知識資料鋼結構(一)(新版)知識資料

朽木易折，金石可鏤。千里之行，始于足下。第頁/共頁需要課件請或第十五章鋼結構第一節(jié)鋼結構的材料一、鋼的種類鋼結構所用的鋼材主要為碳素鋼和低合金鋼二類。鋼結構所用鋼種如下：碳素鋼：普通碳素結構鋼、優(yōu)質碳素結構鋼、鍋爐用碳素鋼低合金鋼：低合金高強度結構鋼、焊接結構用耐候鋼、高耐候性結構鋼、橋梁用結構鋼、鍋爐用低合金鋼二、鋼材的力學性能(一)強度1，鋼材勻稱受拉的工作特性(1)彈性階段——OAE段OA段為線彈性工作階段，fp為比例極限；AE段為非線彈性工作階段，fe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為屈服強度，又叫屈服點、流限。(3)屈服階段——CF段鋼材(試件)徹低屈服，σ不增強(保持fy)而ε驟增。(4)強化階段——FB段鋼材內部組織滑動后，重新羅列和建立了新的平衡，彈性未徹低恢復故塑性特性顯然。(5)頸縮階段——BD段應力超過fu后，試件浮上“頸縮”而斷裂，人為抗拉強度，又叫極限強度、抗拉極限。2．重要的工作特性：(1)強度指標fp、fe、fy很臨近，且在屈服前應變很小，對Q235εp≈0.1％(εy≈0.15％)，可以把三點看作為一點，并以屈服點fy作為代表。(2)應力小于fy時，鋼材處于彈性階段工作，而當應力達到fy后，鋼材因屈服而產(chǎn)生很大變形，在構件設計中普通將fy作為決定鋼材設計強度的根據(jù)。(3)應力大于fy但小于fu，材料尚未最后破壞，當應力大于fu則造成破壞。比值fu／fy可以看作是衡量鋼材強度儲備的一個系數(shù)。(4)鋼材在屈服點前的性質臨近理想的彈性體，而屈服點后的流幅現(xiàn)象又臨近理想的塑性體，并且流幅的范圍又是充足大(對Q235ε=0.15％～2.5％)，故可認為鋼材是最理想的彈性—塑性體。注：(1)以上工作特性是由單向勻稱受拉靜力實驗結果得出。對于受力情況復雜的實際構件僅供參考。(2)強度指標是重要根據(jù)之一，但單憑這一指標不足以徹低判定結構是否安全可靠。(二)塑性塑性：普通指鋼材受力屈服后，能產(chǎn)生顯著的殘余變形(塑性變形)而不趕緊斷裂的性質。塑性指標：衡量鋼材塑性好壞的主要指標是伸長率δ和斷面收縮率Ψδ=(l1-l0)/l0×100%Ψ=(A0-A1)/A0×100%式中l(wèi)o——試件拉伸前標距長度；11--試件拉斷后原標距間長度；Ao--試件截面面積；Al--拉斷后頸縮區(qū)的截面面積。δ是標距l(xiāng)0范圍內的平均值(包括頸縮區(qū)和非頸縮區(qū))，不徹低代表頸縮區(qū)的鋼材的最大塑性變形能力，但容易測量。Ψ是衡量鋼材塑性的一個比較真切和穩(wěn)定的指標，表示復雜應力的頸縮區(qū)的最大塑性變形量，但測量誤差大。注：(1)因為實際結構承受的復雜應力、沖擊或振動應力、局部應力高峰等，要求鋼材具有良好的塑性才干舉行“塑性內力重分配”和避免脆性斷裂。(2)鋼材塑性好壞對于承受活動荷載異常是動力荷載的結構是決定結構是否安全的主要因素之一。在這種意義下可以說鋼材塑性指標比強度指標更為重要。(三)韌性韌性：鋼材在塑性變形和斷裂過程中吸收能量的能力。韌性指標：沖擊韌性ak=AK/AN.m／cm2式中:Ax——實驗機的沖擊功N.m；A——缺口處凈截面面積cm2。注：(1)韌性是反映強度與塑性的綜合表現(xiàn)的指標。(2)韌性的顯著特點在于它表示鋼材抵御沖擊荷載的能力。(3)為了使韌性指標更有實用價值，除了以沖擊實驗代替靜力實驗外，試件做成有缺口的(應力擴散嚴重)。(4)目前國際上有三類缺口型式：V形、鑰孔形和U形。我國國家標準規(guī)定v形。(5)鋼材的韌性與溫度有關。(6)鋼材的韌性與軋制方向有關。(四)冷彎性能冷彎性能：鋼材在冷加工產(chǎn)生塑性變形時，對產(chǎn)生裂縫的抵御能力。冷彎性能指標：冷彎實驗通過冷彎沖頭加壓(d=1a:2a)當試件彎曲至某一規(guī)定角度。時(普通a=1800)（如圖15－1－7），檢查彎曲部分的外面、里面、側面，如無裂紋、裂斷、分層等即合格。冷彎實驗一方面是檢驗鋼材能否適應構件制作中的冷加工工藝過程，另一方面通過試驗還能裸露出鋼材的內部缺陷(顆粒組織、結晶情況和非金屬夾雜物分布等缺陷)，鑒定鋼材的塑性和可焊性。(五)沿板厚方向性能在焊接承重結構中，對沿厚度方向受拉的接頭，必須防止鋼材的層狀撕裂。對于板厚大于40mm的鋼板需舉行沿板厚方向性能實驗。試件應取沿板厚方向，檢查斷面收縮率Ψ是否滿意正方向性能等級要求，其含硫量比普通結構用鋼的含硫量鄭重，要求不大于0.1％。(六)可焊性可焊性：在一定材料，工藝和結構條件下，鋼材經(jīng)過焊接后能夠獲得良好的焊接接頭的性能?？珊感杂址譃槭┕ど系目珊感院褪褂眯阅苌系目珊感浴Ｊ┕ど系目珊感?，指(焊接接頭的)焊縫金屬產(chǎn)生裂紋的敏感性，以及因為焊接加熱的影響，近縫區(qū)鋼材的硬化和產(chǎn)生裂紋的敏感性，可焊性好就不產(chǎn)生裂紋。使用性能上的可焊性，指焊接接頭和焊縫的缺口沖擊韌性和熱影響區(qū)的延伸性(塑性)，要求焊接結構在施焊后的力學性能不低于母材的力學性能。(七)耐久性耐腐蝕性：通過油漆等表面防護措施提高鋼材的耐腐蝕能力。耐老化性：隨著時光的增長，鋼材浮上所謂“時效”現(xiàn)象，即“老化”現(xiàn)象。耐持久高溫性：在持久高溫條件下工作的鋼材，其破壞強度比靜力拉伸實驗的強度低得多，應另行測定“持久強度”。耐疲勞性：鋼結構或構件在持久延續(xù)的交變荷載或重復荷載作用下，雖應力低于人也往往會發(fā)生破壞，叫“疲勞破壞”。三、影響鋼材力學性能的因素鋼材的兩種破壞形式：(1)塑性破壞——構件的應力超過屈服點fy，并達到fu后，構件產(chǎn)生很大的變形和顯然的“頸縮”現(xiàn)象。破壞后的斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗。特點：破壞前有顯然的預兆，破壞?？梢灶A防和避免；破壞前有很大塑性變形，導致內力重分布，對構件有利。(2)脆性破壞——破壞前構件變形很小，平均應力亦小(普通都小于屈服點fy)。破壞前沒有任何預兆，破壞是驟然發(fā)生的，斷口平直和呈有光澤的晶粒狀。特點：在構件的缺口、裂縫處應力擴散而引起破壞，后果嚴重，損失較大，應努力防止脆性破壞。影響鋼材力學性能的主要因素有鋼材的化學成分，鋼材的冶金和軋制過程，時效、冷作硬化，工作溫度，復雜應力，加荷速度，焊接影響和制作技術，應力擴散和疲勞現(xiàn)象等。(一)化學成分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。結構用鋼的基本元素是鐵(Fe)，約占99％。此外還有其他元素。有益的元素有：碳(C)、硅(Si)、錳(Mn)等，還有合金元素，如鎳Ni、鉻Cr、銅Cu、釩v、鉬Mu、鋁Al、鈦Ti等，其總量不超過1.5％。有害元素有：硫(S)、磷(P)、氧(O)、氮(N)等，它在冶煉中不易除盡，其總量不超過0.95％0。1．碳(C)碳是除鐵以外最主要的元素，它直接影響鋼材的強度、塑性、韌性和可焊性等。碳的含量提高，鋼材的屈服強度和抗拉極限強度提高，但塑性和韌性、異常是低溫沖擊韌性下降。鋼材的可焊性、疲勞強度和冷彎性能也會下降。因此結構用鋼的含碳量不宜太高，普通不超過0.22％，在焊接結構中則低于0.2％。2．錳(Mn)：弱脫氧劑，錳與鐵、碳的化合物能溶解于純鐵體、滲碳體中，起強化作用。普通含量0.3％--0.8％，含量過高(達1.6％以上)會使鋼材變脆。3．硅(Si)：普通作脫氧劑參加，含量0.10％--0.30％，能使純鐵體結晶勻稱，晶粒細致，它能使強度提高而塑性、韌性等不降低。含量過高(達≥1.0％時)則會使鋼材變脆。4．硫(S)：有害元素，使鋼材“熱脆”。硫與鐵化合為硫化鐵(FeS)，散布在純鐵體晶粒間層中，含硫量大時，鋼材的塑性、韌性、疲勞強度等降低，高溫時(800—12000C)如焊、鉚、熱加工等，硫化鐵即熔化(熔點為9850C)，造成晶界開裂，稱為“熱脆”，普通結構控制5．磷(P)：有害元素，使鋼材“冷脆”。磷與純鐵體結成不穩(wěn)定的固溶體，有增大純鐵體晶粒的害處。磷可使鋼的強度提高，但大大降低塑性和韌性，使鋼在低溫時變得很脆，即“冷脆”，普通含量≤0.050％，焊接結構≤0.045％。6．氧(O)：殘留雜質，作用與硫s相似，“熱脆”。7．氮(N)：殘留雜質，作用與磷P相似，“冷脆”。硫、磷含量嚴重影響鋼材質量：普通碳素鋼：硫S≤0