【2017年整理】二钢结构的材料.ppt

第2章 钢结构的材料Material of Steel Structures;2.1 钢材的主要性能;钢材的塑性破坏和脆性破坏;防止钢材脆性断裂的措施;2.1 钢材的主要性能;2.1.2 单向受拉时的性能 条件：常温、静载条件下一次拉伸 ;单向受拉时的强度;单向受拉时的塑性性能;低碳钢拉伸实验曲线;受压构件稳定问题;2.1.3 冷弯性能;2.1.4 冲击韧性; 缺口韧性值受温度影响，温度低于某值时将急剧降低。设计处于不同环境温度的重要结构，尤其是受动载作用的结构时，要根据相应的环境温度对应提出冲击韧性的保证要求。;2.1.5 可焊性;2.2 影响钢材性能的主要因素;2.2 影响钢材性能的主要因素;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，随着含碳量的增加，钢材强度提高，而塑性和韧性、尤其是低温冲击韧性下降，同时可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能明显降低。因此结构用钢的含碳量一般不应超过0.22%，对焊接结构应低于0.2%。 锰（Mn）锰是一种弱脱氧剂，适量的锰含量可以有效地提高钢材的强度，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） 硫是一种有害元素，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。 ;化学成分对钢材（普通碳素钢）性能的影响 ;2.2.2 冶金过程;3．轧制 钢材的轧制能使金属的晶粒变细，也能使气泡、裂纹等焊合，因而改善了钢材的力学性能。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，所以分层是钢材(尤其是厚板)的一种缺。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。 4．热处理 热处理的目的在于取得高强度的同时能够保持良好的塑性和韧性。正火属于最简单的热处理：把钢材加热至850~900 oC并保持一段时间后在空气中自然冷却，即为正火。如果钢材在终止轧制时温度正好控制在上述温度范围，可得到正火的效果，称为控轧。回火是将钢材重新加热至650 oC并保温一段时间，然后在空气中自然冷却。淬火加回火也称调质处理，淬火是把钢材加热至900 oC以上，保温一段时间，然后放入水或油中快速冷却。强度很高的钢材，包括高强度螺栓的材料都要经过调质处理。;2.2.3 钢材硬化; 此外，还有性质类似的时效硬化与应变时效。时效硬化指钢材仅随时间的增长而转脆，应变时效指应变硬化又加时效硬化由于这些是使钢材转脆的性质，所以有些重要结构要求对钢材进行人工时效，然后测定其冲击韧性，以保证结构具有长期的抗脆性破坏能力。 ;2.2.4 温度;图2.6 温度对钢材力学性能的影响; 负温范围 fy与fu都增高但塑性变形能力减小，因而材料转脆，对冲击韧性的影响十分突出。材料由韧性破坏转到脆性破坏叫该种钢材的转变温度，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。 ;2.2.5 应力集中;由力学知识知道，三向同号应力且各应力数值接近时，材料不易屈服。当为数值相等三向拉应力时，直到材料断裂也不屈服。没有塑性变形的断裂是脆性断裂。所以，三向应力的应力状态，使材料沿力作用方向塑性变形的发展受到很大约束，材料容易脆性破坏。因此，对于厚钢材应该要求更高的韧性。;2.2.6 反复荷载作用;2.3 钢材的疲劳;应力循环形式 应力比 应力幅;应力比 反复荷载作用下，钢材某点应力循环幅值中绝对值最小应力与 绝对值最大应力之比(拉为正、压为负)称为应力比。 应力幅 反复荷载作用下，钢材某点最大拉应