1、钢结构制作与安装教案单元一 建筑钢结构用钢材模块一 钢结构材料及基本技术理论单元一 建筑钢结构用钢材1 建筑钢材的主要力学性能力学性能又称机械性能，是衡量钢材质量的重要指标。冶炼、轧制缺陷最终体现在力学性能上。 图2.1碳素结构钢的-曲线 图2.2 高强度钢的-曲线1.强度 强度和塑性一般由常温静载下单向拉伸试验曲线表明。强度体现材料的承载能力，主要指标有屈服点fy和抗拉强度fu，通过静力拉伸试验得到。（1）屈服点fy 钢结构设计中，常把钢材应力达到屈服点fy作为评价钢结构承载能力极限状态的标志。（2）抗拉强度fu fu 是钢材承受静载的极限能力，表示钢材达到屈服点后还有多少安全贮备，是抵抗塑
2、性破坏的重要指标。2.塑性 钢材的塑性为当应力超过屈服点后，能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。主要指标有伸长率d 和断面收缩率y，通过静力拉伸试验得到。（1）伸长率 反映钢材断裂前经受变形的能力。越大，钢材破坏吸收的应变能愈多，塑性越好。= 100%L0/do=5，以5表示；L0/do=10，以10表示。（2）截面收缩率y 指试件拉断后，颈缩区的断面面积缩小值与原断面面积比值的百分率。=100%标志着钢材颈缩区在三向拉应力状态下的最大塑性变形能力。越大，塑性越好。3.韧性韧性是衡量钢材在动力荷载作用下，抵抗脆性破坏的能力。衡量指标冲击韧性值，用冲击试验测定。冲击试验：用带夏比
3、V形缺口的标准试件，在试验机上通过动摆施加冲击荷载，使之断裂。由此测出试件受冲击荷载发生断裂所吸收的冲击功，即为材料的冲击韧性值。单位“J”。范围：只有经常承受较大动力荷载的结构、特别是焊接结构低温工作；4.冷弯性能冷弯性能是指钢材冷加工（常温）产生塑性变形时，对产生裂纹的抵抗能力。冷弯性能是鉴定钢材在弯曲状态下的塑性应变能力和钢材质量的综合指标。用冷弯试验来检验。冷弯试验的目的：（1）检验钢材能否适应构件加工制作过程的冷加工工艺；（2）暴露出钢材的内部缺陷（是否有颗粒组织结晶状况、夹杂物分布和夹层、内部微观裂纹气泡和夹层）要求：以试件在冷弯180后其外侧不出现裂纹和分层为合格。5.良好的工艺
4、性能（冷加工、热加工、可焊性） 钢结构设计规范规定：承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点、碳、硫磷含量的合格保证；焊接结构的钢材应具有冷弯试验的合格保证；对某些承受动力荷载的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构的钢材应具有常温或负温冲击韧性的合格保证；2 各种因素对钢材主要性能的影响1、化学成份碳素结构钢基本元素是Fe（99%）其它元素约占1% 但对钢材的性能有决定性影响（强度、塑性、韧性、可焊性）1.碳（c） ：含量增加时钢材强度增加，塑性降低，冷弯性能、冲击韧性，尤其是低温下的冲击韧性也会降低，还会使钢材的可焊性和防锈性能降低。2.硅（si）：强脱氧剂，可以提高钢材强度，对塑性、冷弯
5、性能、冲击韧性和可焊性没有明显影响。3.锰（Mn）：弱脱氧剂，可以提高钢材强度，对塑性、冷弯性能、冲击韧性不会过多降低。 还可改善冷脆的倾向。4.硫（S）磷（P）：有害杂质，S热脆，P冷脆。 5.氧、氮（O、N）：有害杂质，O热脆，N冷脆。2、轧制与冶金缺陷常见现象：偏析、非金属杂质、裂纹、分层3、钢材的硬化（1）冷作硬化（应变硬化）冷拉、冷弯、冲孔机械剪切等冷加工使钢材产生很大塑性变形，从而提高钢材的屈服点，降低钢材的塑性和韧性，这种现象称为冷作硬化。（2）时效硬化在高温中熔化于铁中的少数氮和碳（N、C）随着时间的增长逐渐从纯铁中析出，形成自由碳化物和氮化物，对纯铁的塑性变形起抑制作用。强度
6、提高，塑性、韧性下降、（亦称老化）分为：人工时效、自然时效注意：在一般钢结构中，不利用硬化后所提高的强度；有些重要的钢结构要求对人工时效后的钢材检验其冲击韧性，以保证结构具有抗脆性破坏的能力。4、温度的影响钢材随温度变动而有所变化，总的趋势是：温度升高，钢材强度降低，应变增大；反之，温度降低，钢材强度会略有增加，塑性和韧性都会降低而变脆。5、应力集中钢结构的工作性能和力学性能指标都是以轴心受拉杆件中的应力在截面均匀分布的情况作为基础的。实际上钢结构的构件有着存在着孔洞、槽口、凹角、截面突变、内部缺陷应力分布不再均匀应力集中原因：构造情况（静载不考虑应力集中）6.反复荷载作用的影响1.钢材的疲劳
7、断裂的概念钢材的疲劳断裂是微观裂纹在连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。钢材的疲劳强度取决于应力集中（或缺口效应）和应力循环次数。2、破坏机理过程：（1）截面几何形状突然改变处的应力集中，对疲劳很为不利，在高峰应力形成双向或三向同号拉应力场，在反复应力作用下，首先在应力高峰处出现微观裂纹 宏观裂缝。（2）在反复荷载的继续作用下，裂缝不断开展、Ae、应力集中现象 裂缝增加。（3）在双向或三向同号拉应力场，材料的塑性变形受到限制，因此，当反复荷载达到一定的循环次数时，裂缝的开展使截面削弱过多经不住外力的作用，就会发生脆性断裂，产生钢材疲劳破坏。（4）存在残余应力，在交变荷载作用下，加剧疲
8、劳破坏。注：钢结构的疲劳破坏：属高周低应变疲劳。即总应变幅小，破坏前荷载循环次数多。分为：人工时效、自然时效注意：在一般钢结构中，不利用硬化后所提高的强度；有些重要的钢结构要求对人工时效后的钢材检验其冲击韧性，以保证结构具有抗脆性破坏的能力。4、温度的影响钢材随温度变动而有所变化，总的趋势是：温度升高，钢材强度降低，应变增大；反之，温度降低，钢材强度会略有增加，塑性和韧性都会降低而变脆。5、应力集中钢结构的工作性能和力学性能指标都是以轴心受拉杆件中的应力在截面均匀分布的情况作为基础的。实际上钢结构的构件有着存在着孔洞、槽口、凹角、截面突变、内部缺陷应力分布不再均匀应力集中原因：构造情况（静载不
9、考虑应力集中）6.反复荷载作用的影响1.钢材的疲劳断裂的概念钢材的疲劳断裂是微观裂纹在连续重复荷载作用下不断扩展直至断裂的脆性破坏。钢材的疲劳强度取决于应力集中（或缺口效应）和应力循环次数。2、破坏机理过程：（1）截面几何形状突然改变处的应力集中，对疲劳很为不利，在高峰应力形成双向或三向同号拉应力场，在反复应力作用下，首先在应力高峰处出现微观裂纹 宏观裂缝。（2）在反复荷载的继续作用下，裂缝不断开展、Ae、应力集中现象 裂缝增加。（3）在双向或三向同号拉应力场，材料的塑性变形受到限制，因此，当反复荷载达到一定的循环次数时，裂缝的开展使截面削弱过多经不住外力的作用，就会发生脆性断裂，产生钢材疲劳
10、破坏。（4）存在残余应力，在交变荷载作用下，加剧疲劳破坏。注：钢结构的疲劳破坏：属高周低应变疲劳。即总应变幅小，破坏前荷载循环次数多。设计规定：当循环次数N5104 ,应进行疲劳计算。为了防止脆性破坏的发生，一般需要在设计，制造及使用中注意下列各点：（1）合理的设计 构造应力求合理，使能均匀、连续地传递应力，避免构件截面剧烈变化。对于焊接结构，可参考焊接连接的内容。低温下工作受动力作用的钢结构应选择合适的钢材，使所用钢材的脆性转变温度低于结构的工作温度，例如分别选用Q235C（或D）、Q345C（或D）钢等，并尽量使用较薄的材料。（2）正确的制造 应严格遵守设计对制造所提出的技术要求，例如尽量
11、避免使材料出现应变硬化，因剪切、冲孔而造成的局部硬化区，要通过扩钻或刨边来除掉；要正确地选择焊接工艺，保证焊接质量，不在构件上任意起弧、打火和锤击，必要时可用热处理的方法消除重要构件中的焊接残余应力；重要部位的焊接，要由经过考试挑选的有经验的焊工操作。（3）正确的使用 例如：不在主要结构上任意焊接附加的零件，不任意悬挂重物，不任意超负荷使用结构；要注意检查维护，及时油漆防锈，避免任何撞击和机械损伤；原设计在温室工作的结构，在冬季停产检修时要注意保暖等。3 建筑用钢材的种类、规格及选择1钢材的种类按用途分：结构钢、工具钢、特殊钢；结构钢分为：建筑用钢和机械用钢；按治炼方法分：转炉钢（氧气顶吹转炉
12、钢）、平炉钢；按脱氧方法分：沸腾钢（F）、半镇静钢（b）、镇静钢（Z）、特殊镇静钢（TZ）；按成形方法分：轧制钢（冷轧、热轧）锻钢、铸钢；按化学成分分：碳素钢、合金钢；建筑上采用的是碳素结构钢、低合金高强度结构钢和优质碳素结构钢。碳素结构钢钢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），脱氧方法符号等四个部分按顺序组成。其中A级只保证抗拉强度、屈服点、伸长率，必要时可附加冷弯；B、C、D均保证抗拉强度、屈服点、伸长率、冷弯、冲击韧性（-20、0、20）。例： Q235-BFQ235-C一般将碳素结构钢按屈服点，数值分为五个牌号：Q195、Q215、Q235、Q255、
13、Q275（根据钢材厚度直径16mm）（1#、2#、3#V、4#、5#、） 低合金高强度结构钢在碳素钢中加入合金元素可较好的改善钢材机械性能，加入合金元素的碳素钢称为合金钢。（合金元素含量5%称为低合金钢）牌号新标准不用钢的品种表示钢的牌号，采用与碳素结构钢相同的钢的牌号表示法，仍然依据钢材厚度d16mm时的屈服点大小。牌号：Q345、Q390、Q420、Q460质量等级：A、B、C、D、E 注：E（主要要求-40的冲击韧性）低合金高强度结构钢一般为镇静钢。优质碳素结构钢2 钢材的品种和规格钢结构采用的型材有热轧成型的钢板、型钢。1、钢板1.钢板类型：厚钢板（4.560mm）、薄钢板（0.354
14、mm）、扁钢；2.钢板的表示方法：在符号“”后加“宽度厚度长度”如： -600101200 （mm）3.钢板的规格：厚钢板：厚度为4.560mm，宽度为6003000mm，长412m。薄钢板：厚度为0.354mm，宽度为5001500mm, 长0.54m。扁钢：厚度为460mm，宽度为12200mm，长39m。2、型钢1）角钢等边角钢“L”后加“肢宽肢厚”L10010不等边角钢“L”后加“长肢短肢肢厚”L1008082）工字钢 包括普通工字钢、轻型工字钢工字钢：用号数表示，号数即为其截面高度的厘米数，20号以上的工字钢，同一号数有三种不同的腹板厚度分别为a、b、c三类。长度为519m。3）热轧
15、H型钢热轧H型钢：HW（宽）、HM（中）、HN（窄）T表示方法：高度H宽度B腹板厚度t1翼缘厚度t2；例：HM340250914 4）热轧剖分T型钢TW（宽）、TM（中）、TN（窄）表示方法：高度H宽度B腹板厚度t1翼缘厚度t2；TM1702509145）槽钢 普通槽钢、轻型槽钢30aa 、b、c表示腹板厚，从14a、（b）以14cm起有不同腹板厚，用其截面高度的cm 数表示，长度为519m。6）钢管：无缝钢管、焊接钢管7）冷弯薄壁型钢薄壁型钢是用薄钢板（一般采用Q235、Q345钢）经模压或弯曲而制成，其壁厚1.512mm。3、压型钢板压型钢板采用热镀锌钢板或彩色镀锌钢板，经辊压冷弯成各种波
16、型、具有轻质，高强美观、耐用、施工方便、抗震、防火等特点。保温要求：采用双层钢板中间夹保温层（超细玻璃纤维棉或岩棉）；尺寸：宽以50mm为模数，长500mm为模数，厚4mm，长4m。太空板太空板采用高强水泥发泡工艺制备的人工轻石为芯材，以玻璃纤维网（或纤维束）增强的上下水泥面层及钢边肋（或砼边肋）复合而成的新型轻质屋面板材。具有刚度好，强度高，延性好等特点，有良好的结构性能和工程应用前途。常用尺寸：33、1.56、334、厚度方向性能钢板高层及超高层钢结构柱，常由厚钢板组成。厚钢板的层状撕裂发生阶段: 焊接过程中 受力过程中层状撕裂的机理：残留在钢材中的非金属薄片，也就是一种微裂纹，在沿板厚方
17、向拉力作用下，这些微裂纹将扩展，并逐渐连通，最后形成贯通的阶梯状裂缝而突然断裂。层状撕裂一般发生在板厚方向有较大拉应力时。焊接节点的焊缝冷却时，会产生收缩变形。若钢板很厚或有加劲肋甚至相邻板件的约束，钢板不能自由变形，会在垂直于板面方向产生很大的局部应力。这种局部应力可能数倍于材料的屈服极限，致使钢板产生焊后层状撕裂。 引起层状撕裂的因素：钢材的化学成分;钢板和型钢的辊轧工艺;焊接工艺;节点的构造型式。厚度方向性能钢板GB5313钢板厚度方向性能级别： Z15、Z20、Z253 钢材的选用1、选用原则：保证结构安全可靠，经济合理，节约钢材2、考虑因素：选择钢材应考虑的因素有：1）结构的重要性：2）荷载情况3）连接方法4）工作条件（结构所处的温度和环境）5）钢材的厚度
