华中科技大学：《钢结构设计原理》课程电子教案（PPT教学课件）第二章 钢结构的材料

第二章钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure 钢结构对材料的要求 (1)较高的抗拉强度和屈服点f (2)塑性、冲击韧性好 (3)冷加工性能好 (4)可焊性好 (5)耐久性好 钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure

钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure 1、钢结构对材料的要求 （1） 较高的抗拉强度fu和屈服点fy （2） 塑性、冲击韧性好 （3） 冷加工性能好 （4） 可焊性好 （5） 耐久性好 第二章 钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure

第二章钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure 2、钢材的生产 钢材的生产大致分为炼铁、炼钢和轧制三道工序。 (1)炼钢 炼钢炉有三种形式:转炉、平炉和电炉 转炉钢是利用高压空气或氧气使炉内生铁熔液的碳和其它杂物 氧化,在高温下使铁液变为钢液。(生产周期短,效率高,质量好,成 本低,已经成为国内外发展最快的炼钢方法。) 平炉钢是利用煤气和其它燃料供应热能,把废钢、生铁熔液或 铸铁块和不同的合金元素等冶炼成各种用途的钢。(生产周期长,效率 低,成本高,现已逐步被转炉钢所取代。) 电炉钢是利用电热原理,在电弧炉内冶炼。(质量好,但耗电 量大,成本高,一般只用来冶炼特种用途的钢材。) 钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure

第二章 钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure 钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure 2、钢材的生产 钢材的生产大致分为炼铁、炼钢和轧制三道工序。 电炉钢是利用电热原理，在电弧炉内冶炼。（质量好，但耗电 量大，成本高，一般只用来冶炼特种用途的钢材。） 炼钢炉有三种形式：转炉、平炉和电炉。 转炉钢是利用高压空气或氧气使炉内生铁熔液的碳和其它杂物 氧化，在高温下使铁液变为钢液。（生产周期短，效率高，质量好，成 本低，已经成为国内外发展最快的炼钢方法。） 平炉钢是利用煤气和其它燃料供应热能，把废钢、生铁熔液或 铸铁块和不同的合金元素等冶炼成各种用途的钢。（生产周期长，效率 低，成本高，现已逐步被转炉钢所取代。） （1）炼 钢

第二章钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure (2)浇注」 浇注是指把熔炼好的钢液做成钢锭或钢坯。 用连续铸造法生产钢坯的工艺和设备,由于机械化、自动化 程度高的优势,已经逐渐取代了笨重而复杂的铸锭工艺和设备 (3)脱氧」 钢液中残留的氧,将使钢材晶粒粗细不均匀并发生热脆,降 低钢材的力学性能。 按照钢液在炼钢炉中进行脱氧的方法和程度不同,碳素结构钢 可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢, 钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure

第二章 钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure 钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure 浇注是指把熔炼好的钢液做成钢锭或钢坯。 用连续铸造法生产钢坯的工艺和设备，由于机械化、自动化 程度高的优势，已经逐渐取代了笨重而复杂的铸锭工艺和设备。 钢液中残留的氧，将使钢材晶粒粗细不均匀并发生热脆，降 低钢材的力学性能。 按照钢液在炼钢炉中进行脱氧的方法和程度不同，碳素结构钢 可分为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。 （2） 浇 注 （3）脱 氧

第二章钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure 沸腾钢。 采用的脱氧剂为脱氧能力较弱的锰,因此脱氧不完全,且浇 注时会有气体逸岀,岀现钢液的沸腾现象,由于沸腾钢在铸模中 冷却很快,气体逸出不完全,凝固后的钢材中留有较多的杂质和 气体,钢的质量较差。 镇静钢 采用锰加硅做脱氧剂,脱氧较完全,由于硅在还原的过程中 会产生热量,使钢液冷却缓慢,让气体充分逸出,钢的质量好, 但成本高。 。半镇静钢 脱氧程度和钢材质量介于上述二者之间。 。特殊镇静钢。1 在锰和硅脱氧后,再用铝补充脱氧,其脱氧程度高于镇静钢。 钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure

第二章 钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure 钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure 在锰和硅脱氧后，再用铝补充脱氧，其脱氧程度高于镇静钢。 沸 腾 钢 采用的脱氧剂为脱氧能力较弱的锰，因此脱氧不完全，且浇 注时会有气体逸出，出现钢液的沸腾现象，由于沸腾钢在铸模中 冷却很快，气体逸出不完全，凝固后的钢材中留有较多的杂质和 气体，钢的质量较差。 镇 静 钢 采用锰加硅做脱氧剂，脱氧较完全，由于硅在还原的过程中 会产生热量，使钢液冷却缓慢，让气体充分逸出，钢的质量好， 但成本高。 半 镇 静 钢 特殊镇静钢 脱氧程度和钢材质量介于上述二者之间

第二章钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure (4)加工(热加工、冷加工和热处理) 热加工 指将钢坯加热至塑性状态,依靠外力改变其形状 生产出各种厚度的钢板和型钢。(热加工的开轧和锻 压温度控制在1150-1300°C) 冷加工 指在常温下对钢材进行加工。(冷作硬化现象) 热处理 指通过加热、保温、冷却的操作方法,使钢材的组 织结构发生变化,以获得所需性能的加工工艺。(退火、 正火、淬火和回火) 钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure

第二章 钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure 钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure （4）加工（热加工、冷加工和热处理 ） 热处理 指通过加热、保温、冷却的操作方法，使钢材的组 织结构发生变化，以获得所需性能的加工工艺。（退火、 正火、淬火和回火） 热加工 指将钢坯加热至塑性状态，依靠外力改变其形状， 生产出各种厚度的钢板和型钢。（热加工的开轧和锻 压温度控制在1150-1300℃ ） 冷加工 指在常温下对钢材进行加工。（冷作硬化现象）

第二章钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure 3、钢材的主要性能 3.1钢材的破坏形式 特征断口后果 构件应力超过屈常为杯形,呈纤在破坏前有很明 塑性破坏 服点,并且达到维状,色泽发暗。显的变形,并有 抗拉极限强度后 较长的变形持续 (延性破坏)构件产生明显的 时间,便于发现 变形并断裂。 和补救。 在破坏前无明显平直和呈有光泽突然发生的,危 脆性破坏|变形,平均政力的晶粒。 险性大,应尽量 避免。 于屈服点),没 有任何预兆。 钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure

第二章 钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure 钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure 3、钢材的主要性能 3.1 钢材的破坏形式 特 征 断 口 后 果 塑性破坏 （延性破坏） 构件应力超过屈 服点，并且达到 抗拉极限强度后， 构件产生明显的 变形并断裂。 常为杯形，呈纤 维状，色泽发暗。 在破坏前有很明 显的变形，并有 较长的变形持续 时间，便于发现 和补救。 脆性破坏 在破坏前无明显 变形，平均应力 也小（一般都小 于屈服点），没 有任何预兆。 平直和呈有光泽 的晶粒。 突然发生的，危 险性大，应尽量 避免

第二章钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure 32单向拉伸时的工作性能 (1)试验条件 a)试件的尺寸要符合国家标准,表面光滑,没有孔洞、刻槽 等缺陷。试件的标定长度取其直径的5或10倍。 (b)荷载要分级逐次增加,直到试件破坏。 (c)试验温度要控制在室温20C左右。 标准试件 钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure

第二章 钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure 钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure 3.2 单向拉伸时的工作性能 （1）试验条件 （a）试件的尺寸要符合国家标准，表面光滑，没有孔洞、刻槽 等缺陷。试件的标定长度取其直径的5或10倍。 （b）荷载要分级逐次增加，直到试件破坏。 （c）试验温度要控制在室温20℃左右。 Lo d 标准试件

第二章钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure (2)钢材的应力-应变关系 A.有屈服点钢材o—c线可以分为四个阶段: (a)弹性阶段(OB段) 0A段:纯弹性阶段 d=E8 A点对应的应力: σp(比例极限) AB段:有一定的塑性 变形,但整个 0B段卸载时, E=0 O o=E& B点对应的应力: σe(弹性极限) 单调拉伸应力-应变曲线 钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure

第二章 钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure 钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure （2）钢材的应力-应变关系 A. 有屈服点钢材s---e曲线可以分为四个阶段： (a)弹性阶段(OB段) s u e s O s A s = Ee B C D A E s y 单调拉伸应力-应变曲线 OA段：纯弹性阶段 s=Ee A点对应的应力： sp （比例极限） AB段：有一定的塑性 变形, 但整个 OB段卸载时, e=0 B点对应的应力： se （弹性极限）

第二章钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure (b)屈服阶段(BcD) 特点:应力与应变不再成正比关系,应变增加很快,应力-应变曲线呈锯齿形波动, 出现应力不增加而应变仍然在继续发展。 塑性变形:卸载后试件 不能完全恢复原来的长 度。不能恢复的这一部 分变形称为塑性变形。 B ‖ 屈服点(屈服强度): 屈服阶段曲线波动部分 的最低值。 流幅:从屈服阶段的开 始到曲线再度上升的应 变幅度称为流幅 o= Ea 钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure

第二章 钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure 钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure （b）屈服阶段（BCD) 塑性变形：卸载后试件 不能完全恢复原来的长 度。不能恢复的这一部 分变形称为塑性变形。 屈服点（屈服强度）： 屈服阶段曲线波动部分 的最低值。 流幅：从屈服阶段的开 始到曲线再度上升的应 变幅度称为流幅。 特点：应力与应变不再成正比关系，应变增加很快，应力-应变曲线呈锯齿形波动， 出现应力不增加而应变仍然在继续发展。 s u e s O s A s = Ee B C D A E s y

第二章钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure (c)强化阶段DE段 随荷载的增加σ缓慢增大,但ε增加较快 抗拉强度(极限强度)f试件所能承受的最大拉应力 ■■■■■■■■■■口■■■■■■■■ (d)颈缩阶段(EF段) 截面出现了横向收 缩,截面面积开始 显著缩小,塑性变 rc出 形迅速增大,应力 不断降低,变形却 延续发展,直至F点 试件断裂。 -Ea 钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure

第二章 钢结构的材料 Chapter 2 Material of Steel Structure 钢结构设计原理 Design Principles of Steel Structure （c）强化阶段(DE段) 随荷载的增加σ缓慢增大,但ε增加较快 抗拉强度（极限强度）fu 试件所能承受的最大拉应力 （d）颈缩阶段(EF段) s u e s O s A s = Ee B C D A E s y 截面出现了横向收 缩，截面面积开始 显著缩小，塑性变 形迅速增大，应力 不断降低，变形却 延续发展，直至F点 试件断裂。 F