钢结构材料及性能(课件).ppt

第2章 钢结构的材料及性能 对钢结构用材的要求 钢材的主要性能及其鉴定 影响钢材性能的因素 钢材的延性破坏和非延性破坏循环加载和快速加载 建筑钢材的类别及钢材的选用 对钢结构用材的要求 较高的强度。即抗拉强度fu和屈服点fy比较高。 足够的变形能力。即塑性和韧性性能好。 良好的加工性能。即适合冷、热加工，良好的可焊性。 适应低温、有害介质侵蚀(包括大气锈蚀)以及重复荷载作用等的性能。 容易生产，价格便宜。 《钢结构设计规范》(GB50017—2002)推荐的普通碳素结构钢Q235钢和低合金高强度结构钢Q345、Q390及Q420是符合上述要求的。选用GB50017规范还未推荐的钢材时，需有可靠依据。以确保钢结构的质量。 2.1 钢材的主要性能及其鉴定 图2.1 钢材的一次拉伸应力－应变曲线 1.比例极限fP 这是应力-应变图中直线段的最大应力值。严格地说，比f P略高处还有弹性极限，但弹性极限与f P极其接近，所以通常略去弹性极限的点，把fP看做是弹性极限。 2.屈服点fy （下屈服点） 表示钢材强度的重要指标，设计钢材时可达到的最大应力 3.抗拉极限强度fu 无实际意义，表示安全储备的大小。 fy / fu 屈强比 结论 钢材达到屈服点后将产生很大的塑性变形，不符合使用要求，结构中不允许。因此，屈服点处的应力是计算钢结构强度时允许的最大应力 fP fy fu三点接近，在计算钢结构强度时近似将三点合一。屈服点以前的应变很小，屈服点以后的流幅相当长。因此，钢材是一种理想的的弹性－塑性材料。即在屈服点以前是弹性的，屈服点以后是塑性的 钢材的自强阶段在计算中不利用的，增加安全保障 塑性定义:应力超过屈服点fy后,能产生显著的塑性变形,而 不立即断裂的性质 塑性指标 :伸长率?5和?10 伸长率是断裂前试件的永久变形与原标定长度的百分比。 取圆形试件直径d的五倍或十倍为标定长度，其相应的伸长率用?5和?10表示，伸长率代表材料断裂前具有的塑性变形的能力。结构制造时，这种能力使材料经受剪切、冲压、弯曲及锤击所产生的局部屈服而无明显损坏。 屈服点、抗拉强度、伸长率 是钢材的三个重要力学性能指标。钢结构中所采用的钢材都应满足钢结构设计规范对这三项力学性能指标的要求。 例见p16 表2.2ab 图2.3 钢材的冷弯试验 图2.4 钢材的冲击试验 2.2 影响钢材性能的因素 钢：含碳量小于2％的铁碳合金 铸铁：碳大于2％ 结构用钢：碳素结构钢中的低碳钢 低合金结构钢 碳素结构钢：由纯铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占99％，碳及杂质元素约占1％。 低合金结构钢：除上述元素还加入合金元素，后者总量通常不超过3％。 碳及其他元素虽然所占比重不大，但对钢材性能却有重要影响。 碳（C） 碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素，是影响钢材强度的主要因素 C 增加 强度提高 塑性和韧性、低温冲击韧性下降，同时可焊性、抗腐 蚀性、冷弯性能明显降低。 锰（Mn） 锰是一种弱脱氧剂，可提高钢材的强度，又能消除硫、氧对钢材的热脆影响，而不显著降低钢材的塑性和韧性。锰在碳素结构钢中的含量为0.3%-0.8%，在低合金钢中一般为1.0%-1.7%。 硅（Si） 硅是一种强脱氧剂，适量的硅可提高钢材的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性无明显不良影响，但硅含量过大时，会降低钢材的塑性、韧性、抗锈蚀性和可焊性。 钒（V）、铌（Nb）、钛（Ti） 钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢都含有这三种元素，作为锰以外的合金元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑性、韧性。 铝（Al）、铬（Cr）、镍（Ni） 铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390钢和Q420钢。 硫（S） 降低钢材的塑性、韧性、可焊性、抗锈蚀性等，在高温时使钢材变脆，即热脆。因此，钢材中硫的含量不得超过0.05%，在焊接结构中不超过0.045%。 磷（P） 磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷是碳素钢中的杂质，它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。在高温时磷也能使钢减少塑性。但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。 氧（O）、氮（N） 氧和氮也是有害杂质，在金属熔化的状态下可以从空气中进入。氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈，氮能使钢冷脆，与磷相似。 图2.8