鋼結構的材料教程ppt課件.ppt

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1、思考題思考題鋼結構基本原理鋼結構基本原理 材料材料1 1 鋼材拉伸試件的應力和強度這兩個概念是否同一？鋼材拉伸試件的應力和強度這兩個概念是否同一？2 2 影響鋼材強度和塑性指標的主要因素有哪些？影響鋼材強度和塑性指標的主要因素有哪些？3 3 伸長率是如何定義的？伸長率是如何定義的？4 4 為什么鋼結構設計規范對鋼材有伸長率的要求？為什么鋼結構設計規范對鋼材有伸長率的要求？5 5 若某一批鋼材牌號為若某一批鋼材牌號為Q235Q235時，是否鋼材的屈服點就是時，是否鋼材的屈服點就是235MPa235MPa？ 你知道鋼材的屈服點大致分布情況如何？你知道鋼材的屈服點大致分布情況如何？6 6 如何理解如

2、何理解“鋼材的塑性指標比鋼材的強度指標更重要鋼材的塑性指標比鋼材的強度指標更重要”？7 7 你認為屈強比高的材料（你認為屈強比高的材料（0.90.9左右）和屈強低（左右）和屈強低（0.60.60.70.7）的材）的材 料分別用在哪些場合是合適的？料分別用在哪些場合是合適的？8 8 鋼材鋼材“怕冷怕冷”，“怕熱怕熱”的大致范圍？的大致范圍？ 高溫和低溫下可否使用鋼結構？高溫和低溫下可否使用鋼結構？9 9 一塊平板，經過冷加工成為圓管，再用一條焊縫將其焊起來，在一塊平板，經過冷加工成為圓管，再用一條焊縫將其焊起來，在 焊接之前鋼材經歷了什么變化？在焊接之后鋼材又經歷了什么變焊接之前鋼材經歷了什么變

3、化？在焊接之后鋼材又經歷了什么變 化？化？10 10 假如平板經冷加工成為方管，是否能回答與上面相同的問題？假如平板經冷加工成為方管，是否能回答與上面相同的問題？課堂提問課堂提問1 1 什么是塑性？什么是塑性？2 2 為什么對鋼材要求塑性的要求？為什么對鋼材要求塑性的要求？3 3 鋼材的塑性和韌性有何差別？鋼材的塑性和韌性有何差別？4 4 哪些因素對鋼材性能有影響？哪些因素對鋼材性能有影響？5 5 分別有哪些影響？分別有哪些影響？化學成分化學成分生產過程生產過程溫度溫度加荷速度加荷速度應力應變歷史應力應變歷史所有性能（詳述）所有性能（詳述）冶煉冶煉化學成分化學成分；冷卻；冷卻殘余應力殘余應力表

4、觀屈服點；表觀屈服點；脫氧脫氧缺陷與宏觀強度；缺陷與宏觀強度；軋制軋制板的屈服強度板的屈服強度強度，塑性強度，塑性高溫高溫強度；強度；低溫低溫韌性，可焊性韌性，可焊性塑性破壞與脆性破壞的定義？塑性破壞與脆性破壞的定義？課堂提問課堂提問3 3 在疲勞破壞中應力集中起了什么作用？在疲勞破壞中應力集中起了什么作用？4 4 鋼材的塑性性能對減緩疲勞斷裂是否有作用？鋼材的塑性性能對減緩疲勞斷裂是否有作用？5 5 你認為對鋼材進行疲勞計算時，材料的抗力應采用什么指標？你認為對鋼材進行疲勞計算時，材料的抗力應采用什么指標？1 1 右圖哪一種是理想彈塑性模型？右圖哪一種是理想彈塑性模型？ 為什么鋼材可以采用理

5、想彈塑性模型？為什么鋼材可以采用理想彈塑性模型？2 2 各平板端部沿豎向均勻受拉時，何者應各平板端部沿豎向均勻受拉時，何者應 力集中程度最嚴重？力集中程度最嚴重？yfyfyfyf鋼結構材料鋼結構材料Material of Steel Structures第1節 結構鋼對材料基本性能的要求 第2節 影響鋼材性能的一般因素第3節 復雜應力與應力集中 第4節 鋼材疲勞破壞第5節 鋼材分類、規格和選用第6節 結構鋼材的新發展 一、一、鋼結構對鋼材性能的要求鋼結構對鋼材性能的要求第第1 1節節 結構鋼對材料基本性能的要求結構鋼對材料基本性能的要求較高的強度較高的強度較好的塑性和韌性較好的塑性和韌性良好的

6、加工和可焊性能良好的加工和可焊性能專用的特種性能（耐候、耐火）專用的特種性能（耐候、耐火）一、單向拉伸試驗一、單向拉伸試驗第第1 1節節 結構鋼對材料基本性能的要求結構鋼對材料基本性能的要求試驗條件試驗條件 ：標準試件：標準試件標準加載方式標準加載方式標準溫度標準溫度試驗曲線試驗曲線彈性、屈服、強化、頸縮彈性、屈服、強化、頸縮彈性、強化、頸縮彈性、強化、頸縮：低碳鋼與低合金鋼：低碳鋼與低合金鋼：高強度鋼：高強度鋼屈服荷載與極限荷載屈服荷載與極限荷載二、基本性能要求和指標二、基本性能要求和指標第第1 1節節 結構鋼對材料基本性能的要求結構鋼對材料基本性能的要求1.強度強度2.塑性塑性5.可焊性可

7、焊性3.韌性韌性6.耐久性耐久性比例極限、屈服點、極限強度、屈強比比例極限、屈服點、極限強度、屈強比4.冷加工性冷加工性靜力韌性、沖擊韌性靜力韌性、沖擊韌性伸長率、面縮率伸長率、面縮率冷彎實驗冷彎實驗施工可焊性、使用可焊性施工可焊性、使用可焊性抗腐蝕能力、抗疲勞能力抗腐蝕能力、抗疲勞能力影響鋼材性能的一般因素影響鋼材性能的一般因素第第2節節 影響鋼材性能的一般因素影響鋼材性能的一般因素1.化學成分化學成分2.生產過程生產過程3.時效時效Fe, C, Si, Mn, V, S(O), P(N), 其他其他時間時間硬化硬化冶煉方法、澆鑄過程、軋制工藝冶煉方法、澆鑄過程、軋制工藝不均勻溫度場引起的殘

8、余應力不均勻溫度場引起的殘余應力 隨著時間增長冶煉中留在純鐵中的少量氮和碳的固溶體，隨著時間增長冶煉中留在純鐵中的少量氮和碳的固溶體，隨著時間的增長將逐漸析出，并形成氮化物和碳化物，使得隨著時間的增長將逐漸析出，并形成氮化物和碳化物，使得鋼材的抗拉強度提高，塑性和韌性降低。鋼材的抗拉強度提高，塑性和韌性降低。影響鋼材性能的一般因素影響鋼材性能的一般因素第第2節節 影響鋼材性能的一般因素影響鋼材性能的一般因素5.溫度溫度6.加荷速度加荷速度4.應力應變歷史應力應變歷史超屈服加載超屈服加載硬化、硬化、殘余應變與塑性變形引起的殘余應力殘余應變與塑性變形引起的殘余應力低溫：沖擊韌性的溫度轉變區低溫：沖

9、擊韌性的溫度轉變區高溫：高溫：300C藍脆、藍脆、600C軟化軟化 鋼材在彈塑性階段卸載后，在重復加載時，其屈服點將提鋼材在彈塑性階段卸載后，在重復加載時，其屈服點將提高，而塑性和韌性降低稱為冷作硬化。高，而塑性和韌性降低稱為冷作硬化。 當溫度下降到負溫度某一個區間，其沖擊韌性急劇下降，當溫度下降到負溫度某一個區間，其沖擊韌性急劇下降，破壞由塑性轉為脆性破壞。破壞由塑性轉為脆性破壞。 當溫度上升到當溫度上升到300度左右強度提高，塑性和韌性下降，出度左右強度提高，塑性和韌性下降，出現脆性破壞特征?，F脆性破壞特征。一、復雜應力與屈服條件一、復雜應力與屈服條件第第3節節 復雜應力與應力集中復雜應力

10、與應力集中折算應力折算應力Mises屈服條件屈服條件彈性彈性多軸應力場對屈服條件的影響多軸應力場對屈服條件的影響yxyyxyxzsf22若應力同號則屈服時若應力同號則屈服時yzsf純剪狀態純剪狀態yyyff58. 03/)(3222222zxyzxyxzzyyxzyxzsyzsf塑性塑性 理想彈塑性模型理想彈塑性模型考慮兩向應力狀態且考慮兩向應力狀態且yxfyxf反之反之二、應力集中二、應力集中第第3節節 復雜應力與應力集中復雜應力與應力集中定義：定義： 因鋼材缺陷或制作引起的幾何改變，造成因鋼材缺陷或制作引起的幾何改變，造成各點鋼材應力不均勻的狀況稱為應力集中各點鋼材應力不均勻的狀況稱為應力

11、集中應力集中與同號應力場：應力集中與同號應力場：應力集中系數：應力集中系數：應力集中程度與缺陷幾何的關系應力集中程度與缺陷幾何的關系(變化越劇烈峰值應變化越劇烈峰值應力增加劇烈，塑性也下降力增加劇烈，塑性也下降)幾何變化不均勻幾何變化不均勻泊凇比泊凇比正交方向的同號應力正交方向的同號應力鋼材塑性與應力集中程度的緩解鋼材塑性與應力集中程度的緩解om/塑性好，應力不均勻現象會趨于平緩，有些情況不會影響塑性好，應力不均勻現象會趨于平緩，有些情況不會影響極限承載能力。極限承載能力。二、應力集中二、應力集中第第3節節 復雜應力與應力集中復雜應力與應力集中塑性好，應力不均勻現象不趨于平緩，尤其一些復雜應力

12、塑性好，應力不均勻現象不趨于平緩，尤其一些復雜應力趨于，有些情況也會影響極限承載能力。趨于，有些情況也會影響極限承載能力。三、超屈服作用（低周疲勞）三、超屈服作用（低周疲勞）第第3節節 復雜應力與應力集中復雜應力與應力集中材料滯回曲線材料滯回曲線鮑辛格效應鮑辛格效應應力強化應力強化塑性能量消耗塑性能量消耗在重復荷載作用下，鋼材的破壞強度低于靜力作用下的在重復荷載作用下，鋼材的破壞強度低于靜力作用下的抗拉強度，且呈現突發性的脆性破壞特征，稱為疲勞破抗拉強度，且呈現突發性的脆性破壞特征，稱為疲勞破壞。壞。三、超屈服作用（低周疲勞）三、超屈服作用（低周疲勞）第第3節節 復雜應力與應力集中復雜應力與應

13、力集中滯回曲線滯回曲線一、鋼材牌號一、鋼材牌號 第第5 5節節 鋼材規格與選用鋼材規格與選用普通碳素鋼普通碳素鋼低合金鋼低合金鋼Q235AF,b,(z) 無沖擊韌性無沖擊韌性(舊稱舊稱3號鋼號鋼)Q235BF,b,(z) 常溫常溫20度下度下Ak要求要求 Q235C (z) 0度度Ak要求要求Q235D (TZ) -20度度Ak要求要求Q345A, B, C, D, E：Ak 34J（E為為27J）Q390A, B, C, D, EQ420A, B, C, D, E優質碳素結構鋼優質碳素結構鋼經調質（精煉去除雜質）、熱處理經調質（精煉去除雜質）、熱處理優質鋼絲繩優質鋼絲繩fy=235MPa,

14、fu=400MPafvy=?fy=345MPafu=?(范圍值范圍值)E=?E=?二、鋼材規格二、鋼材規格 第第5 5節節 鋼材規格與選用鋼材規格與選用鋼板鋼板熱軋型鋼及標注熱軋型鋼及標注薄板薄板 60mm建筑鋼材的種類及鋼材的選用 1、碳素結構鋼Q195，Q215A、B，Q235A、B、C、D，Q255A、B，Q275Q為屈服強度漢語拼音的字首，后面數字為屈服強度值，而A、B、C、D表示質量等級，鋼號由低到高代表了含碳量由低到高。Q195、Q215強度較低，而Q255、Q275含碳量超量，所以碳素結構鋼主要應用Q235這一鋼號。 Q235A屈服強度為235N/mm，A級，鎮靜鋼 Q235A.

15、b屈服強度為235N/mm，A級，半鎮靜鋼 Q235A. F屈服強度為235N/mm，A級，沸騰鋼 Q235B屈服強度為235N/mm，B級，鎮靜鋼 Q235B.b屈服強度為235N/mm，B級，半鎮靜鋼 Q235B.F屈服強度為235N/mm，B級，沸騰鋼 Q235C屈服強度為235N/mm，C級，鎮靜鋼 Q235D屈服強度為235N/mm，D級，特殊鎮靜鋼 注意鋼材質量由A到D為提高，主要由沖擊韌性性能而定，A級無要求，B級在20C，C級在0C， D級在-20C，AKV 不小于27J 當然，在化學元素的含量上，冶煉過程要求上也有所不同。 2、低合金高強度結構鋼（GB/T151994） 在冶

16、煉過程中加入少量幾種合金元素（5%），使鋼的強度明顯提高。 合金鋼分Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五種，每種有A、B、C、D、E五個等級，A無沖擊功要求， B級在20C，C級在0C， D級在-20C ， AKV 不小于34J ，E級在-40C， AKV 不小于27J 。 A、B級屬鎮靜鋼，C、D、E級屬特殊鎮靜鋼。 3、高強度鋼絲和鋼索材料 在張拉結構中的鋼索，由高強平行鋼絲束、鋼鉸線和鋼絲繩作成。一般而言，其強度高15701700N/mm，伸長率最小46%。在實際應用中有松弛效應。鋼材的選用 選材考慮的因素： 結構或構件的重要性 荷載性質（靜荷或動荷） 連接方式（焊接、鉚接

17、或栓接；加工成形） 工作環境（溫度、介質，如海洋、石化、高寒）對于重要結構、直接承受動力荷載的結構、處于低溫條件下的結構以及焊接結構，要選用質量比較高的鋼材。 主要在今后工作中體驗，選用合適鋼材。型鋼規格 鋼結構構件一般宜直接選用型鋼：工作量少，費用較低。對于一些大構件，當型鋼選用不合適時，可用板材和型材進行組合。鋼材熱軋鋼板厚、薄板熱軋型鋼角鋼、槽鋼、工字鋼、H型鋼、T型鋼冷彎薄壁型鋼厚26mm板材表示：厚寬長，如-108006000型材表示：808、80506；25a; I32aHW400 400、 HM500 300、 HN300 150；TW200 400、TM300 300、TN30

18、0 200；C120 50 3，C120 50 20 3型鋼規格 鋼結構構件一般宜直接選用型鋼：工作量少，費用較低。對于一些大構件，當型鋼選用不合適時，可用板材和型材進行組合。鋼材熱軋鋼板厚、薄板熱軋型鋼角鋼、槽鋼、工字鋼、H型鋼、T型鋼冷彎薄壁型鋼厚26mm板材表示：厚寬長，如-108006000型材表示：808、80506；25a; I32aHW400 400、 HM500 300、 HN300 150；TW200 400、TM300 300、TN300 200；C120 50 3，C120 50 20 3三、鋼材強度設計指標三、鋼材強度設計指標 第第5 5節節 鋼材規格與選用鋼材規格與選

19、用強度設計指標的形式強度設計指標的形式鋼結構設計中需要的強度設計值鋼結構設計中需要的強度設計值容許應力設計法容許應力設計法(ASD)Kf /y分項系數表達的極限狀態分項系數表達的極限狀態設計法（設計法（LRFD）Ry/ff 鋼板和型鋼：依鋼材牌號（屈服點）、厚度確定強度鋼板和型鋼：依鋼材牌號（屈服點）、厚度確定強度鑄鋼：鑄鋼：焊縫：不同焊縫的依據不同焊縫：不同焊縫的依據不同螺栓和其他連接件：極限強度為依據螺栓和其他連接件：極限強度為依據強度設計值的確定強度設計值的確定近似概率方法近似概率方法四、鋼材選用的一般原則四、鋼材選用的一般原則 第第5 5節節 鋼材規格與選用鋼材規格與選用結構類型及重要

20、性結構類型及重要性荷載性質：靜力、動力荷載性質：靜力、動力連接方法：焊接、非焊接連接方法：焊接、非焊接工作溫度：常溫、低溫工作溫度：常溫、低溫應力條件：拉、壓應力條件：拉、壓新型結構鋼新型結構鋼 第第6 6節節 結構鋼材的新發展結構鋼材的新發展耐火鋼耐火鋼耐候鋼耐候鋼高強度鋼：高強可焊（高強度鋼：高強可焊（Ceq）、）、Z向性能鋼向性能鋼極低屈服點鋼極低屈服點鋼結構用鑄鋼結構用鑄鋼高摩擦系數鋼板：高摩擦系數鋼板：0.30.45 0.9作業作業 鋼結構材料鋼結構材料1.1.書面作業：書面作業： p.56 E2.1, E2.2, E2.6, E2.72.2.綜合思考：綜合思考： 鋼材的脆性破壞和延

21、性破壞有何區別？鋼材的脆性破壞和延性破壞有何區別？( (2.7,2.7,3.3) ) 那些因素可能導致脆性破壞？那些因素可能導致脆性破壞？ 理解結構設計對材料強度和塑性要求的平衡性。理解結構設計對材料強度和塑性要求的平衡性。 檢驗鋼材質量可以采取哪些手段？其中有哪些基本試驗方法？檢驗鋼材質量可以采取哪些手段？其中有哪些基本試驗方法？ 對不同鋼材（鋼板、型鋼、圓管）怎樣作材性試驗？對不同鋼材（鋼板、型鋼、圓管）怎樣作材性試驗？3.3.自學：自學： 碳當量的概念及意義碳當量的概念及意義(2.5) 應力強度因子和斷裂韌性（應力強度因子和斷裂韌性（2.7, 3.6 ）書面作業書面作業 p.56 鋼結構

22、材料鋼結構材料E2.1 如圖所示鋼材在單向拉伸狀態下的如圖所示鋼材在單向拉伸狀態下的應力應力- -應變曲線應變曲線, ,寫出彈性階段和非彈性階寫出彈性階段和非彈性階段的關系式。段的關系式。yfyf(tg,tg)tEEE2.2 如圖所示鋼材在單向拉伸狀態下的應力如圖所示鋼材在單向拉伸狀態下的應力- -應變應變曲線曲線, ,若試驗時分別在若試驗時分別在A A、B B、C C點卸載至零，寫出卸點卸載至零，寫出卸載前應變載前應變 、卸載后應變殘余應變、卸載后應變殘余應變 及可恢復彈及可恢復彈性應變性應變 各是多少。各是多少。yfrcyFec235MPa,270MPayf5t0.025,2.06 10

23、MPa,1000MPaFEEtEABCE2.6 一兩跨連續梁，在外荷載作用下截面上一兩跨連續梁，在外荷載作用下截面上A A點正應力為點正應力為 =120MPa=120MPa， =-80MPa=-80MPa，B B點正應力點正應力 =-20MPa=-20MPa， =-120MPa=-120MPa，求該梁，求該梁A A、B B點的應力比點的應力比和應力幅。和應力幅。 E2.7 指出下列符號的意義：指出下列符號的意義：（1 1）Q235AFQ235AF，（，（2 2）Q345DQ345D，（，（3 3）Q390EQ390E，（，（4 4）Q235D Q235D 1122單向拉伸曲線單向拉伸曲線第第1

24、 1節節 結構鋼對材料基本性能的要求結構鋼對材料基本性能的要求/A0/yfyfufuf從單向拉伸曲線得到哪些信息？從單向拉伸曲線得到哪些信息？N0.2%線彈性、彈性、屈服、強化、頸縮、斷裂線彈性、彈性、屈服、強化、頸縮、斷裂,yuyffE,/,/,/pyutcffEddE,p第第2節節 影響鋼材性能的一般因素影響鋼材性能的一般因素冶煉和軋制過程冶煉和軋制過程多軸應力對屈服強度的影響多軸應力對屈服強度的影響第第3節節 復雜應力與應力集中復雜應力與應力集中以平面應力場為例，設存在任意以平面應力場為例，設存在任意221212zsyf 證：證：,xyxy經轉軸可以化為僅有兩個主應力經轉軸可以化為僅有兩

25、個主應力12,證明滿足證明滿足Mises屈服條件時屈服條件時試證若試證若121yf2222212121221yzsf 2122 證畢證畢則滿足則滿足Mises屈服條件時屈服條件時1yf且且120 120 若若11yf單軸應力單軸應力多軸同號應力多軸同號應力多軸異號應力多軸異號應力理想彈塑性模型理想彈塑性模型第第3 3節節 復雜應力與應力集中復雜應力與應力集中yfufGoodman圖圖第第4 4節節 鋼材疲勞破壞鋼材疲勞破壞t1tmaxt1ttminmaxmaxminmin110 0011NP疲勞強度極限（門檻值）疲勞強度極限（門檻值）（疲勞強度）（疲勞強度）.Constmaxmin1110yf

26、Pmaxmin011KPmax0minKP0max1 K設計時設計時針對某一特定構造針對某一特定構造N N 為定值為定值maxmin應力比定義中何者是應力比定義中何者是max耐火鋼耐火鋼 第第5 5節節 鋼材規格與選用鋼材規格與選用普通結構鋼材的缺點：普通結構鋼材的缺點：600C時強度跌至時強度跌至1/3耐火鋼目標：耐火鋼目標： 600C時強度保持時強度保持2/3耐候鋼與不銹鋼耐候鋼與不銹鋼 第第6 6節節 結構鋼材的新發展結構鋼材的新發展添加元素添加元素 Cr，Cu，Mn， RE(稀土稀土)等等美國美國Cro-Ten，耐候性為，耐候性為 普通鋼普通鋼28倍倍中國寶鋼中國寶鋼 09CuPTiR

27、E, B490RNQ兩種系列，耐候兩種系列，耐候性為普通鋼性為普通鋼 23 倍倍 無明顯屈服臺階，按無明顯屈服臺階，按2 2法法屈強比為屈強比為0.60.6以下以下伸長率伸長率3535以上以上良好可焊性良好可焊性Z向鋼向鋼 第第6 6節節 結構鋼材的新發展結構鋼材的新發展厚度可達厚度可達100mm100mm具有優良韌性具有優良韌性極低屈服鋼極低屈服鋼 第第6 6節節 結構鋼材的新發展結構鋼材的新發展低屈服點低屈服點 100 100120120MPaMPa抗拉強度抗拉強度 250 250260260MPaMPa伸長率伸長率 60 60左右左右保證主要承重構件不進入塑性保證主要承重構件不進入塑性結

28、構用鑄鋼結構用鑄鋼 第第6 6節節 結構鋼材的新發展結構鋼材的新發展一、基本性能要求一、基本性能要求第第1 1節節 結構鋼對材料基本性能的要求結構鋼對材料基本性能的要求1.強度強度定義：定義：材料抵抗外力作用時不致破壞的能力材料抵抗外力作用時不致破壞的能力比例極限比例極限指標：指標：抗拉強度（抗拉極限、極限強度）抗拉強度（抗拉極限、極限強度）高強度鋼材屈服點的定義、常用結構鋼材屈服點高強度鋼材屈服點的定義、常用結構鋼材屈服點屈服點（屈服強度）屈服點（屈服強度）承載能力、安全儲備、公稱強度及統計意義承載能力、安全儲備、公稱強度及統計意義意義：意義：屈強比：屈強比：與鋼材性質的關系與鋼材性質的關系二、基本性能指標（二、基本性能指標（2）第第1 1節節 結構鋼材料基本性能的要求結構鋼材料基本性能的要求2.塑性塑性定義：定義：材料在外力作用下發生的不可恢復的變形材料在外力作用下發生的不可恢復的變形伸長率及其范圍伸長率及其范圍指標：指標：面縮率面縮率避免突發性破壞；調整峰值應力；延性耗能避免突發性破壞；調整峰值應力；延性耗能意義：意義：