鋼結(jié)構(gòu)的材料.ppt

第二章鋼結(jié)構(gòu)的材料 鋼材的破壞形式 1 塑性破壞 鋼材在產(chǎn)生很大的變形以后發(fā)生的斷裂破壞稱為塑性破壞 也稱為延性破壞 2 脆性破壞 鋼材在變形很小的情況下突然發(fā)生斷裂破壞 鋼結(jié)構(gòu)對所用材料的要求 強度fy fu高 強度高可減輕結(jié)構(gòu)自重 塑性 韌性 耐久性好 可防止脆性破壞 抗動力荷載好 耐疲勞 良好的加工性能 冷 熱加工和可焊性好 耐腐性好 有時還要求鋼材具有適應(yīng)低溫 高溫等環(huán)境的能力 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 GB50017 推薦使用 碳素結(jié)構(gòu)鋼中的Q235鋼 低合金結(jié)構(gòu)鋼中的Q345鋼 Q390鋼 Q420鋼 第一節(jié)鋼材的主要機械性能 鋼材的機械性能 力學(xué)性能 由試驗得到 試驗采用的試件的制作和試驗方法都必須按照各相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定進行 一 單向拉伸性能 標(biāo)準(zhǔn)試件在室溫 100C 350C 滿足靜力加載的加載速度一次加載所得鋼材的應(yīng)力應(yīng)變曲線顯示的鋼材機械性能如下 可把鋼材視為理想彈塑性體 強度 fy強度設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)值 設(shè)計依據(jù) fu鋼材的最大承載強度 二 冷彎性能 伸長率 反映鋼材的塑性變形能力 將試件彎成180o 若試件外表面不出現(xiàn)裂紋和分層 即為合格 冷彎試驗綜合反映鋼材的塑性性能和冶金質(zhì)量 三 沖擊韌性 沖擊韌性值用擊斷試樣所需的沖擊功AKV表示 單位為J 沖擊韌性與溫度有關(guān) 當(dāng)溫度低于某一值時 沖擊韌性值將急劇降低 因此在寒冷地區(qū)建造的直接承受動力荷載的鋼結(jié)構(gòu) 除應(yīng)有常溫沖擊韌性的保證外 尚應(yīng)依鋼材的類別 使其具有 20oC或 40oC的沖擊韌性保證 應(yīng)AKV 27J 焦耳 四 鋼材受壓和受剪時的性能 鋼材在單向受壓 短試件 時 受力性能基本與單向受拉相同 受剪的情況也相似 但屈服點 y及抗剪強度 u均低于fy和fu 剪變模量G也低于彈性模量E 第三節(jié)影響鋼材性能的主要因素 一 化學(xué)成分的影響 基本成份為Fe 鋼中含量占99 C含量小于0 22 Si Mn為脫氧元素 S P N O為冶煉過程中不易除盡的有害元素 C 含C 使強度 塑性 韌性 可焊性 應(yīng)控制在 0 22 焊接結(jié)構(gòu)應(yīng)控制在 0 20 Si 含Si適量使強度 其它影響不大 有益 應(yīng)控制 0 1 0 3 Mn 含Si適量使強度 降低S O的熱脆影響 改善熱加工性能 對其它性能影響不大 有益 S 含量 使強度 塑性 韌性 性能冷彎 可焊性 高溫時使鋼材變脆 熱脆現(xiàn)象 P 低溫時使鋼材變脆 冷脆現(xiàn)象 其它同SO N O同S N同P 控制含量 0 008 二 鋼材生產(chǎn)過程的影響 鋼的脫氧因脫氧程度或方法不同 把鋼分為沸騰鋼 F 半鎮(zhèn)靜鋼 b 鎮(zhèn)靜鋼 Z 和特殊鎮(zhèn)靜鋼 TZ 鋼材的軋制軋鋼機的壓力作用可使鋼錠中的小氣泡和裂紋彌合 并使組織密實 其強度和沖擊韌性也愈高 三 溫度的影響 溫度T0稱為脆性轉(zhuǎn)變溫度 四 冷加工硬化和時效硬化1 應(yīng)變硬化鋼材在常溫下加工稱為冷加工 冷軋 冷彎 沖孔 機械剪切等冷加工使鋼材產(chǎn)生很大的塑性變形 從而使fy提高 但同時降低了鋼材的塑性和韌性 這種現(xiàn)象稱為冷加工硬化 2 時效硬化鋼材經(jīng)過一定時間后強度提高但塑性降低 這種現(xiàn)象稱為時效硬化 不同種類鋼材的時效硬化過程可從幾小時到數(shù)十年 3 人工時效使鋼材產(chǎn)生10 的塑性變形 再加熱到200 300oC 然后冷卻到室溫進行試驗 這樣可使時效在幾小時內(nèi)完成 4 設(shè)計要求鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計一般不利用冷加工硬化造成的強度提高 而且對直接承受動力荷載的鋼結(jié)構(gòu)還應(yīng)設(shè)法消除冷加工硬化的影響 如將局部硬化部分用刨邊或擴鉆予以消除 五 復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的影響 在復(fù)雜應(yīng)力如平面或立體應(yīng)力作用下 鋼材的屈服并不只取決于某一方向的應(yīng)力 而是由反映各方向應(yīng)力綜合影響的屈服條件來確定 六 應(yīng)力集中的影響 鋼構(gòu)件在缺陷或截面變化處附近將產(chǎn)生局部高峰應(yīng)力 稱為應(yīng)力集中 在應(yīng)力高峰區(qū)域存在著同號的雙向或三向應(yīng)力 這種同號的雙向或三向應(yīng)力場有使鋼材變脆的趨勢 在負(fù)溫下或動力荷載作用下 應(yīng)力集中往往是引起脆性斷裂的根源 設(shè)計中應(yīng)設(shè)法避免或減小應(yīng)力集中 并選用質(zhì)量優(yōu)良的鋼材 第四節(jié)鋼材的疲勞 一 鋼材疲勞的基本概念鋼材在反復(fù)荷載作用下 在應(yīng)力低于鋼材抗拉強度甚至低于屈服點時突然斷裂 稱為鋼材的疲勞或疲勞破壞 鋼結(jié)構(gòu)中總存在有微觀裂紋或類似的缺陷 導(dǎo)致應(yīng)力集中 在多次反復(fù)荷載作用下 微觀裂紋不斷開展 應(yīng)力集中現(xiàn)象越來越嚴(yán)重 當(dāng)荷載反復(fù)循環(huán)達一定次數(shù)n 疲勞壽命 時 裂紋擴展使得凈截面承載力不足以承受外力作用時 構(gòu)件突然斷裂 發(fā)生疲勞破壞 疲勞破壞一般經(jīng)歷裂紋形成 裂紋緩慢擴展和最后迅速斷裂三個階段 二 疲勞計算 反復(fù)荷載作用產(chǎn)生的應(yīng)力重復(fù)一周叫做一個循環(huán) max min稱為應(yīng)力幅 表示應(yīng)力變化的幅度 試驗表明 焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生疲勞破是焊縫部位足夠大小的應(yīng)力幅反復(fù)作用的結(jié)果 非焊接結(jié)構(gòu)的的疲勞壽命不僅與應(yīng)力幅有關(guān) 還與其他因素有關(guān) 規(guī)范把疲勞計算公式中的應(yīng)力幅調(diào)整為折算應(yīng)力幅 以反映其實際工作情況 疲勞計算的公式是以試驗為依據(jù)的 分為常幅和變幅疲勞兩種情況進行計算 1 常幅疲勞計算 C 參數(shù) 對焊接部位 max min 對非焊接部位 max 0 7 min 由上式可見 容許應(yīng)力幅與鋼材的強度無關(guān) 這表明不同鋼材具有相同的抗疲勞性能 2 變幅疲勞計算 可近似地按照線性疲勞累積損傷原則 將隨機變化的應(yīng)力幅折算為等效應(yīng)力幅 e 按下式進行疲勞計算 吊車梁 根據(jù)實測結(jié)果 推算出設(shè)計基準(zhǔn)期50年內(nèi)各種吊車梁的應(yīng)力循環(huán)總次數(shù)n 等效于滿荷載時n 2 106次 相應(yīng)的欠載效應(yīng)的等效系數(shù) f值 當(dāng)n 105時 應(yīng)進行疲勞計算 疲勞計算采用的是容許應(yīng)力幅法 計算公式是以實驗為依據(jù)的 實驗中已包含了動力的影響 故荷載應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)值且不乘動力系數(shù) 應(yīng)力幅按彈性工作計算 在完全壓應(yīng)力 不出現(xiàn)拉應(yīng)力 循環(huán)中 由于壓應(yīng)力不會使裂紋繼續(xù)擴展 故規(guī)范規(guī)定此種情況可不進行疲勞計算 三 疲勞計算應(yīng)注意問題 第五節(jié)鋼材的鋼種 鋼號及選擇 例如Q235 B F 表示屈服強度為235N mm2的B級沸騰鋼 鋼材的質(zhì)量等級中 A B級鋼按脫氧方法可為沸騰鋼 半鎮(zhèn)靜鋼或鎮(zhèn)靜鋼 C級為鎮(zhèn)靜鋼 D級為特殊鎮(zhèn)靜鋼 一 鋼種鋼材的種類 鋼結(jié)構(gòu)常用的是碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼 二 鋼材的牌號 專用結(jié)構(gòu)鋼 1 特殊用途的鋼結(jié)構(gòu)常采用專用結(jié)構(gòu)鋼 專用結(jié)構(gòu)鋼的鋼號用在相應(yīng)鋼號后再加上專業(yè)用途代號 壓力容器 橋梁 船舶和鍋爐用鋼材的專業(yè)用途代號分別為R q C和g 來表示 2 耐候鋼在鋼材冶煉時加入少量的合金元素如Cu Cr Ni Mo Nb Ti Zr V等 提高鋼材的耐腐蝕性能 也稱為耐大氣腐蝕鋼 例如15MnCuCr QT鋼表示含碳量為0 15 合金元素為錳 銅 鉻的淬火加回火熱處理耐候鋼 3 連接用鋼鋼結(jié)構(gòu)連接中的鉚釘 高強度螺栓 焊條用鋼絲等 也采用滿足各自連接件要求的專門用鋼 四 常用鋼材的規(guī)格 鋼結(jié)構(gòu)所用鋼材主要是熱軋成型的鋼板 型鋼和冷加工 冷彎 冷壓和冷軋 成型的薄壁型鋼 1 熱軋鋼板鋼板的標(biāo)注符號是 截面代號 寬度 厚度 長度 單位為mm 亦可用 寬度 厚度 或 厚度 來表示 如 360 12 3600 亦可表示如 360 12或 12 2 熱軋型鋼 1 角鋼分為等邊和不等邊角鋼兩種 角鋼標(biāo)注符號是 邊寬 厚度 等邊角鋼 或 長邊寬 短邊寬 厚度 不等邊角鋼 單位為mm 如 100 8和 100 80 8 2 槽鋼有熱軋普通槽鋼和輕型槽鋼兩種 槽鋼規(guī)格用槽鋼符號 普通槽鋼和輕型槽鋼的符號分別為 和Q 和截面高度 單位為cm 表示 當(dāng)腹板厚度不同時 還要標(biāo)注出腹板厚度類別符號a b c 例如 10 20a Q 20a 與普通槽鋼截面高度相同的輕型槽鋼的翼緣和腹板均較薄 截面面積小但回轉(zhuǎn)半徑大 3 工字鋼有普通工字鋼和輕型工字鋼兩種 標(biāo)注方法與槽鋼相同 但槽鋼符號 應(yīng)改為 I 例如I18 I50a QI50 4 H型鋼H型鋼比工字鋼的翼緣寬度大并為等厚度 截面抵抗矩較大且質(zhì)量較小 便于與其它構(gòu)件連接 熱軋H型鋼分為寬 中 窄翼緣H型鋼 它們的代號分別為HW HM和HN 標(biāo)注方法與槽鋼相同 但代號 應(yīng)改變?yōu)?H 例如HW260a HM360 HN300b 鋼管鋼結(jié)構(gòu)中常用熱軋無縫鋼管和焊接鋼管 用 外徑 壁厚 表示 單位為mm 例如 360 6 3 薄壁型鋼薄壁型鋼通常是用