东北农业大学水利与土木工程学院钢结构课件 第二章（1）.ppt

* 第二章 钢结构的材料 第一节 建筑钢材单向均匀受拉的工作性能 第二节 钢结构对材料性能的要求 第三节 影响钢材力学性能的因素 第四节 钢材的脆性破坏 第五节 钢材的品种、规格和选用 第一节 建筑钢材单向均匀受拉的工作性能 一、钢材单向均匀受拉时的力学性能 将钢材加工成标准试件，在20°C的条件下做一次单向均匀静力拉伸试验，得应力－应变关系曲线 图2-1 建筑钢材标准拉伸图 低碳钢一次拉伸时的工作分四个阶段 2.弹塑性阶段——出比例极限fp到屈服点fy，应力—应变表现为曲线关系，弹性模量由206x103N/mm2逐渐降到零。 3.塑性阶段——应力保持屈服点fy不变，而应变ε断增大，应变ε由开始屈服时的(0.1-0.2)％到屈服终了可增大到(2-3)％，钢材表现为暂时失去承裁能力。 4.强化阶段——钢材在发展了很大塑性变形后又恢复了承载能力，应力—应变曲线又上升。最后当应力达抗拉强度fu时，试件发生颈缩现象而断裂破坏。 1.弹性阶段——应力由零到比例极限fp，钢材表现出弹性，应力—应变为直线关系，弹性模量很大，E=206x103N／mm 2，因而变形很小。 断口呈纤维状，色发暗，有时还能看到滑移的痕迹，且断口与作用力的方向常成45°。这种塑性变形很大、经历时间又很长的破坏。 塑性破坏： 脆性破坏： 破坏前没有明显的变形和征兆，断口平齐，呈有光泽的晶粒状，破坏往往发生在瞬时，因而危险性很大。 二、机械性能指标 抗拉强度fu，伸长率ε10或ε5及屈服点fy 试验表明：当应力开始进入塑性阶段时，曲线的波动较大，而后才逐渐趋于平稳，即出现上屈服点和下屈服点。前者和试验时的加荷速度及试件形状等有关，而下屈服点则对此不太敏感，因而应以下屈服点为准。 屈服点fy—表示钢材的静力强度，衡量结构承载能力的指标 的抗拉能力，它直接反映钢材内部组织的优劣 伸长率—反映钢材在荷载作用下的塑性变形能力 抗拉强度fu—钢材的静力强度，是衡量钢材经过巨量变形后 三、应力应变关系的分界点 为了简化计算，可以把钢材的应力应变关系看作是两根直线组成的理想弹性—塑性体，以屈服点为界(图2-2)。 在屈服点以前是完全弹性的，屈服以后是完全塑性的。这样就可以用弹性理论来进行强度计算。 选择屈服点作为建筑钢材静力强度承裁力极限的依据： 1.它是钢材弹性工作和塑性工作的分界点且钢材屈服时塑性变形很大(2-3％)，极易为人们察觉，可以及时处理，避免突然破坏。 2.从屈服点开始到断裂，塑性工作区域很大，比弹性工作区域约大200倍，是钢结构极大的后备强度，抗拉强度和屈服点的比值又较大（Q235号钢fu/fy＝1.5－1.9），使钢结构从来不会发生真正的塑性破坏。 钢材屈服点的高低还和钢材晶粒的粗细有关，材质好，轧制次数多，晶粒细，屈服点就高。因而不同厚度的钢材，屈服点是不一样的。规范按照钢材厚度把钢材分为三组，规定了不同的设计强度值。 第二节 钢结构对材料性能的要求 钢结构对材料性能的要求是多方面的，使用时必须全面的衡量，慎重地选择合适的材料。钢材材性主要有：强度、塑性、韧性、可焊性、冷弯性、耐久性、Z向伸缩率。 一、强度 强度——体现了材料的承载能力，主要指标有屈服点fy 和抗拉强度fu ，通过静力拉伸试验得到。 1.屈服点fy——为设计时钢材可达到的最大应力。 衡量结构承载能力的指标。 2.抗拉强度 fu——是钢材破坏前能够承受的最大应力。衡量钢材经过巨量变形后的抗拉能力，它直接反映钢材内部组织的优劣。钢材达到 fu 时，已产生很大塑性变形而失去使用性能，但fu 高则可以增加结构的安全保障，故fu/fy 的值可看作钢材强度储备系数。 二、塑性 钢材的塑性——为当应力超过屈服点后，能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。 塑性好坏可用伸长率? 和断面收缩率?表示。通过静力拉伸试验得到。 1.伸长率? ——根据试件原标距长度l0与试件中间部分的直径d0 的比值为10或5而分为?10或?5，为试件拉断时原标距间长度伸长值与原标距比值的百分率。 式中: l1——为试件拉断后标距间长度。 2.断面收缩率——是指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分率。 式中: A0 ——试件原来的断面面积； A1 ——试件拉断后颈缩区的断面面积； 结构或构件在受力时（尤其承受动力荷载时）材料塑性好坏往往决定了结构是否安全可靠，因此钢材塑性指标比强度指标更为重要。 三、韧性 钢材的韧性——是钢材在塑性变形和断裂的过程中吸收能量的能力，也是表示钢材抵抗冲击荷载的能力，它是强度与塑性的综合表现。 钢材韧性通过冲击试验，测定冲击功来表示。 ak——冲击韧性值； Ak——冲击功； ?An——试件缺口