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1、第二章 钢结构的材料,钢结构对钢材性能的要求是多方面的，主要有以下几个方面：1.较高的强度。2.足够的变形能力-塑性、韧性好。3.良好的加工性能-冷加工性能和可焊性。4.耐久性好。2.1钢材在单向均匀受拉时的工作性能2.1.1钢材的应力一应变曲线单向拉伸试验可得钢材的应力一应变曲线。从中可得到钢材受力的几个阶段和强度、塑性的几项指标。由低碳钢-关系曲线可见，结构钢材一次拉伸试验时，历经四个阶段。,(1)弹性阶段(OA段)可得比例极限 fP；(2)弹塑性阶段（AB段）可得屈服强度 fY；(3)塑性阶段（BC段）完成屈服台阶；(4)强化阶段（CD段）可得抗拉强度 fu，获得伸长率。(5)颈缩阶段（
2、DE段）截面缩小，应力降低，到E点拉断。,2.1.2结构用钢的工作特性,钢材强度性能的指标有弹性模量E、比例极限fP、屈服强度fy、抗拉强度（极限强度）fu等，可以通过单向拉伸的应力-应变曲线得到。1、强度fy、fu、是衡量结构钢强度的主要指标。钢结构的设计强度f一般以钢材的屈服强度fy作为依据确定。因此对钢结构而言，结构钢可看成理想弹性-塑性体，即在屈服之前为弹性阶段，屈服之后为塑性阶段，屈服强度则为其承载能力的极限。而将抗拉强度作为安全储备。,2、塑性衡量钢材塑性好坏的主要指标是伸长率（最大应变max）和断面收缩率,可由静力拉伸试验得到。伸长率等于试件拉断后的原标距间的伸长量和原标距比值的
3、百分率：式中伸长率；l0试件原标距长度；l1试件拉断后标距的长度。伸长率是衡量钢材塑性性质的一项主要指标。断面收缩率是试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分率，按下式计算：,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。断面收缩率标志着钢材在颈缩区的三向同号拉应力状态下可能产生的最大塑性变形能力，是衡量钢材在该拉伸应力状态下发生永久塑性变形而不致断裂的性质的一项重要指标。值愈大，表明塑性性质愈好。fy、fu、是结构钢的基本力学指标，又称三项保证。2.1.3、冲击韧性冲击韧性是指钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收机械能的一种能力。钢材的韧性可通过不同温度下的冲击韧性
4、试验得到。,韧性试验的标准试件的型式有夏比（CharPy）V形缺口试件。此外还有U形缺口试件。钢材的轧制方向和厚度要影响冲击韧性。2.1.4、冷弯性能冷弯性能是指钢材在冷加工（常温下加工）产生塑性变形时，对产生裂缝的抵抗能力。通过冷弯试验来检验。,冲击试验,钢材冷弯试验示意图,fy、fu、冷弯性能、冲击韧性反映了结构钢的机械性能，又称五项保证。,2.1.5钢材Z向收缩率当钢材厚度较大时(40mm)，在焊接过程中或承受沿板厚方向的拉力作用时，容易发生层状撕裂。1.层状撕裂的发生,钢板的层状撕裂一般在焊接节点中产生。厚钢板较易产生层状撕裂，因为钢板越厚，非金属夹杂缺陷越多，且焊缝也越厚，焊接应力和
5、变形也越大。2.钢板的Z向性能钢板沿厚度方向的受力性能（主要为延性性能）称为Z向性能，一般以断面收缩率作为评定指标。GB5313厚度方向性能钢板的规定，适用于厚度15150mm及屈服点不大于500Nmm2的镇静钢钢板。该标准将钢板Z向断面收缩率分为Z15、Z25、Z35等三个级别，它对应的断面收缩率相应为15、25、35。对这三个级别的钢材还规定含硫量相应地分别小于0.01、0.007，0.005。,断面收缩率的级别愈高，其抗层状撕裂的性能愈好;含硫量愈高,断面收缩率的级别愈低。板厚40mm称为厚板，使用时应考虑其Z向性能，即采用Z向性能钢。Z向断面收缩率大于20的钢板，其层状撕裂一般可以避免
6、；当Z向断面收缩率小于20时，则有可能发生层状撕裂。2.1.6钢材的可焊性钢材的可焊性是指在一定的焊按工艺和结构条件下，钢材经过焊接后能够获得良好的焊接接头的性能。对普通碳素钢，含碳量在0.27%以下，锰含量在0.7%以下，硅含量在0.4%以下，磷、硫含量各低于0.05%以下，可认为可焊性良好。,对低合金钢，我国行业标准建筑钢结构焊接技术规程（JGJ81）采用下式计算碳当量来衡量低合金钢的可焊性：计算的CE不超过0.38时，钢材的可焊性很好;计算的CE大于0.38但未超过 0.45时，钢材淬硬倾向逐渐明显，需要采取适当的预热措施并注意控制施焊工艺；计算的CE大于0.45时，钢材的淬硬倾向明显，
7、需采用较高的预热温度和严格的工艺措施来获得合格的焊缝。,2.3钢材在复杂应力作用下的工作性能,钢材受双向或三向复杂应力的作用,用材料力学中的能量强度理论，来确定钢材在多轴应力状态下的屈服条件。能量强度理论材料多项受力时单位体积的畸变能等于其单向受力屈服时单位体积的畸变能则屈服。当折算应力用主应力表示：,由上式可知：钢材在多轴应力状态下，当处于同号应力场时，钢材易产生脆性破坏；而当处于异号应力场时，钢材将发生塑性破坏。平面应力时，折算应力可简化为：梁中，只存在正应力与剪应力，上式化为：当钢梁受纯剪时，=0,极限屈服状态为：所以钢材的抗剪设计强度取为0.58f,f为钢材抗拉强度设计值。,2.4钢材
8、的破坏形式,钢材有两种破坏形式，一种是塑性破坏，也叫延性破坏；另一种是脆性破坏。疲劳破坏是钢材在多次反复荷载作用下引起的断裂破坏，其性质属于脆性断裂1、塑性破坏钢材晶粒中对角面上的剪应力值超过抵抗能力而引起晶粒相对滑移的结果。断口与作用力方向常成45o，断口呈纤维状，色泽灰暗而不反光，有时还能看到滑移的痕迹。2、脆性断裂 脆性破坏在破坏前无明显变形，平均应力小,按材料力学计算的名义应力往往比屈服点低很多。脆性断裂没有任何预兆，破坏断口平直和呈有光泽的晶粒状。,2.4.1钢材的脆性断裂,1.概述一般认为脆性断裂是由裂纹引起的，是在荷载和侵蚀性环境中裂纹明显发展时发生的。2.影响钢结构脆性断裂的因
9、素(1)钢材质量差(2)结构构件构造不当(3)制造安装质量差(4)结构受有较大动力荷载，或在较低环境温度下工作等。3.脆性断裂的防止从设计、构造、加工和安装等方面来控制。,2.4.2钢材的疲劳破坏,钢材经过多次循环反复荷载的作用，虽然平均应力低于抗拉强度甚至低于屈服点，也会发生破坏的现象叫疲劳破坏。钢材的疲劳破坏是在循环荷载的长期反复作用下，裂纹发展而造成的突然破坏。顾得曼（Goodman）提出了关于交变应力和平均应力的一些疲劳图。他认为不论非焊接结构和焊接结构，其疲劳强度均与最大应力、应力比和钢材强度级别有关。大量全尺寸焊接梁试件的疲劳断裂试验证明：影响焊接结构疲劳强度的最重要因素是应力幅（
10、最大应力与最小应力的代数差）、接头细部构造类型，而不是最大应力、应力比。,1应力比和应力幅,反复荷载引起的应力循环形式有同号应力循环和异号应力循环两种类型。每次循环中绝对值最小的应力与绝对值最大的应力比值称为应力比（拉为正，压为负）。,在应力循环中，最大拉应力与最小拉应力（或压应力）的代数差叫应力幅，即（拉为正压为负）。应力幅总为正值。在每一次应力循环中，若应力幅为常数，叫常幅应力循环；若应力幅不是常数而是变数，则叫变幅应力循环。对于焊接结构，由于残余应力的存在和影响，其疲劳破坏并不是最大应力重复作用的结果，而是应力幅重复作用的结果，故其疲劳强度主要取决于应力幅，并且与构件或连接的细部构造和作
11、用的循环次数有关，而与表示荷载循环特征的应力比及钢材种类无关。对于非焊接结构，疲劳强度与最大应力和应力比有关。2.疲劳强度与应力循环次数（疲劳寿命）的关系当应力循环的形式不变，钢材的疲劳强度与应力 循环的次数（疲劳寿命）N有关。,由试验可知，当应力循环无数次时，疲劳强度并不无限变小，而是趋于某一值，此值称为疲劳极限强度。,2.4.3损伤累积破坏,各种因素都可能造成结构损伤，而随时间的增加，损伤不断积累造成破坏，称为损伤累积破坏。损伤有塑性损伤、疲劳损伤、材质的变化和蠕变损伤等。2.5影响结构钢材力学性能的主要因素2.5.1化学成分影响1.碳(C)碳钢的组织都是由铁素体和渗碳体这两个相组成的。钢
12、的强度来自渗碳体与珠光体(渗碳体与纯铁体的混合物)。碳含量的增加，钢材的抗拉强度和屈服强度提高；但其塑性、冷弯性能和冲击韧性、特别是低温冲击韧性降低，焊接性也变坏。钢材中碳含量不能过高，通常不超过0.22。,2.锰(Mn)锰是有益元素，它能增加珠光体相对量，使组织细化。因此,它能显著提高钢材强度,但不过多降低塑性和冲击韧性。锰是弱脱氧剂;我国低合金钢中锰的含量在1.01.7。但是过量的锰含量会使钢材的可焊性降低，钢材变脆和塑性降低,故含量有限制。3.硅(Si)硅是有益元素，有更强的脱氧作用，是强脱氧剂。硅有细化晶粒、提高钢的强度、硬度和弹性的作用；并使钢的塑性、韧性和可焊性不受影响。硅的含量在
13、碳素镇静钢中为0.120.3，低合金钢中为0.20.55，过量时则会恶化可焊性及抗锈蚀性。,4.钒（V）、铌（Nb）、钛（Ti）钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢都含有这三种元素，可提高钢材强度和细化钢的晶粒。钒、铌、钛的化合物具有高温稳定性，使钢的高温硬度提高。5.铝（Al）。铬（Cr）、镍（Ni）铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。低合金钢的C、D及E级都规定铝含量不低于0.015，以保证必要的低温韧性。铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390钢和Q420钢。,6.硫(S)硫是有害元素，在钢中主要以FeS的形态存在。FeS塑性差，强
14、度低，所以含S量高的钢，脆性大。更严重的是，FeS和Fe能形成低熔点（985）的共晶体分布在奥氏体晶界上，当碳钢加热到11001200进行锻、轧等压力加工时，由于低熔点共晶体熔化而使钢在热加工过程中沿着晶界开裂，这种现象称为钢的“热脆”。硫还能降低钢的冲击韧性，同时影响疲劳性能与抗锈蚀性能。7磷（P）磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷固溶于铁素体中，提高了钢的强度和硬度，但在室温下使钢的塑性、韧性显著下降，并使脆性转变温度升高，使钢变脆。这种脆化现象在低温时更为严重，称为“冷脆”。,磷的存在也使钢材焊接性能变坏。磷有时也作为有效元素加入或与其他合金元素一起加入，生产出某些特殊性能钢，如耐大
15、气腐蚀钢，尤其钢中含铜时，其抗腐蚀性能更为显著，以及高磷钢等。8.氧（O）、氮（N）、氢(H)氧、氮、氢通常是在钢熔融时从空气或水分子分解等进入钢液，在冷却后余留下来的极其有害的元素。氧的有害作用同硫且更甚，增加钢的脆性；氮的作用类似于磷，能显著降低钢材的塑性、冲击韧性并增大其“冷脆”性；氢在低温时易使钢呈脆性破坏，产生所谓“氢脆”破坏现象。,2.5.2钢材生产过程的影响,1、冶炼冶炼方法有三种：碱性平炉炼钢法、顶吹氧气转炉炼钢法和碱性侧吹氧气转炉炼钢法。2、浇注脱氧成度不同，钢材分为沸腾钢、半镇静钢和镇静钢及特殊镇静钢。3、轧制轧制是将钢锭热轧成钢板和型钢。钢材的力学性能与轧制方向有关，钢材沿轧制方向比垂直于轧制方向的强度高。钢材愈薄其强度愈高、塑性和冲击韧性愈好。,
