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1、长春工程学院教案用纸序号22 钢结构的材料本章主要内容：了解钢结构对钢材的要求；掌握钢材的破坏形式、钢材的主要性能、响钢材性能的因素。本 章 重 点：（1）钢材的破坏形式；（2）钢材的主要性能；（3）影响钢材性能的因素。本 章 难 点：影响钢材性能的因素。2.1 钢结构对材料的要求对钢材的基本要求：(1)较高的抗拉强度fu和屈服点fy ；(2)较高的塑性和韧性；(3)良好的工艺性能(包括冷加工、热加工和焊接性能)。此外，根据结构的具体工作条件，有时还要求钢材具有适应低温、高温和腐蚀性环境的能力。按以上要求，钢结构设计规范具体规定：承重结构采用的钢结材应具有抗拉强度、伸长率、屈服强度和硫、磷含量
2、的合格保证，对焊接结构尚应具有碳含量的合格保证。焊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冷弯试验的合格保证。对需要验算疲劳强度的结构用钢材，根据具体情况应当具有常温或负温冲击韧性的合格保证。2.2 钢材的破坏形式钢材有两种性质完全不同的破坏形式，即塑性破坏和脆性破坏。塑性破坏：断口呈纤维状，色泽发暗。脆性破坏：破坏前没有任何预兆，破坏是突然发生的，断口平直并呈有光泽的晶粒状。教法提示钢材的破坏形式，钢材的主要性能，钢影响钢材性能的因素。提问：塑性、脆性破坏的区别。长春工程学院教案用纸2.3 钢材的主要性能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。2.3.1
3、 强度性能钢材标准试件在常温静荷载情况下，单向均匀受拉试验时的荷载-变形（F-L）曲线或应力-应变（-）曲线，如图2.1所示。图2.1 碳素结构钢的应力-应变曲线高强度钢没有明显的屈服点和屈服台阶。这类钢的屈服条件是根据试验分析结果而人为规定的，故称为条件屈服点（或屈服强度）。条件屈服点是以卸荷后试件中残余应变为0.2%所对应的应力定义的（有时用f0.2表示），见图2.2。由于这类钢材不具有明显的塑性平台，设计中不宜利用它的塑性。图2.2 高强度钢的应力-应变关系塑性：在静力荷载作用下，钢材吸收变形能的能力。延伸率（塑性性能） 2.3.2 冷弯性能冷弯性能是检验钢材弯曲变形能力或塑性性能，还是
4、显示钢材内部缺陷状况的一项指标；是鉴定钢材在弯曲状态下塑性应变能力和钢材质量的综合指标。教法提示提问：条件屈服点。长春工程学院教案用纸图2.3 钢材冷弯试验示意图2.3.3 冲击韧性冲击韧性：在动力荷载作用下，材料吸收能量的能力。韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力，它用材料在断裂时所吸收的总能量来量度（Cv）。韧性是钢材强度和塑性的综合指标。图2.4 冲击韧性试验钢材性能可用五项机械性能指标衡量：、1800C冷弯、冲击韧性ak。 ak衡量钢材承受动力荷载作用时抵抗脆性破坏的性能。2.4 各种因素对钢材性能的影响2.4.1 化学成分钢中基本元素：、。普通碳素钢中，占99%，其余元素占1%，低合金钢中，
5、除了上述元素外，还有一定合金元素（镍、钒、钛等）（含量5%）。各种元素对钢材机械性能的影响如下。碳C ：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化。一般在碳素结构钢中不应超过0.22%；在焊接结构中还应低于0.2%。教法提示长春工程学院教案用纸硅Si：碳素结构钢中应控制0.3%, 在低合金高强度钢中硅的含量可达0.55%。锰Mn：含Mn适量使强度，降低S、O的热脆影响，改善热加工性能，对其它性能影响不大，有益。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1.0% 1.6%。硫S：降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度，在高温时，
6、使钢材变脆，称之为热脆。含量应不超过0.045%。(有害成分)磷P：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。含量应不超过0.045%。可以提高强度和抗锈蚀性。(有害成分)氧O：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。 (有害成分)氮N：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。 (有害成分)钒和钛：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。铜：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。2.4.2 冶金缺陷在冶炼、轧制过程中常常出现的缺陷有偏析、非金属夹杂、裂纹、夹层及气
7、孔等。图2.5 钢锭剖面 1、偏析：钢中化学成分不一致和不均匀性，主要的偏析是硫、磷，将严重恶化钢材的性能,使偏析区钢材的塑性、韧性及可焊性变坏。2、非金属夹杂：钢材中存在非金属化合物（硫化物、氧化物），使钢材性能变脆。教法提示长春工程学院教案用纸3、裂纹、分层：在轧制中可能出现，影响钢材的冷弯性能。图2.6 钢的轧制使晶粒细化 (a)镇静钢锭,钢液含硫0.032% (b)沸腾钢锭,钢液含硫0.04%图2.7 钢锭中硫的偏析图2.8 型钢硫的偏析2.4.3 钢材的硬化冷作硬化当加载超过材料比例极限卸载后，出现残余变形，再次加载则屈服点提高，塑性和韧性降低的现象，也称“应变硬化”。时效硬化随时间
8、的增长，碳和氮的化合物从晶体中析出，使材料硬化的现象。应变时效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，因此也称“人工时效”。 教法提示推广时效冷作硬化的特征。长春工程学院教案用纸2.4.4 温度影响钢材性能随温度变动而变化。总的趋势是：温度升高，钢材强度降低，应变增大；反之，温度降低，钢材强度会略有增加，塑性和韧性却会降低而变脆，见图2.9。图2.9 温度对钢材机械性能的影响温度升高，在200以内钢材性能没有很大变化，430540之间强度急剧下降，600时强度很低不能承担荷载。但在250左右，钢材的强度反而略有提高，同时塑性和韧性均下降，材料有转脆的倾向，钢
9、材表面氧化膜呈现蓝色，称为蓝脆现象。钢材应避免在蓝脆温度范围内进行热加工。当温度在260320之间时，在应力持续不变的情况下，钢材以很缓慢的速度继续变形，此种现象称为徐变现象。当温度从常温开始下降，特别是在负温度范围内时，钢材强度虽有些提高，但其塑性和韧性降低，材料逐渐变脆，这种性质称为低温冷脆。图2.10是钢材冲击韧性与温度的关系曲线。由图可见，随着温度的降低，Cv值迅速下降，材料将由塑性破坏转变为脆性破坏，同时可见这一转变是在一个温度区间T1T2内完成的，此温度区T1T2称为钢材的脆性转变温度区，在此区间内曲线的反弯点（最陡点）所对应的温度T0称为脆性转变温度。如果把低于T0完全脆性破坏的
10、最高温度T1作为钢材的脆断设计温度即可保证钢结构低温工作的安全。图2.10 冲击韧性与温度的关系曲线教法提示让学生思考：“三脆”的区别。长春工程学院教案用纸2.4.5 应力集中构件上孔洞、刻槽、凹角、裂纹以及截面厚度或宽度改变等部位，在力作用下，该处出现高峰应力，而其它部位应力较低，截面应力分布不均匀现象应力集中。应力集中系数 应力集中是造成构件脆性破坏的主要原因之一。应力集中系数越大，变脆的倾向越严重。 图2.11 孔洞及槽孔处的应力集中2.5 复杂应力作用下钢材的屈服条件在单轴应力作用下时钢材屈服，构件由弹性工作状态转为塑性工作状态。在多轴应力作用下钢材的屈服条件不能以某一轴向应力超过某屈
11、服点来判别，而是按材料力学的能量强度理论计算折算应力与钢材在单轴应力作用下的比较判断。图2.12 复杂应力教法提示长春工程学院教案用纸当用应力分量表示时：当用主应力表示时：在普通梁中，一般只存在正应力和剪应力讨论：（1）当三个主应力同号且数值接近时，即使很大，但钢材很难屈服，发生脆性破坏。（2）有异号应力，且同号两个应力差较大，即使，但可能大于，发生塑性破坏。纯剪： 2.7 钢材的种类和规格2.7.1 钢材的种类(1)按 用 途：结构钢、工具钢、特殊钢(如不锈钢等)。(2)按冶炼方法：转炉钢、平炉钢。(3)按脱氧方法：沸腾钢、镇静钢、特殊镇静钢。(4)按成型方法：轧制钢、锻钢、铸钢。(5)按化
12、学成分：碳素钢、合金钢。在建筑工程中采用的是：碳素结构钢、低合金高强度结构钢、优质碳素结构钢。普通碳素钢（碳素结构钢）、（低合金结构钢）：牌号有四部分组成：代表屈服点的字母；教法提示提问：选择钢材应该从哪几个方面考虑，引出选择钢材要考虑的因素。长春工程学院教案用纸屈服点的数值195、215、235、255、275、345、390等；质量等级符号A、B、C、D四个等级（普通碳素钢） A、B、C、D、E五个等级（普通低合金钢）脱氧方法符号F代表沸腾钢、b代表半镇静钢、z代表镇静钢、Tz代表特殊镇静钢。优质碳素结构钢：主要用于钢结构某些节点或用作连接件。建筑结构用钢板：高性能建筑结构钢材(GJ钢)，
13、牌号由以下组成：Q代表屈服强度的字母；屈服点的数值；代表高性能建筑结构用钢的汉语拼音字母GJ；质量等级符号B、C、D、E四个等级对于厚度方向性能钢板，在质量等级后面加上厚度方向性能级别（Z15、Z25、Z35 ）。适用于建造高层建筑结构、大跨度结构及其他重要建筑结构。2.7.2 钢材的选择确定钢材种类及其质量等级。1、结构的重要性安全等级不同，所选钢材的质量等级也不应不同，重要的结构构件选用质量好的钢材。2、荷载特征荷载为静力或动力荷载，应选用各项性能不同的钢材。3、连接方法焊接应选择可焊性好的钢材。非焊接结构对含碳量可降低要求。4、结构所处的温度和环境处于负温下工作时，选用负温冲击合格的钢材
14、，结构周围有腐蚀介质存在时要选用抗锈性好的钢材。5、钢材的厚度教法提示长春工程学院教案用纸厚度大焊接结构应采用材质较好的钢材。2.7.3 钢材规格钢结构采用的型材有：热轧钢板、热轧型钢、冷弯薄壁型钢。1、热轧钢板 “” 宽度厚度长度（mm）2、热轧型板（1）热轧角钢等肢角钢 L肢宽肢厚不等肢角钢 L长肢宽短肢宽肢厚（2）热轧工字钢普通工字钢 I号数（代表截面高度厘米数）轻型工字钢 QI号数（代表截面高度厘米数）20号以上的工字钢，按腹板厚度同一号数又分a、b、c三类。（3）热轧槽钢普通槽钢 I号数轻型槽钢 QI号数14号以上的槽钢，按腹板厚度同一号数又分a、b、c三类（4）H型钢宽翼缘H型钢HK，用于轴压、压弯构件。型号以公称高度的毫米数，其后标注a、b、c。3、钢管无缝钢管和焊接钢管 “”外径厚度4、薄壁型钢用薄钢板经模压或弯曲而制成。壁厚一般为1.55mm。用作轻型屋面及墙面等构件。图2.13 热轧型钢截面教法提示长春工程学院教案用纸图2.14 薄壁型钢截面教法提示25
