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钢结构基本原理第二章钢结构的材料讲述
第二章 钢结构的材料
2.1 对钢结构用材要求
具有以下性能:
1, 强度高:抗拉强度和屈服点。
2, 足够变形能力:塑性和韧性好。
3, 良好加工性能:适合冷热加工,良好可焊性。
此外具体环境:适应低温、有害介质侵蚀及重复荷载作用。
符合上述条件下,还要容易生产,价格便宜。
普通Q235,低合金钢,Q345,Q390,Q420等。
2.2 钢材主要性能及鉴定
2.2.1 钢材主要性能及其鉴定
常温、静载条件下性能具有代表性
低碳钢、普通低合金钢:
Ⅰ:弹性阶段,:比例极限,正比,完全弹性,外力撤除变形完全恢复。
Ⅱ:弹塑性阶段:出现塑性变形,外力撤除有残余变形。
屈服点(屈服时,上下波动,上屈服点受实验条件影响,波动,下屈服点受实验条件影响小,作为抗力标准。
的意义:1)时℅,时℅,弹性变形终点。
0.15-0.25℅,应力不增加,作为弹性变形终点。
2)形成理想弹塑性模型,为发展钢结构计算理论提供基础
前接近理想弹性体,后接近理想塑性体。
Ⅲ:塑性阶段,应变增长,应力不变
Ⅳ:应变硬化阶段,应变增长,应力增长,发生颈缩现象。
颈缩:后试件出现局部横向收缩变形,随后断裂。
抗拉强度(设计时作为材料抗力)是材料安全储备,塑性设计把钢材看成理想弹塑性,忽略应变硬化有利因素,强屈比。
热处理钢材:
有很好塑性,但没有明显屈服平台,应力应变曲线成一连续曲线。
℅永久变形0.2℅应力为屈服点,为屈服强度,℅对应应力为
屈服强度。为统一起见,钢材中,用表示,屈服强度。
伸长率:断裂试件永久变形与原标定长度的百分比,材料断裂前具有的塑性能力。
此外一次拉伸性能:弹性模量,硬化开始时应变硬化模量。
2.2.2 冷弯性能
概念:根据试样厚度,按规定的弯心直径将试样弯曲180度,其表面及侧面
无裂纹或分层。冷弯实验合格。
作用:1. 体现材料塑性变形能力符合要求。
2.钢材冶金背景符合要求。
2.2.3 冲击韧性
理论上:钢材一次拉伸静载作用下断裂时所吸收能量,用单位体积吸收能量表示,值等于应力应变曲线下面积。
实际在有缺口处断裂,代表性:钢材缺口冲击韧性。简称冲击韧性或冲击功。
测试方法:我国梅氏方法(U型缺口,断口处单位面积上冲击韧性)
国际通用:夏比试验法(,,V型缺口,缺口韧性用试件断裂所需功,测量简单)受温度影响,温度低于某值时将急剧降低。
2.2.4 可焊性
定义:一般焊接工艺就可完成合格的(无裂纹)焊缝的性能。
影响因素:含碳量,合金元素含量。
碳素钢碳:0.12%--0.20%可焊性好。
低合金钢可焊性: 可焊性好淬硬倾向逐渐明显淬硬倾向明显,需要采用预热施焊工艺。
合金元素过多时可焊性不利
2.2.5 钢材性能鉴定
钢材力学指标:屈服强度、抗拉强度、伸长率、冷弯性能及冲击韧性。
验收检查:质量合格证明文件,中文标识及检验报告,确定钢材品种、规格、性能是否符合现行国家标准和设计要求。
2.3 影响钢材性能因素
2.3.1 化学成分的影响
铁碳合金:含碳量小于2%钢,大于2%为铸铁
碳素钢:铁99%,碳及其他1%
低合金钢:其他合金元素不超过3%
其它元素对钢的影响:
1.碳:C (纯铁柔软;化合物渗碳体Fe3C、珠光体Fe3C+Fe硬)
碳含量高,强度高,塑性、韧性、冷弯性能、可焊性及抗锈蚀能力下降。
按碳的含量区分,小于 0.25%的为低碳钢,大于0.25%而小于0.6%的为中碳钢,大于0.6%的为高碳钢。
钢结构用钢的碳含量一般不大于0.22%,对于焊接结构,为了有良好的可焊性,以不大于0.2%为好。
2. 锰(Mn)
锰是有益元素,它能显著提高钢材强度但不过多降低塑性和冲击韧性。
是弱脱氧剂。锰还能消除硫对钢的热脆影响。
碳素钢中锰是有益的杂质;
在低合金钢中它是合金元素。我国低合金钢中锰的含量在1.0%~1.7%
但是锰可使钢材的可焊性降低,故含量有限制。
3.硅(Si)
硅是有益元素,有更强的脱氧作用,是强脱氧剂。
作用:硅能使钢材的粒度变细, 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。
硅的含量 在碳素镇静钢中为0.12%~0.3%,低合金钢中为0.2%~0.55%,
过量时则会恶化可焊性及抗锈蚀性。
4.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。
5.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。低合金钢一般规定铝含量不低于0.015%,以保证 必要的低温韧性。铬和镍是提高钢材强度的合金元素,用于Q390钢和Q420钢。
6.硫(S)
硫是有害元素,能生成易于熔化
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