钢结构基本原理 优质课件

2.2 钢材的破坏形式
钢材的破坏形式：塑性破坏和脆性破坏。
1、塑性破坏：断口呈纤维状，色泽发暗。破 坏前有明显的变形，破坏Байду номын сангаас时 时间长，可以采取补救措施。
2、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。
在设计、施工和使用钢结构时，注意防止 脆性破坏。
2.3 钢材的主要性能
钢 结构
基本原理
土木工程学院
2007年——2008年第二学期
2 钢结构的材料
本章内容: (1) 钢结构对材料的基本要求 (2) 钢材的破坏形式 (3) 钢材的主要机械性 (4) 影响钢材性能的主要因素 (5) 钢的种类和钢材规格
本章重点: 钢材的主要机械性能、各种因素对 钢材性能的影响
本章难点: 影响钢材性能的主要因素
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，
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
2.4 各种因素对钢材性能的影响
2.4.1 化学成分
钢是含碳量小于2%的铁碳合金。钢中基本元素： Fe、C、Si、Mn、S、P、N、O。
0.04~0.045 0.035~0.04 0.03~0. 035
0.025~0.03 0.025
析区钢材的塑性、 韧性及可焊性变坏。
(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、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。
2.1 钢结构对材料的要求
对钢材的基本要求：
1、具有较高的抗拉强度 fu和屈服点 fy (结构的承载 力大，所需的截面小，结构的自重轻).
2、具有较好的塑性、韧性(塑性好，不易发生脆性破 坏；韧性好，利于承受动力荷载).
3、良好的工艺性能(包括冷加工、热加工以及焊接性 能)
规范规定：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 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 常温或负温冲击性的合格保证.据上要求,《钢结构设 计规范》GB50017-2003推荐承重结构用钢宜采用：碳 素结构钢中的Q235钢及低合金高强结构钢中的Q345、 Q390和Q420钢四种钢材。
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、气孔、裂纹和分层。
冶炼（脱氧）
缩孔
保温帽
(a)沸腾钢
(b)镇静钢
图2.5 钢锭剖面
轧制
注意：薄钢板的 强度比厚钢板的 强度高。
轧棍 图2.6 钢的轧制使晶粒细化
1.偏析：钢中化学成分分布不均匀，主要的偏析
是硫、磷，将使偏
0.035~0.040 0.030~0.035 0.025~0.030 0.025
0.025~0.030
0.09~0.10 0.08~0.09 0.07~0.08 0.06~0.07 0.055~0.06 0.05~0.055 0.045~0. 05
在高温时，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，
2.3.1 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 伸、冷弯、冲击）确定。
fp—比例极限
fy—屈服强度
(强度标准、设计依据)
图2.1 碳素结构钢的应力-应变关系
fu—极限强度
(最大承载强度、强度储备)
塑性：在静力荷载作用下， 钢材吸收变形能的能力。
δ—延伸率（塑性性能）
3、裂纹、分层：浇注时的非金属夹杂物在 轧制中可能造成钢材的分层，影响钢材的冷弯性 能。
2.4.3 钢材硬化
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——随时间的增长，碳和氮的化合物从晶体中 析出，使材料硬化的现象。
图2.2 高强度钢的应力-应变曲线
L1 L0 100 %
L0
条件屈服点：以卸荷后 试件中残余应变为0.2 % 所对应的应力（f0.2)
2.3.2 冷弯性能
图2.3 钢材冷弯试验示意图
冷弯性能是检验钢材弯 曲变形能力或塑性性能，还 是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。
普通碳素钢中， Fe占99%，其余元素占1%。在 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 %。
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”。
2.4.4 温度影响
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 变脆，见图2.9。
蓝脆：在250度左右时，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 称为蓝脆现象。