《钢结构的材料》PPT课件.ppt

第二章 钢结构的材料 大纲要求 了解钢结构的两种破坏形式 掌握结构用钢材的主要性能及其机械性能标 掌握影响钢材性能的主要因素特别是导致钢材变脆的主要因素 了解结构用钢材的种类 牌号 规格 了解钢材选择的依据 做到正确选择钢材 掌握钢材疲劳的概念和疲劳计算方法 1 较高的抗拉强度fu和屈服点fy 2 较好的塑性 韧性 3 良好的工艺性能 冷 热加工 可焊性 4 对环境的良好适应性 2 1钢结构对材料的要求 钢结构设计规范 推荐的普通碳素结构钢Q235钢和低合金高强度结构钢Q345 Q390及Q420符合要求 2 2钢材的破坏形式 一 塑性破坏破坏前有明显的塑性变形 构件应力达到钢材抗拉强度 断口发暗呈纤维状 可以采取措施补救 二 脆性破坏破坏前没有明显的变形征兆 破坏时的应力可能小于钢材的屈服强度 破坏突然 断口平直 发亮呈晶粒状 无机会补救 脆性断裂实物 韧性 塑性 断裂实物 韧性 塑性 断裂断口 脆性断裂断口 解理花样 沿晶断口 冰糖花样 2 3钢材的主要性能 d 一 单向拉伸时的性能 标准试件 低碳钢标准拉伸试验 1 阶段划分 A 有屈服点钢材 曲线可以分为五个阶段 1 弹性阶段 OB 2 弹塑性阶段 BC B 屈服上限 C 屈服下限 屈服点 3 塑性阶段 CD 4 强化阶段 DE 5 颈缩阶段 EF B 对无明显屈服点的钢材 该种钢材在拉伸过程中没有屈服阶段 塑性变形小 破坏突然 设计时取相当于残余变形为0 2 时所对应的应力作为屈服点 条件屈服点 2 单向拉伸时钢材的机械性能指标 1 屈服点fy 它是衡量钢材的承载能力和确定钢材强度设计值的重要指标 2 抗拉强度fu 应力应变曲线最高点对应的应力 它是衡量钢材安全储备能力的重要指标 fy fu 屈强比 当l0 d 5时 用 5表示 当l0 d 10时 用 10表示 屈服点 抗拉强度和伸长率是钢材的三个重要力学性能指标 钢结构中所采用的钢材都应满足 规范 对这三项指标的要求 二 冷弯性能 衡量钢材塑性性能和冶金质量优劣的综合指标 按规定的弯心直径将试样弯曲180 其表面及侧面无裂纹或分层则为冷弯合格 重要结构要求有良好冷 热加工工艺性能时 要求有冷弯试验合格保证 冷弯试验 三 冲击韧性 衡量钢材在动力 冲击 荷载 复杂应力作用下抗脆性破坏能力的指标 用断裂时吸收的总能量来表示 冲击韧性的试验 a 梅氏U型缺口 b 夏比V型缺口 受温度的影响 2 钢材的机械性能指标有哪些 各衡量材料 结构 的那些能力 1 钢材的破坏形式有几种 各有何特点 2 4复杂应力作用下钢材的屈服条件 复杂应力作用下 钢材由弹性状态转入塑性状态的条件 按第四强度理论计算折算应力 red 然后与单向应力下的屈服点相比较进行判断 1 以应力分量表示 2 以主应力表示 材料处于弹性状态 材料处于塑性状态 脆性破坏 塑性破坏 图示简支梁1 1截面腹板与翼缘交界A点的应力 对于薄板 厚度方向的应力很小 为平面受力状态 一般的梁 只存在正应力和剪应力 则 3 3截面仅有剪力 弯矩 局部压力均为零 故该截面除剪应力外 正应力均为零 即为纯剪状态 规范 规定 钢材抗剪设计强度为抗拉设计强度的0 58倍 2 5各种因素对钢材性能的影响 1 为什么对结构钢要有碳含量的限制 是多少 2 钢材中含有哪些基本元素 对钢材性能有何影响 3 随着温度的变化 钢材的力学性能有何变化 什么是蓝脆现象 4 哪些因素可使钢材变脆 防止钢材变脆的措施有哪些 5 什么情况下会产生应力集中 应力集中对材性有何影响 6 什么是冷作硬化 时效硬化 按以下提纲自学 一 疲劳破坏及发生的原因 2 6钢材的疲劳 1 循环荷载 结构或构件承受的随时间呈周期性变化的荷载 2 疲劳破坏 在循环荷载作用下 经过有限次循环 钢材发生破坏的现象 称之为疲劳 3 原因 疲劳破坏是积累损伤的结果缺陷 微观裂纹 宏观裂纹 构件截面削弱 疲劳破坏 4 疲劳破坏的特征 断口截面一般有光滑和粗糙两个区域 属于脆性破坏 截面平均应力小于屈服点 5 应力幅 在循环荷载作用下 应力从最大到最小重复一次为一次循环 最大应力与最小应力之差为应力幅 构件弯曲疲劳破坏断口 6 应力比 应力循环特征 绝对值最小应力与最大应力之比 b 脉冲循环 a 完全对称循环 c 不完全对称循环 d 不完全对称循环 7 应力循环次数N 疲劳寿命 规范规定 应力循环次数N 5 104 不需要进行疲劳计算 应力幅越低 作用循环次数越多 疲劳寿命越高 应力幅相同 作用的循环次数越多 疲劳寿命越高 二 影响钢材疲劳的主要因素 A 对于非焊接结构和轧制钢材 在循环次数N一定的情况下 根据试验资料可以绘出N次循环的疲劳图 max和 min关系曲线 当 0和 1时的疲劳强度分别为 0和 1 连接BC并延长至A D ABCD直线方程为 影响因素 由上述推导可知 对于非焊接结构和轧制钢材 疲劳强度与最大应力 应力比 循环次数和缺口效应有关 焊缝附近主体金属的应力由 实际应力循环均形成在拉应力范围 B 对于焊接结构 残余应力 杆件截面内存在的自相平衡的初始应力 影响因素 应力幅对焊接结构的疲劳强度有很大影响 而与最大应力 max和应力比 无关 与循环次数 构造状况有关 三 疲劳强度计算 一 常幅疲劳 1 容许应力幅 的确定 采用容许应力幅的计算方法 N曲线 式中 直线对纵坐标的斜率 b1 直线在横轴坐标上的截距 N 循环次数 考虑试验数据的离散性 取平均值减去2倍lgN的标准差2s作为疲劳强度下限 下限值的直线方程为 此时的 即为容许应力幅 式中 系数 c 根据钢结构设计规范 疲劳计算的构件和连接分类 查表得到 规范将构件和连接的种类分为8类 第1类为轧制的型钢 残余应力小 疲劳强度最高 第8类为角焊缝连接 疲劳强度最低 详见教材附录6 2 疲劳强度计算 式中 计算部位的应力幅 对于焊接部位 max min 对于其他部位 max 0 7 min 计算应力幅 max min 计算部位每次应力循环中的最大拉应力和最小拉应力或压应力 取负值 说明 1 计算时用荷载的标准值 2 由于来源于试验 已考虑动力效应 计算时不再考虑动力系数 二 变幅疲劳和吊车欠载效应系数 对于吊车梁 根据Miner线性累积损伤法则 把变幅疲劳折合成常幅疲劳 按下式计算其疲劳强度 2 7钢材的种类和规格 一 钢的种类1 碳素结构钢 GB T700 88 低碳钢牌号Q235 质量等级 A B C D 浇注方法 F Z Tz 2 低合金钢 GB T1591 94 A B C D等级碳素结构钢分别应满足哪些性能指标的要求 低合金钢的质量等级分A B C D E 其中E主要是要求 400C的冲击韧性 二 钢材的选择 自学 三 钢材的规格 自学 与Q235钢 fy 235 255n mm2 相当的国外钢材 A36 美国 43A 43B 英国 St37 德国 SM41 日本 Fe360 ISO 等 与Q345钢 Q390钢和Q420钢相当的国外钢种为 A242 A440 A441 美国 50A D 55C E 英国 St52 St70 德国 SM50 SM53 SM58 日本 参考规范请你正确选材 选择题1 广东地区某一工厂设计一起重量50t的中级工作制钢吊车梁 宜选用 钢 A Q235 A B Q235 B F C Q235 C D Q235 D 选择题2 北方某严寒地区 温度低于 20 一露天仓库起重量大于50t的中级工作制吊车梁 其钢材应选择 钢 A Q235 A B Q235 B C Q235 C D 16Mn 选择题3 承重用钢材应保证的基本力学性能内容应是 A 抗拉强度 伸长率 B 抗拉强度 屈服强度 冷弯性能 C 抗拉强度 屈服强度 伸长率 D 屈服强度 伸长率 冷弯性能 选择题4 对于承受静荷常温工作环境下的钢屋架 下列说法不正确的是 A 可选择Q235钢 B 可选16Mn钢 C 钢材应有冲击韧性的保证 D 钢材应有三项基本保证 选择题5 以下关于钢材规格的叙述 下列哪种说法不正确 A 热轧钢板 20 300 9000代表钢板厚20mm 宽0 3m 长9m B 角钢L140 90 10代表不等边角钢 长肢宽140mm 短肢宽90mm 厚10mm C I25b代表工字钢 高度为250mm 字母b表示工字钢翼缘宽度类型 D 角钢L90 8代表等边角钢 肢宽90mm 厚8mm