大学精品课件:第2章钢结构材料.ppt
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- 大学 精品 课件 钢结构 材料
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1、第二章第二章 钢结构材料钢结构材料 第一节第一节 建筑钢结构对材料的要求建筑钢结构对材料的要求 第二节第二节 钢材的主要性能测试钢材的主要性能测试 第三节第三节 影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素 第四节第四节 复杂应力状态下的屈服条件复杂应力状态下的屈服条件 第五节第五节 钢材的疲劳钢材的疲劳 第六节第六节 建筑结构用钢的种类及选择建筑结构用钢的种类及选择 第一节第一节 建筑钢结构对材料的要求建筑钢结构对材料的要求 1 1、较高的强度:、较高的强度:结构承载力大,截面小,结构的自重轻;结构承载力大,截面小,结构的自重轻; 2 2、较好的塑性及韧性:、较好的塑性及韧性:塑性好,破坏前
2、变形明显,不易发塑性好,破坏前变形明显,不易发 生脆性破坏,同时可以调整局部高峰应力,内力重分生脆性破坏,同时可以调整局部高峰应力,内力重分 布;韧性好,利于承受动力荷载,避免发生裂纹和脆布;韧性好,利于承受动力荷载,避免发生裂纹和脆 性断裂;性断裂; 3 3、良好的加工性能:、良好的加工性能:不因加工对结构的强度、塑性、韧性不因加工对结构的强度、塑性、韧性 造成较大的不良影响;造成较大的不良影响; 4 4、其他性能:具有适应低温、高温和抵抗腐蚀的性能。、其他性能:具有适应低温、高温和抵抗腐蚀的性能。 钢结构设计规范钢结构设计规范 GB50017GB50017- -20032003推荐承重结构
3、推荐承重结构 用钢宜采用:用钢宜采用:碳素结构钢中的碳素结构钢中的Q235Q235钢钢及及低合金高强低合金高强 结构钢中的结构钢中的Q345Q345、Q390Q390和和Q420Q420钢钢四种钢材。四种钢材。 第二节第二节 钢材的主要性能测试钢材的主要性能测试 一、强度一、强度 1 1、弹性阶段、弹性阶段 由零到比例极限,应力应变符合虎由零到比例极限,应力应变符合虎 克定律,完全卸载时变形变为零,不存克定律,完全卸载时变形变为零,不存 在残余变形,直线斜率为弹模在残余变形,直线斜率为弹模 曲线五个阶段曲线五个阶段 2 2、弹塑性阶段、弹塑性阶段 应力应变非线性关系,应变包括弹性应变和塑性应变
4、,卸载时塑性应力应变非线性关系,应变包括弹性应变和塑性应变,卸载时塑性 应变不能恢复,存在残余变形;内部晶粒发生滑移应变不能恢复,存在残余变形;内部晶粒发生滑移, ,相应应力为屈服点;相应应力为屈服点; 3 3、塑性阶段、塑性阶段 应力屈服后,应力保持不变,应变继续增加;相应的应变幅度称为应力屈服后,应力保持不变,应变继续增加;相应的应变幅度称为 流幅,流幅越大,钢材的塑性越好流幅,流幅越大,钢材的塑性越好 4 4、强化阶段、强化阶段 屈服后,恢复抵抗外载能力,曲线呈上升的非线性关系,直到抗拉屈服后,恢复抵抗外载能力,曲线呈上升的非线性关系,直到抗拉 强度(对应极限荷载)强度(对应极限荷载)
5、5 5、颈缩阶段、颈缩阶段 到达极限荷载后,在试件质量较差截面发生颈缩,即截面减小,变到达极限荷载后,在试件质量较差截面发生颈缩,即截面减小,变 形增大,承载能力随之下降,试件破坏。形增大,承载能力随之下降,试件破坏。 1 1、本构关系、本构关系 (1) (1) 屈服点屈服点fyfy; (2) (2) 水平直线段用流幅段;水平直线段用流幅段; 2 2、抗拉强度、抗拉强度fufu:最大承载强度,安全储备最大承载强度,安全储备 3 3、弹性模量、弹性模量E E 几个重要参数几个重要参数 塑性破坏:塑性破坏:加载后有较大变形,加载后有较大变形,有明显的颈缩有明显的颈缩 现象现象,因此破坏前有预兆,断
6、裂时断口呈纤维状,因此破坏前有预兆,断裂时断口呈纤维状, 色泽发暗;构件断裂发生在色泽发暗;构件断裂发生在应力达到钢材的抗拉强应力达到钢材的抗拉强 度度fufu; 脆性破坏:脆性破坏:加载后,加载后,无明显变形无明显变形,因此破坏前,因此破坏前 无预兆,断裂时断口平齐,呈有光泽的晶粒状,脆无预兆,断裂时断口平齐,呈有光泽的晶粒状,脆 性破坏危险性大;破坏时性破坏危险性大;破坏时应力常小于钢材的屈服点应力常小于钢材的屈服点 fyfy; 钢材的破坏形式钢材的破坏形式 二、塑性二、塑性 1 1、定义:、定义:钢材屈服后,产钢材屈服后,产 生残余变形(塑变)而不生残余变形(塑变)而不 发生脆性断裂的性
7、质发生脆性断裂的性质 2 2、指标:、指标:伸长率伸长率 5 5( 1010)和断面收缩率)和断面收缩率 3 3、意义:、意义:代表钢材断裂前具有的塑性变形能代表钢材断裂前具有的塑性变形能 力;便于内力重分布,吸收能量。力;便于内力重分布,吸收能量。 思考:思考:相同材料分别采用长试件(相同材料分别采用长试件(10d10d)和短试件)和短试件 (5d5d),请问两者哪个大?),请问两者哪个大? 三、韧性冲击韧性三、韧性冲击韧性 1 1、定义:动力性能,、定义:动力性能,钢材在一定温度下塑变及断裂过程钢材在一定温度下塑变及断裂过程 中吸收能量的能力,即抵抗冲击荷载的能力;中吸收能量的能力,即抵抗
8、冲击荷载的能力; 2 2、计算:、计算:断口(单位面积上)的功即为冲击韧性;断口(单位面积上)的功即为冲击韧性; 3 3、试件类型:、试件类型:夏比(夏比(V V形)和梅氏(形)和梅氏(U U形)形) 4 4、温度的影响:、温度的影响:温度越低,冲击韧性越低;按常温温度越低,冲击韧性越低;按常温 (2020)、零温()、零温(0 0) 、负温(、负温(- -2020、- -4040)四档。)四档。 四、冷弯性能四、冷弯性能 1 1、定义:、定义:在冷加工过程中产生在冷加工过程中产生 塑性变形(弯曲变形)时,对产塑性变形(弯曲变形)时,对产 生裂纹(分层)的抵抗能力。生裂纹(分层)的抵抗能力。
9、2 2、参数:、参数:弯心直径弯心直径d d和弯曲角度和弯曲角度 180180; 3 3、意义:、意义:判别钢材塑性变形能判别钢材塑性变形能 力及冶金质量(颗粒结晶及非金力及冶金质量(颗粒结晶及非金 属杂质分布)的综合指标。属杂质分布)的综合指标。 4 4、对象:、对象:对需进行冷加工、尤对需进行冷加工、尤 其是焊接结构焊接变形需要进行其是焊接结构焊接变形需要进行 调直和调平的构件。调直和调平的构件。 五、可焊性五、可焊性 1 1、定义:、定义:可焊性是指采用一可焊性是指采用一 般焊接工艺就可完成合格的般焊接工艺就可完成合格的 ( (无裂纹的无裂纹的) )焊缝的性能。焊缝的性能。 图 7-2
10、手工电弧焊 图 7-3 自动埋弧焊 1电源;2导线;3夹具; 1焊丝转盘;2转动焊丝的电动机; 4焊条;5药皮;6焊件 3焊剂漏斗;4电源;5熔化的焊剂; 6焊缝金属;7焊件;8移动方向 2 2、分类:、分类:施工上可焊性施工上可焊性(焊缝金属和近缝区不出(焊缝金属和近缝区不出 现裂缝)和现裂缝)和使用性能上的可焊性使用性能上的可焊性(焊接构件在施焊(焊接构件在施焊 后的力学性能不低于母材的力学性能);后的力学性能不低于母材的力学性能); 3 3、所含元素的影响:、所含元素的影响:钢材的可焊性受钢材的可焊性受碳碳含量和合含量和合 金元素含量的影响。碳含量在金元素含量的影响。碳含量在0.120.
11、120.200.20范围范围 内的碳素钢,可焊性最好。碳含量再高可使焊缝和内的碳素钢,可焊性最好。碳含量再高可使焊缝和 热影响区变脆。热影响区变脆。 第三节 影响钢材性能的主要因素 1 1、化学成分、化学成分 2 2、成材(冶金、浇铸及轧制)过程、成材(冶金、浇铸及轧制)过程 3 3、钢材缺陷、钢材缺陷 4 4、钢材硬化、钢材硬化 5 5、应力集中、应力集中 6 6、温度、温度 一、化学成份的影响一、化学成份的影响 基本成份:铁(基本成份:铁(Fe)Fe) 有益元素:碳(有益元素:碳(C C)、硅()、硅(SiSi)、锰()、锰(MnMn) 有害元素:硫(有害元素:硫(S S)、磷()、磷(P
12、 P)、氮()、氮(N N)、氧()、氧(O O) 1 1、碳(、碳(C C) 碳是形成钢材强度的主要成分;碳是形成钢材强度的主要成分; CC强度强度塑性、韧性、可焊性、冷弯性能塑性、韧性、可焊性、冷弯性能 焊接结构应控制在焊接结构应控制在0.20%0.20%。 一、化学成份的影响一、化学成份的影响 2 2、锰(、锰(MnMn) 提高强度,不过多降低塑性和冲击韧性;提高强度,不过多降低塑性和冲击韧性; 脱氧作用,但属于脱氧作用,但属于弱脱氧剂弱脱氧剂; 消除硫对钢的消除硫对钢的热脆热脆影响;影响; 锰可降低钢材的可焊性,故含量有限制锰可降低钢材的可焊性,故含量有限制。 3 3、硅(、硅(SiS
13、i) 有脱氧作用,是有脱氧作用,是强脱氧剂强脱氧剂。 使钢材的粒度变细,控制适量时可提高强度而不显使钢材的粒度变细,控制适量时可提高强度而不显 著影响塑性、韧性、冷弯性能及可焊性;著影响塑性、韧性、冷弯性能及可焊性; 过量时则会恶化可焊性及抗锈蚀性过量时则会恶化可焊性及抗锈蚀性。 4 4钒钒(V)(V)、铌、铌(Nb)(Nb)、钛、钛(Ti)(Ti) 使钢材晶粒细化;使钢材晶粒细化; 低合金钢的合金元素;低合金钢的合金元素; 提高钢材强度,又保持良好的塑性、韧性。提高钢材强度,又保持良好的塑性、韧性。 5 5、硫、硫(S)(S) 生成易于熔化的硫化铁,当热加工及焊接时易出现生成易于熔化的硫化铁
14、,当热加工及焊接时易出现 裂纹,称为裂纹,称为热脆。热脆。 降低钢冲击韧性,同时影响疲劳性能与抗锈蚀性能。降低钢冲击韧性,同时影响疲劳性能与抗锈蚀性能。 一、化学成份的影响一、化学成份的影响 6 6磷磷(P)(P) 碳素钢中的杂质,在低温下使钢变脆,这种现象称为碳素钢中的杂质,在低温下使钢变脆,这种现象称为冷冷 脆。脆。在高温时使钢减少塑性。在高温时使钢减少塑性。 但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。 7 7氧氧(O)(O)、氮、氮(N)(N) 氧能使钢氧能使钢热脆热脆,其作用比硫剧烈;,其作用比硫剧烈; 氮能使钢氮能使钢冷脆冷脆,与磷相似。,与磷相似。 在浇铸过程
15、中,应根据需要进行不同程度的脱氧处理。在浇铸过程中,应根据需要进行不同程度的脱氧处理。 一、化学成份的影响一、化学成份的影响 1 1冶炼冶炼 平炉炼钢平炉炼钢 氧气顶吹转炉炼钢:氧气顶吹转炉炼钢:投资少、建厂快、生产效率高、投资少、建厂快、生产效率高、 原料适应性大原料适应性大 电炉炼钢电炉炼钢 2 2浇铸浇铸 特殊镇静钢特殊镇静钢 镇静钢:镇静钢:硅强脱氧剂;晶粒较细,强度高,塑性韧硅强脱氧剂;晶粒较细,强度高,塑性韧 性好,可焊性好性好,可焊性好 半镇静钢半镇静钢 沸腾钢:沸腾钢:锰弱脱氧剂,锰弱脱氧剂,COCO溢出;构造和晶粒粗细不溢出;构造和晶粒粗细不 均匀,塑性、韧性和可焊性较差均匀
16、,塑性、韧性和可焊性较差 二、二、 成材过程的影响成材过程的影响 二、二、 成材过程的影响成材过程的影响 3 3轧制轧制 轧制能使金属的晶粒变细,气泡、裂纹等焊合,能轧制能使金属的晶粒变细,气泡、裂纹等焊合,能 改善钢材的力学性能。改善钢材的力学性能。 薄板因辊轧次数多,其强度比厚板略高;薄板因辊轧次数多,其强度比厚板略高; 浇铸时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层,浇铸时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层, 设计时应尽量避免拉力垂直于板面的情况,以防止层设计时应尽量避免拉力垂直于板面的情况,以防止层 间撕裂。间撕裂。 1 1、偏析:、偏析:化学成分不一致和不均匀性,尤其是硫化学成分不
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