋼Q235AF——屈服強度為235N/mm2,A級沸騰鋼Q235Bb——屈服強度為235N/mm2,B級半鎮(zhèn)靜鋼Q235D——屈服強度為235N/mm2,D級特殊鎮(zhèn)靜鋼Q235C——屈服強度為235N/mm2,C級鎮(zhèn)靜鋼第五十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五低合金鋼Q295Q345Q390Q420Q460我國現(xiàn)行標準GB/T1591-94Q345[A][B][C][D]Q390Q420[E]第五十四頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五Q345B——屈服強度為345N/mm2,B級鎮(zhèn)靜鋼Q390D——屈服強度為390N/mm2,D級特殊沸鎮(zhèn)靜鋼Q345C——屈服強度為345N/mm2,C級特殊鎮(zhèn)靜鋼Q390A——屈服強度為390N/mm2,A級鎮(zhèn)靜鋼Q420E——屈服強度為420N/mm2,E級特殊鎮(zhèn)靜鋼第五十五頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五優(yōu)質鋼絲繩a)右交互捻b)左交互捻c)右同向捻d)左同向捻銀川艾倚河斜拉橋

第五十六頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五美國跨海大橋第五十七頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五平行鋼索杭州灣跨海大橋第五十八頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五鋼絞索中國航海博物館第五十九頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五耐候鋼銅、鉻、鎳、鈮、鉬、鈦、鋯、釩耐火鋼鉬、鉻、鈮耐火耐候鋼第六十頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五國外鋼材品種和牌號簡介XXXXXX鋼材質量等級鋼材最低抗拉強度字首符號美國A，日本SS、SM、SN、SMA，德國St，法國A、E，前蘇聯(lián)C，英國無字首A、B、C、D、E第六十一頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五☆ISO國際標準☆英國標準☆歐洲標準☆美國標準☆日本標準☆俄羅斯標準第六十二頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五鋼材選用原則原則：既能使結構安全可靠和滿足使用要求，又要最大可能節(jié)約鋼材和降低造價。結構類型及重要性結構工作溫度荷載性質連接方法結構受力性質結構形式鋼材厚度第六十三頁，共六十八頁，編輯于2023年，星期五鋼材