知識資料鋼結(jié)構(gòu)(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(jié)構(gòu)第一節(jié)鋼結(jié)構(gòu)的材料一、鋼的種類鋼結(jié)構(gòu)所用的鋼材主要為碳素鋼和低合金鋼二類。鋼結(jié)構(gòu)所用鋼種如下：碳素鋼：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、鍋爐用碳素鋼低合金鋼：低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼、焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼、高耐候性結(jié)構(gòu)鋼、橋梁用結(jié)構(gòu)鋼、鍋爐用低合金鋼二、鋼材的力學(xué)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(nèi)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(fù)故塑性特性顯然。(5)頸縮階段——BD段應(yīng)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(biāo)fp、fe、fy很臨近，且在屈服前應(yīng)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(yīng)力小于fy時，鋼材處于彈性階段工作，而當(dāng)應(yīng)力達到fy后，鋼材因屈服而產(chǎn)生很大變形，在構(gòu)件設(shè)計中普通將fy作為決定鋼材設(shè)計強度的根據(jù)。(3)應(yīng)力大于fy但小于fu，材料尚未最后破壞，當(dāng)應(yīng)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(zhì)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(jié)果得出。對于受力情況復(fù)雜的實際構(gòu)件僅供參考。(2)強度指標(biāo)是重要根據(jù)之一，但單憑這一指標(biāo)不足以徹低判定結(jié)構(gòu)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(zhì)。塑性指標(biāo)：衡量鋼材塑性好壞的主要指標(biāo)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(biāo)距長度；11--試件拉斷后原標(biāo)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(biāo)距l(xiāng)0范圍內(nèi)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(biāo)，表示復(fù)雜應(yīng)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(jié)構(gòu)承受的復(fù)雜應(yīng)力、沖擊或振動應(yīng)力、局部應(yīng)力高峰等，要求鋼材具有良好的塑性才干舉行“塑性內(nèi)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(jié)構(gòu)是決定結(jié)構(gòu)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(biāo)比強度指標(biāo)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(biāo)：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(biāo)。(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(biāo)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)規(guī)定v形。(5)鋼材的韌性與溫度有關(guān)。(6)鋼材的韌性與軋制方向有關(guān)。(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(biāo)：冷彎實驗通過冷彎沖頭加壓(d=1a:2a)當(dāng)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(cè)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(yīng)構(gòu)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(nèi)部缺陷(顆粒組織、結(jié)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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?。施工上的可焊性，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(jié)構(gòu)在施焊后的力學(xué)性能不低于母材的力學(xué)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(yīng)另行測定“持久強度”。耐疲勞性：鋼結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在持久延續(xù)的交變荷載或重復(fù)荷載作用下，雖應(yīng)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(xué)性能的因素鋼材的兩種破壞形式：(1)塑性破壞——構(gòu)件的應(yīng)力超過屈服點fy，并達到fu后，構(gòu)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(yù)兆，破壞常可以預(yù)防和避免；破壞前有很大塑性變形，導(dǎo)致內(nèi)力重分布，對構(gòu)件有利。(2)脆性破壞——破壞前構(gòu)件變形很小，平均應(yīng)力亦小(普通都小于屈服點fy)。破壞前沒有任何預(yù)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(gòu)件的缺口、裂縫處應(yīng)力擴散而引起破壞，后果嚴重，損失較大，應(yīng)努力防止脆性破壞。影響鋼材力學(xué)性能的主要因素有鋼材的化學(xué)成分，鋼材的冶金和軋制過程，時效、冷作硬化，工作溫度，復(fù)雜應(yīng)力，加荷速度，焊接影響和制作技術(shù)，應(yīng)力擴散和疲勞現(xiàn)象等。(一)化學(xué)成分的影響鋼材的化學(xué)成分直接影響鋼的組織構(gòu)造，從而影響鋼材的力學(xué)性能。結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)用鋼的含碳量不宜太高，普通不超過0.22％，在焊接結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)構(gòu)控制5．磷(P)：有害元素，使鋼材“冷脆”。磷與純鐵體結(jié)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(jié)構(gòu)≤0.045％。6．氧(O)：殘留雜質(zhì)，作用與硫s相似，“熱脆”。7．氮(N)：殘留雜質(zhì)，作用與磷P相似，“冷脆”。硫、磷含量嚴重影響鋼材質(zhì)量：普通碳素鋼：硫S≤0