建筑鋼材的力學(xué)性質(zhì)建筑鋼材的力學(xué)性質(zhì)

建筑材料BuildingMaterials建筑材料

建筑鋼材建筑鋼材的主要技術(shù)性質(zhì)建筑鋼材的力學(xué)性質(zhì)主講人：江晨暉★建筑材料系列微課★建筑鋼材的力學(xué)性質(zhì)★建筑材料系列微課★1新課導(dǎo)入2抗拉性能3沖擊韌性4表面硬度鋼柱承受荷載鋼梁承受荷載梁柱節(jié)點(diǎn)必須連接牢靠屋面鋼板抵御日曬雨淋在建鋼結(jié)構(gòu)廠房1.新課導(dǎo)入高承載能力容納91000名觀眾高耐久性設(shè)計(jì)壽命100年良好的塑性加工成復(fù)雜形狀優(yōu)質(zhì)的可焊性焊接接頭可靠性可靠的耐火性保證人員逃生時(shí)間施工中的“鳥巢”1.新課導(dǎo)入耐腐蝕性抵抗腐蝕性介質(zhì)抗震性抵抗車輛動(dòng)載剛度高撓度不影響正常使用鋼結(jié)構(gòu)橋梁1.新課導(dǎo)入良好的塑性能彎折成不同角度變形協(xié)調(diào)能與混凝土同步變形變形協(xié)調(diào)能與混凝土可靠粘結(jié)1.新課導(dǎo)入施工中的鋼筋混凝土橋梁從以上幾個(gè)建筑鋼材的應(yīng)用實(shí)例中，你能總結(jié)出建筑鋼材應(yīng)具備哪些主要工程技術(shù)性能？建筑鋼材的技術(shù)性質(zhì)沖擊韌性冷彎性能表面硬度抗拉性能力學(xué)性質(zhì)工藝性能焊接性能長(zhǎng)期性能耐疲勞性耐高溫性耐腐蝕性1.新課導(dǎo)入性質(zhì)指標(biāo)建筑鋼材鋁合金混凝土密度（g/cm3）7.802.702.35～2.45熔點(diǎn)（oC）1350660---抗壓強(qiáng)度（MPa）15～80抗拉強(qiáng)度（MPa）1.0～5.0彈性模量（GPa）2006922～38比熱容（J/kg/oC）496940960導(dǎo)熱系數(shù)（W/m/oC）46222177

熱膨脹系數(shù)（10-6/oC）12.623.610-15耐腐蝕性差好不好建筑鋼材、鋁合金和混凝土的基本性質(zhì)比較1.新課導(dǎo)入通過(guò)查閱資料，完成表中的信息，并比較建筑鋼材、鋁合金和混凝土的基本性質(zhì)?？戳税胩欤妒菦](méi)看出個(gè)子丑寅卯來(lái)。2.抗拉性能這房子好危險(xiǎn)，梁都彎成這樣了，開裂得那么厲害，竟然不會(huì)塌下來(lái)，真是奇了！混凝土雖然裂了，里面有鋼筋拉著的，一時(shí)半會(huì)兒塌不了。鋼筋混凝土梁的受力狀態(tài)在上述工程案例中，鋼筋混凝土梁之所以變形（或撓度）很大而不坍塌，是因?yàn)殇摻睿ㄤ摬模┚邆淠男┝W(xué)性能呢？抗拉強(qiáng)度高變形能力強(qiáng)韌性好剛度大2.抗拉性能

鋼材拉伸試驗(yàn)2.抗拉性能上橫梁荷載傳感器立柱拉伸夾具下橫梁循環(huán)式滾珠絲杠加載保護(hù)器變速箱伺服電機(jī)臺(tái)座試驗(yàn)對(duì)象：鋼筋引伸儀試驗(yàn)設(shè)備：液壓試驗(yàn)機(jī)FF受力狀態(tài)：軸向拉伸主機(jī)操作控制臺(tái)2.抗拉性能萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)：集拉伸、壓縮、彎曲、剪切等多重功能于一體的材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)。這玩意兒，我在我老爸的實(shí)驗(yàn)室里見過(guò)。

常溫下對(duì)鋼材試件一次性單調(diào)施加拉伸荷載直至試件斷裂的全過(guò)程。

具體試驗(yàn)方法參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T228.1和GB/T28900。各種啞鈴形標(biāo)準(zhǔn)試件斷裂后的試件2.抗拉性能

低碳鋼（俗稱軟鋼）拉伸的應(yīng)力（σ

）—應(yīng)變（ε

）曲線2.抗拉性能L0S0S0S0FFL0△LOACDσε斷裂σ

=F/S0ε

=

△L

/L0OA：彈性階段AB：屈服階段BC：強(qiáng)化階段

CD：頸縮階段低碳鋼單軸拉伸應(yīng)力—

應(yīng)變曲線B

低碳鋼拉伸的4個(gè)特征階段2.抗拉性能OAReLσεReHσ

=F/S0ε

=

△L

/L0B

彈性階段（OA段）應(yīng)力（拉力）與應(yīng)變（軸向變形）近似呈線性關(guān)系，鋼材發(fā)生彈性變形。

屈服階段（AB段）應(yīng)變?cè)黾雍芸欤瑧?yīng)力近似保持不變（或僅發(fā)生小幅度振蕩），通常把這種現(xiàn)象稱為“屈服”。最高、最低點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力分別為屈服上限（ReH）和屈服下限（ReL）。這一階段鋼材開始發(fā)生塑性變形。初始標(biāo)距拉伸后標(biāo)距

低碳鋼拉伸的4個(gè)特征階段2.抗拉性能CD

強(qiáng)化階段（BC段）由于鋼材內(nèi)部晶粒重新排列，其抵抗變形的能力重新提高。鋼材繼續(xù)發(fā)生較大的塑性變形。

頸縮階段（CD段）鋼材試件最薄弱截面急劇收縮，塑性變形迅速增加，拉應(yīng)力隨之減小，最終試件被拉斷。初始標(biāo)距頸縮拉伸后標(biāo)距OAReLσReHσ

=F/S0ε

=

△L

/L0Bε2.抗拉性能

低碳鋼的拉伸性能指標(biāo)

應(yīng)力指標(biāo)：抗拉強(qiáng)度、下屈服強(qiáng)度

變形指標(biāo)：斷后伸長(zhǎng)率、彈性模量

參照《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1部分：室溫試驗(yàn)方法》（GB/T228.1）的各拉伸性能指標(biāo)定義和標(biāo)記OABLCDReBU彈性模量

E1B彈性極限RT

下屈服強(qiáng)度

ReL抗拉強(qiáng)度

Rm最大力總延伸率Agt斷后伸長(zhǎng)率

AP彈性變形eT斷裂總延伸率At拉伸指標(biāo)工程意義

彈性極限（RT）正常工作狀態(tài)下鋼材的應(yīng)力上限。

下屈服強(qiáng)度（ReL）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，確定鋼材容許應(yīng)力及強(qiáng)度取值的主要依據(jù)。

抗拉強(qiáng)度（Rm）反映鋼材的抗拉能力極限。彈性模量（E）反映鋼材變形的難易程度（或材料剛度）。

斷后伸長(zhǎng)率（A）反映鋼材拉伸斷裂的塑性變形能力極限。2.抗拉性能

主要指標(biāo)的物理意義2.抗拉性能房屋安全鑒定報(bào)告……由于一樓樓面主梁變形過(guò)大，混凝土出現(xiàn)嚴(yán)重裂縫，現(xiàn)鑒定該房屋為一級(jí)危房……屈服階段彈性塑性工作階段危險(xiǎn)階段BL設(shè)計(jì)依據(jù)極限強(qiáng)度原來(lái)是這么回事，可比撒狗糧難多了。

屈強(qiáng)比（kyu）根據(jù)上述知識(shí)，如果讓你來(lái)設(shè)計(jì)建筑鋼材的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，你認(rèn)為下列三種情況哪種更合理？為什么？2.抗拉性能RmReLRmReLRmReLkyu=0.6～0.75這不就是我2500多年前提出的“中庸之道”嘛。合理！太冒險(xiǎn)！太保守！

低碳鋼達(dá)到極限拉應(yīng)力（即Rm）之前的變形是均勻的，之后的變形不均勻，最薄弱截面急劇收縮而發(fā)生“頸縮”現(xiàn)象（necking）。低碳鋼的頸縮現(xiàn)象頸縮部位應(yīng)力云圖2.抗拉性能L0Lu

描述鋼材的受力變形能力（或塑性）的指標(biāo)很多，以各種特征延伸率為主。斷后伸長(zhǎng)率（A）：鋼材最常用的塑性指標(biāo)（或延伸率指標(biāo)）。2.抗拉性能某建筑工地新進(jìn)一批公稱直徑為16mm的熱軋鋼筋，從中抽樣并截取2根試件（初始標(biāo)距均為80mm）進(jìn)行拉伸性能檢測(cè)，得到如下數(shù)據(jù)：屈服下限荷載分別為75.3kN、73.2kN；抗拉極限荷載分別為106.5kN、110.5kN；拉斷時(shí)的標(biāo)距分別為96.0mm、94.4mm。試計(jì)算該鋼筋試件的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、屈強(qiáng)比和斷后伸長(zhǎng)率。2.抗拉性能

斷面收縮率（Z）：又一衡量鋼材塑性的指標(biāo)，能更真實(shí)地反映頸縮部位的塑性變形特征。衡量鋼材塑性的指標(biāo)包括（）。A.斷后伸長(zhǎng)率E.彈性極限B.斷面收縮率F.斷裂總延伸率C.彈性模量D.抗拉強(qiáng)度ABF變形能力重要強(qiáng)度重要下列有關(guān)鋼材彈性模量的說(shuō)法，正確的是（）。2.抗拉性能A.鋼材的彈性模量在數(shù)值上近似等于應(yīng)力—應(yīng)變曲線彈性階段的斜率B.鋼材的彈性模量越大，其抵抗變形的能力越差C.荷載和其他條件相同的情況下，鋼材的彈性模量越大，變形越小D.彈性模量的單位可采用N/mm2、MPa或GPaE.為了限制變形，應(yīng)選用彈性模量小的鋼材F.彈性模量反映了鋼材抵抗變形的能力ACDF這個(gè)問(wèn)題難不倒我，我記得前面學(xué)過(guò)類似的知識(shí)。

鋼材拉伸應(yīng)力—應(yīng)變曲線隨其含碳量及生產(chǎn)工藝而變化。與低碳鋼材不同，中、高碳鋼材無(wú)明顯屈服階段，變形能力（或韌性）差。因此，低碳鋼俗稱軟鋼，高碳鋼（和合金鋼）則稱硬鋼。2.抗拉性能鍛鐵（熟鐵）純鐵低碳鋼

高碳鋼（合金鋼）拉應(yīng)力拉應(yīng)變抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度從右邊這幅示意圖中，你發(fā)現(xiàn)了什么規(guī)律？σε弱而韌強(qiáng)韌適中強(qiáng)而脆2.抗拉性能中、高碳鋼單軸拉伸應(yīng)力—

應(yīng)變曲線OACReOA：彈性階段AC：塑性階段B

中、高低碳鋼的拉伸性能0.2%條件屈服強(qiáng)度

Rp0.2

無(wú)明顯屈服階段，塑性變形較小。條件屈服強(qiáng)度（或名義屈服強(qiáng)度，Rp0.2）：對(duì)應(yīng)殘余延伸率為0.2%的拉應(yīng)力值。這應(yīng)該對(duì)它們的工程應(yīng)用有影響吧？中、高碳鋼與低碳鋼相比，拉伸性能最顯著的區(qū)別就在于是否有屈服階段。低碳鋼：延性破壞高碳鋼：脆性破壞

鋼材受拉破壞模式2.抗拉性能拉應(yīng)變拉應(yīng)力低碳鋼中碳鋼高碳鋼圍成的面積=破壞時(shí)吸收的能量建筑鋼材的三大抗拉性能指標(biāo)是指（）。2.抗拉性能A.抗拉強(qiáng)度B.最大力總延伸率C.斷后總延伸率D.拉應(yīng)力E.斷后伸長(zhǎng)率F.斷面收縮率G.屈服強(qiáng)度H.彈性極限AEG某建筑鋼材的彈性極限為178MPa、屈服強(qiáng)度為269MPa、抗拉強(qiáng)度為423MPa，則該鋼材的屈強(qiáng)比是（）。A.0.64B.0.66C.1.57D.1.51A低碳鋼單軸拉伸時(shí)，依次經(jīng)歷了哪4個(gè)典型受力階段？答：彈性；屈服；強(qiáng)化；頸縮。案例一1938年3月14日，跨度74.5m的比利時(shí)阿爾伯特運(yùn)河哈塞爾特全焊接鋼橋在使用14個(gè)月后，在載荷不大的情況下突然斷塌。該起事故發(fā)生時(shí)的氣溫為-20oC。1940年1月19日和25日該運(yùn)河上另外兩座同一時(shí)期建造的鋼橋也發(fā)生類似斷塌事故。當(dāng)時(shí)人們把這些頻繁的橋梁坍塌事故歸為靈異事件。3.沖擊韌性一起來(lái)看工程案例！案例二

1951年1月31日，加拿大圣勞倫斯河上的杜佩里西斯橋梁突然斷成兩截，摔到當(dāng)時(shí)冰封的河面上。該橋建成于1947年，為全焊接鋼結(jié)構(gòu)，全橋約長(zhǎng)420m，斷塌時(shí)的氣溫為-35oC3.沖擊韌性3.沖擊韌性橋梁在未超載時(shí)發(fā)生斷裂倒塌，說(shuō)明鋼材的韌性不夠。是的。對(duì)于承受動(dòng)荷載的結(jié)構(gòu)而言，韌性是非常關(guān)鍵的。我注意到上述工程事故描述中，特意提到事故發(fā)生時(shí)的氣溫很低。難道鋼材的韌性與溫度有關(guān)？難道鋼材也會(huì)“受凍”嗎？這可真新鮮！各位學(xué)霸，你們討論得很深入很專業(yè)，帶帶小妹我好不好？好哇，followme。

沖擊韌性：鋼材抵抗沖擊荷載、吸收能量的性質(zhì)。

沖擊韌性指標(biāo)KV或KU：由帶V型（或U型）缺口的標(biāo)準(zhǔn)試件的夏比擺錘沖擊試驗(yàn)確定。

KV或KU越大，鋼材沖擊破壞吸收的能量越多，韌性越好。3.沖擊韌性夏比（Charpy）沖擊試驗(yàn)試件尺寸10×10×55mm帶V或U型缺口擺錘臺(tái)座刻度盤試件試件砧座沖擊點(diǎn)指針擺錘刀刃起始高度H回升高度h3.沖擊韌性

脆性轉(zhuǎn)變溫度——溫度對(duì)沖擊韌性的影響這說(shuō)明什么？你現(xiàn)在能解釋案例中的“靈異事件”嗎？某鋼材沖擊吸收能量與溫度的關(guān)系溫度沖擊吸收能量下平臺(tái)上平臺(tái)轉(zhuǎn)變區(qū)應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)力應(yīng)變應(yīng)變應(yīng)變脆性轉(zhuǎn)變溫度27J沖擊韌性與溫度、拉伸性能的關(guān)系圖示為鋼材的沖擊韌性與環(huán)境溫度的關(guān)系，從中你發(fā)現(xiàn)了什么？3.沖擊韌性脆性轉(zhuǎn)變溫度韌性脆性溫度沖擊韌性我get了案例中橋梁突然斷塌的原因了。沖擊吸收能量—溫度關(guān)系（試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合曲線）不同來(lái)源試驗(yàn)數(shù)據(jù)沖擊吸收能量（J）溫度（oC）3.沖擊韌性大家想一想，鋼材的實(shí)際工作溫度應(yīng)該比脆性轉(zhuǎn)變溫度高還是低？為什么？高吧？因?yàn)椤瓚?yīng)該是低！…？？？自由輪：美國(guó)二戰(zhàn)期間生產(chǎn)并出口的低造價(jià)貨船二戰(zhàn)期間，多艘自由輪（Libertyship）進(jìn)入北大西洋服役后發(fā)生沉船事故。請(qǐng)嘗試從鋼材的韌性分析原因。

定義：鋼材抵抗硬物壓入其表面的能力。測(cè)定（評(píng)定）方法4.表面硬度測(cè)定方法發(fā)明者壓入硬物（壓頭）測(cè)定指標(biāo)基本原理布氏硬度法(Brinell)硬質(zhì)合金球HBW壓痕深度壓痕表面積以恒定的外力將規(guī)定的