钢结构施工技术与钢结构材料.ppt

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1、第第3章章 钢结构材料钢结构材料知识目标知识目标了解钢结构所用材料、品种、规格；熟悉钢结构材料选用要求；熟悉钢结构材料的基本性能和钢材的基本知识。学习目标学习目标 通过理论教学和技能实训，学生能够了解钢结构所用材料、品种、规格；熟悉钢材材料的力学性能和材料基本知识。第第3章章 钢结构材料钢结构材料3.1基础知识基础知识3.1.1.黑色金属、钢和有色金属的基本概念 3.1.2.常用钢材的分类1.按建筑用途分类 根据建筑用途分类，钢材可分为碳素结构钢、焊接结构耐候钢、高耐候性结构钢和桥梁用结构钢等专用结构钢。在建筑结构中，较为常用的是碳素结构钢和桥梁用结构钢。第第3章章 钢结构材料钢结构材料2.按

2、化学成分分类碳素钢。根据钢材含碳量的不同，可分为三种：低碳钢：碳的质量分数小于0.25%的钢。中碳钢：碳的质量分数在0.25%0.60%之间的钢。高碳钢：碳的质量分数大于0.60%的钢。合金钢。在碳素钢中加入一定量的合金元素以提高钢材性能的钢，称为合金钢。可分为：低合金钢：合金元素总的质量分数小于5%的钢。中合金钢：合金元素总的质量分数在5%10%之间的钢。高合金钢：合金元素总的质量分数大于10%的钢。第第3章章 钢结构材料钢结构材料3.按品质分类普通钢。甲类钢：只保证机械性能的钢。乙类钢：只保证化学成分，但不必保证机械性能的钢。特类钢：既保证化学成分，又保证机械性能的钢。优质钢。在结构钢中，

3、含硫量不超过0.045%，含碳量不超过0.040%；在工具钢中含硫量不超过0.030%，含碳量不超过0.035%。对于其他杂质，如铬、镍、铜等的含量都有一定的限制。高级优质钢。属于这一类的一般都是合金钢。钢中含硫量不0.020%，含碳量不超过0.030%，对其他杂质的含量要求更加严格。第第3章章 钢结构材料钢结构材料4.按钢材外形可分为型材、板材、管材、金属制品四大类。其中建筑钢结构中使用最多的是型材和板材。第第3章章 钢结构材料钢结构材料3.1.3钢材术语与钢铁牌号1.钢材术语表3.2 钢材缺陷术语表 3.3钢材常用标准术语表3.4钢材的交货状态2.钢铁牌号：采取汉字牌号和汉语拼音字母牌号(

4、1)牌号中化学元素采用汉字或国际化学符号表示。如：“碳”或“C”、“锰”或“Mn”、“铬”或“Cr”。(2)钢材的产品用途、冶炼方法和浇注方法，也采用汉字或汉语标音表示，原则上只用一个字母，取第一个字，一般不超过两个汉字或字母，见表3.6。第第3章章 钢结构材料钢结构材料第2章 钢结构的材料3.2 钢材化学成分钢材化学成分 钢是含碳量小于2的铁碳合金，碳大于2时则为铸铁。制造钢结构所用的材料有碳素结构钢中的低碳钢及低合金结构钢。碳素结构钢由钝铁、碳及杂质元素组成，其中纯铁约占99，碳及杂质元素约占1。低合金结构钢中，除上述元素外还加入合金元素，后者总量通常不超过3。碳及其他元素虽然所占比重不大

5、，但对钢材性能却有重要影响。3.2.1 3.2.1 化学成分化学成分碳（碳（C）碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素，是影响钢材强度的主要因素，随着含碳量的增加，钢材强度提高，而塑性和韧性、尤其是低温冲击韧性下降，同时可焊性、抗腐蚀性、冷弯性能明显降低。因此结构用钢的含碳量一般不应超过0.22%，对焊接结构应低于0.2%。锰（锰（Mn）锰是一种弱脱氧剂，适量的锰含量可以有效地提高钢材的强度，又能消除硫、氧对钢材的热脆影响，而不显著降低钢材的塑性和韧性。锰在碳素结构钢中的含量为0.3%-0.8%，在低合金钢中一般为1.0%-1.7%。第第3章章 钢结构材料钢结构材料硅（硅（Si）硅是一种强脱氧剂，

6、适量的硅可提高钢材的强度，而对塑性、韧性、冷弯性能和可焊性无明显不良影响，但硅含量过大时，会降低钢材的塑性、韧性、抗锈蚀性和可焊性。钒钒(V)、铌、铌(Nb)、钛、钛(Ti)钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢都含有这三种元素，作为锰以外的合金元素，既可提高钢材强度，又保持良好的塑性、韧性。第第3章章 钢结构材料钢结构材料铝铝(Al)、铬、铬(Cr)、镍、镍(Ni)铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390钢和Q420钢。硫（硫（S）硫是一种有害元素，降低钢材的塑性、韧性、可焊性、抗锈蚀性等，在高温时使钢

7、材变脆，即热脆。因此，钢材中硫的含量不得超过0.05%，在焊接结构中不超过0.045%。第第3章章 钢结构材料钢结构材料磷磷(P)磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷是碳素钢中的杂质，它在低温下使钢变脆，这种现象称为冷脆。在高温时磷也能使钢减少塑性。但磷能提高钢的强度和抗锈蚀能力。氧氧(O)、氮、氮(N)氧和氮也是有害杂质，在金属熔化的状态下可以从空气中进入。氧能使钢热脆，其作用比硫剧烈，氮能使钢冷脆，与磷相似。第第3章章 钢结构材料钢结构材料 3.3.1钢材性能的分类钢材性能的分类性 能 分 类主要检测方法国家标准编号使用性能力学性能强度性能屈服强度室温拉伸试验GB/T 228抗拉强度疲劳

8、强度疲劳试验硬度硬度试验GB/T 230、GB/T 231塑性性能伸长率室温拉伸试验GB/T 228断面收缩率冷弯性能弯曲试验GB/T 232冲击韧性性能夏比缺口冲击试验GB/T 229厚度方向性能室温拉伸试验GB 5313耐久性能时 效时效试验高温持久性拉伸蜗变及持久试验GB/T 2039工艺性能冷弯性能弯曲试验GB/T 232焊接性能焊接接头机械性能试验GB 26492655冶炼性能、铸造性能、热加工性能、热处理性能、切削性能等第第3章章 钢结构材料钢结构材料A点所对应的应力为比例极限，而E点所对应的应力为弹性极限。Q235钢的比例极限，对应的应变 。1较高的强度 钢材的强度指标主要有屈服

9、强度（屈服点）fy和抗拉强度fu，可通过钢材的静力单向拉伸试验获得。标准试件（GB22863）l0/d=5或10，常温（20）下缓慢加载，一次完成。标准拉伸曲线可以分为四个阶段：(1)弹性阶段（OE段）：材料处于纯弹性，卸载后无残余应变；2/200mmNfp1.0p第第3章章 钢结构材料钢结构材料(4)颈缩阶段（BD段）极限强度后，试件出现局部截面横向收缩，塑性变形迅速增大，即颈缩现象。此时，只要荷载不断降低，变形能继续发展，直至D点试件断裂。(2)屈服阶段（ECF段）应力波动的最低值称为屈服点或屈服强度，屈服阶段从开始（E点）到曲线再度上升(F点)的变形范围较大，相应的应变幅度称为流幅。Q2

10、35钢的屈服点 ，对应的应变 ，流幅0.152.5。(3)强化阶段（FB段）应变的增加快于应力的增加，塑性特性明显。B点的应力为抗拉强度或极限强度。2/235mmNfy15.0y第第3章章 钢结构材料钢结构材料从拉伸曲线可以得到:v钢材的屈服强度fy与比例极限fp和弹性极限fe很接近，在屈服强度之前，钢材应变很小，而在屈服强度以后，钢材产生很大的塑性变形，常使结构出现了使用上不允许的残余变形。因此认为：屈服强度是设计时钢材可以达到的最大应力，钢材可看作为理想的弹塑性。v抗拉强度fu是钢材破坏前能够承受的最大应力，屈强比（fy/fu）是衡量钢材强度储备的一个系数，屈强比愈低钢材的安全储备愈大，但

11、屈强比过小时，钢材强度的利用率太低，不够经济；屈强比过大时，安全储备太小而不够安全。v屈服强度和抗拉强度是承重结构所用钢材应具有的基本保证项目，对一般非承重结构构件所用钢材只要保证抗拉强度即可。第第3章章 钢结构材料钢结构材料2.良好的塑性 塑性是指钢材在应力超过屈服点后，能产生显著的残余变形（塑性变形）而不立即断裂的性质。一般用伸长率来衡量，它由钢材的静力单向拉伸试验得到。值愈大，钢材的塑性愈好。试件l0/d=5和=10时测得的伸长率分别以5和10表示，d为试件直径。承重结构用的钢材，不论在静力荷载或动力荷载作用下，以及在加工制作过程中，除了应具有较高的强度外，尚应要求具有足够的伸长率，对非

12、承重结构构件所用钢材也要保证其伸长率。%10000LLLu第第3章章 钢结构材料钢结构材料3.合格的冷弯性能 冷弯性能是指钢材在常温下冷加工发生塑性变形时，对产生裂纹的抵抗能力。用冷弯试验来检验，如果试件弯曲180，无裂纹、断裂或分层，即认为试件冷弯性能合格。冷弯试验不仅能直接检验钢材的弯曲变形能力或塑性变形，还能暴露出钢材的内部缺陷。冷弯性能是衡量钢材力学性能的综合指标。钢材的强度、塑性、冲击韧性和冷弯性能称为钢材的力学性能或机械性能。图3.3 冷弯试验示意图第第3章章 钢结构材料钢结构材料4.韧性好（冲击试验）韧性是指钢材在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力，是衡量钢材抵抗动力荷载能力的指

13、标，它是强度和塑性的综合表现，是判断钢材在动力荷载作用下是否出现脆性破坏的重要指标之一。韧性的好坏用冲击韧性值表示，它是对带有夏比V型缺口（Charpy）试件进行冲击试验测得的试件断裂时的冲击功。405522r1r2.51:5摆锤1010101055452r0.25(a)(b)r2.5第第3章章 钢结构材料钢结构材料 韧性好表示在动荷载作用下破坏时能吸收比较多的能量，从而提高结构抵抗动力荷载的能力，降低脆性破坏的危险程度。对需要验算疲劳的结构所用钢材应具有在不同试验温度下的冲击韧性的合格保证。对其它重要的受拉或受弯的焊接构件中，厚度大于16mm的钢材应具有常温冲击韧性的合格保证。第第3章章 钢

14、结构材料钢结构材料可焊性是指在一定的焊接工艺和结构条件下，钢材经过焊接后能够获得良好的焊接接头的性能。可分为施工上的可焊性的和使用上的可焊性。施工上的可焊性好是指在一定的焊接工艺下，焊缝金属及其附近金属均不产生裂纹；使用上的可焊性好是指焊接构件在施焊后的力学性能不低于母材的力学性能。钢材的可焊性受碳含量和合金元素含量的影响。普通碳素钢当其含碳量在0.27以下，含锰量在0.7以下，含硅量在0.4以下，硫、磷含量各在0.05以下时，可焊性是好的。对低合金钢，用碳当量CE衡量其可焊性。碳当量CE越高可焊性越差。第第3章章 钢结构材料钢结构材料3.4钢材的选用钢材的选用1选择钢材牌号和材性时应综合考虑

15、的因素(1)结构的重要性。(2)荷载情况。(3)连接方法。(4)结构所处的温度和环境 结构所处的环境条件，如温度变化情况及腐蚀介质情况等，(5)钢材厚度。第第3章章 钢结构材料钢结构材料3.5.1碳素结构钢 碳素结构钢包括一般结构钢和工程用热轧钢板、钢带、型钢等。现行国家标准碳素结构钢(GB7002006)具体规定了它的牌号表示方法、代号和符号、技术要求、试验方法、检验规则等。碳素结构钢的化学成分、力学性能、特性和用途，应分别符合表3.7、表3.14、表3.16的要求。3.5建筑常用钢材建筑常用钢材第第3章章 钢结构材料钢结构材料(一)牌号表示方法 1、分类：标准中规定：碳素结构钢按屈服点的数

16、值(MPa)分为195、215、235、275共四种；按硫磷杂质的含量由多到少分为A、B、C、D四个质量等级；按照脱氧程度不同分为特殊镇静钢(TZ)、镇静钢(z)和沸腾钢(F)。2、牌号：钢的牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级和脱氧程度四个部分按顺序组成。对于镇静钢和特殊镇静钢，在钢的牌号中予对于镇静钢和特殊镇静钢，在钢的牌号中予以省略。以省略。如Q235-AF，表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢；Q235-C表示屈服点为235MPa的C级镇静钢。第第3章章 钢结构材料钢结构材料(二)钢材的选用 建筑工程中应用广泛的是Q235号钢。其含碳量为014022，属低碳钢，具有较高的强度，良好的塑性、韧性及可焊性，综合性能好，能满足一般钢结构和钢筋混凝土用钢要求，且成本较低。在钢结构中主要使用Q235钢轧制成的各种型钢。Q195、Q215号钢，强度低，塑性和韧性较好，易于冷加工，常用作钢钉、铆钉、螺栓及铁丝等。Q215号钢经冷加工后可代替Q235号钢使用。Q275号钢，强度较高，但塑性、韧性较差，可焊性也差，不易焊接和冷弯加工，可用于轧制钢筋、作螺栓配件等，但更多用于机械零件和工