第二章 钢结构材料,张丽梅,钢结构对材料的要求：, 较高的强度, 塑性好, 冲击韧性好, 冷加工性能好, 可焊性好, 耐久性好,力学性能,主要内容,单向均匀受拉时的工作性能,单轴反复拉伸时的工作性能,复杂应力下的工作性能,钢材抗冲击性能和冷弯性能,钢材可焊性、抗腐蚀性、延性,Q235标准试件,Q235钢单向受拉应力应变曲线,钢材单向受拉时的工作性能, 钢材的荷载变形曲线,常温,静载,拉伸曲线反映了钢材的力学特性，描述如下： (1)弹性阶段：OAE段 OA直线的斜率称为弹性模量E，fp称为比例极限，fe称为弹性极限。 (2)弹塑性阶段：EC段 与不呈比例，除弹性变形外还有塑性变形，fy称为屈服强度，又叫屈服点（Yield Point，材料力学中用s表示）。,单向受拉应力应变曲线,(3)屈服阶段：CF段 钢材完全屈服，不增加（保持fy），而骤增。 (4)强化阶段：FB段 经过屈服阶段后，钢材内部组织重新排列，抵抗外力的能力增强。 (5)颈缩阶段：BD段 应力超过fu后，试件出现“颈缩”而断裂， fu称为抗拉强度(Tensile Strength，材料力学中用b表示）。,单向受拉应力应变曲线,根据上述特性，可确定钢材的强度指标和塑性指标。,弹性阶段,比例极限,屈服点,屈服阶段,流幅,强化和颈缩阶段,极限强度,弹性模量,钢材的工作特性,钢材的弹性阶段以屈服点fy为上限,钢材是理想弹塑性材料,钢材破坏前塑性变形很大,钢材抗拉强度是钢材破坏前的最大应力。 屈强比越小，钢材的安全储备越高。,钢材的塑性,塑性应力超过屈服点后，能产生显著残余变形而不立即断裂的性质。 伸长率和收缩率是衡量钢材塑性的两个指标。,伸长率：,拉伸试件,取试件直径的5倍或10倍为标矩长度来测量其伸长率,伸长率易于准确测量，是衡量钢材塑性的一个必要指标。,试件颈缩区应力状态图,截面收缩率：,截面收缩率不易准确测量，是衡量钢材塑性的一个参考指标。,钢材厚度方向的性能试验,厚钢板的层状撕裂,Z15、Z25、Z35三个指标来衡量三个级别厚度方向钢板的含硫量及断面收缩率。,钢材单轴反复应力下工作性能,钢材的时效现象,钢材的疲劳,Q235钢在,循环次数,时的应力应变滞回曲线。,钢材在复杂应力下工作性能,三向应力作用下，钢材由弹性状态转变为塑性状态(屈服)的条件：,钢材弹性阶段,钢材塑性阶段,钢材在复杂应力下工作性能,钢材在复杂应力下工作性能,平面应力作用下，,一般的梁单元中：,纯剪时：,剪应力达到屈服点的0.58倍时，钢材进入塑性状态。所以钢材的抗剪屈服点为抗拉屈服点的0.58倍。,三种不同应力条件下的应力应变曲线,钢材在双向拉力作用下，屈服点和抗拉强度提高，伸长率下降；双向拉力愈接近，伸长率下降越多。, 钢材在异号双向应力作用下，屈服点和抗拉强度降低，伸长率增大。, 钢材在三向受拉作用下，钢材比双向受拉进一步下降，趋向于零，表现为脆性破坏。,三根应力应变曲线,(a)单向受拉 (b)双向受拉 (c)一向受拉，一向受压,钢材抗冲击性能,钢材韧性,冲击性能试验设备,常用缺口形式：夏氏V形、夏氏钥匙形、梅氏U形。,我国规定：冲击试验缺口采用夏氏V形。,冲击韧性与温度有关，温度愈低，冲击韧性愈低。,我国钢材韧性试验分成四档，分别为： +20、 0、 -20、 -40。,钢材冷弯性能,冷弯性能指钢材冷加工(即在常温下加工)产生塑性变形时，对发生裂缝的抵抗能力。,钢材可焊性,衡量普通碳素钢可焊性良好的标准： 碳含量在0.27%以下 固定杂质含锰量在0.7%以下 含硅量在0.4%以下 硫磷含量各在0.05%以下,低合金钢可焊性视其碳当量而定。,钢材抗腐蚀性,抗腐蚀性差,干腐蚀,湿腐蚀,抗腐蚀措施,涂料,耐候钢,铜、硫、磷,金属与非金属直接结合,水和非金属物质结合,钢材的破坏形式,塑性破坏（延性破坏）,构件应力超过屈服点并达到抗拉极限后，构件产生明显变形并断裂。,断裂前变形明显，断口杯形，可及时发现补救。,脆性破坏（脆性断裂）,构件破坏前无明显预兆，突然断裂,断口平直、呈有光泽的晶粒状,断裂前，平均应力较小,钢材的脆性断裂,裂纹基本形式,(1) 张开型,(2) 滑移型,(3) 撕开型,防止钢材脆性断裂的措施,加强施焊工艺管理，避免焊接过程中产生裂缝、夹渣、气泡等。 焊缝不宜过分集中，约束不应过强，避免产生过大残余应力。 合理细部设计，避免应力集中。 选择合理钢材。,钢材的疲劳破坏,钢材在连续反复荷载作用下的破坏称为疲劳破坏。 此时，应力低于极限强度，甚至低于屈服点。,破坏过程分为三个阶段：裂纹形成，裂纹缓慢扩展，迅速断裂破坏。,与钢材疲劳有关的因素：反复荷载引起的应力种类、应力循环形式、应力循环次数、应力集中程度、残余应力。,疲劳荷载,疲劳强度与应力循环的关系,钢材在曲线渐进处反复无穷多次仍不破坏，这就是所谓的疲劳强度极限。,损伤累积破坏,土木工程结构在施工和使用期间，总会受到各种不利因素或灾害的作用，使结构某一部分发生损伤。如果该结构继续使用，结构损伤不断累积而导致破坏，称为损伤累积破坏。,影响钢材性能的一般因素,化学成分影响 钢材生产过程影响 时效影响 冷作硬化影响 温度影响 应力集中影响,化学成分影响,C,Si,强度,塑性,韧性,可焊性,Mn,抗锈性,V,S,疲劳强度,P,冷弯性能,O,N,钢材生产过程影响,钢材冶炼过程,顶吹氧气转炉炼钢法,碱性平炉炼钢法,侧吹转炉炼钢法,钢材浇铸过程,钢材轧制过程,时效影响,纯铁体中留有一些数量极少的碳和氮的固熔物质，随着时间增加，这些固熔物质逐渐从纯铁体中析出，形成自由的碳化物和氮化物颗粒，散布在晶粒的滑移面上，起着阻碍滑移的强化作用，约束纯铁体发展塑性变形，称为时效现象。,冷作硬化影响,在重复荷载作用下，钢材弹性极限有所高的现象称为硬化。,温度影响,蓝脆现象,低温冷脆现象,应力集中影响,结构由于内部孔洞、槽口、凹角、裂缝及厚度变化、形状变化、内部缺陷等产生的应力不均匀现象。这些区域可能提前出现塑性变形。,钢结构用钢的分类,钢材的品种和牌号,碳素结构钢（普通碳素钢）,优质碳素结构钢,低合金结构钢,1,2,3,耐候耐火钢,优质钢丝绳,4,5,碳素结构钢,Q235,按照质量等级和脱氧方法等可以表示为：,Q235A屈服强度为235N/mm2, A级镇静钢,Q235AF屈服强度为235N/mm2, A级沸腾钢,Q235Bb屈服强度为235N/mm2, B级半镇静钢,Q235D屈服强度为235N/mm2, D级特殊镇静钢,Q235C屈服强度为235N/mm2, C级镇静钢,低合金钢,Q345B屈服强度为345N/mm2, B级镇静钢,Q390D屈服强度为390N/mm2, D级特殊沸镇静钢,Q345C屈服强度为345N/mm2, C级特殊镇静钢,Q390A屈服强度为390N/mm2, A级镇静钢,Q420E屈服强度为420N/mm2, E级特殊镇静钢,优质钢丝绳,a) 右交互捻 b) 左交互捻 c) 右同向捻 d) 左同向捻,银川艾倚河斜拉桥,美国跨海大桥,平行钢索,杭州湾跨海大桥,钢绞索,中国航海博物馆,耐候钢,铜、铬、镍、铌、钼、钛、锆、钒,耐火钢,钼、铬、铌,耐火耐候钢,国外钢材品种和牌号简介,XXX XX X,钢材质量等级,钢材最低抗拉强度,字首符号,美国A，日本SS、SM、SN、SMA， 德国St，法国A、E，前苏联C，英国无字首,A、B、C、D、E,ISO国际标准,英国标准,欧洲标准,美国标准,日本标准,俄罗斯标准,钢材选用原则,原则：既能使结构安全可靠和满足使用要求，又要最大可能节约钢材和降低造价。,结构类型及重要性,结构工作温度,荷载性质,连接方法,结构受力性质,结构形式 钢材厚度,钢材规格,Description of the contents,热轧,冷弯,钢板,圆钢,型钢,钢管,薄壁型钢,焊接钢管,钢板,薄钢板，厚度0.354mm,厚钢板，厚度4.560mm，其中4.520mm为中厚度,特厚板，厚度大于60mm,扁钢，厚度460mm，其中4.520mm为中厚度,型钢,冷弯薄壁型钢,THE END!,