建筑钢材的性能讲义.pptx
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1、结构设计原理结构设计原理第第3 篇钢结构篇钢结构熊熊 峰峰 教授教授 四川大学四川大学 建筑与环境学院建筑与环境学院第第11章章 建筑钢材的性能建筑钢材的性能主要内容:建筑结构钢的品种和规格建筑钢材的力学性能 影响钢材性能的主要因素钢材疲劳钢结构选材的要求钢材及其连接的强度取值11.1 建筑结构钢的品种和规格建筑结构钢的品种和规格锰系钢锰系钢硅锰系钢硅锰系钢 钢材钢材 碳素钢碳素钢低合金钢低合金钢 低碳钢低碳钢含碳量含碳量0.25%中碳钢中碳钢含碳量含碳量0.25%0.6%高碳钢高碳钢含碳量含碳量0.6%1.4%硅钒系钢硅钒系钢硅钛系钢硅钛系钢硅铬系钢硅铬系钢11.1 11.1 建筑结构钢的品
2、种和规格建筑结构钢的品种和规格建筑结构钢的品种和规格建筑结构钢的品种和规格钢材的牌号钢材的牌号n铸造碳钢铸造碳钢铸钢代号铸钢代号ZG、屈服点、屈服点fy-抗拉强度抗拉强度fu,例例ZG200-400。常用的铸造碳钢有常用的铸造碳钢有ZG200400、ZG230450、ZG270500和和ZG310570。n螺栓用钢:用碳钢或低合金钢制造。螺栓用钢:用碳钢或低合金钢制造。抗拉强度抗拉强度.屈强比屈强比抗拉强度以抗拉强度以t/cm2为单位。为单位。普通螺栓有普通螺栓有4.6级、级、4.8级、级、5.6级、级、8.8级,高强度螺栓有级,高强度螺栓有8.8和和10.9级。级。钢材的牌号钢材的牌号结构钢
3、材牌号结构钢材牌号n 碳素结构钢牌号碳素结构钢牌号代表屈服点字母代表屈服点字母Q、屈服应力标、屈服应力标准值、准值、-质量等级、脱氧方法质量等级、脱氧方法,例如例如Q235-AF、Q255-C。碳素结构钢共分碳素结构钢共分Q195、Q215、Q235、Q255和和Q275五个牌号,钢结构中通常仅使用五个牌号,钢结构中通常仅使用Q235。Q235钢根据厚度尺寸,分为钢根据厚度尺寸,分为6档。档。质量等级质量等级A、B、C、D 脱氧方法脱氧方法F、b、Z、TZn 低合金高强度钢牌号低合金高强度钢牌号代表屈服点字母代表屈服点字母Q、屈服应、屈服应力标准值、力标准值、-质量等级质量等级例如例如Q295
4、B、Q420E。低合金低合金高强度结构钢共分高强度结构钢共分Q295、Q345、Q390、Q420和和Q460五个牌号,其中五个牌号,其中Q345钢、钢、Q390钢和钢和Q420钢为钢结构钢为钢结构的选用钢材。的选用钢材。质量等级质量等级A、B、C、D、E钢材的品种和规格钢材的品种和规格钢结构中所使用的钢材包括:热轧钢板、热轧型钢钢结构中所使用的钢材包括:热轧钢板、热轧型钢和冷弯薄壁型钢:和冷弯薄壁型钢:n热轧钢板热轧钢板 厚厚h 宽宽b长长l厚钢板:厚钢板:h=4.560mm,b=6003000mm,l=412m薄钢板:薄钢板:h=0.354mm,b=5001500mm,l=0.54m扁钢板
5、:扁钢板:h=460mm,b=12200mm,l=39m花纹钢板:花纹钢板:h=2.58mm,b=6001800mm,l=0.612mn热轧型钢热轧型钢n冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢 壁厚壁厚1.55mm截面贯性矩大,高截面贯性矩大,高截面贯性矩大,高截面贯性矩大,高效、经济,但对锈效、经济,但对锈效、经济,但对锈效、经济,但对锈蚀较为敏感。蚀较为敏感。蚀较为敏感。蚀较为敏感。压型钢板一般厚压型钢板一般厚压型钢板一般厚压型钢板一般厚0.41.6mm0.41.6mm,节约,节约,节约,节约钢材。钢材。钢材。钢材。角钢角钢角钢角钢 工字钢工字钢工字钢工字钢 槽钢槽钢槽钢槽钢 HH型钢型钢型钢型钢 T
6、T型钢型钢型钢型钢 钢管钢管钢管钢管(a)冷弯薄壁型钢冷弯薄壁型钢(b)压型钢板压型钢板11.2 建筑钢材的力学性能建筑钢材的力学性能n按其变形能力来分按其变形能力来分n塑性材料(破坏时有较大的塑性变形):钢材n脆性材料(破坏前无明显的塑性变形):混凝土、砖、砌块等n材料性能分类材料性能分类物理性能力学性能可结合性钢材的力学性能钢材的力学性能单轴单轴强度指标强度指标塑性材料脆性材料材料的应力材料的应力-应变图形应变图形比例极限应力、应变之间满足线性关系的最大应力屈服强度一般用下屈服点作为材料的屈服强度强度极限试件、试样能承受的最大名义应力承压强度构件之间通过接触面传递压力称为承压,承压面所能承
7、担的最大压应力塑性材料一般受拉、受压材料性质相似脆性材料抗压强度高于抗拉强度塑性材料脆性材料n三向应力状态下的屈服条件三向应力状态下的屈服条件Mises屈服准则屈服准则钢材的力学性能钢材的力学性能多轴多轴强度指标强度指标为弹性状态,否则为塑性状态为弹性状态,否则为塑性状态n二向应力状态下的屈服条件二向应力状态下的屈服条件对一般的梁对一般的梁对纯剪状态对纯剪状态塑性指标塑性指标n以试件变形后的残余变形定义塑性以试件变形后的残余变形定义塑性长试样:圆截面 矩形截面短试样:圆截面 矩形截面延伸率延伸率截面收缩率截面收缩率为塑性材料为塑性材料;否则为脆性材料;否则为脆性材料冲击韧性冲击韧性n钢材在冲击
8、荷载作用下断裂时吸收机械能的一种能力,是衡钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的一种能力,是衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、冲击荷载作用等而致脆量钢材抵抗可能因低温、应力集中、冲击荷载作用等而致脆性断裂的一项机械性能,是强度与塑性的综合表现。性断裂的一项机械性能,是强度与塑性的综合表现。n冲击韧性定义为试件破坏后所消耗的冲击功冲击韧性定义为试件破坏后所消耗的冲击功 n同一牌号的的钢材同一牌号的的钢材质量根据冲击韧性指标划分等级质量根据冲击韧性指标划分等级冷弯性能和疲劳强度冷弯性能和疲劳强度 疲劳强度疲劳强度 在循环荷载作用下,当达在循环荷载作用下,当达到一定的循环次数时,构件到一定的循环次数
9、时,构件会发生脆性破坏,且破坏应会发生脆性破坏,且破坏应力远小于力远小于 。在规定的循环次数和荷载在规定的循环次数和荷载变化幅度下,材料所能承受变化幅度下,材料所能承受的最大动态应力,称为疲劳的最大动态应力,称为疲劳强度强度冷弯性能冷弯性能冷弯是将直径为冷弯是将直径为d的钢筋绕直径的钢筋绕直径为为D的弯芯弯曲到规定的角度后的弯芯弯曲到规定的角度后无裂纹或起层现象,则表示冷弯无裂纹或起层现象,则表示冷弯合格。合格。徐变和应力松弛徐变和应力松弛n徐变或蠕变徐变或蠕变 恒定温度和应力作用下,构件的变形随时恒定温度和应力作用下,构件的变形随时间间t增长的现象增长的现象n应力松弛应力松弛 在恒定的温度和
10、应变条件下,构件应力随时在恒定的温度和应变条件下,构件应力随时间的增加而减小的现象间的增加而减小的现象11.3 影响钢材性能的主要因素影响钢材性能的主要因素11.3.1 化学成分化学成分元素元素作用作用强度强度塑性塑性冲击冲击韧性韧性冷弯冷弯性能性能热脆热脆冷脆冷脆碳碳含量对钢材的强度、塑性、韧性和焊含量对钢材的强度、塑性、韧性和焊接性有决定性影响接性有决定性影响0.25%高高低低低低低低锰锰适量适量碳素钢中作为脱氧剂碳素钢中作为脱氧剂0.30.8%低合金钢中作为合金元素低合金钢中作为合金元素1.21.6%提高提高没过多的降低没过多的降低改善改善过量过量降低降低减少氧、硫的有减少氧、硫的有害影
11、响害影响变脆变脆硅硅适量适量熔炼镇静钢的脱氧剂。且能使钢中纯熔炼镇静钢的脱氧剂。且能使钢中纯铁晶粒细小和散布均匀铁晶粒细小和散布均匀提高提高无显著不良影响无显著不良影响过量过量降低,且恶化抗降低,且恶化抗锈蚀能力和焊接锈蚀能力和焊接性性0.3%(Q235)或)或0.6%(16Mn、15MnV)钒钒提高强度和细化晶粒,高温硬度提高提高强度和细化晶粒,高温硬度提高硫硫热脆(热脆(FeS在高温熔化而使钢材出现裂纹),在高温熔化而使钢材出现裂纹),使钢的焊接性变坏使钢的焊接性变坏降低降低含量含量0.035%0.05%磷磷冷脆(低温韧性降低并产生脆性破坏)冷脆(低温韧性降低并产生脆性破坏)含量含量0.0
12、35%0.045%氧、氮、氧、氮、氢氢氧同硫增加钢的脆性;氮类似磷,将低钢的塑性、冲击韧性并增大其冷脆性;氢在低温时易使氧同硫增加钢的脆性;氮类似磷,将低钢的塑性、冲击韧性并增大其冷脆性;氢在低温时易使钢产生脆性破坏。钢产生脆性破坏。11.3.2 冶金工艺冶金工艺n炼钢炉炉种炼钢炉炉种 平炉、平炉、氧气转炉氧气转炉、空气转炉、电炉、空气转炉、电炉n脱氧方式脱氧方式 浇注过程中加入脱氧剂以消除氧浇注过程中加入脱氧剂以消除氧 根据脱氧程度可分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢、根据脱氧程度可分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢、特殊镇静钢。特殊镇静钢。n钢材轧制钢材轧制 热轧成型能改变钢材的力学性能,薄型材和薄钢
13、板热轧成型能改变钢材的力学性能,薄型材和薄钢板强度较高。强度较高。n冶金缺陷冶金缺陷 偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹和分层等偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹和分层等11.3.3 钢材硬化钢材硬化n时效硬化时效硬化n应变硬化应变硬化n应变时效硬化应变时效硬化fyfpfy%024310时效硬化时效硬化冷作硬化冷作硬化冷作硬化后的冷作硬化后的塑性区塑性区冷加工及时效冷加工及时效冷加工及时效冷加工及时效后的塑性区后的塑性区硬化:强度提高,硬化:强度提高,硬化:强度提高,硬化:强度提高,塑性下降塑性下降塑性下降塑性下降11.3.4 温度影响温度影响高温影响:高温影响:高温影响:高温影响:在在在在250250左
14、右,抗拉强度左右,抗拉强度左右,抗拉强度左右,抗拉强度有局部性提高,伸长率和断面收缩率有局部性提高,伸长率和断面收缩率有局部性提高,伸长率和断面收缩率有局部性提高,伸长率和断面收缩率均降至最低,出现了所谓的均降至最低,出现了所谓的均降至最低,出现了所谓的均降至最低,出现了所谓的蓝脆蓝脆蓝脆蓝脆现象。现象。现象。现象。在在在在300300以后,强度和弹性模量均开以后,强度和弹性模量均开以后,强度和弹性模量均开以后,强度和弹性模量均开始显著下降,塑性显著上升,达到始显著下降,塑性显著上升,达到始显著下降,塑性显著上升,达到始显著下降,塑性显著上升,达到600600时,强度几乎为零,塑性急剧时,强度
15、几乎为零,塑性急剧时,强度几乎为零,塑性急剧时,强度几乎为零,塑性急剧上升,钢材处于热塑性状态。上升,钢材处于热塑性状态。上升,钢材处于热塑性状态。上升,钢材处于热塑性状态。低温影响:低温影响:低温影响:低温影响:随着温度的降低,钢材的强度提高,而塑性和韧性降低,逐渐变脆,称为钢材的低温冷脆在直接承受动力作用的钢结构设计中,为了防止脆性破坏,结构的工作温度应大于T1接近T0,可小于T2。温度T1也称为NDT(NilDuctilityTemperature),为脆性转变温度或零塑性转变温度温度T2也称FTP(FractureTransitionPlastic),为全塑性转变温度11.3.5 应力
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