资源预览内容
第1页 / 共35页
第2页 / 共35页
第3页 / 共35页
第4页 / 共35页
第5页 / 共35页
第6页 / 共35页
第7页 / 共35页
第8页 / 共35页
第9页 / 共35页
第10页 / 共35页
亲,该文档总共35页,到这儿已超出免费预览范围,如果喜欢就下载吧!
资源描述
第二章第二章 钢结构材料钢结构材料l 第一节 建筑钢结构对材料的要求 l 第二节 钢材的主要性能测试l 第三节 影响钢材性能的主要因素 l 第四节 复杂应力状态下的屈服条件 l 第五节 钢材的疲劳 l 第六节 建筑结构用钢的种类及选择第一节 建筑钢结构对材料的要求1、较高的强度:结构承载力大,截面小,结构的自重轻; 2、较好的塑性及韧性: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 布;韧性好,利于承受动力荷载,避免发生裂纹和脆 性断裂; 3、良好的加工性能:不因加工对结构的强度、塑性、韧性造成较大的不良影响; 4、其他性能:具有适应低温、高温和抵抗腐蚀的性能。pp钢结构设计规范钢结构设计规范GB50017-2003GB50017-2003推荐承重结构用推荐承重结构用 钢宜采用: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结低合金高强结 构钢中的构钢中的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1、弹性阶段由零到比例极限,应力应变符合虎 克定律,完全卸载时变形变为零,不存 在残余变形,直线斜率为弹模p 曲线五个阶段2、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,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,相应应力为屈服点; 3、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流 幅,流幅越大,钢材的塑性越好 4、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,直到抗拉强 度(对应极限荷载) 5、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,变形 增大,承载能力随之下降,试件破坏。1、本构关系(1) 屈服点fy;(2) 水平直线段用流幅段; 2、抗拉强度fu:最大承载强度,安全储备 3、弹性模量Ep 几个重要参数 塑性破坏:加载后有较大变形,有明显的颈缩现 象,因此破坏前有预兆,断裂时断口呈纤维状,色泽发暗;构件断裂发生在应力达到钢材的抗拉强度 fu; 脆性破坏:加载后,无明显变形,因此破坏前无 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;破坏时应力常小于钢材的屈服点fy ; p 钢材的破坏形式二、塑性1、定义:钢材屈服后,产 生残余变形(塑变)而不 发生脆性断裂的性质2、指标:伸长率5(10)和断面收缩率 3、意义: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。思考:相同材料分别采用长试件(10d)和短试件( 5d),请问两者哪个大?三、韧性冲击韧性1、定义:动力性能,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;2、计算:断口(单位面积上)的功即为冲击韧性;3、试件类型:夏比(V形)和梅氏(U形)4、温度的影响:温度越低,冲击韧性越低;按常温(20 )、零温(0) 、负温(-20、-40)四档。四、冷弯性能1、定义:在冷加工过程中产生 塑性变形(弯曲变形)时,对产 生裂纹(分层)的抵抗能力。2、参数:弯心直径d和弯曲角度 180;3、意义:判别钢材塑性变形能 力及冶金质量(颗粒结晶及非金 属杂质分布)的综合指标。4、对象:对需进行冷加工、尤 其是焊接结构焊接变形需要进行 调直和调平的构件。五、可焊性1、定义:可焊性是指采用一 般焊接工艺就可完成合格的( 无裂纹的)焊缝的性能。2、分类:施工上可焊性(焊缝金属和近缝区不出 现裂缝)和使用性能上的可焊性(焊接构件在施焊 后的力学性能不低于母材的力学性能);3、所含元素的影响:钢材的可焊性受碳含量和合 金元素含量的影响。碳含量在0.120.20范围 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。第三节 影响钢材性能的主要因素1、化学成分 2、成材(冶金、浇铸及轧制)过程 3、钢材缺陷 4、钢材硬化 5、应力集中 6、温度一、化学成份的影响基本成份:铁(Fe)有益元素:碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)有害元素:硫(S)、磷(P)、氮(N)、氧(O)1、碳(C) 碳是形成钢材强度的主要成分;C强度塑性、韧性、可焊性、冷弯性能焊接结构应控制在0.20%。 一、化学成份的影响2、锰(Mn) 提高强度,不过多降低塑性和冲击韧性;脱氧作用,但属于弱脱氧剂;消除硫对钢的热脆影响;锰可降低钢材的可焊性,故含量有限制。3、硅(Si)有脱氧作用,是强脱氧剂。使钢材的粒度变细,控制适量时可提高强度而不显 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。4钒(V)、铌(Nb)、钛(Ti)使钢材晶粒细化;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。5、硫(S)生成易于熔化的硫化铁,当热加工及焊接时易出现裂纹,称为热脆。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6磷(P) 碳素钢中的杂质,在低温下使钢变脆,这种现象称为冷 脆。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。7氧(O)、氮(N)氧能使钢热脆,其作用比硫剧烈; 氮能使钢冷脆,与磷相似。 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1冶炼 平炉炼钢 氧气顶吹转炉炼钢:投资少、建厂快、生产效率高、 原料适应性大 电炉炼钢2浇铸 u 特殊镇静钢 u 镇静钢:硅强脱氧剂;晶粒较细,强度高,塑性韧 性好,可焊性好 u 半镇静钢 u 沸腾钢:锰弱脱氧剂,CO溢出;构造和晶粒粗细不 均匀,塑性、韧性和可焊性较差二、 成材过程的影响二、 成材过程的影响3轧制 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。 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 ,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。1、偏析:化学成分不一致和不均匀性,尤其是硫 磷偏析;2、非金属夹杂:硫化物和氧化物等杂质;3、裂纹:微观和宏观的裂纹都将使钢材的冷弯性 能、韧性和疲劳强度降低;4、分层:沿厚度方向形成并不相互脱离的层间。 垂直厚度方向强度不影响,冷弯性能降低,分层 容易被锈蚀。三、钢材缺陷的影响1、冷作(应变)硬化:冷拉、冷弯、冲孔、机械剪切等 冷加工使钢材产生很大塑性变形,强度提高,但减小了 塑性和韧性。 2、时效硬化:钢材中的C、N,随着时间的增长和温度 的变化,而形成碳化物和氮化物,使钢材变脆,又称“ 老化” 3、应变时效:冷作硬化加时效硬化。四、钢材硬化的影响p 不管哪一种硬化都将降低钢材的塑性和韧性, 所以普通钢结构中一般不利用硬化现象所提高的强 度;对于有些重要结构要求对钢材进行特殊处理, 以消除或减轻硬化的不利影响。p 随着温度的升高,钢材强度降低,变形增大;随着温 度降低,强度增高但塑性和韧性降低,材料转脆,对冲 击韧性的影响十分突出。p 当温度降至某一数值时,钢材的韧性突然降低,称为 低温冷脆现象。p 在结构设计中要求避免 完全脆性破坏,所以结构 所处温度应大于脆性转变 温度T1。五、温度影响p 概念:当截面完整性遭到破坏 ,如有裂纹(内部的或表面的)、 孔洞、刻槽、凹角时以及截面的 厚度或宽度突然改变时,构件中 的应力分布将变得很不均匀。在 缺陷或截面变化处附近,应力线 曲折、密集、出现高峰应力的现 象称为应力集中。 p 力学特点:构件变化愈急剧, 高峰应力愈大,塑性下降愈严重 ,脆性破坏危险愈大。六、应力集中第四节 复杂应力状态下的屈服条件pp 复杂应力状态下的屈服准则(能量强度理论):复杂应力状态下的屈服准则(能量强度理论):复杂应力 状态下单位体积的单元体发生畸变时的变形能与单向拉伸时 单位体积的单元体屈服时的畸变应变能量相等,则该复杂应 力状态的单元体达到屈服;p 复杂应力状态下单位体积单元体变形能:p 单向受力状态下单位体积单元体变形能:p 单向受力达到屈服时单位体积单元体变形能:令令则则记记折算应力折算应力第四节 复杂应力状态下的屈服条件进一步讨论讨论(1)三向同号应力作用下,折算应力很小,不易屈服,没 有明显的塑性变形,属于脆性破坏;反之,当存在异号应 力时,钢材易屈服而进入塑性状态,呈塑性破坏。(2)平面应力:今后判断复杂平面应力是否屈服的公式;(3)平面纯剪时,fvy,剪切屈服点。(1 1)当)当 时,钢材未屈服;时,钢材未屈服; (2 2)当)当 时,钢材屈服;时,钢材屈服; 第四节 复杂应力状态下的屈服条件1、概念:在连续反复荷载作用下,当应力低于抗拉强度甚至低于屈服强度,钢材发生疲劳破坏;属于脆性破坏2、实质:微观裂缝在多次重复荷载作用下,微细裂缝缓慢发展到削弱原有截面,使构件或连接件因净截面强度不足而突然破坏。3、疲劳强度:取决于应力集中、残余应力和应力循环次数。4、验算对象:(1)出现拉应力;(2)循环次数大于5万。第五节第五节 钢材的疲劳钢材的疲劳完全对称循环( -1) 静荷载作用( +1) 脉冲循环( 0) 一般应力循环(-1+1)5、应力循环: 应力比值6、疲劳验算:对焊接结构为应力幅 maxmin;对 非焊接部位为折算应力幅 max0.7min ,应力 以拉为正,压为负;:常幅疲劳的容许应力幅:C,查表系数。容许应力幅与循环次数和应力集中程 度有关,次数越多, 越小;构件和连接所属 的类别越高,应力集中程度越严重,容许应力幅越小 。第七节第七节 钢材的种类和选择钢材的种类和选择一、建筑钢材的类别1、碳素结构钢p 牌号表示:p 质量等级据化学成分及冲击韧性分为A、B、C、D 四级;p 脱氧程度、冲击韧性;2、低合金高强度结构钢u 在钢的冶炼过程中添加少量几种合金元素使钢 的强度明显提高,故称低合金高强度结构钢。u Q345、Q39O和 Q420 是钢结构设计规范规定采 用的钢种。其符号的含义和碳素结构钢牌号的含义 相同。不同质量等级对碳、硫、磷、铝等含量的要 求也有区别。u 低合金高强度结构钢一般属于镇静钢,因此牌 号中不注明脱氧方法。一、建筑钢材的类别二、 钢材的选择1. 结构或构件的重要性;2. 荷载性质(静载或动载); 3. 连接方法(焊接、铆接或螺栓连接);4. 工作条件(温度及腐蚀介质)。u Q235A 钢的保证项目中,碳含量、冷弯试验合格 和冲击韧性值并未作为必要的保证条件,所以只宜 用于不直接承受动力作用的结构中。当用于焊接结 构时,其质量证明书中应注明碳含量不超过 0.2%。u 控制因素:刚度还是强度;三、 型钢规格1热轧钢板热轧钢板分厚板及薄板两种,厚板的厚度为4.5 60mm(广泛用来组成焊接构件和连接钢板),薄板厚度为 0.354mm(冷弯薄壁型钢的原料)。在图纸中钢板用“- 厚 x 宽 x 长(单位为毫米)” ,如:-12 x800x 2100 等。2热轧型钢角钢 有等边和不等边两种。等边角钢,以边宽和 厚度表示,如 L100 x10为肢宽 100 mm 、厚 10mm 的等 边角钢。不等边角钢,则以两边宽度和厚度表示,如 L100 x 80 x10 等。u 槽钢表示法如 30a ,指槽钢外廓高度为 30cm 且腹板厚度为最薄的一种;u 工字钢表示法如 I 30a ,指槽钢外廓高度为 30cm 且腹板厚度为最薄的一种;u H 型钢分为三类:宽翼缘 H 型钢( HW )、中 翼缘 H 型钢( HM )和窄翼缘 H 型钢( HN )。 表示方 法如:HW300x300 ,即为截面高度为 300mm ,翼缘宽 度为 300 mm 的宽翼缘 H 型钢。u剖分 T 型钢分为三类
收藏 下载该资源
网站客服QQ:2055934822
金锄头文库版权所有
经营许可证:蜀ICP备13022795号 | 川公网安备 51140202000112号