【冶金精品文档】钢结构基本原理及设计

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§2-2 钢材的生产
钢材沿轧制方向（纵向） 的性能优于垂直轧制方向（横 向）的性能，使各向异性增大。 钢板部件应沿其横向切取试件 进行拉伸和冷弯试验。
钢中的硫化物和氧化物等非 金属夹杂，经轧制之后被压成薄 片 会出现分层现象。使钢板沿 厚度方向受拉的性能恶化
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§2-3 钢材的主要性能
冷弯性能试验方法 具有一定弯心直径d的冲头 对标准试件中部施加荷载使之弯曲 不出现裂纹或分层，判断钢材的冷弯性能
冷弯性能试验
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§2-3 钢材的主要性能
二. 冲击韧性
单调拉伸试验比较不同钢材在正常情况下韧性好坏 冲击韧性是评定带有缺口钢材冲击荷载作用下抵抗脆 性破坏能力的指标， 通常用带有夏比V型缺口的标准试件
冲击韧性值随温度的降低而降低 相当温度下的冲击韧性指标： 在寒冷地区承受动力作用重要承重结构，应根据工作温 度和所用钢材牌号，提出相当温度下的冲击韧性指标要求
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§2-3 钢材的主要性能
钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷裁作用下，断裂 过程中吸收机械动能的一种能力，是衡量钢材抵抗冲击 荷裁作用
C级只能是Z，D级只能是TZ。 例如：Q235A·F表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢
Q215B，表示屈服点为215MPa的B级镇静钢 Q215B·b 表示屈服点为215MPa的B级半镇静钢
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§2-2 钢材的生产
2.2.2 钢材的组织构造和缺陷
一. 钢材的组织构造
碳素结构钢是在纯铁中加适量的碳来提高强度
能，σu／σy值的大小，作为钢材强度储备的参数
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§2-3 钢材的主要性能
2．塑性
衡量钢材塑性变形能力的主要指标是伸长率δ和断面收
缩率ψ。 原标距间长度的伸长值与原标距比值的百分率。一般
以l0／d0=5为标准试件。伸长率δ5：
5
l1
l0
l0
100%
式中：l0——试件原标距长度； d0——试件标距长度内的直径；
§2-2 钢材的生产
二. 冷加工
冷轧卷板和冷轧钢板 冷弯薄壁型钢和压型钢板 高强钢丝
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§2-2 钢材的生产
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§2-2 钢材的生产
三. 热处理
包括退火、正火、淬火和回火 退火和正火改善组织以提高钢的机械性能 其操作方法为：在炉中钢材加热保温一段时间后，随炉 温冷却至500℃以下，再放至空气中冷却的工艺称为完全退 火 若保温后从炉中取出在空气中冷却的工艺称为正火。正 火的冷却速度比退火快，强度和硬度有所提高 低温退火，主要用来消除铸件、热轧件、锻件、焊接件 和冷加工件中的残余应力
l1 ——试件拉断后标距间的长度。
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§2-3 钢材的主要性能
断面的颈缩率：
A0 A1 100%
A0
式中：A0——试件标准断面的面积 A1——试件拉断后颈缩区的断面积
钢材单调拉伸应力－应变曲线提供了三个重要的力学性
能指标：抗拉强度fu、伸长率δ和屈服点fy。
抗拉强度fu是钢材一项重要强度指标，反映钢材受拉时 能承受的极限应力
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§2-3 钢材的主要性能
2.3.2 钢材在单向一次拉伸下工作性能
钢材的多项性能指标通过单向拉伸试验获得
给出相应钢材的单调拉伸应力－应变曲线。由试验曲线
看出，在比例极限σp以前钢材的工作是弹性的；比例极限以 后，进入了弹塑性阶段；达到了屈服点fy后，塑性平台；出 现强化阶段，产生颈缩而破坏。
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2021/2§/272-4 各种因素对钢材性能的影响
钒元素(V)是低合金钢中合金元素。可以细化钢材晶粒结 构而提高钢材屈服强度和抗拉强度。钒的化合物稳定，使钢 的高温硬度提高，15MnV钢是在16Mn钢基础上加入适量的钒 (0.04~0.12％)熔炼成强度较高低合金钢。
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§2-3 钢材的主要性能
平面应力状态下
zx 2y 2xy3x 2yfy
在实腹梁的腹板中：
z 232 fy
当纯剪时：
z 32 fy fvyfy 30.58fy
钢材的抗剪设计强度为： fv 0.58fy
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§2-3 钢材的主要性能
§2-4 各种因素对钢材性能的影响
zs1 2 (12 )2 (23 )2 (31 )2 fy
zs fy 时，为塑性状态； zs fy 时，为弹性状态
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§2-3 钢材的主要性能
正应力与剪应力表示：
σ z
x 2 y 2 z 2 xy yz zx 3 x 2 y y 2 z z 2 x f y
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§2-2 钢材的生产
以“Q”代表屈服点 屈服点数值共分195、215、235、255和275(MPa)5种
质量等级按有害成分硫、磷含量由多到少的规律，分别 由A、B、C、D符号表示
脱氧方法以F表示沸腾钢，b表示半镇静钢，Z表示镇静 钢，TZ表示特殊镇静钢。Z和TZ在钢的牌号中予以省略
沸腾钢采用脱氧能力较弱锰作脱氧剂，脱氧不完全。钢 中留有较多氧化铁夹杂和气孔。质量较差。
镇静钢采用锰加硅作脱氧剂，脱氧较完全，硅在还原氧 化铁过程中还会产生热量，使钢液冷却缓慢，使气体充分逸 出，浇注时不出现沸腾现象。质量好，成本高。
半镇静钢的脱氧程度介于上述二者之间。 特殊镇静钢是在锰硅脱氧后，再用铝补充脱氧，脱氧程 度高于镇静钢。 低合金高强度结构钢一般都是镇静钢。
§2-2 钢材的生产
二. 钢材的铸造缺陷
冶金缺陷，如偏析、非金属夹杂、气孔、缩孔和裂纹等
2.2.3 钢材的加工
热加工、冷加工和热处理三种。 将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状,产生
出各种厚度的钢板和型钢，称为热加工
在常温下对钢材进行加工称为冷加工 通过加热、保温、冷却的操作方法ห้องสมุดไป่ตู้使钢的组织结 构发生变化，称为热处理
我国以前曾采用过梅氏试件(U形缺口)作冲击韧性 试验。
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§2-3 钢材的主要性能
2.3.4钢材在复杂应力状态下的屈服条件
多轴应力下，材料的综合强度指标要用变形时单位体积 中积聚的能量来衡量
形状改变比能理论： 三向应力下，形状改变比能等于单向拉伸下积聚的比能时， 钢材由弹性转入塑性状态
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§2-3 钢材的主要性能
一. 四个工作阶段：
1）弹性阶段： 应力由 0 ~比例极限fp 2）弹塑性阶段： 应力由 fp ~屈服点 fy
3）塑性阶段：
应力保持 fy 不变，应变由 (0.1~0.2)% ~ (2~3)%;
4）强化阶段： 应力由 fy ~抗拉强度 fu
fu fy
fp
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§2-2 钢材的生产
§2-3 钢材的主要性能
2.3.1 钢材的破坏形式
钢材有两种完全不同的破坏形式： 塑性破坏 脆性破坏 塑性破坏的主要特征是，破坏前具有较大的塑性变形， 常在钢材表面出现明显的相互垂直交错的锈迹剥落线。破坏 后的断口呈纤维状，色泽发暗。 脆性破坏的主要特征是，破坏前塑性变形很小，或根本 没有塑性变形，而突然迅速断裂。破坏后的断口平直，呈有 光泽的晶粒状或有人字纹。
第2章 钢结构材料
§2-1 概述 §2-2 钢材的生产 §2-3 钢材的主要性能 §2-4 各种因素对钢材性能的影响 §2-5 钢材的疲劳 §2-6 建筑用钢的种类、规格和选用
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第2章 钢结构材料
§2-1 概述
1）有较高的强度，屈强比满足要求，保证安全储备 2）有足够的变形能力
塑性----破坏前有预兆，能内力重分布 韧性----在动载下破坏能吸收较大能量 3）有良好的加工性能，适应冷热加工，有良好的可焊性 4）适应低温、有害介质侵蚀及承受疲劳荷载
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§2-2 钢材的生产
淬火工艺是将钢件加热到900℃以上，保温后快速在 水中或油中冷却
增加了钢材强度和硬度，使塑性和韧性降低
回火工艺将淬火后的钢材加热到某一温度进行保温， 而后在空气中冷却
消除残余应力，调整强度和硬度，减少脆性，增加 塑性和韧性，形成较稳定的组织。
通常称淬火加高温回火的工艺为调质处理。强度较 高的钢材，如Q420中的C、D、E级钢和高强度螺栓的钢 材都要经过调质处理。
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§2-2 钢材的生产
一. 热加工
开轧和锻压温度控制在1150～1300℃ 钢材轧制成钢板或型钢，使金属的晶粒变细，压合钢坯中 的气孔、裂纹等缺陷，改善钢材的力学性能。 热轧薄板和壁厚较薄的热轧型钢，因辊轧次数较多，钢材 的性能改善明显，其强度、塑性、韧性和焊接性能均优于厚板 和厚壁型钢 钢材强度按板厚分组
对塑性材料，同号应力状态易发生脆断，钢材在异号应 力状态时容易发生塑性破坏。
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§2-3 钢材的主要性能
当σ1、σ2、σ3为同号应
力且数值接近时，
σ
即使它们各自都远大
于fy，折算应力σzs仍小于fy fy 说明钢材很难进入塑
性状态
破坏表现为脆性
双轴同号受力 单轴拉伸
双轴异号受力
ε
2.4.1 化学成分的影响
碳 含碳量低，钢的强度不高．但塑 性大．伸长率和冲击韧性高，钢 质柔软，易于冷加工、切削和焊 接 含碳量较高，钢的强度高，但塑 性小，硬度大，性脆，不易加工
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2021/2§/272-4 各种因素对钢材性能的影响
锰元素(Mn)是一种弱脱氧剂 锰提高钢材的屈服强度和抗拉强度，改善钢材的冷脆倾 向，降低硫、氧对钢材的热脆影响，改善钢材热加工性能， 不显著降低塑性和冲击韧性。 普通碳素钢中，锰含量在0.3~0.8％，低合金钢中，在 1.2~1. 6％之间，过多会使钢材变硬变脆．降低钢材耐腐蚀和 可焊性。 硅元素(Si)是一种较强的脱氧剂。 适量的硅可提高钢材强度而对其塑性、冷弯性能、冲击 性能、可焊性能无明显不良影响。 在碳素钢中含量不超过0.3％，低合金钢中限制在0.6％以 内。过高硅含量降低钢材的塑性、韧性、抗锈性和可焊性。
设计以钢材的屈服点 f y 作为静力强度承载力极限
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§2-3 钢材的主要性能
二. 理想弹塑性体
σ
fy
如果没有残余应力，比例
极限与屈服应力合为一点，弹塑
性阶段消失，为简化计算，将应
力应变关系简化为如图
三. 钢材的机械性能
1．强度
ε
理想弹塑性体应力应变关系
设计时以钢材的屈服强度为基础，抗拉强度σu是钢材破坏 前所承受最大应力，此时结构因塑性变形很大而失去使用性
铁素体
强度、硬度较低，而塑性、韧性良好
渗碳体
铁碳化合物
熔点高，硬度大，几乎没有塑性
与铁素体晶粒形成珠光体，在铁素体晶粒空隙中，
形成网状间层。珠光体强度很高，坚硬富有弹性
低合金结构钢是在低碳钢中加入少量的合金元素 合金元素及其化合物溶解于铁素体和珠光体中，使 强度提高，塑性、韧性和焊接性能不降低
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§2-2 钢材的生产
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§2-2 钢材的生产
平炉炼钢，平炉的原料广泛，容 积大，产量高，冶炼工艺简单， 化学成分易于控制，炼出的钢质 量优良。
平炉钢周期长，效率低成本高
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§2-2 钢材的生产
三. 钢材的浇注和脱氧
按脱氧的方法和程度的不同，碳素结构钢可分为 沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢4类。
伸长率δ是衡量钢材断裂前所具有的塑性变形能力的指
标，其相应伸长率分别用δ5或δ10表示 屈服点fy是钢结构设计中应力允许达到的最大限值
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§2-3 钢材的主要性能
2.3.3 钢材的其它性能
一. 冷弯性能
钢材的冷弯性能由冷弯试验确定 试验时，根据钢材的牌号和不同的板厚，按国家相关 标准规定的弯心直径，在试验机上把试件弯曲180° 以试件表面和侧面不出现裂纹和分层为合格 冷弯试验不仅能检验材料承受规定的弯曲变形能力大 小，还能显示其内部的冶金缺陷 判断钢材塑性变形能力和冶金质量的综合指标
5）易生产、价格便宜
《钢结构设计规范》（GB50017-2002)推荐的普通碳素 结构钢Q235钢和低合金高强度结构钢Q345、Q390及Q420符 合要求
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§2-1 概述
§2-2 钢材的生产
钢材的生产分为炼铁、炼钢和轧制
2.2.1 钢材的冶炼
一. 炼铁 二. 炼钢
碳素钢 低合金高强度结构钢 常用的炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。 电炉炼钢炼成的钢质量好。 耗电量大，成本高。 转炉炼钢是利用高压空气或氧气 氧气顶吹转炉冶炼的钢中有害元素和杂质少，生产周 期短，效率高、质量好、成本低。