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1、LOGO钢结构基本原理钢结构基本原理 土木工程学院土木工程学院LOGO2 本章内容本章内容:（1）钢结构对材料的基本要求钢结构对材料的基本要求 （2）钢材的破坏形式钢材的破坏形式 （3）钢材的主要机械性钢材的主要机械性 （4）影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素 （5）钢的种类和钢材规格钢的种类和钢材规格本章重点本章重点:钢材的主要机械性能、各种因素对钢材的主要机械性能、各种因素对 钢材性能的影响钢材性能的影响本章难点本章难点:影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素LOGO2 2.1 .1 钢结构钢结构对材料的要求对材料的要求对钢材的基本要求：对钢材的基本要求：1、具有较高的抗拉
2、强具有较高的抗拉强度度 fu和屈服点和屈服点 fy(结构的承载结构的承载力大，所需的截面小，结构的自重轻力大，所需的截面小，结构的自重轻).).2、具有较好的塑性、韧性具有较好的塑性、韧性(塑性好，不易发生脆性破塑性好，不易发生脆性破坏；韧性好，利于承受动力荷载坏；韧性好，利于承受动力荷载).).3、良好的工艺性能良好的工艺性能(包括冷加工、热加工以及焊接性包括冷加工、热加工以及焊接性能能)LOGO 规范规定：规范规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证；焊接结长率、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证；焊接结构尚应具有冷弯试验的
3、合格保证；对某些承受动力荷构尚应具有冷弯试验的合格保证；对某些承受动力荷载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构尚应具有载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构尚应具有常温或负温冲击性的合格保证常温或负温冲击性的合格保证.据上要求据上要求,钢结构设钢结构设计规范计规范GB50017-2003GB50017-2003推荐承重结构用钢宜采用：碳推荐承重结构用钢宜采用：碳素结构钢中的素结构钢中的Q235Q235钢及低合金高强结构钢中的钢及低合金高强结构钢中的Q345Q345、Q390Q390和和Q420Q420钢四种钢材。钢四种钢材。2 2.1 .1 钢结构钢结构对材料的要求对材料的要求LOGO2 2.
4、2 2 钢钢材的破坏形式材的破坏形式1、塑性破坏塑性破坏：断口呈纤维状，色泽发暗。破断口呈纤维状，色泽发暗。破 坏前坏前有有明显的变形明显的变形，破坏历时破坏历时 时间长，可以采取补救措施。时间长，可以采取补救措施。2、脆性破坏脆性破坏：破坏前破坏前没有没有任何预兆任何预兆，破坏是破坏是 突然发生的，断口平直并呈有突然发生的，断口平直并呈有 光泽的晶粒状。光泽的晶粒状。钢材的破坏形式：塑性破坏和脆性破坏。钢材的破坏形式：塑性破坏和脆性破坏。在设计、施工和使用钢结构时，注意在设计、施工和使用钢结构时，注意防止脆性破坏。防止脆性破坏。LOGO2 2.3 3 钢钢材的主要性能材的主要性能2.3.1
5、受拉、受压及受剪时的性能受拉、受压及受剪时的性能 钢材的主要性能是机械性能，可通过某些试验（拉钢材的主要性能是机械性能，可通过某些试验（拉伸、冷弯、冲击）确定。伸、冷弯、冲击）确定。图图2.1 碳素结构钢的应力碳素结构钢的应力-应变关系应变关系 fp比例极限比例极限 fy屈服强度屈服强度 (强度标准、设计依据强度标准、设计依据)fu极限强度极限强度(最大承载强度、强度储备最大承载强度、强度储备)LOGO条件屈服点：条件屈服点：以卸荷后以卸荷后试件中残余应变为试件中残余应变为0.2%所对应的应力（所对应的应力（f0.2)延伸率（塑性性能）延伸率（塑性性能）%LLL100001塑性：塑性：在在静力
6、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。图图2.2 高强度钢的应力高强度钢的应力-应变曲线应变曲线2 2.3 3 钢钢材的主要性能材的主要性能LOGO2 2.3 3 钢钢材的主要性能材的主要性能2.3.2 冷弯性能冷弯性能 冷弯性能冷弯性能是检验钢材弯是检验钢材弯曲变形能力或塑性性能，还曲变形能力或塑性性能，还是显示是显示钢材内部缺陷钢材内部缺陷状况的状况的一项指标；是鉴定钢材在一项指标；是鉴定钢材在弯弯曲状态曲状态下下塑性应变能力塑性应变能力和和钢钢材质量材质量的综合指标的综合指标。图图2.3 钢材冷弯试验示意图钢材冷弯试验示意图LOGO1.2 1.2 钢结构的
7、设计方法钢结构的设计方法2.3.3 冲击韧性冲击韧性 韧性韧性是钢材抵抗冲是钢材抵抗冲击荷载的能力，它用材击荷载的能力，它用材料在断裂时所吸收的总料在断裂时所吸收的总能量来量度（能量来量度（C Cv v）。韧）。韧性是钢材强度和塑性的性是钢材强度和塑性的综合指标。综合指标。冲击韧性：冲击韧性：在在动力荷动力荷载载作用下，材料吸收作用下，材料吸收能量能量的能力。的能力。图图2.4 冲击韧性试验冲击韧性试验LOGO2.4 2.4 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 2.4.1 化学成分化学成分 钢是含碳量小于钢是含碳量小于2%2%的铁碳合金。钢中基本元素：的铁碳合金。钢中基本元素：F
8、 Fe e、C C、SiSi、MnMn、S S、P P、N N、O O。普通碳素钢中，普通碳素钢中，FeFe占占99%99%，其余元素占其余元素占1%1%。在在低合金钢中，除了上述元素外，还有一定合金元素低合金钢中，除了上述元素外，还有一定合金元素（镍、钒、钛等）（含量低于（镍、钒、钛等）（含量低于5%5%）各种元素对钢材机械性能的影响如下。各种元素对钢材机械性能的影响如下。LOGO碳碳C C：含量增加，钢材强度提高，而塑性、韧性和含量增加，钢材强度提高，而塑性、韧性和 疲劳强度低。同时焊接性能和抗腐蚀性恶疲劳强度低。同时焊接性能和抗腐蚀性恶 化。一般在碳素结构钢中不应超过化。一般在碳素结构钢
9、中不应超过0.22%；在焊接结构中还应低于在焊接结构中还应低于0.2%。硅硅SiSi：碳素结构钢中应控制碳素结构钢中应控制0.3%,在低合金高强在低合金高强 度钢中硅的含量可达度钢中硅的含量可达0.55%。锰锰MnMn：含含MnMn适量使强度适量使强度，降低，降低S S、O O的热脆影响，的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大改善热加工性能，对其它性能影响不大,有益有益.在碳素结构钢中锰的含量为在碳素结构钢中锰的含量为0.3%0.8%，在低合金高强度钢中锰的含量可达在低合金高强度钢中锰的含量可达 1.0%1.6%。2.4 2.4 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 LOG
10、O2.4 2.4 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 硫硫S S：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在高温时，使钢材变脆，称之为热脆。含量在高温时，使钢材变脆，称之为热脆。含量 应不超过应不超过0.045%。(有害成分有害成分)磷磷P P：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在低温时，使钢材变脆，称之为冷脆。含量在低温时，使钢材变脆，称之为冷脆。含量 应不超过应不超过0.045%。可以提高强度和抗锈蚀。可以提高强度和抗锈蚀 性。性。(有害成分有害成分)氧氧O O：降低钢材的塑性、韧性、可焊性
11、和疲劳强度，降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在高温时，发生热脆。在高温时，发生热脆。(有害成分有害成分)氮氮N N：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在低温时，发生冷脆。在低温时，发生冷脆。(有害成分有害成分)LOGO钒和钛：钒和钛：是钢中的合金元素，能提高钢的强度和是钢中的合金元素，能提高钢的强度和 抗腐蚀性能，又不显著降低钢的塑性。抗腐蚀性能，又不显著降低钢的塑性。铜铜 ：可显著提高钢的抗腐蚀性能，也可以提可显著提高钢的抗腐蚀性能，也可以提 高钢的强度，但对焊接性能有不利影响。高钢的强度，但对焊接性能有不利影响。2.4 2.4 各种因素
12、对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 LOGO2.4.2 冶金缺陷冶金缺陷 在冶炼、轧制过程中常常出现的缺陷有偏析、在冶炼、轧制过程中常常出现的缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹和分层。非金属夹杂、气孔、裂纹和分层。冶炼（脱氧）冶炼（脱氧）图图2.5 钢锭剖面钢锭剖面缩孔缩孔保温帽保温帽(a)沸腾钢沸腾钢 (b)镇静钢镇静钢2.4 2.4 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 LOGO注意：注意：薄钢板的薄钢板的强度比厚钢板的强度比厚钢板的强度高。强度高。轧制轧制轧棍轧棍图图2.6 钢的轧制使晶粒细化钢的轧制使晶粒细化2.4.2 冶金缺陷冶金缺陷2.4 2.4 各种因素对钢材性
13、能的影响各种因素对钢材性能的影响 LOGO2.4.2 冶金缺陷冶金缺陷2.4 2.4 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 0.0350.0400.0300.0350.0250.0300.0250.0250.0300.090.100.080.090.070.080.060.070.0550.060.050.0550.0450.050.040.0450.0350.040.030.0350.0250.030.025图图2.7 钢锭中硫的偏析钢锭中硫的偏析(a)镇静钢锭镇静钢锭(b)沸腾钢锭沸腾钢锭钢液含硫钢液含硫0.032%钢液含硫钢液含硫0.04%图图2.8 型钢硫的偏析型钢硫的偏析
14、是硫、磷，是硫、磷，将使偏将使偏析区钢材的塑性、析区钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。韧性及可焊性变坏。1.偏析：偏析：钢中化学成分分布不均匀，钢中化学成分分布不均匀，主要的偏析主要的偏析LOGO 2、非金属夹杂：、非金属夹杂：钢材中存在非金属化合钢材中存在非金属化合物（硫化物、氧化物），使钢材性能变脆。物（硫化物、氧化物），使钢材性能变脆。3、裂纹、分层：、裂纹、分层：浇注时的非金属夹杂物浇注时的非金属夹杂物在轧制中可能造成钢材的分层，影响钢材的冷弯在轧制中可能造成钢材的分层，影响钢材的冷弯性能。性能。2.4.2 冶金缺陷冶金缺陷2.4 2.4 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响
15、LOGO冷作硬化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，出现残残 余变形余变形，再次加载则再次加载则屈服点提高，塑性和屈服点提高，塑性和 韧性降低韧性降低的现象，也称的现象，也称“应变硬化应变硬化”。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从晶体中 析出，使材料硬化的现象。析出，使材料硬化的现象。应变时效应变时效钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易钢材产生塑性变形时，碳、氮化合物更易 析出。即析出。即冷作硬化的同时可以加速时效硬冷作硬化的同时可以加速时效硬 化化，因此也称，因此也称“人工时效人工时效”。2.4.3 钢材硬化钢
16、材硬化2.4 2.4 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 LOGO2.4.4 温度影响温度影响 温度升高，钢材强度是降低、应变增大；反之，温度升高，钢材强度是降低、应变增大；反之，温度降低，钢材强度略有增加，塑性和韧性降低而温度降低，钢材强度略有增加，塑性和韧性降低而变脆，见图变脆，见图2.9。蓝脆：蓝脆：在在250度度左右时，强度提高而伸长率和左右时，强度提高而伸长率和冲击韧性降低，钢材表面氧化膜呈蓝色，此种现象冲击韧性降低，钢材表面氧化膜呈蓝色，此种现象称为蓝脆现象。称为蓝脆现象。徐变：徐变：当温度在当温度在260320度度时，在应力持续不时，在应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形，此种变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形，此种现象称为徐变。现象称为徐变。当温度达到当温度达到600度度时强度很低，不能承担荷载。时强度很低，不能承担荷载。2.4 2.4 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性能的影响 LOGOfufy(%)(%)E Et()图图2.9 温度对钢材机械性能的影响温度对钢材机械性能的影响2.4 2.4 各种因素对钢材性能的影响各种因素对钢材性
