东北农业大学水利与土木工程学院钢结构课件 第二章（3）.ppt

第三节 影响钢材力学性能的因素 影响钢材力学性能的因素有：化学成分、冶金和轧制过程、时效、冷作硬化、温度、应力集中和残余应力、复杂应力状态等。 一、化学成分 钢的基本元素为铁（Fe）普通碳素钢中占99%，此外还有碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）等杂质元素，及硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等有害元素，这些总含量约1%，但对钢材力学性能却有很大影响。 1.碳：除铁以外最主要的元素。 碳含量增加，使钢材强度提高，塑性、韧性，特别是低温冲击韧性下降，同时耐腐蚀性、疲劳强度和冷弯性能也显著下降，恶化钢材可焊性，增加低温脆断的危险性。 一般建筑用钢要求含碳量在0.22%以下，焊接结构中应限制在0.20%以下。 2.硅：作为脱氧剂加入普通碳素钢。 适量硅可提高钢材的强度，而对塑性、冲击韧性、冷弯性能及可焊性无显著的不良影响。 一般镇静钢的含硅量为0.10%～0.30%，含量过高（达1%），会降低钢材塑性、冲击韧性、抗锈性和可焊性。 3.锰：是一种弱脱氧剂。 适量的锰可有效提高钢材强度，消除硫、氧对钢材的热脆 影响，改善钢材热加工性能，并改善钢材的冷脆倾向，同时不显显著降低钢材的塑性、冲击韧性。普通碳素钢中锰的含量约为0.3%～0.8%。含量过高（达1.0%～1.5%以上）使钢材变脆变硬，并降低钢材的抗锈性和可焊性。 4.硫：有害元素。 引起钢材热脆，降低钢材的塑性、冲击韧性、疲劳强度和抗锈性等。 一般建筑用钢含硫量要求不超过0.055%，在焊接结构中应不超过0.050%。 5.磷：有害元素。 虽可提高强度、抗锈性，但严重降低塑性、冲击韧性、冷弯性能和可焊性，尤其低温时发生冷脆，含量需严格控制，一般不 超过0.050%，焊接结构中不超过0.045%。 6.氧：有害元素。 引起热脆。一般要求含量小于0.05%。 7.氮：能使钢材强化，但显著降低钢材塑性、韧性、可焊性和冷弯性能，增加时效倾向和冷脆性。一般要求含量小于0.008%。 为改善钢材力学性能，可适量增加锰、硅含量，还可掺入一定数量的铬、镍、铜、钒、钛、铌等合金元素，炼成合金钢。钢结构常用合金钢中合金元素含量较少，称为普通低合金钢。 二、冶金和轧制过程 1.按炉种分： 结构用钢我国主要有三种冶炼方法：碱性平炉炼钢法、顶吹氧气转炉炼钢法、碱性侧吹转炉炼钢法。 平炉钢和顶吹转炉钢的力学性能指标较接近，而碱性侧吹转炉钢的冲击韧性、可焊性、时效性、冷脆性、抗锈性能等都较差，故这种炼钢法已逐步淘汰。 2.按脱氧程度分： 沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。 沸腾钢脱氧程度低，氧、氮和一氧化碳气体从钢液中逸出，形成钢液的沸腾。沸腾钢的时效、韧性、可焊性较差，容易发生时效和变脆，但产量较高、成本较低；半镇静钢脱氧程度较高些，上述性能都略好；而镇静钢的脱氧程度最高，性能最好，但产量较低，成本较高。 三、其他因素 1.时效 随着时间的增长，纯铁体中残留的碳、氧固溶物质逐步析出，形成自由的碳化物或氧化物微粒，约束纯铁体的塑性变形，此为时效。 时效将提高钢材的强度，降低塑性、韧性。时效的过程可从几天到几十年。 2.冷作硬化 钢结构在冷加工过程中引起的强度提高称为冷作硬化。 冷加工包括：剪、冲、辊、压、折、钻、刨、铲、撑、敲等。 3.温度 一般情况下，温度升高，钢材力学性能变化不大。温度达250?C左右时，钢材抗拉强度提高，塑性、韧性下降，表面氧化膜呈蓝色，即发生蓝脆现象。温度超过300?C以后，屈服点和极限强度显著下降，达到600?C时强度几乎等于零。 温度从常温下降到一定值，钢材的冲击韧性突然急剧下降，试件断口属脆性破坏，这种现象称为冷脆现象。钢材由韧性状态向脆性状态转变的温度叫冷脆转变温度。 4.应力集中和残余应力 残余应力为钢材在冶炼、轧制、焊接、冷加工等过程中，由于不均匀的冷却、组织构造的变化而在钢材内部产生的不均匀的应力。残余应力在构件内部自相平衡而与外力无关。残余应力的存在易使钢材发生脆性破坏。 钢结构构件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂缝、厚度变化、形状变化、内部缺陷等使一些区域产生局部高峰应力，此谓应力集中现象。应力集中越严重，钢材塑性越差。 5.复杂应力状态 钢材在单向应力作用下，当应力达到屈服点fy时，钢材屈服而进入塑性状态。当钢材处于复杂应力作用下（平面应力或立体应力），按能量强度理论（第四强度理论），以折算应力σcr是否大于fy来判断钢材是否由弹性状态转变为塑性状态。 若 为弹性状态； 若 为塑性状态； 纯剪情况下 图2-7 复杂应力状态示意图 即 时为弹性状态。 平面应力状态和立体应力状态 相关知识 由上式可见，当三个主应力同号，它们的绝对值又接近时，即使 、 、 的绝对值很大，大大超过屈