第二章-钢结构材料-§21-结构钢材的破坏形式.pptx

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 。2.2钢结构对钢材性能的要求1较高的强度 钢材的强度指标主要有屈服强度（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；(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。2.2钢结构对钢材性能的要求(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。Q235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。第二章 钢结构材料 2.2钢结构对钢材性能的要求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。第二章 钢结构材料 2.2钢结构对钢材性能的要求应力-应变关系可根据不同要求选用计算模型。v理想弹塑性型最为简单，一般结构破坏时钢材的应变(1)尚未进入强化段。v弹性强化模型为二折线，屈服后的应力一应变关系简化为很平缓的斜直线，可取E|=0.01Es，优点是应力和应变关系的惟一性。v三折线或曲线的弹一塑性强化模型较为复杂些，但可较准确地描述钢筋的大变形性能。第二章 钢结构材料 2.2钢结构对钢材性能的要求对高强度钢材，如碳素钢丝、钢绞线和热处理钢材拉伸曲线上没有明显的屈服台阶。取对应于残余应变为0.2时的应力f0.2作为屈服点fy，根据试验结果得 f0.2=（0.80.9）fb 第二章 钢结构材料 2.2钢结构对钢材性能的要求硬钢的应力应变关系一般采用RambergOsgood模型。参数n=730，取决于钢材的种类。黄成若根据钢筋的试验结果建议的计算式第二章 钢结构材料 2.2钢结构对钢材性能的要求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。当试件为板材时，和 ，F0为试件横截面面积。第二章 钢结构材料 2.2钢结构对钢材性能的要求 塑性好则结构破坏前变形比较明显，从而可避免发生脆性破坏。塑性好还能调整局部高峰应力，使应力重分布，趋于平缓，并能提高构件的延性和结构的抗震能力。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，对非承重结构构件所用钢材也要保证其伸长率。第二章 钢结构材料 2.2钢结构对钢材性能的要求3.韧性好 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。第二章 钢结构材料 2.2钢结构对钢材性能的要求 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。第二章 钢结构材料 2.2钢结构对钢材性能的要求4.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。结构构件在制作、安装过程中要进行冷加工，尤其是焊接结构焊后变形的调直等工序都需要钢材有合格的冷弯性能。而非焊接的重要结构（如吊车梁、大跨度重型桁架等）以及需要弯曲成型的构件等，亦都要求具有冷弯性能合格的保证。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。第二章 钢结构材料 2.2钢结构对钢材性能的要求5.可焊性好 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。2.3 影响钢材性能的主要因素 钢材的性能受许多因素的影响，其中有些因素会促使钢材产生脆性破坏，应格外重视。1.化学成分 钢材是由各种化学成分组成的，其基本元素为铁（Fe），碳素结构钢中铁占99%，碳和其他元素仅占1%，但对钢材的性能有着决定性的影响。普通低合金钢中还含有低于5%的合金元素。碳（C）。碳是碳素结构钢中仅次于铁的主要元素，是钢材强度的主要来源，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%。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%。第二章 钢结构材料 2.3 影响钢材性能的主要因素 磷（P）。磷也是一种有害元素，虽磷的存在使钢材的强度和抗锈蚀性提高，但严重降低钢材的塑性、韧性、可焊性、冷弯性能等，特别是在低温时使钢材变脆，即冷脆。钢材中磷的含量一般不得超过0.045%。磷在钢材中的强化作用十分显著，有些国家生产高磷钢，含磷量最高可达0.08%0.12%，由此引起的不利影响通过降低含碳量来弥补。氧（O）和氮（N）。氧和氮都是钢材的有害杂质，氧的作用与硫类似，使钢材产生热脆，一般要求其含量小于0.05%；而氮的作用与磷类似，使钢材产生冷脆，一般要求其含量小于0.008%。由于氧、氮容易在冶炼过程中逸出，且根据需要进行不同程度的脱氧处理，其含量一般不会超过极限含量。第二章 钢结构材料 2.3 影响钢材性能的主要因素 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。但含量过高将使钢材变脆，降低钢材的抗锈蚀性和可焊性。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1.2%1.6%。硅（Si）。硅是一种强脱氧剂，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，含量过大（达1%左右）时，会降低钢材的塑性、韧性、抗锈蚀性和可焊性。一般含硅量不超过0.3%。为改善钢材的性能，可掺入一定数量的其它元素，如铝（Al）、铬（Cr）、镍（Ni）、铜（Cu）、钛（Ti）、钒（V）等。第二章 钢结构材料 2.3 影响钢材性能的主要因素 2.冶炼、轧制、热处理冶炼 平炉和氧气顶吹转炉来冶炼，二者钢材质量基本相同，都较好。为排除钢水中的氧元素，浇铸前要向钢液中投入脱氧剂，按脱氧程度的不同，形成沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。沸腾钢是以锰作为脱氧剂，脱氧不充分，钢水出现剧烈沸腾现象而得名。因沸腾钢含有较多的氧、氮等元素，其塑性、韧性和可焊性较差，容易发生时效和变脆。但沸腾钢成品率高，成本较低，质量能满足一般承重结构的要求，因而广泛应用。镇静钢除了加锰以外，还加强脱氧剂硅，脱氧比较充分。具有较高的冲击韧性，较小的时效敏感性和冷脆性，冷弯性能、可焊性和抗锈蚀性较好等优点。但成品率低，成本较高。半镇静钢的脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，其性能也介于二者之间。特殊镇静钢是在用锰和硅脱氧之后，再用铝等进行补充脱氧，能明显改善各项力学性能。第二章 钢结构材料 2.3 影响钢材性能的主要因素 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。偏析是指钢中化学成分分布不均匀，特别是硫、磷偏析严重恶化钢材的性能；非金属夹杂是指钢中含有硫化物、氧化物等杂质；气孔是由于氧化铁与碳作用生成的一氧化碳不能充分逸出而形成的；非金属夹杂物在轧制后会造成钢材的分层。这些缺陷都将降低钢材的性能。分层使钢材沿厚度受拉的性能大大降低。轧制 钢的轧制是在高温（12001300）和压力作用下将钢锭热轧成钢板或型钢。轧制使钢锭中的小气孔、裂纹等缺陷焊合起来，使金属组织更加致密，并能消除显微组织缺陷，从而改善了钢材的力学性能。一般来说，轧制的钢材愈小（愈薄），其强度愈高，塑性和冲击韧性也愈好。由此规范对钢材按厚度进行分组。热轧的钢材由于不均匀冷却产生残余应力，一般在冷却较慢处产生拉应力，早冷却处产生压应力第二章 钢结构材料 2.3 影响钢材性能的主要因素 热处理 钢的热处理就是将钢在固态范围内施以不同的加热、保温和冷却，以改变其性能的一种工艺，根据加热和冷却方法的不同，建筑结构钢的热处理主要有：退火处理、正火处理、淬火处理、回火处理。热处理可改善钢的组织和性能，消除残余应力。淬火加高温回火的综合操作称为调质处理，可让钢材获得强度、塑性和韧性都较好的综合性能。第二章 钢结构材料 2.3 影响钢材性能的主要因素 3.钢材的硬化硬化有时效硬化和冷作硬化两种。时效硬化是指钢材随时间的增长，钢材强度(屈服点和抗拉强度)提高，塑性降低、特别是冲击韧性大大降低的现象。时效硬化的过程一般很长。为了测定钢材时效后的冲击韧性，常采用人工快速时效方法，即先使钢材产生10左右的塑性变形，再加热至250左右并保温1小时，然后在空气中冷却。冷作硬化是指当钢材冷加工（剪、冲、拉弯等）超过其弹性极限卸载后，出现残余塑性变形，再次加载时弹性极限（或屈服点）提高的现象。冷作硬化降低了钢材的塑性和冲击韧性，增加了出现脆性破坏的可能性。第二章 钢结构材料 2.3 影响钢材性能的主要因素 4.温度的影响u0以上，总的趋势是温度升高，钢材强度、弹性模量降低，塑性增大。u100以内时，钢材性能基本不变；u但在250左右时，钢材出现抗拉强度提高，冲击韧性下降的蓝脆现象，应避免钢材在蓝脆温度范围内进行热加工；u温度超过300后，屈服点和极限强度显著下降；u600时强度很低，不能承担外力。u0以下，总的趋势是温度降低，钢材强度略有提高，塑性、韧性降低而变脆。u特别是当温度下降到某一值时，钢材的冲击韧性突然急剧下降，试件发生脆性破坏，这种现象称为低温冷脆现象。钢材由韧性状态向脆性状态转变的温度叫冷脆转变温度(或叫冷脆临界温度)。第二章 钢结构材料 2.3 影响钢材性能的主要因素 5.复杂应力状态钢材在单向应力作用下，当应力达到屈服点时，钢材即进入塑性状态。但在复杂应力（二向或三向应力）作用下，钢材的屈服不能以某个方向的应力达到来判别，而应按材料第四强度理论用折算应力与钢材单向应力下的比较来判别。或用主应力表达 当 时，钢材处于弹性状态；钢材处于塑性状态。第二章 钢结构材料 2.3 影响钢材性能的主要因素 由式（2-3）可知，当 同号，且数值接近时，即使每个应力都超过 ，钢材也很难进入塑性状态，材料都不破坏当真？（1）当三向应力皆为压力静水压力，不破坏。（2）当三向应力皆为拉力时，可能破坏，且一定为脆性破坏。此时材料由于三向受拉限制了材料的塑性发展，甚至破坏时也没有明显的塑性变形。能量理论所得的公式只适用于塑性材料。因此，形式上的不破坏与实际的脆性破坏是不矛盾的，只是实际的脆性破坏不再符合能量理论的基本假定。2对于一般应力状态，可以根据具体应力状态及形式，采用如上公式对构件进行检查。对于平面应力状态：对梁腹板，记 ，则 对纯剪状态：其屈服条件为：，故 第二章 钢结构材料 2.3 影响钢材性能的主要因素 钢材在双向拉力作用下屈服点和抗拉强度提高，伸长率下降。当双向拉应力愈接近，伸长率下降愈多。在异号双向应力作用下，屈服点和抗拉强度降低，伸长率增大。是三向受拉作用下，钢材的伸长率比二向受拉还进一步下降，甚至趋向于零，表现为脆性破坏。图中表示最大主应力。为主应力相应应变。曲线a为单向受拉。曲线b为两向受拉。曲线c为一向受拉，一向受压。第二章 钢结构材料 2.3 影响钢材性能的主要因素 6.应力集中的影响 在钢结构构件中不可避免地存在着孔洞、槽口、凹角、形状变化和内部缺陷等，此时，轴心受力构件在截面变化处应力不再保持均匀分布，而是在一些区域产生局部高峰应力，在另外一些区域则应力降低，形成应力集中现象.更严重的是，靠近高峰应力的区域总是存在着同号平面或立体应力场，因而促使钢材变脆。高峰应力与净截面的平均应力之比称为应力集中系数，构件形状变化愈急剧，应力集中系数愈大，变脆的倾向亦愈严重。在一般情况下由于结构钢材的塑性较好，当内力增大时，应力分布不均匀的现象会逐渐平缓。故受静荷载作用的构件在常温下工作时，只要符合规范规定的有关要求，计算时可不考虑应力集中的影响。但在低温下或动力荷载作用下的结构，应力集中的不利影响将十分突出，往往是引起脆性破坏的根源，设计时应采取措施避免或减小应力集中。第二章 钢结构材料 2.3 影响钢材性能的主要因素 7.反复荷载作用当构件反复应力小于fy时，反复应力作用下钢材的材性无变化，也不存在残余变形。当钢材的反复应力大于fy时，明显的屈服台阶消失，完全卸载后有残余应变，残余应变值随卸载时的应变增大而增大。但最大应力值基本不变，但对应的应变和极限延伸率都减小。卸载平行于初始加载。多次反复加荷后，钢材的强度下降，这种现象称为钢材疲劳。第二章 钢结构材料 2.3 影响钢材性能的主要因素 反复应力较小，而循环次数达几十万、几百万的破坏称为高周疲劳，如吊车梁的破坏。反复应力较大，而循环次数不多的破坏称为低周疲劳，如地震下的破坏。拉压反复荷载下的应力应变曲线称为滞回曲线，它反映了钢材在强烈地震下的抗震性能、耗能能力。各次循环最大应力的连续称为骨架曲线。钢材一次受力(拉或压)屈服后，反向加载(压或拉)时的弹性极限显著降低；且首次加载达到的应变值越大，反向弹性极限降低越多这种现象称为包兴格(Bauschinger)效应。除了首次加载以外，其它正向或反向加载的应力项变关系都因为发生包兴格效应而成为曲线或称软化段。第二章 钢结构材料 2.3 影响钢材性能的主要因素 从以上论述中，我们看到有许多因素会使钢材产生脆性破坏，因此，在钢结构设计、施工和使用中，应根除或减少使钢材产生脆性破坏的因素，才能保证结构的安全。