金屬結構材料和性能及種類選用

1、金屬結構材料和性能及種類選用目 錄1. 金屬結構材料和性能鋼材的性能影響鋼材性能的主要因素鋼材的疲勞鋼材的種類、標號、規(guī)格及選用1.金屬結構材料和性能鋼材的性能 鋼材在單向均勻拉力作用下的性能 鋼材在復雜應力狀態(tài)下的性能 鋼材的塑性 鋼材的韌性 鋼材的可焊性 鋼材的冷彎性能 鋼材的耐久性 鋼材的破壞形式1.金屬結構材料和性能 鋼材在單向均勻拉力作用下的性能常用靜力拉伸試驗曲線，即應力應變曲線表示。 鋼材在單向均勻拉力作用下的性能低碳鋼受拉時的應力應變曲線 從圖上可看出，整個拉伸過程，鋼材經(jīng)歷了如下四個階段： (1)彈性階段（OE段） (2)屈服階段（ECF段） (3)強化階段（FB段） (4)

2、緊縮階段（BD段）1.金屬結構材料和性能 在曲線OE段，鋼材處于彈性階段，即荷載增加時變形也增加，荷載降低到零則變形也降低到零。(1)彈性階段（OE段） OA段：荷載與伸長成比例（應力與應變成比例），完全符合虎克定律，fp為比例極限。 AE段：荷載與伸長不成成比例，fe為彈性極限。低碳鋼受拉時的應力應變曲線1.金屬結構材料和性能 當荷載超過Ne( )后變形與荷載不成正比，變形增加很快，曲線呈鋸齒形波動，甚至荷載不增加時，變形繼續(xù)發(fā)展，這就是鋼材的屈服。屈服階段（ECF段）低碳鋼受拉時的應力應變曲線 屈服階段曲線上下波動，波動曲線的下限，稱為屈服極限或屈服點，用fy E-F點的應變幅度稱為流幅，

3、流幅越大鋼材的塑性越好。1.金屬結構材料和性能由鋼材受拉時的應力應變曲線得出的結論 由于比例極限fp 、彈性極限fe 和屈服極限fy 很接近，在計算金屬結構時可以認為剛材在屈服極限之前是彈性體。當應力達到屈服極限后，結構將產生很大的、使用上不允許的殘余變形，因此，設計時取屈服極限為鋼材可達到的最大應力。 鋼材在屈服極限之前接近理想的彈性體，屈服極限之后的流幅現(xiàn)象又接近理想的塑性體，因此可認為鋼材最符合理想的彈性塑性材料。 強度極限fu是材料抗拉的最大承載力，但材料破壞時塑性變形太大，故強度極限不能作為計算依據(jù)，只能作為強度儲備。1.金屬結構材料和性能 對于接近理想彈塑性體的鋼材，采用米塞斯準則

4、較好，該準則認為：材料的形狀改變比能達到某一極限值時，材料開始屈服。即所謂第四強度理論。鋼材在復雜應力狀態(tài)下的性能 鋼材在復雜應力狀態(tài)下的屈服條件：彈性狀態(tài) 塑性狀態(tài) 即剪應力達到屈服極限的倍時，鋼材進入塑性狀態(tài)，所以鋼材的抗剪強度設計值fv取為f。1.金屬結構材料和性能 在同號平面主應力作用下，鋼材極限強度和彈性工作范圍有所提高，塑性下降。在異號平面主應力作用下，情況正好相反。 在三向主應力作用下，情況同上。前者如裂紋尖端處應力集中，后者如受局部擠壓區(qū)域。 鋼材在復雜應力作用下的性能發(fā)生的變化 1.金屬結構材料和性能 鋼材的塑性 當應力超過屈服點后，能產生顯著的殘余變形（塑性變形）而不立即斷

5、裂的性質。 塑性好壞可用伸長率和斷面收縮率表示。通過靜力拉伸試驗得到。l1為試件拉斷后標距間長度。 l0為試件拉斷前標距間長度。 伸長率 斷面收縮率是指試件拉斷后，頸縮區(qū)的斷面面積縮小值與原斷面面積比值的百分率。斷面收縮率A0 試件原來的斷面面積； A1 試件拉斷后頸縮區(qū)的斷面面積 結構或構件在受力時（尤其承受動力荷載時）材料塑性好壞往往決定了結構是否安全可靠，因此鋼材塑性指標比強度指標更為重要。1.金屬結構材料和性能鋼材的韌性 鋼材在塑性變形和斷裂的過程中吸收能量的能力，也是表示鋼材抵抗沖擊荷載的能力，它是強度與塑性的綜合表現(xiàn)。它是判斷鋼材在沖擊荷載作用下是否出現(xiàn)脆性破壞的重要指標之一。 鋼

6、材的韌性指標用沖擊韌性ak表示。式中 試驗機刻度盤上直接讀出的沖 擊功（單位N或J）。 試件缺口處的凈截面面積（單 位c2）。 新標準GB70088（碳素結構鋼）和GB159188（低合金結構鋼）規(guī)定，沖擊試驗用夏比V型缺口試件。沖擊韌性指標直接用沖擊功（J）表示，即1.金屬結構材料和性能鋼材的可焊性 可焊性： 鋼材的可焊性是指在一定工藝和結構條件下，鋼材經(jīng)過焊接能夠獲得良好的焊接接頭的性能。 施工上的可焊性： 指在一定的焊接工藝條件下焊縫金屬和焊縫影響區(qū)對產生裂紋的敏感性。 使用性能上的可焊性： 是指焊接接頭和焊縫的沖擊韌性及近焊區(qū)的塑性等力學性能指標不低于母材。 可焊性試驗得出的結果只有參

7、考意義,因試驗條件與實際情況總有一定距離。 鋼材中含C量增加，將惡化可焊性，故焊接結構所用鋼材的含C量不超過。1.金屬結構材料和性能鋼材的冷彎性能 指鋼材在冷加工（常溫下加工）產生塑性變形時，對產生裂縫的抵抗能力。 冷彎性能用試驗方法來檢驗鋼材承受規(guī)定彎曲程度的彎曲變形性能，通過檢查試件彎曲部分的外面、里面和側面是否有裂紋、裂斷和分層，判斷試件冷彎性能是否合格，并顯示其缺陷的程度。1.金屬結構材料和性能鋼材的耐久性 影響鋼材使用壽命的因素是多方面的，主要是腐蝕、時效和疲勞的影響。 鋼材易被腐蝕，對此主要依靠油漆和加強定期維護措施來解決。 鋼材的“時效”現(xiàn)象，即鋼材的力學性能隨著時間的增長而改變

8、的現(xiàn)象。這就要根據(jù)結構的使用要求和條件，必要時可測定快速應變失效的沖擊韌性，以鑒定鋼材是否適用。 鋼結構在長期連續(xù)的重復荷載或交變荷載的作用下，可能當應力低于屈服點fy 便發(fā)生的破壞。 所以對某些結構要計算其疲勞強度。1.金屬結構材料和性能鋼材的破壞形式 兩種破壞形式：塑性破壞和脆性破壞兩種。 塑性破壞：因很大的塑性變形而斷裂。特點：破壞前有明顯的塑性變形，應力很大，斷裂時斷口呈纖維狀，色澤發(fā)暗。 脆性破壞：脆性斷裂。破壞前無預兆，應力較低，斷裂時斷口平齊，呈有光澤的晶粒狀。脆性破壞危險性大。 影響脆性的因素：化學成分 冶金缺陷（偏析、非金屬夾雜、裂紋、起層） 溫度（熱脆、低溫冷脆） 冷作硬化

9、 時效硬化 應力集中 同號三向主應力狀態(tài) 1.金屬結構材料和性能影響鋼材性能的主要因素 化學成分的影響 冶金和軋制過程的影響 時效的影響 溫度的影響 冷作硬化的影響 應力集中的影響 殘余應力的影響1.金屬結構材料和性能化學成分的影響 鋼的基本元素為鐵（Fe），普通碳素鋼中占99%，此外還有碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）等雜質元素，及硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）等有害元素，這些總含量約1%，但對鋼材力學性能卻有很大影響。1.金屬結構材料和性能碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）雜質元素的影響碳：除鐵以外最主要的元素。 一般建筑用鋼要求含碳量在0.22%以下，焊接結構中應限制在0.20%以

10、下。C鋼材強度塑性韌性（特別是低溫沖擊韌性）惡化鋼材可焊性，增加低溫脆斷的危險性。1.金屬結構材料和性能碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）雜質元素的影響硅：作為脫氧劑加入普通碳素鋼。 一般鎮(zhèn)靜鋼的含硅量為0.10%0.30% 。適量Si塑性沖擊韌性冷彎性能可焊性無顯著的不良影響。Si過高(達1%)塑性沖擊韌性抗銹性可焊性1.金屬結構材料和性能碳（C）、硅（Si）、錳（Mn）雜質元素的影響錳：是一種弱脫氧劑。 素鋼中錳的含量約為0.3%0.8%。適量Mn有效提高鋼材強度；消除硫、氧對鋼材的熱脆影響；改善鋼材熱加工性能和鋼材的冷脆傾向；不顯著降低鋼材的塑性、沖擊韌性。Si過高(達1.0%1.5%以上

11、)脆性硬度抗銹性可焊性1.金屬結構材料和性能硫（S）、磷（P）有害元素的影響硫：極為有害元素。硫與鐵的化合物為硫化鐵（FeS），散布在 純鐵體晶粒的間層中。 含硫量增加時會降低鋼材的塑性、沖擊韌性、疲勞強度和抗銹性等。 高溫（8001200）時，例如在焊、鉚及熱加工時，硫化鐵即溶化而使鋼材變脆（熱脆）和發(fā)生裂縫。 應嚴格控制鋼材中的含硫量，一般應不超過，在焊接結構中則應不超過。 磷：極為有害元素。引起鋼材熱脆，降低鋼材的塑性、沖擊韌 性、疲勞強度和抗銹性等。一般建筑用鋼含硫量要求不超 0.055%，在焊接結構中應不超過0.050%。1.金屬結構材料和性能氧：有害元素。引起熱脆。一般要求含量小于

12、0.05%。氮：能使鋼材強化，但顯著降低鋼材塑性、韌性、可焊性和冷彎 性能，增加時效傾向和冷脆性。一般要求含量小于0.008%。氧（O）、氮（N）有害元素的影響 為改善鋼材力學性能，可適量增加錳、硅含量，還可摻入一定數(shù)量的鉻、鎳、銅、釩、鈦、鈮等合金元素，煉成合金鋼。金屬結構常用合金鋼中合金元素含量較少，稱為普通低合金鋼。 1.金屬結構材料和性能冶金和軋制過程的影響 按爐種分： 對于結構用鋼我國主要有三種冶煉方法：堿性平爐煉鋼法、頂吹氧氣轉爐煉鋼法和堿性側吹轉爐煉鋼法。 平爐鋼和頂吹轉爐鋼的力學性能指標較接近。(而堿性側吹轉爐鋼的沖擊韌性、可焊性、時效性、冷脆性、抗銹性能等都較差，故這種煉鋼法

13、已逐步淘汰。) 按脫氧程度分為：沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼和半鎮(zhèn)靜鋼。 沸騰鋼脫氧程度低，氧、氮和一氧化碳氣體從鋼液中逸出，形成鋼液的沸騰。沸騰鋼的時效、韌性、可焊性較差，容易發(fā)生時效和變脆，但產量較高、成本較低；半鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度較高些，上述性能都略好；而鎮(zhèn)靜鋼的脫氧程度最高，性能最好，但產量較低，成本較高。1.金屬結構材料和性能時效：隨著時間的增長，純鐵體中殘留 的碳、氧固溶物質逐步析出，形 成自由的碳化物或氮化物微粒， 約束純鐵體發(fā)展塑性變形。時效的影響 時效將提高鋼材的強度，降低塑性，特別是沖擊韌性大大降低（變脆）。故是不利因素之一。時效的過程從幾天到幾十年。 交變荷載、重復荷載和溫度變化等情況下，

14、容易引起時效。雜質多、晶粒粗而不均勻的鋼材對時效最敏感。 鋼材的時效現(xiàn)象1.金屬結構材料和性能溫度的影響 以上所討論的，都是鋼材在常溫時的工作性能。當溫度升高時，開始是強度和彈性模量基本不變，塑性的變化也不大。但在250左右時，鋼材的抗拉強度提高而塑性和沖擊韌性下降，這種現(xiàn)象叫做藍脆現(xiàn)象(表面氧化膜呈現(xiàn)藍色)。應避免鋼材在藍脆溫度范圍內進行熱加工。當溫度超過300以后，屈服點和極限強度顯著下降，達到600時強度幾乎等于零。 溫度對鋼材力學性能的影響1.金屬結構材料和性能鋼材溫度從常溫下降時的情況 當鋼材的溫度從常溫下降時，鋼材的強度略有提高而塑性和沖擊韌性有所降低(變脆)。特別是當溫度下降到某

15、一數(shù)值時，鋼材的沖擊韌性突然急劇下降，試件斷口屬于脆性破壞。這種現(xiàn)象稱為低溫冷脆現(xiàn)象，鋼材由韌性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉變的溫度叫冷脆轉變溫度(或叫冷脆臨界溫度)。 沖擊韌性和溫度關系示意圖1.金屬結構材料和性能冷作硬化的影響 在重復荷載作用下，鋼材比例極限有所提高的現(xiàn)象稱為硬化。金屬結構在冷（常溫）加工過程中引起的鋼材硬化現(xiàn)象稱為冷作硬化。 在加載fy后卸載再加載，此時強度（比例極限、屈服極限）提高、塑性和沖擊韌性降低。這增加了出現(xiàn)脆性破壞的危險性，對金屬結構是有害的。在冷（常溫）加工時易產生冷作硬化，因此在剪切鋼板邊緣和沖孔等引起冷作硬化的部分去掉35mm，去掉冷作硬化的部分。1.金屬結構材料和性

16、能 金結構構件中存在的孔洞、槽口、凹角、裂縫、厚度變化、形狀變化、內部缺陷等使一些區(qū)域產生局部高峰應力，此謂應力集中現(xiàn)象。應力集中越嚴重，鋼材塑性越差。應力集中的影響1.金屬結構材料和性能應力流示圖1.金屬結構材料和性能 殘余應力為鋼材在冶煉、軋制、焊接、冷加工等過程中，由于不均勻的冷卻、組織構造的變化而在鋼材內部產生的不均勻的應力。殘余應力在構件內部自相平衡而與外力的作用無關。殘余應力的存在可能使鋼材發(fā)生脆性破壞。殘余應力的影響1.金屬結構材料和性能 鋼材的疲勞：鋼材在循環(huán)應力多次反復作用下裂紋生成、擴 展以致斷裂破壞的現(xiàn)象稱為鋼材的疲勞或疲勞 破壞。 鋼材的疲勞鋼材疲勞破壞的特征 鋼材的疲

17、勞強度 金屬結構疲勞計算 1.金屬結構材料和性能鋼材疲勞破壞的特征 疲勞破壞的特點 疲勞破壞的原因1.金屬結構材料和性能疲勞破壞的特點荷載多次反復作用在構件上；破壞是突然發(fā)生的，破壞發(fā)生前無明顯的 塑性變性；破壞發(fā)生時，應力低于抗拉強度（強度極 限），甚至低于屈服極限；疲勞破壞的斷口上，通常呈現(xiàn)兩個區(qū)域， 一個光滑區(qū)域，一個是粗粒狀區(qū)域。其 表面有較清楚的疲勞紋理。 1.金屬結構材料和性能 由此可見，鋼材的疲勞破壞首先是由于鋼材內部結構不均勻和應力分布不均勻所引起的。應力集中可以使個別晶粒很快出現(xiàn)塑性變形及硬化等，從而大大降低了鋼材的疲勞強度。 疲勞破壞的原因局部缺陷產生應力集中(循環(huán)載荷的反

18、復作用)出現(xiàn)塑性變形,并硬化而逐漸形成一些微觀裂紋細微裂紋隨著循環(huán)次數(shù)的增加而不斷擴展逐漸發(fā)成為鋼材內部宏觀裂紋截面減弱，應力集中現(xiàn)象急速加劇，最后晶體內的結合力終于抵抗不住高峰應力，鋼材突然斷裂1.金屬結構材料和性能鋼材的疲勞強度應力種類應力循環(huán)形式應力循環(huán)次數(shù)應力集中殘余應力鋼材的疲勞強度與有關1.金屬結構材料和性能幾個概念循環(huán)荷載結構或構件承受的隨時間變化的荷載；應力幅（）在循環(huán)荷載作用下，應力從最大到最小重 復一周為一次循環(huán)，最大應力與最小應力 之差為應力幅。=max-min。應力循環(huán)次數(shù)（n）結構或構件破壞時所經(jīng)歷的應力變 化次數(shù)。常幅循環(huán)荷載所有應力循環(huán)中，應力幅保持常量。變幅循環(huán)

19、荷載在應力循環(huán)過程中，應力幅是變量。1.金屬結構材料和性能常幅應力循環(huán)形式1.金屬結構材料和性能金屬結構疲勞計算 本節(jié)所述疲勞計算只適用于常溫下、無強烈腐蝕環(huán)境中金屬結構的高周低應變疲勞計算(應力循環(huán)次數(shù)n105)。計算范圍只限于直接承受重復作用動力荷載的金屬結構構件及其連接。對構件表面溫度大于150、海水腐蝕環(huán)境、低周高應變等特殊條件下的疲勞，應參照其它有關規(guī)定進行計算。 疲勞計算采用標準荷載按容許應力幅進行。容許應力幅與構件和連接形式以及應力循環(huán)次數(shù)有關，在應力循環(huán)中不出現(xiàn)拉應力的部位不必驗算疲勞強度。 疲勞計算分常幅疲勞計算和變幅疲勞計算兩種情況。1.金屬結構材料和性能常幅疲勞計算 所有

20、應力循環(huán)中的應力幅保持常量時稱為常幅應力循環(huán)，其引起的疲勞稱為常幅疲勞。 對常幅疲勞，按下式進行疲勞計算： 式中： 對焊接部位為應力幅 ，對非焊接部 位為折算應幅 ； 計算部位每次應力循環(huán)中的最大拉應力(取正值)； 計算部位每次應力循環(huán)中的最小拉應力或壓應力 （拉應力取正值，壓應力取負值）； 常幅疲勞的容許應力幅 。 1.金屬結構材料和性能容許應力幅來源 焊接鋼構件和連接的疲勞試驗研究表明，在常幅循環(huán)應力作用下，引起試件疲勞破壞的應力幅maxmin與其致?lián)p循環(huán)次數(shù)n的關系曲線，當采用對數(shù)坐標時，是一條斜率為1/的直線。直線方程式為：整理得化簡，得常幅疲勞的容許應力幅計算公式為： 1.金屬結構材

21、料和性能變幅疲勞計算 對變幅疲勞，按線性疲勞累積損傷原則，將隨機變化的應力幅折算成等效常應力幅 ，然后按常幅疲勞的公式進行計算，即按下式計算： 式中： 變幅疲勞的等效應力幅，按下式確定： 以應力循環(huán)次數(shù)表示的結構預期使用壽命；預期壽命內應力幅水平達到 的應力循環(huán)次數(shù)；系數(shù)，按表查?。怀７谌菰S應力幅。 鋼材的種類、標號、規(guī)格及選用1.金屬結構材料和性能鋼材的種類和標號 鋼材選用的原則 鋼材的規(guī)格 鋼材的種類和標號1.金屬結構材料和性能 鋼材的品種繁多，性能各異，金屬結構中常用只是：碳素結構鋼和低合金結構鋼中的幾種。 國家標準：（GB70088） 碳素結構鋼 （GB/T159194）低合金結構

22、鋼“QXXX ”，例如Q235-AF、Q235-Bb、Q345-EZ Q ：屈服強度的第一個拼音字母。 XXX ：屈服強度值，單位為N/mm2，結構用鋼常有235、345、390。 ：質量等級，有A、B、C、D四個等級（低合金結構鋼有A、B、 C、D、E五個等級）。 其中：A 無沖擊功規(guī)定； B 20C時的沖擊功27J（縱向）； C 0C時的沖擊功27J（縱向）； D 20C時的沖擊功27J（縱向）。 ：脫氧方法，可分為F、b、Z和TZ，F(xiàn)表示沸騰鋼，b表示半鎮(zhèn) 靜鋼，Z表示鎮(zhèn)靜鋼，TZ表示特殊鎮(zhèn)靜鋼，其中Z和TZ可不寫。 新舊規(guī)范低合金鋼材牌照對照表1.金屬結構材料和性能GB/T1591-94GB1591-88Q2950.9MnV,0.9MnNb,0.9Mn2,12Mn等Q34512MnV,14MnNb,16Mn,16MnRe等Q39015MnV,15MnTi,