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1、1钢结构设计原理第二章.钢结构的材料u【 禁忌禁忌】 对建筑结构钢材基本知识缺乏了解对建筑结构钢材基本知识缺乏了解【 后果后果】 不能对所设计的钢结构正确合理使用材料，提不能对所设计的钢结构正确合理使用材料，提 不出对钢材性能的具体要求，难于处理钢材代用问题。不出对钢材性能的具体要求，难于处理钢材代用问题。【 正解正解】设计者应掌握钢材基本知识：化学成分和力学性能设计者应掌握钢材基本知识：化学成分和力学性能2钢结构设计原理主要内容2.1 钢结构对钢结构对材料材料的要求的要求2.2 钢材的钢材的破坏形式破坏形式2.3 钢材的钢材的主要性能主要性能2.4 各种各种因素因素对钢材主要性能的影响对钢材
2、主要性能的影响2.5 复杂应力复杂应力作用下钢材的作用下钢材的屈服条件屈服条件2.6 钢材的钢材的疲劳疲劳2.7 钢的钢的种类种类和钢材和钢材规格规格3第二章 钢结构的材料2.1 钢结构对材料的要求u 较高的强度较高的强度2.1 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求u 足够的变形能力。即塑性、韧性好。足够的变形能力。即塑性、韧性好。u 良好的加工性能（包括冷加工、热加工和可焊性）良好的加工性能（包括冷加工、热加工和可焊性）钢结构设计规范钢结构设计规范GB50017-2003规定：规定：承重结构承重结构的钢材应具有的钢材应具有抗拉强度抗拉强度、伸长率伸长率、屈服强度屈服强度和和硫、磷硫、磷含量含
3、量的合格保证，对的合格保证，对焊接结构焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。尚应具有碳含量的合格保证。焊焊接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材接承重结构以及重要的非焊接承重结构采用的钢材还应具有还应具有冷冷弯试验弯试验的合格保证。需要验算的合格保证。需要验算疲劳疲劳的的焊接结构焊接结构的钢材，应具有的钢材，应具有常温或负温常温或负温冲击韧性冲击韧性的合格保证。对需要验算的合格保证。对需要验算疲劳疲劳的的非焊接结非焊接结构构的钢材应具有的钢材应具有常温常温冲击韧性冲击韧性的合格保证。的合格保证。4第二章 钢结构的材料2.2 钢材的破坏形式u 塑性破坏塑性破坏：破坏前：破坏前有有明显的变形明显
4、的变形，破坏历时时，破坏历时时 间长，可以采取补救措施。间长，可以采取补救措施。2.2 钢材的破坏形式钢材的破坏形式u 脆性破坏脆性破坏：破坏前：破坏前没有没有明显的变形明显的变形，破坏发生，破坏发生 突然，没有机会补救。突然，没有机会补救。l脆性破坏的原因脆性破坏的原因：钢材内部缺陷，焊接缺陷、构造：钢材内部缺陷，焊接缺陷、构造 不合理、使用不当等。不合理、使用不当等。 应尽量发挥材料的塑性应尽量发挥材料的塑性 避免一切脆性破坏的可能性避免一切脆性破坏的可能性 5第二章 钢结构的材料2.3 钢材的主要性能一、强度一、强度2.3 钢材的主要性能钢材的主要性能强度指标是由钢材的强度指标是由钢材的
5、单向均匀受拉单向均匀受拉试验测得的试验测得的强度指标：强度指标：比例极限比例极限 ；屈服强度屈服强度 ；极限强度极限强度pfyfuf 试验条件试验条件：标准试件标准试件在常温（在常温（20）下缓慢加载，一次完成）下缓慢加载，一次完成ufAfEyfABCDFE6第二章 钢结构的材料2.3 钢材的主要性能 钢材在单向均匀受拉时工作性能表现为四个阶段钢材在单向均匀受拉时工作性能表现为四个阶段1. 弹性阶段弹性阶段: 应力最高点对应应力最高点对应比例极限比例极限 弹性模量弹性模量 应力应力pf251006. 2mmNE E2. 弹塑性阶段弹塑性阶段: 应力介于应力介于 和和 之间之间 弹塑性模量弹塑性
6、模量 是变数是变数yfpftE3. 塑性阶段塑性阶段: 应力达到屈服强度应力达到屈服强度yf%5 . 2%15. 0:, 0tEuf4. 强化颈缩阶段强化颈缩阶段: 应力最高点对应抗拉极限应力最高点对应抗拉极限7第二章 钢结构的材料2.3 钢材的主要性能 钢材的工作性能可以看作理想弹性塑性体钢材的工作性能可以看作理想弹性塑性体1. 计算简便计算简便2. 虽然虽然 ，但，但 对应对应 的应变非常大（不满足正的应变非常大（不满足正 常使用极限状态）常使用极限状态）yfufuf3. 以以 作为设计强度的依据，具有较大的强度储备，作为设计强度的依据，具有较大的强度储备， 若出现偶然因素，使人们有机会补
7、救若出现偶然因素，使人们有机会补救yf8第二章 钢结构的材料2.3 钢材的主要性能 条件屈服点条件屈服点 f0 0.2没有屈服阶段，塑性变形小，破坏突然。没有屈服阶段，塑性变形小，破坏突然。 9第二章 钢结构的材料2.3 钢材的主要性能二、塑性性能二、塑性性能塑性塑性：在：在静力荷载静力荷载作用下，钢材吸收作用下，钢材吸收变形能变形能的能力的能力衡量塑性性能的指标：衡量塑性性能的指标：伸长率伸长率表示以时表示以时5001000010001,5,10试件中间部分的直径试件拉断后的标距长度试件原标距长度%100dldldlllllLodNNNLdN10第二章 钢结构的材料2.3 钢材的主要性能三、
8、冲击韧性三、冲击韧性冲击韧性冲击韧性：在：在动力荷载动力荷载作用下，材料吸收作用下，材料吸收能量能量的能力的能力衡量冲击韧性的指标：衡量冲击韧性的指标：冲击功冲击功 韧性是钢材强度和塑性的综合指标韧性是钢材强度和塑性的综合指标 梅氏梅氏U型缺口型缺口试件试件:冲击试验冲击试验的标准试件型式：的标准试件型式： 夏比夏比V型缺口型缺口试件试件:我国采用夏比我国采用夏比V型缺口试件型缺口试件2/cmJk VKVCAJ或 冲击韧性受温度的影响冲击韧性受温度的影响冲击韧性冲击韧性由冲击韧性试验获得由冲击韧性试验获得设计处于不同环境温度的重要结构，设计处于不同环境温度的重要结构，尤其受动载，要根据相应的环
9、境温尤其受动载，要根据相应的环境温度对应提出常温、度对应提出常温、 0或负温（或负温（ -20或或-40）冲击韧性的保证。）冲击韧性的保证。11第二章 钢结构的材料2.3 钢材的主要性能四、冷弯性能四、冷弯性能 冷弯性能冷弯性能是考察钢材在是考察钢材在弯曲状态弯曲状态下发展下发展塑性塑性 变形变形能力和钢材质量的综合指标能力和钢材质量的综合指标 冷弯性能冷弯性能由由冷弯试验冷弯试验确定确定冷弯试验是按材料的原有厚度经表冷弯试验是按材料的原有厚度经表面加工成板状，作面加工成板状，作180冷弯，以冷弯，以弯曲处的外面、侧面不起层、不开弯曲处的外面、侧面不起层、不开裂为合格。裂为合格。u重要结构中需
10、要有良好的冷热重要结构中需要有良好的冷热加工的工艺性能时，应有冷弯试加工的工艺性能时，应有冷弯试验合格保证。验合格保证。12第二章 钢结构的材料2.3 钢材的主要性能 钢材物理性能指标钢材物理性能指标l 弹性模量弹性模量l 泊松比泊松比l 剪变模量剪变模量l 线膨胀系数线膨胀系数l 质量密度质量密度2310206mmNE3 . 023107912mmNEGC06/101237850mkg131、概率极限状态设计法和分项系数设计公式中，各符、概率极限状态设计法和分项系数设计公式中，各符号的意义？号的意义？、钢结构用钢材机械性能指标有哪几些？承重结构、钢结构用钢材机械性能指标有哪几些？承重结构的钢
11、材至少应保证哪几项指标满足要求？的钢材至少应保证哪几项指标满足要求？思考题思考题、钢结构的破坏形式有哪两种？其特点如何？、钢结构的破坏形式有哪两种？其特点如何？ 4. 无屈服点的钢材，如何确定其屈服点？无屈服点的钢材，如何确定其屈服点？14第二章 钢结构的材料2.4 各种因素对钢材主要性能的影响一、化学成分一、化学成分2.4 各种因素对钢材主要性能的影响各种因素对钢材主要性能的影响普通碳素钢普通碳素钢中中Fe占占99%，其他其他杂质元素占杂质元素占1%普通低合金钢普通低合金钢中有中有5%的合金元素的合金元素碳（碳（C）：钢材强度的主要来源，但是随其）：钢材强度的主要来源，但是随其含量增加含量增
12、加，强度增强度增 加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。一般一般 控制在控制在0.120.22%，在，在0.2以下时，可焊性良好以下时，可焊性良好硫（硫（S）： 19381950年，在年，在-14左右的冬季条件下，比利时共有左右的冬季条件下，比利时共有14座座大桥断裂。大桥断裂。 1954年年11月，英国制造的月，英国制造的32000 t 油船油船世界协和号，在海浪世界协和号，在海浪4.56m 高的大海中航行时，船底断裂。高的大海中航行时，船底断裂。 事故原因？事故原因？ S冲击韧性冲击韧性、焊接性能、焊接性能、疲劳强度、疲劳强度，所以，所以， S0.
13、045% (Q235以上钢材）以上钢材） 热脆性热脆性15第二章 钢结构的材料2.4 各种因素对钢材主要性能的影响锰（锰（Mn）：合金元素。）：合金元素。弱脱氧剂弱脱氧剂。与。与S形成形成MnS，熔点为，熔点为 1600，可以消除一部分，可以消除一部分S的有害作用。的有害作用。硅（硅（Si）：合金元素。）：合金元素。强脱氧剂强脱氧剂。氧（氧（O）：有害杂质，效果同：有害杂质，效果同S。氮（氮（N）：有害杂质，效果同：有害杂质，效果同P。磷（磷（P）：冷脆性冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。 不得超过不得超过0.045%16第二章 钢结构的材料2.4 各种因
14、素对钢材主要性能的影响二、冶金缺陷二、冶金缺陷 偏析偏析指金属结晶后化学成分分布不匀；指金属结晶后化学成分分布不匀； 非金属夹杂非金属夹杂指钢中含有如硫化物等杂质；指钢中含有如硫化物等杂质； 气泡气泡指浇铸时由指浇铸时由FeO 与与C 作用所生成的作用所生成的CO气不能气不能 充分逸出而留在钢锭内形成的微小空洞。充分逸出而留在钢锭内形成的微小空洞。这些缺陷都将影响钢的力学性能。这些缺陷都将影响钢的力学性能。17第二章 钢结构的材料2.4 各种因素对钢材主要性能的影响三、钢材硬化三、钢材硬化时效硬化20yf f p冷加工及时效冷加工及时效后的塑性区冷作硬化后的塑性区40冷作硬化13yf 冷作硬化
15、冷作硬化当加载超过材料当加载超过材料比例极限比例极限卸载后，出现卸载后，出现残余变形残余变形，再，再次加载则次加载则屈服点提高，塑性和韧性降低屈服点提高，塑性和韧性降低的现象，也称的现象，也称“应变硬化应变硬化”应变时效应变时效钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易析出。即钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易析出。即冷作硬化的同时可以加速时效硬化冷作硬化的同时可以加速时效硬化，因此也称，因此也称“人工时效人工时效”。 时效硬化时效硬化随时间的增长随时间的增长，碳和氮的化合物碳和氮的化合物从晶体中析出，使从晶体中析出，使材料硬化的现象。材料硬化的现象。u普通钢结构中，不利用硬化现象所提高的强度，重
16、要结构将普通钢结构中，不利用硬化现象所提高的强度，重要结构将局部硬化部分用刨边消除。局部硬化部分用刨边消除。18第二章 钢结构的材料2.4 各种因素对钢材主要性能的影响四、温度的影响四、温度的影响1. 正温范围正温范围 100以内以内 对钢材性能对钢材性能无影响无影响； 100以上以上 随温度升高，总的趋势是随温度升高，总的趋势是强度、弹性模量降低强度、弹性模量降低， 塑性增大塑性增大 250左右左右 抗拉强度略有提高，塑性和韧性降低，脆性增抗拉强度略有提高，塑性和韧性降低，脆性增 加表面呈蓝色加表面呈蓝色蓝脆现象蓝脆现象。 260320 在应力不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续在应力不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续 变形变形徐变现象徐变现象。 600左右左右 弹性模量趋于零弹性模量趋于零 ，承载能力几乎完全丧失。，承载能力几乎完全丧失。8006004002000N/mm2Efufy20040060020406080%220210200190180170160E Ex10 x103 3T(0C)应避免在蓝脆温度范围内热加工，容易引起裂纹。应避免在蓝脆温度范围内热加工，容易引起裂纹
