第2章钢结构材料.ppt

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1、大纲要求大纲要求:1.了解钢结构的两种破坏形式；2.掌握结构用钢材的主要性能及其机械性能指标；3.掌握影响钢材性能的主要因素特别是导致钢 材变脆的主要因素；4.了解结构用钢材的种类、牌号、规格；5.了解钢材选择的依据，做到正确选择钢材；1.1.较高的抗拉强度较高的抗拉强度f fu u和屈服点和屈服点f fy y；2.2.较好的塑性、韧性；较好的塑性、韧性；3.3.良好的工艺性能（冷、热加工，可焊性）；良好的工艺性能（冷、热加工，可焊性）；4.4.对环境的良好适应性。对环境的良好适应性。2.1 2.1 钢结构对材料的要求钢结构对材料的要求一、受拉、受压、受弯的性能一、受拉、受压、受弯的性能（一）

2、一次拉伸时的性能（一）一次拉伸时的性能 1.1.条件：标准试件（条件：标准试件（GB228GB2286363），常温（），常温（2020）下缓慢加载，一次完成。含碳量为下缓慢加载，一次完成。含碳量为0.1%0.1%0.3%0.3%。标准试件：标准试件：l lo o/d=5/d=5、1010；l lo o-标距；标距；d-d-直径直径2.2 钢材的主要性能Lod d2.2.阶段划分阶段划分A.A.有屈服点钢材有屈服点钢材-曲线可以分为五个阶段：曲线可以分为五个阶段：(1)(1)弹性阶段弹性阶段(OB(OB段段)OAOA段材料处于纯弹性，段材料处于纯弹性，即即:EABAB段有一定的段有一定的塑性变

3、形塑性变形,但但整个整个OBOB段卸载段卸载时，时，=0=0；E=206E=20610103 3N/mmN/mm2 2uOAEBCDAEy（2 2）弹塑性阶段（）弹塑性阶段（BC)BC)该段很短该段很短,表现出钢材的非弹性性质表现出钢材的非弹性性质;B B屈服上限屈服上限;C C屈服下限屈服下限(屈服点屈服点)（3 3）塑性阶段（）塑性阶段（CD)CD)该段该段基本基本 保持不变（水保持不变（水 平平),),急剧急剧 增大增大,称为屈称为屈 服台阶或流服台阶或流 幅段幅段,变形模变形模 量量 E=0E=0uOAEBCDAEy（4 4）强化阶段）强化阶段(DE(DE段段)极限抗拉强度极限抗拉强度

4、f fu u（5 5）颈缩阶段）颈缩阶段(EF(EF段段)随荷载的增加随荷载的增加缓慢增大缓慢增大,但但增加较快增加较快uOAEBCDAEyB.B.对无明显屈服点的钢材对无明显屈服点的钢材 该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段，塑性变 形小，破坏突然。形小，破坏突然。设计时取相当于设计时取相当于 残余变形为残余变形为0.2%0.2%时所对应的应力时所对应的应力 作为屈服点作为屈服点条条 件屈服点件屈服点fy=f0.20.2%fup3.3.应力应变曲线的简化应力应变曲线的简化1)f1)fy y与与f fb b相差很小；相差很小；2)2)超过超过 f fy y到

5、屈服台阶终到屈服台阶终止的变形约为止的变形约为2.5%-2.5%-3%3%，足以满足考虑结，足以满足考虑结构的塑性变形发展的构的塑性变形发展的要求。要求。（1 1）钢材可以简化为理想弹塑性体）钢材可以简化为理想弹塑性体2.5%-3%2.5%-3%f fy y 0 00.15%0.15%（2 2）钢材在静载作用下：）钢材在静载作用下：强度计算以强度计算以f fy y为依据为依据;f;fu u为结构的安全储备。为结构的安全储备。（3 3）断裂时变形约为弹性变形的）断裂时变形约为弹性变形的200200倍，在破坏前倍，在破坏前 产生明显可见的塑性产生明显可见的塑性 变形，变形，可及时补救，可及时补救，

6、故几乎不可能发生。故几乎不可能发生。O0.15%22%fufyf fu u-f-fy y4.4.单向拉伸时钢材的机械性能指标单向拉伸时钢材的机械性能指标 （1 1）屈服点）屈服点f fy y-应力应变曲线开始产生塑性流动时应力应变曲线开始产生塑性流动时对应的应力，它是衡量钢材的承载能力和确定钢材对应的应力，它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标。强度设计值的重要指标。（2 2）抗拉强度）抗拉强度f fu u-应力应变曲线最高点对应的应应力应变曲线最高点对应的应力，它是钢材最大的抗拉强度。力，它是钢材最大的抗拉强度。LodNNNLdN（3 3）伸长率）伸长率)12(%10000 l

7、ll)22(%100010 AAA（4 4）断面收缩率）断面收缩率它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。它是衡量钢材塑性应变能力的重要指标。当当l l0 0/d=5/d=5时，用时，用5 5表示，当表示，当l l0 0/d=10/d=10时，用时，用1010表示。表示。A0A1同单向拉伸时的性能，屈服点也相差不多。同单向拉伸时的性能，屈服点也相差不多。（二）受压时的性能（二）受压时的性能 采用短试件采用短试件l l0 0/d=3,/d=3,屈服点同单向拉伸时的屈服点。屈服点同单向拉伸时的屈服点。（三）受弯时的性能（三）受弯时的性能二、冷弯性能二、冷弯性能 衡量钢材塑衡量钢材塑性性能和质性性能和质

8、量优劣的综量优劣的综合指标。合指标。add+2.1a三、冲击韧性三、冲击韧性 衡量钢材在动力（冲击）荷载、复杂应衡量钢材在动力（冲击）荷载、复杂应力作用下抗脆性破坏能力的指标，用断裂时力作用下抗脆性破坏能力的指标，用断裂时吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。吸收的总能量（弹性和非弹性能）来表示。(a)(a)梅氏梅氏U U型缺口型缺口 (b)(b)夏比夏比V V型缺口型缺口 由试件断裂吸收的能量由试件断裂吸收的能量CvCv来衡钢材的冲击韧性，来衡钢材的冲击韧性，单位：单位：J J。CvCv受温度的影响受温度的影响冲击韧性试验装置钢材的机械性能指标钢材的机械性能指标小 节一、塑性破坏一、塑性破坏

9、 破坏前有明显的塑性变形，破坏过程长，破坏前有明显的塑性变形，破坏过程长，断口发暗，可以采取补救措施。断口发暗，可以采取补救措施。二、脆性破坏二、脆性破坏 坏前没有明显的变形和征兆，破坏时的变坏前没有明显的变形和征兆，破坏时的变形远比材料应有的变形能力小，形远比材料应有的变形能力小，破坏破坏突然，断突然，断口平直、发亮呈晶粒状，无机会补救。口平直、发亮呈晶粒状，无机会补救。2.3 钢材的破坏形式 一、化学成分一、化学成分 普通碳素钢中普通碳素钢中FeFe占占99%99%，其他杂质元素占，其他杂质元素占1%1%；普通低合金钢中合金元素普通低合金钢中合金元素5%5%。1 1.碳（C C）：钢材强度

10、的主要来源，随其含量增加，强度增：钢材强度的主要来源，随其含量增加，强度增 加，加，塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。塑性降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。含碳量超过含碳量超过0.2时，钢材的焊接性能将开始恶化。因此，规时，钢材的焊接性能将开始恶化。因此，规范推荐的钢材，含碳量均不超过范推荐的钢材，含碳量均不超过0.22，对于焊接结构则严格，对于焊接结构则严格控制在控制在0.2以内。以内。2.4 各种因素对钢材性能的影响 2.2.硫（硫（S S）：有害元素，热脆性。不得超过：有害元素，热脆性。不得超过0.05%0.05%。当温度达8001000时，硫化铁会熔化使钢材变脆，因而在进行焊接或热加工

11、时，有可能引发热裂纹，称为热脆。硫还会降低钢材的冲击韧性、疲劳强度、抗锈蚀性能和焊接性能等。非金属硫化物夹杂经热轧加工后还会在厚钢板中形成局部分层现象，在采用焊接连接的节点中，沿板厚方向承受拉力时，会发生层状撕裂破坏。应严格限制钢材中的含硫量，随着钢材牌号和质量等级的提高，含硫量的限值由0.05依次降至0.025，厚度方向性能钢板（抗层状撕裂钢板）的含硫量更限制在0.01以下。3.3.磷（磷（P P）：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有提：有害元素，冷脆性。抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。不得超过高，可焊性降低。不得超过0.045%0.045%。磷可提高钢的强度和抗锈蚀能力，但却严重地降低钢的塑

12、性、韧性、冷弯性能和焊接性能，特别是在温度较低时促使钢材变脆，称为冷脆。磷的含量也要严格控制，随着钢材牌号和质量等级的提高，含磷量的限值由0.045依次降至0.025。4.4.锰（锰（MnMn）：合金元素。弱脱氧剂。与：合金元素。弱脱氧剂。与S S形成形成MnSMnS，熔点熔点16001600，可以消除一部分，可以消除一部分S S的有害作用。的有害作用。锰是有益元素，在普通碳素钢中，它是一种弱脱氧剂，可提高钢材强度，消除硫对钢的热脆影响，改善钢的冷脆倾向，同时不显著降低塑性和韧性。锰是低合金钢的主要合金元素，其含量为0.81.8。但锰对焊接性能不利，因此含量也不宜过多。5.5.硅（硅（SiSi

13、）：合金元素。强脱氧剂。：合金元素。强脱氧剂。常与锰共同除氧，生产镇静钢。适量的硅，可以细化晶粒，提高钢的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和焊接性能无显著不良影响。硅的含量在一般镇静钢中为0.120.30，在低合金钢中为0.20.55。过量的硅会恶化焊接性能和抗锈蚀性能。6.6.钒（钒（V V）：合金元素。细化晶粒，提高强度，：合金元素。细化晶粒，提高强度，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。大的焊接结构。7.7.氧（氧（O O）：有害杂质，与：有害杂质，与S相似。相似。8.8.氮（氮（N N）：有害杂质，与：有害杂质，与P相似。相似。9.9.铜

14、（铜（CuCu）：提高抗锈蚀性，提高强度，对：提高抗锈蚀性，提高强度，对可焊性有影响。可焊性有影响。二冶金缺陷二冶金缺陷常见的冶金缺陷有：常见的冶金缺陷有：偏析：化学成分分布的不均匀程度；偏析：化学成分分布的不均匀程度；非金属夹杂；非金属夹杂；气孔；气孔；裂纹等。裂纹等。生铁和钢的比较生铁和钢的比较2%4.3%0.03%2%硅锰硅锰(较多较多)硫磷硫磷(较多较多)硅锰硅锰(适量适量)硫磷硫磷(较少较少)可铸不可锻可铸不可锻可铸可铸,可锻可锻,可压延可压延硬而脆硬而脆硬而韧硬而韧,有弹性有弹性铁合金铁合金生铁生铁钢钢炼钢生铁炼钢生铁（白口铁）（白口铁）铸造生铁铸造生铁（灰口铁）（灰口铁）球墨生铁

15、球墨生铁合金生铁合金生铁碳素钢碳素钢合金钢合金钢低碳钢低碳钢中碳钢中碳钢高碳钢高碳钢铸造生铁铸造生铁（灰口铁）（灰口铁）球墨生铁球墨生铁1、反应原理：2、目的：炼钢炼钢高温下，用氧化剂把生铁里过多的碳和其它杂质氧化成气体或炉渣而除去。降碳 调硅锰 去硫磷 方法：氧气顶吹转炉炼钢法氧气顶吹转炉炼钢法（1）转炉的构造转炉的构造（2）原料原料：（3）热源热源：炼钢的方法炼钢的方法转炉、电炉、平炉。生铁（液态）、氧气、适量的造渣材料（如生石灰CaO等）、脱氧剂。依靠熔融铁水中的杂质等被氧气氧化所放出的热量，不需要燃料。炼钢主要反应（分三个阶段）（1）氧化造渣（降碳）氧化剂生成氧化剂生成除杂造渣除杂造渣

16、 FeOCCOFe2FeOSiSiO22FeQFeOMnFeMnOQ生成的二氧化硅、氧化锰与造渣材料生石灰CaO相互作用成为炉渣。2FeO22FeOQ（2 2）去硫、磷）去硫、磷 （3 3）脱氧（调）脱氧（调硅、锰）硅、锰）用硅铁、锰铁或金属铝来还原钢水中含有的少量用硅铁、锰铁或金属铝来还原钢水中含有的少量FeOFeOFeS+CaOFeO+CaS2P+5FeO+3CaO5Fe+Ca3(PO4)22FeO+SiSiO2+2Fe3FeO+2Al3Fe+Al2O3FeO+MnFe+MnO生成的二氧化硅等大部分形成炉渣而除去，部分的硅、锰等留在钢里以调整钢的成分。钢水合格后，可以浇成钢的铸件或钢锭，钢锭可以再轧成各种钢材 沸腾钢采用脱氧能力较弱的锰作脱氧剂，脱氧不完全，钢液中的氧化铁和碳作用生成的一氧化碳气体逸出,出现钢液的沸腾现象。冷却后钢材中留有较多的氧化铁夹杂和气孔。镇静钢采用锰加硅作脱氧剂，脱氧较完全，不会有一氧化碳气体逸出,钢液表面平静。这种钢质量好。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，其脱氧程度高于镇静钢。三、钢材的硬化三、钢材的硬化 冷作