大工13秋《钢结构》辅导资料四19页wordWord文档下载推荐.docx

大工13秋《钢结构》辅导资料四19页wordWord文档下载推荐.docx

《大工13秋《钢结构》辅导资料四19页wordWord文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《大工13秋《钢结构》辅导资料四19页wordWord文档下载推荐.docx（15页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

钢结构用的材料虽然有较高的塑性和韧性，一般为塑性破坏，但在一定的条件下，仍然有脆性破坏的可能性。

1、塑性破坏是由于变形过大，超过了材料或构件可能的应变能力而产生的，而且仅在构件的应力达到了钢材的抗拉强度允后才发生。

破坏前构件产生较大的塑性变形，断裂后的断口呈纤维状，色泽发暗。

在塑性破坏前，由于总有较大的塑性变形发生，且变形持续的时间较长，很容易及时发现而采取措施予以补救，不致引起严重后果。

另外，塑性变形后出现内力重分布，使结构中原先受力不等的部分应力趋于均匀，因而提高结构的承载能力。

2、脆性破坏前塑性变形很小，甚至没有塑性交形，计算应力可能小于钢材的屈服点

，断裂从应力集中处开始。

冶金和机械加工过程中产生的缺陷，特别是缺口和裂纹，常是断裂的发源地。

破坏前没有任何预兆，破坏是突然发生的，断口平直并呈有光泽的晶粒状。

由于脆性破坏前没有明显的预兆，无法及时觉察和采取补救措施，而且个别构件的断裂常引起整个结构塌毁，危及人民生命财产的安全，后果严重，损失较大。

在设计、施工和使用钢结构时，要特别注意防止出现脆性破坏。

图4.1单向拉伸构件的两种破坏形式

图4.2单向拉伸试件破坏面

图4.3疲劳引起的脆性破坏

图4.4疲劳引起的脆性破坏破坏面

（二）钢材的（机械）性能

1、钢结构对材料的要求

钢结构的原材料是钢，钢的种类繁多，性能差别很大，适用于钢结构的钢只是其中的一小部分。

用作钢结构的钢材必须符合下列要求：

（1）较高的抗拉强度

和屈服点

：

是衡量结构承裁能力的指标，

高则可减轻结构自重，节约钢材和降低造价。

是衡量钢材经过较大变形后的抗拉能力，它直接反映钢材内部组织的优劣，同时

高可以增加结构的安全保障。

（2）较高的塑性和韧性：

塑性和韧性好，结构在静载和动载作用下有足够的应变能力，既可减轻结构脆性破坏的倾向，又能通过较大的塑性变形调整局部应力，同时又具有较好的抵抗重复荷载作用的能力。

（3）良好的工艺性能（包括冷加工、热加工和可焊性能）：

良好的工艺性能不但要易于加工成各种形式的结构，而且不致因加工而对结构的强度、塑性、韧性等造成较大的不利影响。

此外，根据结构的具体工作条件，有时还要求钢材具有适应低温、高温和腐蚀性环境的能力。

按以上要求，钢结构设计规范具体规定：

承重结构的钢材应具有抗拉强度、伸长率、屈服点和碳、硫、磷含量的合格保证；

焊接结构尚应具有冷弯试验的合格保证；

对某些承受动力荷裁的结构以及重要的受拉或受弯的焊接结构尚应具有常温或负温冲击韧性的合格保证。

2、强度-单项拉伸试验

钢材的力学性能指标是钢结构设计的重要依据，而这些指标主要是通过试验来测定的。

钢材的拉伸试验是用规定形状和尺寸的标准试件，在常温20℃±

5℃的条件下，按规定的加载速度在拉力试验机上进行。

拉伸时的应力——应变曲线（σ—ε曲线）：

图4.5低碳钢应力应变曲线

低碳钢在常温下静力拉伸的应力—应变曲线。

图中纵坐标为应力

，

、

是试件的受拉荷载和原横截面面积；

横坐标为应变

为试件原标距长度，

为标距段的伸长量。

该曲线分为五个阶段，如图所示；

（1）弹性阶段——图中OAB段。

OA段为线弹性，应力与应变成正比，完全符合虎克定律，卸载后无残余变形。

A点的应力

称为比例极限。

AB段为非线弹性，呈曲线状，B点的应力

称为弹性极限，由于

与

非常接近，实际应用中认为二者相同。

（2）弹塑性阶段——图中BC段。

当施加应力σ超过弹性极限

后，试件变形包含有弹性变形与塑性变形两部分。

（3）屈服阶段——图中CD段。

当施加应力达到

后，曲线上下波动，

称为屈服点或屈服强度。

钢材的应力达到

后应变将急剧增长，使钢材产生了不容许的残余变形，以致不能正常使用。

在C点时卸载残余变形

，到达D点时其残余变形为

。

（4）强化阶段——图中DG段。

钢材经塑性变形后,曲线回升到G点，应力达到最大值

，称为抗拉强度，它反映了钢材承受荷载的极限能力。

（5）颈缩阶段——图中GH段，当应力达到抗拉强度

后，试件中部截面变细，形成颈缩现象，

曲线下降直到HG，试件拉断。

3、塑性

试件被拉断时的绝对变形值与试件原标距之比的百分数，称为伸长率。

当试件标距长度与试件直径d（圆形试件）之比为10时，以

表示；

当该比值为5时，以

表示。

伸长率代表材料在单向拉伸时的塑性应变的能力。

衡量钢材的塑性指标有两个：

（1）断面收缩率：

在拉伸试验中，试件拉断后截面面积的缩小值与原截面面积的比值；

即

式中：

——试件原截面面积；

——试件拉断后颈缩处的截面面积

值越大，钢材的塑性越好。

（2）伸长率：

在拉伸试验中，试件拉断后的伸长量与原标距之比值，即：

——试件原标距长度；

——试件拉断后的标距长度。

标准试件在拉伸试验的标距规定有

和

两种，其拉伸率分别记为

伸长率是衡量钢材的塑性变形的发展能力，亦是σ-ε曲线中最大残余变形值，在实际工程中常采用伸长率δ作为控制钢材塑性的指标。

δ的数值可查表、

与δ是钢结构设计的三项重要强度和塑性指标。

4、冷弯性能

冷弯性能由冷弯试验来确定（图2.4）。

试验时按照规定的弯心直径在试验机上用冲头加压，使试件弯成180度，如试件外表面不出现裂纹和分层，即为合格。

冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或塑性性能，还能暴露钢材内部的冶金缺陷，如硫、磷偏析和硫化物与氧化物的掺杂情况，这些都将降低钢材的冷弯性能。

因此，冷弯性能合格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。

图4.6钢材冷弯示意图

5、韧性

钢材的冲击韧性是指钢材在冲击荷载作用下断裂时吸收能量的能力，是衡量钢材抵抗可能因低温、应力集中、冲击荷载作用等而致脆性断裂的一项机械性能指标。

通常采用梅氏U形缺口试件或夏氏V形缺口试件在冲击试验机上进行。

图4.7冲击韧性实验：

a、夏比试件试验；

b、梅氏试件U形缺口

6、可焊性

钢材的可焊性，是指在一定的材料、结构和工艺条件下，钢材经过焊接后能够获得良好的焊接接头的性能。

可焊性分为两种：

（1）施工上的可焊性，是指在一定的工艺条件下，焊缝金属和近缝区钢材均不产生裂纹。

（2）使用上的可焊性，是指焊接接头和焊缝的机械性能均不低于母材的机械性能。

7、耐久性

影响钢材耐久性的因素很多，主要有以下几点：

（1）腐蚀性

钢材易被腐蚀,主要依靠油漆和加强定期维护措施来解决。

此外，钢中硅和锰的含量过高，会降低钢材抗锈的能力。

（2）时效现象

这是指钢材的力学性能随时间的增长而改变的现象，必要时可测定快速时效后的冲击韧性，以鉴定钢材是否适用。

（3）高温和长期荷载的作用

在这种情况下钢材的破坏强度远远低于短期的静力拉伸试验强度，必要时还应测定其持久强度。

（4）疲劳现象

钢材在长期连续的重复荷载或交变荷载作用下，当钢材应力低于屈服强度

时便产生破坏的现象。

综合上述三个实验，得出了钢材的五个力学性能指标

、δ、

及冷弯性能，按钢结构设计的不同要求，归纳如下：

对一般承重结构，要求

、

、δ得到保证；

对重要承重结构，要求

、δ和冷弯性能得到保证；

对在常温下承受动荷载作用的重要结构，要求

、δ、

及冷弯性能得到保证；

对在低温下承受动荷载作用的重要结构，要求

、δ、冷弯性能、常温

及负温

得到保证。

（三）影响钢材性能的因素

1、化学成分

钢是由各种化学成分组成的，化学成分及其含量对钢的性能特别是力学性能有着重要的影响。

铁（Fe）是钢材的基本元素，纯铁质软，在碳素结构钢中约占99％，碳和其他元素仅占1％，但对钢材的力学性能却有着决定性的影响。

其他元素包括硅（Si）、锰（Mn）、硫（S）、磷（P）、氮（N）、氧（O）等。

低合金钢中还含有少量（低于5％）合金元素，如铜（Cu）、钒（V）、钛（Ti）、铌（Nb）、铬（Cr）等。

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，同时恶化钢的可焊性和抗腐蚀性。

因此，尽管碳是使钢材获得足够强度的主要元素，但在钢结构中采用的碳素结构钢，对含碳量要加以限制，一般不应超过0.22％，在焊接结构中还应低于0.20％。

硫和磷（其中特别是硫）是钢中的有害成分，它们降低钢材的塑性、韧性、可焊性和疲劳强度。

在高温时，硫使钢变脆，谓之热脆；

在低温时，磷使钢变脆，谓之冷脆。

一般硫的含量应不超过0.045％，磷的含量不超过0.045％。

但是，磷可提高钢材的强度和抗锈性。

可使用的高磷钢，其含量可达0.12％，这时应减少钢材中的含碳量，以保持一定的塑性和韧性。

氧和氮都是钢中的有害杂质。

氧的作用和硫类似，使钢热脆；

氯的作用和磷类似，使钢冷脆。

由于氧、氮容易在熔炼过程中逸出，一般不会超过极限含量，故通常不要求作含量分析。

硅和锰是钢中的有益元素，它们都是炼钢的脱氧剂。

它们使钢材的强度提高，含量不过高时，对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％。

钒和钛是钢中的合金元素，能提高钢的强度和抗腐蚀性能，又不显著降低钢的塑性。

铜在碳素结构钢中属于杂质成分。

它可以显著地提高钢的抗腐蚀性能，也可以提高钢的强度，但对可焊性有不利影响。

2、冶金缺陷

常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹及分层等。

偏析是钢中化学成分不一致和不均匀性，特别是硫、磷偏析严重恶化钢材的性能。

非金属夹杂是钢中含有硫化物与氧化物等杂质。

气孔是浇注钢锭时，由氧化铁与碳作用所生成的一氧化碳气体不能充分选出而形成的。

这些缺陷都将影响钢材的力学性能。

浇注时的非金属夹杂物在轧制后能造成钢材的分层，会严重降低钢材的冷弯性能。

冶金缺陷对钢材性能的影响，不仅在结构或构件受力工作时表现出来，有时在加工制作过程中也可表现出来。

3、钢材硬化

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）。

在高温时熔化于铁中的少量氮和碳，随着时间的增长逐渐从纯铁中析出，形成自由碳化物和氯化物，对纯铁体的塑性变形起遏制作用，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。

这种方法谓之人工时效。

此外还有应变时效，是应变硬化（冷作硬化）后又加时效硬化。

在一般钢结构中，不利用硬化所提高的强度，有些重要结构要求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。

4、应力集中

钢材的工作性能和力学性能指标都是以轴心受拉杆件中应力沿截面均匀分布的情况作为基础的。

实际上