7

Size: px

Start display at page:

Download "7"

持程
5 years ago
Views:

学习要点及目标了解钢结构常用钢材品种规格理解影响钢材性能的主要因素熟悉钢材的力学性能指标及检验核心概念常用钢材的品种牌号规格性能指标钢材选用钢材检验引导案例在工程项目中常常需要选择合适的钢材牌号, 因此就需要深入了解钢结构材料的各项特性, 需要掌握钢材在各种应力状态不同生产过程和不同使用条件下的工作性能, 选择合适的钢材来满足使用要求及保证结构安全,

1 学习要点及目标了解钢结构常用钢材品种规格理解影响钢材性能的主要因素熟悉钢材的力学性能指标及检验核心概念常用钢材的品种牌号规格性能指标钢材选用钢材检验引导案例在工程项目中常常需要选择合适的钢材牌号, 因此就需要深入了解钢结构材料的各项特性, 需要掌握钢材在各种应力状态不同生产过程和不同使用条件下的工作性能, 选择合适的钢材来满足使用要求及保证结构安全, 同时能够最大限度地节约钢材和降低造价河北某地区一材料库在某年春节假日期间突然发生屋盖垮塌事件, 无人员伤亡事后了解到原因是 : 所使用钢材含硫过高焊接不良, 又值冬日气温较低, 以致钢材发生低温冷脆断裂辽宁某地区一大型轧钢车间有一行驶重级工作制吊车, 原设计拟对焊接吊车梁钢材采用 Q345D, 后来专家建议改用 C 级, 因为根据现行钢结构设计规范 (GB ), Q345C 钢完全符合该地区气温要求下的冲击韧性要求, 且符合疲劳强度的要求, 而这一建议为国家节省数百万元类似的案例不胜枚举, 总之, 钢材选择或使用不当会造成严重的后果 : 选用钢材标准过高会造成巨大浪费, 而使用钢材标准过低则会出现工程事故, 造成无法挽回的经济损失, 甚至严重威胁或伤害人的生命安全 2.1 钢结构用钢材的分类钢材的种类繁多, 可根据不同标准进行分类钢材按材料用途可分为结构钢 ( 结构钢又分建筑用钢和机械用钢 ) 工具钢和特殊用途钢 ( 如不锈钢等 ) 按冶炼方法可分为转炉钢 ( 目前的转炉钢主要采用氧气顶吹转炉钢 ) 和平炉钢按脱氧方法可分为沸腾钢 ( 代号为 F) 镇静钢( 代号为 Z) 和特殊镇静钢 ( 代号为 TZ), 其

2 02 钢结构中镇静钢和特殊镇静钢的代号可以省去按成型方法可分为轧制钢 ( 热轧和冷轧 ) 锻钢和铸钢按化学成分可分为碳素钢和合金钢碳素结构钢是最常用的工程用钢, 按其含碳量的多少, 又可粗略地分为低碳钢 ( 含碳量为 0.03%~0.25%) 中碳钢 ( 含碳量为 0.26%~0.60%) 和高碳钢 ( 含碳量为 0.6%~2.0%) 合金钢根据合金元素总含量的高低, 又可分为低合金钢 ( 合金元素总含量不大于 5%) 中合金钢 (5% 合金元素总含量 10%) 和高合金钢 ( 合金元素总含量大于 10%) 按硫磷含量和质量控制可分为普通钢 ( 含硫量 0.05% 含磷量 0.045%) 优质钢 ( 含硫量 0.045% 含磷量 0.04%, 并具有良好的机械性能 ) 和高级优质钢 ( 含硫量 0.035%, 含磷量 0.03%, 并具有较好的机械性能 ) 2.2 钢结构材料的选用钢结构对材料的要求钢结构是指在承载外力干扰的作用下处于稳定状态的结构它的主要原材料是钢材, 而钢材的种类繁多, 其力学性能差别很大, 且多年的实践也证明, 符合钢结构要求且适用于钢结构的钢材仅是其中的一小部分, 通常要求必须具备下列性能 1. 较高的强度较高的强度是指具有较高的抗拉强度 f u 和屈服点 f y f y 是衡量钢结构承载能力的指标 ; 钢材的抗拉强度 f u 是衡量钢材经过较大塑性变形后的抗拉能力, 它直接反映钢材内部组织结构的优劣 2. 足够的变形能力足够的变形能力是指具有良好的塑性和韧性性能良好的塑性可以使结构在一定的静荷载作用下具有足够的变形能力, 减少钢结构发生脆性破坏的倾向, 同时可通过较大的塑性变形调整局部应力使应力重新分布良好的韧性使结构具有较好的抵抗重复荷载作用的能力 3. 良好的加工性能良好的加工性能 ( 包括冷加工热加工和可焊性能 ) 使钢材便于加工制作成各种形式的构件, 且不致因加工问题而对结构的强度塑性和韧性等造成较大的不利影响钢材的破坏形式由于钢材所处的工作环境和使用环境不同, 会出现两种截然不同的破坏形式, 即塑性破坏和脆性破坏 16

3 02 1. 塑性破坏塑性破坏, 又称延性破坏, 是指结构在常温和静荷载的作用下, 当构件应力超过屈服点 f y, 并达到抗拉强度 f u 时, 构件发生较大的塑性变形, 历时较长, 便于发现和采取加固等补救措施, 避免造成严重后果 2. 脆性破坏脆性破坏是指结构承载动荷载 ( 冲击荷载或振动荷载 ) 或处于复杂应力低温等情况下所发生的断裂破坏, 这种破坏的应力常低于材料的屈服点 f y, 破坏前塑性变形很小, 没有任何预兆, 无法及时察觉和采取补救措施, 危险性大, 应尽量避免 2.3 建筑钢材的性能建筑工程中, 钢结构所用的钢材都是塑性比较好的材料, 在拉力作用下, 应力 - 应变曲线在超过弹性后一般有明显的屈服点和一段屈服平台, 然后进入强化阶段传统的钢结构设计, 以屈服点作为钢材强度的极限, 并把局部屈服作为承载能力的准则但是, 钢材的塑性性能在一定条件下是可以利用的钢材的性能指标在一定程度上反映了钢材的内在质量及受力后的特性, 而此类指标通常需经拉伸冷弯和冲击试验等测定强度和塑性 1. 强度性能建筑钢材的力学性能一般由常温静载下单向拉伸试验测得该试验通常将钢材的标准试件固定在拉伸试验机上, 在常温下按规定的加荷速度逐渐施加拉力荷载, 使试件逐渐伸长, 直至拉断破坏然后根据加载过程中所测得的数据绘出其应力 - 应变曲线图 ( 即 - 曲线 ) 低碳钢在常温静载下的单向拉伸 - 曲线如图 2-1 所示图中纵坐标为应力 ( 按试件变形前的截面积计算 ), 横坐标为试件的应变 ( L/ L,L 为试件原有标距段长度, 对于标准试件, L 取为试件直径的 5 倍或 10 倍, L 为标距段的伸长量 ) 从这条曲线中可以看出, 钢材在单向受拉过程中经历了下列阶段 1) 弹性阶段 (OA) 如图 2-1 所示, 图中 ( - ) 曲线的 OA 段为直线变化, 应力由零到比例极限 f p ( 因弹性极限和比例极限很接近, 通常以比例极限为弹性阶段的结束点 ), 应力与应变呈线性关系, 应力与应变成正比, 二者的比值称为弹性模量, 记为 E tan /, 是 OA 直线与横坐标轴间的夹角钢材的弹性模量很大, 因此, 钢材在弹性工作阶段工作时的变形很小, 卸荷后变形完全恢复 2) 弹塑性阶段 (AB) 由 A 点到 B 点, 应力 - 应变呈非线性关系, 应力增加时, 增加的应变包括弹性应变和塑性应变两部分弹性模量由 A 点处逐渐下降, 至 B 点趋于 0 B 点应力称为钢材屈服点 ( 或 17

4 02 钢结构称屈服应力屈服强度 ) f y 也因此将屈服强度作为钢结构设计强度标准的依据, 即以屈服点作为钢材的强度承载力极限, f y 称为钢材的抗拉 ( 压和弯 ) 强度标准值, 除以材料分项系数后, 即得强度设计值 f ( f fy/ R) 在此阶段卸荷时, 弹性应变立即恢复, 而塑性应变 R 不能恢复, 称为残余应变 3) 塑性阶段 (BC) 应力达到屈服点后, 应力不再增加, 而应变可继续增大, 应力 - 应变关系形成水平线段 BC, 通常称为屈服平台, 即塑性流动阶段, 钢材表现出完全塑性对于结构钢材, 此阶段终了的应变 (C 点的应变 ) 可达 2%~3% 4) 强化阶段 (CD) 钢材在屈服阶段经过很大的塑性变形后, 其内部结晶组织得到调整, 重新恢复了承载能力, 此阶段 - 曲线呈上升的非线性关系直至应力达最高点 D 点 ( 所对应的应力称为抗拉强度 f u ), 试件中部某一截面发生颈缩现象, 该处截面迅速缩小, 承载能力也随之下降, 最终试件断裂破坏, 弹性应变恢复, 残余的塑性变形应变可达 20%~30% 如图 2-1 所示, 抗拉强度是应力 - 应变曲线上的最高点对应的应力值, 从钢材屈服到破坏, 整个塑性工作区域比弹性工作区域约大 200 倍, 且抗拉强度和屈服点之比 ( 强屈比 ) fu / fy 1.3~ 1.8, 是钢结构的极大后备强度, 结构的安全性大大提高在高层钢结构中, 为了保证结构具有良好的抗震性能, 要求钢材的强屈比不低于 1.2, 并应有明显的屈服台阶高强度钢一般没有明显的屈服平台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 ( 或条件屈服强度 ) 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 f 0.2 表示 ), 如图 2-2 所示由于这类钢材不具有明显的屈服平台, 设计中不宜利用它的塑性图 2-1 碳素结构钢的应力 - 应变曲线图 2-2 高强度钢的应力 - 应变关系 2. 塑性性能伸长率和断面收缩率是衡量钢材塑性的两个主要指标断面收缩率能真实客观地反映钢材在正向应力作用下所能产生的最大塑性变形, 不过在测量时容易产生较大的误差, 因而钢材塑性指标通常采用伸长率作为保证要求伸长率是 ( 应力 - 应变曲线中最大的应变值 ) 试件被拉断时的最大伸长值 ( 塑性变形值 ) 与原标距之比的百分数, 其计算公式为 l1 l0 100% (2-1) l 0 18

5 02 式中 : l 1 试件拉断后的标距长度 ; l 0 试件原标距长度, 一般取 5d 或 10d(d 为试件直径 ); 伸长率, 对不同标距用下标区别, 如 5 10 ( 10 5 ) 断面收缩率是试件拉断后横截面尺寸的变化量与原尺寸之比, 其计算公式为 A0 A1 100% (2-2) A 式中 : A 0 试件截面面积 ; A 1 拉断后颈缩区的截面面积和是反映钢材塑性性能大小的符号, 其值越大, 表明材料的塑性越好通常将 5% 的材料称为塑性材料, 如低碳钢低合金钢青铜等 ; 将 5% 的材料称为脆性材料, 如铸铁混凝土玻璃和陶瓷等 3. 钢材的物理性能指标钢材在单向受压 ( 粗而短的试件 ) 时, 受力性能基本和单向受拉时相同受剪的情况也相似, 但屈服点 f vy 及抗剪强度 f vu 均较受拉时小, 剪变模量 G 也低于弹性模量 E 钢材和钢铸件的弹性模量 E 剪变模量 G 线膨胀系数和质量密度如表 2-1 所列弹性模量 E/(N/mm 2 ) 表 2-1 钢材和钢铸件的物理性能指标剪变模量 G/(N/mm 2 ) 0 线膨胀系数 ( 以每计 ) 质量密度 /(N/mm 2 ) 冲击韧性拉伸试验所表现的钢材性能, 如强度和塑性性能, 属于静力性能, 而冲击韧性试验则可获得钢材的一种动力性能冲击韧性是钢材抵抗冲击荷载的能力, 它用材料断裂时所吸收的总能量 ( 包括弹性和非弹性 ) 来量度, 其值为图 2-1 中 - 曲线与横坐标所包围的总面积, 总面积越大韧性越高, 故冲击韧性是钢材强度和塑性性能的综合指标通常, 钢材强度提高, 韧性降低, 表示钢材趋于脆性钢材的冲击韧性通常采用在材料试验机上对标准试件进行冲击荷载试验来测定, 常用的标准试件的形式有夏比 V 形缺口 (Charp V-notch) 和梅氏 U 形缺口 (Mesnaqer U-notch) 两种 V 形缺口试件的冲击韧性用试件断裂时所吸收的功 C V 来表示, 其单位为 J, 梅氏试件在梅氏试验机上进行试验, 所得结果以单位截面积上所消耗的冲击功表示, 单位为 2 J / cm 由于 V 形缺口试件对冲击尤为敏感, 更能反映结构类裂纹性缺陷的影响我国规定钢材的冲击韧性按 V 形缺口试件冲击功 C KV 或 A KV 来表示, 如图 2-3 所示 K 19

6 02 钢结构图 2-3 冲击韧性试验由于低温对钢材的脆性破坏有显著影响, 在寒冷地区建造的结构不但要求钢材具有常温 ( 20 ) 的冲击韧性指标, 还要求具有 0 和负温 ( 20 或 40 ) 的冲击韧性指标, 以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力冷弯性能冷弯性能是指钢材在冷加工 ( 即在常温下加工 ) 产生塑性变形时, 对发生裂缝的抵抗能力钢材的冷弯性能通常用冷弯试验来检验冷弯试验通常是在材料试验机上进行的, 通过冷弯冲头对试件加压 ( 见图 2-4), 使试件弯曲至 180 时, 分别检查试件弯曲部分的外面里面和侧面, 如无裂纹断裂或分层, 即认为试件冷弯性能合格冷弯试验一方面可以检验钢材能否适应构件制作中的冷加工工艺过程 ; 另一方面又可以通过试验暴露出钢材的内部缺陷 ( 晶粒组织结晶情况和非金属夹渣物分布等缺陷 ), 从而鉴定钢材的塑性和可焊性冷弯试验是鉴定钢材质量的一种良好方法, 常作为静力拉伸试验和冲击试验等的补充试验冷弯性能是衡量钢材力学性能的综合指标图 2-4 钢材冷弯试验可焊性焊接连接是现代钢结构最主要的连接方法, 钢材焊接后在焊缝附近将产生热影响区, 使钢材局部组织发生变化并产生很大的焊接应力可焊性好是指焊接安全可靠不发生焊接裂缝, 焊接接头和焊缝的冲击韧性以及热影响区的延伸性 ( 塑性 ) 和力学性能都不低于母材 20

7 02 钢材的可焊性主要与钢的化学成分及含量有关, 可通过试验来鉴定但通常每一种试验方法都有其特定约束程度和冷却速度, 与实际施焊条件有出入, 因此其试验结果只能参考 2.4 影响钢材性能的主要因素钢结构中常用的钢材, 如 Q235 Q345 等, 在一般情况下, 既有较高的强度, 又有很好的塑性和韧性, 是理想的承重结构材料但是, 仍有很多因素如化学成分熔炼和浇注方法轧制技术和热处理工作环境和受力状态等会影响钢材的力学性能, 其中一些因素对塑性的发展有较明显的影响甚至会发生脆性破坏化学成分的影响钢材是由各种化学成分组成, 其含量对钢材的性能 ( 特别是力学性能 ) 产生重要的影响其中铁 (Fe) 和少量的碳 (C) 是钢材的主要组成元素, 纯铁质软, 在碳素结构钢中约占 99%, 而碳和其他元素 [ 包括硅 (Si) 锰(Mn) 硫(S) 磷(P) 氮(N) 氧(O) 等 ] 仅占 1%, 但对钢材的力学性能产生着决定性的影响在碳素结构钢中, 碳是仅次于纯铁的主要元素, 它直接影响钢材的强度塑性韧性和可焊性等碳含量增加, 钢的强度提高, 而塑性韧性和疲劳强度下降, 可焊性和抗腐蚀性均变差因此, 钢结构中钢材含碳量不能过高, 通常不超过 0.22% 硫和磷是钢材中极为有害的两种元素, 硫能使钢的塑性及冲击韧性降低, 并使钢材在高温时出现裂纹, 称为热脆现象, 这对热加工尤为不利磷能使钢材在低温下冲击韧性降低, 称为冷脆现象, 这对处于低温环境下的结构不利因此, 应严格控制钢材中硫磷的含量, 一般硫不应超过 0.050%, 磷不超过 0.045% 氧氮和氢也是钢材中的有害元素, 其中氧的有害作用类似于硫, 氮类似于磷, 但由于氧氮容易在熔炼过程中逸出, 一般不会超过极限含量, 故通常不要求做含量分析而氢在低温时也会使钢材呈脆性破坏, 产生氢脆现象因此, 在钢熔炼过程中应尽量减少与空气及水分的接触锰和硅是钢材中的有益元素, 是炼钢的脱氧剂, 可提高钢材的强度, 适量的锰和硅对钢材的塑性和韧性无显著的不良影响在碳素结构钢中, 硅的含量应不大于 0.3%, 锰的含量为 0.3%~0.8% 对于低合金高强度结构钢, 锰的含量可达 1.0%~1.6%, 硅的含量可达 0.55% 钒和钛是钢材中的合金元素, 可以提高钢材的强度和抗锈蚀能力, 而塑性不显著降低为了改善钢材的力学性能, 可以掺入一定数量的合金元素, 如铜 (Cu) 钒(V) 钛(Ti) 铌 (Nb) 铬(Cr) 等, 这种钢材称为合金钢当钢材中掺入的合金元素的含量较少时, 这种钢材称为低合金钢 21

8 02 钢结构生产过程的影响结构用钢材需经过冶炼浇铸轧制和矫正等工序才能成材, 多道工序对钢材的材料性能都有一定影响 1. 冶炼冶炼根据所需要生产的钢号进行, 它决定钢材的主要化学成分, 并不可避免地产生冶金缺陷冶炼的炉种不同, 所得钢材也有差异目前结构用钢炼钢方法主要有两种, 即平炉钢和氧气转炉钢, 两者质量不相上下氧气顶吹转炉具有投资少生产效率高原料适应性强等特点, 成为主流炼钢方法 2. 浇铸把熔炼好的钢水浇铸成钢锭或钢坯有两种方法 : 一种是浇入铸模做成钢锭 ; 另一种是浇入连续浇铸机做成钢坯前者是传统的方法, 所得钢锭需要经过初轧才能成为钢坯后者是近年来迅速发展的新技术, 浇铸和脱氧同时进行铸锭过程中因脱氧程度不同, 最终成为镇静钢沸腾钢镇静钢因浇铸时加入强脱氧剂, 如硅, 有时还加铝或钛, 因而氧气杂质少且晶粒较细, 偏析等缺陷不严重, 所以钢材性能比沸腾钢好钢在冶炼和浇铸的过程中不可避免地产生冶金缺陷常见的冶金缺陷有偏析非金属杂质气孔及裂纹等偏析是指金属结晶后化学成分分布不均匀 ; 非金属杂质是指钢中含有硫化物等杂质 ; 气孔是指浇铸时有 FeO 与 C 作用所产生的 CO 气体因不能充分逸出而滞留在钢锭内形成的微小空洞, 这些缺陷都将影响钢材的力学性能 3. 轧制通过轧钢机将加热至 1200~1300 的钢锭轧制成所需形状和尺寸的钢材, 称为热轧型钢钢材的轧制能使金属的晶粒变细, 使气泡裂纹等弥合, 从而使钢材内部组织密实钢材的压缩比 ( 钢坯与轧成钢材厚度之比 ) 越大, 其强度和冲击韧性也越高因此, 钢结构设计规范中针对不同厚度的钢材, 采用不同的强度设计值 4. 热处理热处理是改善钢材性能的重要手段之一热处理的方式是先淬火, 后高温回火淬火可提高钢的强度, 但降低钢的塑性和韧性, 再回火可恢复钢的塑性和韧性建筑结构用钢材, 一般以热轧状态交货, 即不进行热处理但是, 屈服点超过 N/ mm 的低合金钢常常要进行调质处理或正火处理 1 调质热处理包括淬火和高温回火两道工序淬火是首先把钢材加热至 900 以上, 保温一定时间, 然后放入水或油中快速冷却, 高温回火是把淬火后的钢材在 500~650 范围内进行回火, 即升温后保持一段时间, 然后在空气中冷却回火可以减小脆性和淬火后造成的内应力, 从而使钢材得到较好的综合力学性能, 如高强度螺栓在制作中需进行调质处理来提高工作性能 2 正火是热处理的另一种形式, 把钢材加热至高于 900 后保温一段时间, 然后在空气中冷却它可以改善钢材的组织和细化晶粒普通热轧型钢和钢板以热轧状态交货, 实际是轧后在空气中冷却的一种正火状态 22

9 冷作硬化与时效硬化钢材的硬化分冷作硬化和时效硬化 1. 冷作硬化冷拉冷弯冲孔机械剪切等冷加工使钢材产生很大的塑性变形, 从而提高了钢的屈服点, 同时降低了钢的塑性和韧性, 这种现象称为冷作硬化 ( 或应变硬化 ) 对于重型吊车梁和铁路桥梁等结构, 为了消除因剪切钢板边缘和冲孔等引起的局部冷作硬化的不利影响, 前者可将钢板边缘刨去 3~5mm, 后者可先冲成小孔再用铰刀扩大 3~ 5mm, 去掉冷作硬化部分普通钢结构中不利用硬化现象所提高的强度重要结构的构件, 需要刨去因剪切产生的硬化边缘 2. 时效硬化在高温时熔化于铁中的少量碳和氮随着时间的流逝, 逐渐从纯铁中析出, 形成自由碳化物和氮化物, 对纯铁体的塑性变形起限制作用, 从而使钢材的强度提高, 塑性韧性下降, 这种现象称为时效硬化, 俗称老化时效硬化的过程一般很长, 但如在材料塑性变形后加热, 可使时效硬化发展特别迅速, 这种方法称为人工时效此外, 还有应变时效, 是应变硬化 ( 冷作硬化 ) 后又加时效硬化, 使屈服强度进一步提高, 韧性随之下降钢材的硬化降低了其塑性和韧性在重要结构中, 应对钢材进行人工时效后检验其冲击韧性, 以保证结构具有足够的抗脆性破坏能力另外, 应将局部硬化部分用刨边或扩钻予以消除应力集中在钢结构构件中不可避免地存在着孔洞槽口凹角裂缝厚度变化形状变化内部缺陷等现象, 此时轴心压力构件在截面变化处应力不再保持均匀分布, 而是在一些区域产生局部高峰应力, 在另外一些区域则应力降低, 形成应力集中现象, 如图 2-5 所示图 2-5 孔洞及槽孔处的应力集中 23

10 02 钢结构应力集中会使钢材变脆, 但一般情况下由于结构钢材的塑性较好, 当内力增大时, 应力分布不均匀的现象会逐渐平缓, 受静荷载作用的构件在常温下工作时, 只要符合规范规定的有关要求, 计算时可不考虑应力集中的影响对承受动力荷载的结构, 应力集中对疲劳强度的影响很大, 应采取一些避免产生应力集中的措施, 如对接焊缝的余高应磨平对角焊缝打磨焊趾等温度的影响钢材性能随温度变动而变化总的趋势是 : 温度升高, 钢材的强度降低, 应变增大 ; 反之, 温度降低, 钢材的强度会略有增加, 塑性和韧性却会降低而变脆, 如图 2-6 所示图 2-6 温度对钢材机械性能的影响温度升高, 在 200 以内钢材性能变化不明显, 在 250 左右, 钢材的强度略有提高, 塑性和韧性下降, 材料有转脆的倾向, 钢材表面氧化膜呈现蓝色, 称为蓝脆现象当温度为 260~320 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在 430~540 时, 在此区间钢材强度急剧下降, 塑性变形很大当达到 600 时, 钢材强度已经很低, 不能再继续承受荷载当温度从常温开始下降, 特别是在降到负温度范围内时, 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 2-7 所示为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, C V 值迅速下降, 材料将由塑性破坏转变为脆性破坏, 同时可以发现这一转变是在一个温度区间 T1~ T2内完成的, 因此温度区间 T1~ T2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 T 0 称为脆性转变温度如果把低于 T 0 完全脆性破坏的最高温度 T 1 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 2-7 冲击韧性与温度的关系曲线 24

11 钢材的疲劳钢材在连续反复荷载作用下, 应力虽然还低于极限强度, 甚至还低于屈服点, 也会发生破坏, 这种破坏称为疲劳破坏钢材在疲劳破坏之前, 并没有明显变形, 是一种突然发生的断裂, 断口平直所以疲劳破坏属于反复荷载作用下的脆性破坏钢材的疲劳破坏是经过长时间的发展过程才出现的, 破坏过程可分为 3 个阶段, 即裂纹的形成裂纹缓慢扩展与最后迅速断裂而破坏由于钢结构总会有内在的微小缺陷, 这些缺陷本身就起着裂纹的作用, 所以钢结构的疲劳破坏只有后两个阶段由此可见, 钢材的疲劳破坏首先是由于钢材内部结构不均匀 ( 微小缺陷 ) 和应力分布不均所引起的应力集中可以使个别晶粒很快出现塑性变形及硬化等, 从而大大降低了钢材的疲劳强度荷载变化不大或不频繁反复作用的钢结构一般不会发生疲劳破坏, 计算中不必考虑疲劳的影响但长期承受连续反复荷载的结构, 设计时就要考虑钢材的疲劳问题 2.5 建筑钢材的种类规格及选择建筑钢材的种类钢材的种类很多, 性能也各异, 在钢结构中常采用的是碳素结构钢和低合金高强度结构钢低合金钢因含有锰钒等合金元素而具有较高的强度此外, 有时还用到优质碳素结构钢和高强度钢丝和钢索 1. 碳素结构钢碳素结构钢冶炼比较简单, 成本较低, 并且具有各种良好的加工性能, 因此应用较广泛按质量等级, 从低到高分为 A B C D 四级,A 级钢只保证抗拉强度屈服点伸长率, 必要时尚可附加冷弯试验的要求, 在化学成分中对碳锰可以不作为交货条件 B C D 级钢均保证抗拉强度屈服点伸长率冷弯性能和不同温度下的冲击韧性 ( 分别为 B 级 20 C 级 0 D 级 20 ) 等力学性能化学成分保证碳硫磷的极限含量 A B 级钢可分为沸腾钢或镇静钢, C 级钢全为镇静钢,D 级钢全为特殊镇静钢钢材的牌号由代表屈服点的字母 Q 屈服点数值质量等级符号 (A B C D) 脱氧方法符号四部分按顺序组成, 钢结构牌号的表式方法, 如 Q235-A F 代表屈服点为 N/ mm, 质量等级为 A 级的沸腾钢 ;Q235-B 代表屈服点为 235 N/ mm, 质量等级为 B 级的镇静钢根据钢材厚度 ( 直径 ) 16 mm 时的屈服点数值, 碳素结构钢的牌号有 Q195 Q215 Q235 Q255 Q275, 现行钢结构设计规范 (GB ) 推荐采用 Q 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢是在钢的冶炼过程中添加少量几种合金元素 ( 合金元素的总量低于 5%), 使钢的强度明显提高, 故称为低合金高强度结构钢采用与碳素结构钢相同的牌号表 25

12 02 钢结构示方法, 即根据钢材厚度 ( 直径 ) 16 mm 时的屈服点数值, 分为 Q295 Q345 Q390 Q420 和 Q460, 其中 Q345 Q390 Q420 和 Q460 是钢结构设计规范 (GB ) 推荐采用的牌号低合金高强度结构钢质量等级符号分为 A B C D E 5 个等级,E 级主要是要求 40 的冲击韧性钢的牌号如 Q345B Q390C 等低合金高强度结构钢的 A B 级属于镇静钢, C D E 级属于特殊镇静钢, 因此钢的牌号中不注明脱氧方法低合金高强度结构钢与碳素结构钢相比, 具有较高的强度, 综合性能好, 所以在相同使用条件下, 可比碳素结构钢节省用钢 20%~30%, 对减轻结构自重有利, 同时还具有良好的塑性韧性可焊性耐磨性腐蚀性耐低温性等性能低合金高强度结构钢主要用于轧制各种型钢钢板钢管及钢筋 3. 优质碳素结构钢优质碳素结构钢是碳素钢经过热处理 ( 如调质处理和正火处理 ) 得到的优质钢与普通碳素结构钢的主要区别在于钢中含杂质较少, 硫磷的含量都不大于 0.035%, 并且严格限制其他缺陷所以这种钢材具有较好的综合性能如用于高强度螺栓的 45 号优质碳素结构钢 4. 高强度钢丝和钢索悬索结构和斜张 ( 拉 ) 结构的钢索桅杆结构的钢丝绳等通常都采用由高强钢丝组成的钢丝束钢绞线和钢丝绳高强钢丝是由优质碳素钢经过多次冷拔而成, 分为光面钢丝和镀锌 2 钢丝两种类型钢丝强度的主要指标是抗拉强度, 其值一般在 1570~1700 N/ mm 范围内, 而对屈服强度通常不作要求根据国家有关标准, 对钢丝的化学成分有严格要求, 硫磷的含量不得超过 0.03%, 铜的含量不超过 0.2%, 同时对铬镍的含量也有控制要求高强钢丝的伸长率较小, 最低为 4%, 但高强钢丝 ( 和钢索 ) 有一个不同于一般结构钢材的特点松弛, 即在保持长度不变的情况下所承受拉力随时间延长而略有降低建筑钢材的规格钢材有热轧成型及冷轧成型两大类热轧成型的有钢板和型钢两种, 冷轧成型的有冷弯薄壁型钢和压型钢板两种 1. 钢板钢板有薄钢板 ( 厚度为 0.35~4mm) 厚钢板( 厚度为 4.5~60mm) 特厚板( 板厚 >60mm) 和扁钢 ( 厚度为 4~60mm, 宽度为 12~200mm) 等钢板用宽厚长或宽厚表示 ( 注 : 这里用表示钢板的符号 ), 单位为 mm, 如热轧型钢常用的热轧型钢主要有角钢工字型钢槽钢和 H 型钢钢管等除 H 型钢和钢管有热轧和焊接成型外, 其余型钢均为热轧成型热轧型钢截面如图 2-8 所示 26

13 02 (1) 角钢分等肢 ( 边 ) 角钢和不等肢 ( 边 ) 角钢两种可以用来组成独立的受力构件, 或作为受力构件之间的连接零件等边角钢以肢宽肢厚表示, 不等边角钢以长肢宽短肢宽肢厚表示, 单位为 mm, 如 , 表示等肢角钢, 肢宽为 110mm, 肢厚为 10mm; , 表示不等肢角钢, 长肢宽为 100mm, 短肢宽为 80mm, 肢厚为 10mm 钢板等边角钢不等边角钢钢管槽钢工字钢 H 型钢 T 型钢图 2-8 热轧型钢截面 (2) 工字钢工字钢有普通工字钢和轻型工字钢两种它主要用于在其腹板平面内受弯的构件, 或有几个工字钢组成的组合构件由于两个主轴方向的惯性矩和回转半径相差较大, 不宜单独用作轴心受压构件或承受斜弯曲和双向弯曲的构件普通工字钢用 I 截面高度的厘米数表示, 高度 20mm 以上的工字钢, 同一高度有 3 种腹板厚度, 分别记为 a b c 三类,a 类腹板最薄翼缘最窄,b 类较厚较宽,c 类最厚最宽, 如 I32a 表示截面高度为 320mm, 腹板较薄的普通工字钢同样高度的轻型工字钢的翼缘要比普通工字钢的翼缘宽而薄, 腹板也薄, 轻型工字钢可用汉语拼音符号 Q 表示,QI32 表示截面高度为 320mm 的轻型工字钢 (3) 槽钢分普通槽钢和轻型槽钢两种也是以截面高度的厘米数编号, 如 [30a 表示截面高度为 300mm,a 类 ( 腹板较薄 ) 轻型槽钢的表示方法是在前述普通槽钢符号后加 Q, 即表示轻型如 Q[25 表示截面高度为 250mm 的轻型槽钢因轻型钢腹板均较薄, 故不再按厚度划分槽钢伸出肢较大, 可用于屋盖檩条, 承受斜弯曲或双向弯曲另外, 槽钢翼缘内表面的斜度较小, 安装螺栓比工字钢容易 (4) H 型钢 H 型钢是世界各国广泛使用的热轧型钢, 与普通工字钢相比, 其翼缘内外两侧平行, 便于与其他构件相连它可分为宽翼缘 H 型钢 ( 代号 HW, 翼缘宽度 B 与截面高度 H 相等 ) 中翼缘 [ 代号 HM,B=(1/2~2/3)H) 窄翼缘 ( 代号 HN,B=(1/3~1/2)H)] 等三类各种 H 型钢均可剖分为 T 型钢使用, 代号分别为 TW TM 和 TN H 型钢和剖分 T 型钢的表示方法均采用 : 截面高度 H(mm) 翼缘宽度 B(mm) 腹板厚度 t 1 (mm) 翼缘厚度 t 2 (mm), 单位为 mm 例如,HW , 其剖分 T 型钢为 TM , 单位均为 mm (5) 钢管钢管有热轧无缝钢管和焊接钢管两种无缝钢管的外径为 32~630mm 钢管用外径壁厚来表示, 单位为 mm, 如 400 6, 表示外径为 400mm, 厚度为 6mm 的钢管钢管常用于网架与网壳结构的受力构件, 厂房和高层结构的柱子, 有时在钢管内浇筑混凝土, 形成钢管混凝土柱对普通钢结构的受力构件不宜采用厚度小于 5mm 的钢板壁厚小于 3mm 的钢管截面小于 45 4 或的角钢 27

14 02 钢结构 3. 冷弯薄壁型钢和压型钢板冷弯薄壁型钢是由厚度为 1.5~6mm 的钢板或钢带 ( 成卷供应的薄钢板 ) 经冷弯或模压成型, 其截面各部分厚度相同, 转角处均呈圆弧形冷弯薄壁型钢有各种截面形式, 与面积相同的热轧型钢相比, 其截面惯性矩较大, 能充分利用钢材的强度以节约钢材, 在轻钢结构中得到广泛应用, 但薄壁板材对锈蚀的影响比较敏感冷弯薄壁型钢通常用于厂房的檩条墙梁, 也可用作承重柱和梁压型钢板是薄壁型钢的一种形式, 用厚度为 0.4~2mm 的薄钢板镀锌钢板或表面涂有彩色油漆的彩色涂层钢板压制而成的波纹状钢板, 波纹高度在 10~200mm 范围内, 其曲折外形大大增加了钢板在其平面外的惯性矩刚度和抗弯能力, 是近年发展起来的一种新型板材, 多用作钢结构围护板材等承重结构受力构件的壁厚不宜小于 2mm 常用冷弯薄壁型钢截面形式如图 2-9 所示, 有等边角钢卷边等边角钢 Z 型钢卷边 Z 型钢槽钢卷边槽钢向外卷边槽钢方钢管圆管压型板等表示方法为 : 按字母 B 截面形状符号和长边宽度短边宽度卷边宽度壁厚的顺序表示, 单位为 mm, 长短边相等时, 只标一个边宽, 无卷边时不标卷边宽度, 如 B[ BC 图 2-9 冷弯薄壁型钢的截面形式建筑钢材的选择建筑钢材的选择既要确定所用钢材的钢号, 又要提出应有的力学性能和化学成分保证项目, 选择的基本原则应既能使结构安全可靠和满足使用要求, 又要最大可能节约钢材和降低造价钢材的质量等级越高, 其价格也越高因此, 应根据钢结构的具体情况, 综合以下因素来选用合适的钢材牌号和材料性能保证项目 1. 结构或构件的重要性结构和构件按其用途部位和破坏后果的严重性可以分为重要一般和次要 3 类, 不同类别的结构或构件应选用不同的钢材例如, 民用大跨度屋架重级工作制吊车梁等属重要的结构, 应选用质量好的钢材 ; 一般屋架梁和柱等属于一般的结构 ; 楼梯栏杆 28

15 02 平台等则是次要的结构, 可采用质量等级较低的钢材 2. 荷载性质结构承受的荷载可分为静力荷载和动力荷载两种对承受动力荷载的结构应选用塑性冲击韧性好的质量高的钢材 ; 对承受静力荷载的结构可选用一般质量的钢材 3. 连接方法钢结构的连接有焊接和非焊接之分, 焊接结构由于在焊接过程中不可避免地会产生焊接应力焊接变形和焊接缺陷因此, 应选择碳硫磷的含量较低, 塑性韧性和可焊性都较好的钢材对非焊接结构, 如高强度螺栓连接的结构, 这些要求就可放宽 4. 工作条件结构所处的环境 ( 如温度变化腐蚀作用等 ) 对钢材的影响很大在低温下工作的结构, 尤其是焊接结构, 应选用具有良好抗低温脆断性能的镇静钢, 结构可能出现的最低温度应高于钢材的冷脆转变温度当周围有腐蚀性介质时, 应对钢材的抗锈蚀性作相应要求 5. 钢材厚度厚度大的钢材不但强度低, 而且塑性冲击韧性和可焊性也较差, 因此厚度大的焊接结构应采用材质较好的钢材综上所述, 钢结构设计规范 (GB ) 规定如下 (1) 承重结构的钢材宜采用 Q235 钢 Q345 钢 Q390 钢 Q420 钢 Q460 钢以及 Q345GJ 钢, 其质量应分别符合现行国家标准碳素结构钢 (GB/T 700) 低合金高强度结构钢 (GB/T 1591) 和建筑结构用钢板 (GB/T 19879) 的规定 (2) 对钢材质量的要求, 一般来说, 承重结构采用的钢材应具有较高的强度与良好的延性韧性冷弯性能和焊接性能, 选用时应要求其具有屈服强度伸长率抗拉强度冷弯试验和碳硅锰硫磷含量的合格保证, 对焊接结构尚应具有碳含量 ( 或碳当量 ) 的合格保证对直接承受动力荷载或需验算疲劳的构件所用钢材尚应具有常温冲击韧性合格保证 (3) Q235A B 级钢应选用镇静钢,Q235A 级钢仅可用于非焊接结构 (4) 主要承重构件钢材宜选用 B 级, 安全等级为一级的建筑结构中主要承重梁柱框架构件钢材宜选用 C 级 (5) 需验算疲劳的焊接结构用钢材, 应具有常温冲击韧性的合格保证当工作环境温度高于 0 时, 其质量等级不应低于 B 级 ; 不高于 0 但高于 20 时,Q235 钢和 Q345 钢不应低于 C 级,Q390 钢 Q420 钢及 Q460 钢不应低于 D 级 ; 不高于 20 时,Q235 钢和 Q345 钢不应低于 D 级,Q390 钢 Q420 钢 Q460 钢应选用 E 级需验算疲劳的非焊接结构, 其钢材质量等级要求可较上述焊接结构降低一级但不应低于 B 级 (6) 工作环境温度不高于 20 的受拉承重构件, 所用钢板厚度或直径不宜大于 36mm, 质量等级宜为 C 级其主要承重结构的受拉板件厚度不小于 40mm 时, 宜选建筑结构用钢板 29

16 02 钢结构本章小结钢结构的材料关系到钢结构的计算理论, 同时与钢结构的制造安装使用造价安全等均有直接联系本章简要介绍钢材的生产过程和组织构成, 重点介绍钢材的主要性能以及各种因素对钢材性能的影响 ; 钢材的种类规格及选择原则本章主要内容包括 :1 对钢结构用材的要求 ;2 钢材的主要性能 ;3 影响钢材性能的因素 ;4 钢材的破坏 ;5 建筑钢材的类别及选用习题一名词解释应力集中残余应力冷作硬化和时效硬化蓝脆塑性破坏脆性破坏二单项选择题 1. 钢结构设计规范 (GB ) 中推荐使用的承重结构钢材是下列 ( ) 组 A. Q235,Q275,Q345,Q420 B. Q235,Q345,Q390 Q420 C. Q235,Q295,Q345,Q420 D. Q235,Q275,Q295 Q 在构件发生断裂破坏前, 有明显先兆的情况是 ( ) 的典型特征 A. 脆性破坏 B. 塑性破坏 C. 强度破坏 D. 失稳破坏 3. 钢材的设计强度是根据 ( ) 确定的 A. 比例极限 B. 弹性极限 C. 屈服点 D. 极限强度 4. 钢材的抗拉强度 f u 与屈服点 f y 之比 fu / f y反映的是钢材的 ( ) A. 强度储备 B. 弹塑性阶段的承载能力 C. 塑性变形能力 D. 强化阶段的承载能力 5. 钢结构设计中钢材的设计强度为 ( ) A. 强度标准值 B. 钢材屈服点 C. 强度极限值 D. 钢材的强度标准值除以抗力分项系数 6. 钢结构中使用钢材的塑性指标, 目前最主要用 ( ) 表示 A. 流幅 B. 冲击韧性 C. 可焊性 D. 伸长率 7. 钢材的 3 项主要力学性能为 ( ) A. 抗拉强度屈服强度伸长率 B. 抗拉强度屈服强度冷弯性能 C. 抗拉强度冷弯性能伸长率 D. 冷弯性能屈服强度伸长率 8. 钢材的冲击韧性 C V 值代表钢材的 ( ) A. 韧性性能 B. 强度性能 C. 塑性性能 D. 冷加工性能 9. 钢中硫和氧的含量超过限量时, 会使钢材 ( ) A. 变软 B. 热脆 C. 冷脆 D. 变硬 30

17 随着钢材中含碳量的提高, 钢材的 ( ) A. 强度提高, 而塑性和韧性下降 B. 强度提高, 塑性和韧性也同时提高 C. 强度降低, 塑性和韧性也同时降低 D. 强度降低, 而塑性和韧性提高 11. 一般情况下, 应力集中对钢材 ( ) 无影响 A. 刚度 B. 静力强度 C. 疲劳强度 D. 低温冷脆 12. 型钢中的 H 型钢和工字钢相比,( ) A. 两者所用的钢材不同 B. 前者的翼缘相对较宽 C. 前者的强度相对较高 D. 两者的翼缘都有较大的斜度 13. 不适合用于主要焊接承重结构的钢材为 ( ) A. Q235A B. Q345E C. Q345C D. Q235D 14. 以下同种牌号 4 种厚度的钢板中, 钢材设计强度最高的为 ( ) A. 12mm B. 24mm C. 30mm D. 50mm 15. 当钢板厚度较大时, 为防止钢材在焊接或在厚度方向承受拉力而发生分层撕裂, 钢材应满足的性能指标是 ( ) A. Z 向收缩率 B. 冷弯性能 C. 冲击韧性 D. 伸长率三简答题 1. 简述钢结构对钢材性能的要求 2. 影响结构钢材力学性能的因素有哪些? 3. 选用钢材时应考虑哪些主要因素? 4. 什么叫塑性破坏? 塑性破坏的特征是什么? 5. 冲击韧性代表钢材的什么性能? 单位是什么? 什么情况下需提出冲击韧性的要求? 6. 钢材产生脆性破坏的特征及原因是什么? 如何防止钢材发生脆性破坏? 7. 为什么说应力集中现象在构件和连接中普遍存在? 应力集中带来哪些不良后果? 如何处理? 31

Microsoft PowerPoint - 8

Microsoft PowerPoint - 8 第八章金属材料本章内容第一节第二节建筑钢材铝材及铝合金第一节建筑钢材建筑钢材是指用于钢结构的各种型钢 ( 如圆钢角钢工字钢管钢等 ) 和用于钢筋混凝土的钢筋钢丝钢绞线以及用于围护结构和装修用的各种钢板和复合板等 C 型钢 H 型钢钢管钢板钢筋钢丝钢绞线建筑钢材的特点优点 : 抗拉强度高塑性和韧性好能承受冲击和振动荷载易于加工成板材型材和线材良好的焊接和铆接性能